天津城市自動化積水監測及預警的實現

段麗瑤，梁 好，侯天宇，張春莉，陳子煊

(1. 天津市氣象臺 天津300074；2. 天津市突發公共事件預警信息發布中心 天津300074)

0 引 言

天津地處九河下梢，地形低平，夏季強降水經常導致城區大面積積水，給城市交通、行人行車、城市運行等帶來極大影響，嚴重威脅低洼、老舊、危房地段的商業區和社區居民的生命和財產安全。孫永尚等[1]基于北京的積水自動監測站網，建立了北京市內澇積水監測預警系統，實現了積水深度信息的實時獲取、快速查詢等功能，為政府應對城市積澇提供了一手資料；邵鵬飛等[2]采用移動 GIS和云服務等技術，設計了具有道路實時積水呈現、道路通行告警、汛情實景圖片、政府信息通告等功能的一體化城市內澇監測預警信息系統，為政府和公眾提供服務。

針對城市積澇的監測預警，天津市也開展了許多研究，解以揚等[3]綜合考慮降水量、城市管網、地面高程、下墊面狀況等多種因素建立了城市暴雨內澇數學模型，并在全國30多個省市進行推廣應用；陳靖等[4]在前期研究的基礎上，開展了更深入的研究，建立了天津市典型區域立體多重城市內澇模型，開展典型區域的城市積澇預測預警。但由于天津城市積水監測自動化水平較低，數據精細化程度不夠，難以滿足城市積澇監測預報預警和服務的需求，需要盡快建立自動化程度高、能快速進行積水數據采集和處理的城市積水監測站網，以及基于位置信息的天津城市積水監測預報預警系統，更好地為政府和社會公眾提供服務，更好地避災避險。

1 城市積水監測站網建設

1.1 研發積水監測設備

積水監測傳感器的原理：采用薄膜式壓力傳感器，將水底的壓力與外部環境的氣壓進行比較，將薄膜產生的微小形變通過精密放大電路轉化為電壓信號，從而實現精確的積水深度信息采集。如圖 1所示，作者所在的研發團隊應用物聯網技術自主研發出一種新型的積水監測設備，將設備安裝在道路兩邊的路燈桿或監控桿內部，在路肩處與地面平行開孔放入壓力傳感器，當路面出現積水時，傳感器就可以通過接觸積水監測積水深度，再將數據通過GPRS網絡回傳至服務器端，實現了內澇風險點積水數據實時動態自動上傳。

圖1 積水監測傳感器(下)及傳感探頭(上)Fig.1 Water accumulation monitoring sensor(lower)and sensor probe(upper)

1.2 建設城市積水監測站網

天津市氣象局于2014年通過開展城市內澇風險普查，確定了天津城區140個易積水路段。2018年入汛前項目組聯合各街道辦事處走訪調查積水隱患點及積水監測設備的安裝條件，在中心城區地鐵站周邊安裝20個積水監測站點，覆蓋重點積水地區、商圈、大型居民區等人員密集區。

20個積水監測站于 2018年 6月前建成并投入使用，2018年汛期成功監測積水實況數據，形成逐5min(可自定義采集頻率，最小間隔 1min)積水深度采集數據庫。數據采集和傳輸質量經人工現場檢驗，測量誤差在1%范圍內。2019年又安裝了150個積水監測站點，基本實現了中心城區易積水點的監測站點全覆蓋。

2 城市積水監測預警服務平臺

如圖2所示，基于Web GIS技術，采用B/S、C/S混合架構設計，建成天津城市積水監測及內澇風險預警推送系統，包括設備通信管理子系統、積水深度預報子系統、數據支撐子系統、積水監測預警業務子系統。在 PC端實現積水深度和降雨量的監測、精細化降雨量預報、雷達資料等數據的充分融合，滿足業務人員分析和處理數據的需求。可在線管理積水檢測設備運行、實時監測所有積水監測站點的積水深度并預測未來一小時積水深度，繪制積水點積水深度變化曲線及城市內澇風險預警色斑圖。提供內澇風險預警功能，可查詢內澇風險分析的詳細數據。

圖2 城市自動化積水監測預警服務平臺總體架構Fig.2 Overall structure of urban automatic water accumulation monitoring and early warning service platform

3 基于位置的風險預警推送

建立了移動端基于位置的風險預警推送系統，該系統包括 4個子模塊：積水風險預警處理子模塊、地理信息匹配子模塊、網格化數據子模塊、移動端預警推送子模塊，實現了基于移動端的城市積水實況監測以及內澇風險預警產品自動加工，通過移動端可實時查詢天津中心城區精確到街道和社區的網格化的積水深度實況以及未來一小時的積水預測信息，并向用戶實時推送基于位置的積水實況和預警服務產品。

4 結 論

天津城市自動化積水監測及預警系統建成后，可向天津市政府及相關部門提供降水和積水監測預測信息，從而提升政府和相關部門城市內澇災害的防御能力和應急處置效率。系統功能及作用如下：

①通過建立天津城市自動化積水監測站網，實現了城區內澇風險點積水數據實時動態自動上傳，其自動化程度高，極大提升了天津城區積水監測能力。

②實現了基于位置的城市內澇風險預警推送，提高了城市內澇風險預報預警服務能力；提供基于位置的積水實況信息和未來一小時積水預測預警信息，為政府決策、相關部門及時排水提供了決策依據，也便于公眾出行及時了解最新積水情況。