基于排水模型與GIS技術的城市內(nèi)澇預測方法

楊 芳，劉長鑫，陳 坤

（蘇州航天系統(tǒng)工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

城市內(nèi)澇往往是由下述兩個原因之一造成：短時間強降雨，排水系統(tǒng)來不及將地表雨水排出；長時間大量降雨，河流湖泊水位較高，排水系統(tǒng)基本癱瘓。不管是哪種原因造成的內(nèi)澇事件，都有可能導致城市道路淹沒、橋梁坍塌、車輛及人員被困等危及人民生命和財產(chǎn)安全的結果。

蘇州市吳中區(qū)屬太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)，地勢低平、水網(wǎng)稠密、湖蕩眾多、低山丘陵呈島狀分布在南太湖沿岸和太湖之中，是防汛、防洪重點區(qū)域。且蘇州地處江南多雨地區(qū)，梅雨季節(jié)持續(xù)時間長，發(fā)生內(nèi)澇災害的可能性較大。因此，本文以蘇州市吳中區(qū)為例，闡述一種將城市排水模型與GIS技術相結合進行城市內(nèi)澇預測的方法。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

近年來，隨著全球氣候變化，我國極端天氣事件頻發(fā)，尤其是暴雨發(fā)生的頻次明顯增加，加劇了城市內(nèi)澇災害的發(fā)生次數(shù)和影響范圍。2015年國務院發(fā)布了《關于推進海綿城市建設的指導意見》，顯示了政府治理和防范城市內(nèi)澇的決心。同時，在水利和科技領域，國內(nèi)外的從業(yè)人員都在致力于研究內(nèi)澇監(jiān)測、預測的方法。早在20世紀50年代，美國農(nóng)業(yè)部水土保持局就提出了小流域設計洪水模型（SCS模型），該模型充分考慮了地表徑流下墊面的特點，將土壤類型、含水量、坡度等因素納入水文模型進行計算[1-4]，對內(nèi)澇進行預測。但是現(xiàn)代化城市中排水管網(wǎng)縱橫分布，城市排水較小程度地依賴地表土壤的滲流。SWMM模型[5-8]是一個動態(tài)的降水-徑流模擬模型，常被用來模擬城市排水過程，對排水系統(tǒng)的設計提供參考依據(jù)[4]。但是該模型沒有將實際排水管網(wǎng)中現(xiàn)有水量作為考量因子，在實際內(nèi)澇預測中偏差較大。

較為準確的內(nèi)澇預測做法應該是實時動態(tài)變化的。在較長一段時間內(nèi)，城市地形地貌、土壤類型都是相對穩(wěn)定的；但在任一時刻，城市的某個區(qū)域發(fā)生內(nèi)澇的概率都在發(fā)生變化，這主要依賴于排水管網(wǎng)、河流湖泊、集水區(qū)等的現(xiàn)有水量，實時天氣預測降雨數(shù)據(jù)等。

2 系統(tǒng)組成與實現(xiàn)方法

系統(tǒng)共包括排水設施基礎數(shù)據(jù)、城市排水模型、前端感知設備、氣象數(shù)據(jù)和GIS空間數(shù)據(jù)服務等部分，其中：

（1）排水設施基礎數(shù)據(jù)主要是蘇州市吳中區(qū)排水管網(wǎng)設施的拓撲結構；

（2）城市排水模型采用英國華霖富公司的InfoWorks ICM和ICM Live計算模型；

（3）前端感知設備包括液位計傳感器、流速計傳感器和雨量計傳感器等；

（4）氣象數(shù)據(jù)主要是未來一段時間的降雨預報數(shù)據(jù)；

（5）GIS空間數(shù)據(jù)服務主要提供排水、應急等基礎設施的位置計算與統(tǒng)計，內(nèi)澇過程的動態(tài)展示。

系統(tǒng)組成架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成架構圖

前端感知設備的布點方案是一項非常重要的設計工作。在河道、排水管線、下水井以及易澇點安裝合適的傳感器，對最終計算結果的準確度有非常重要的影響。系統(tǒng)在運行時，需保證所有前端傳感器正常工作，且數(shù)據(jù)采集頻率可調(diào)節(jié)。在冬季降雨量較少時，每天采集1～2次液位和流速數(shù)據(jù)；在夏天雨量充沛的季節(jié)，每隔5～10 min采集1次數(shù)據(jù)。

將排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)輸入到InfoWorks ICM進行基礎建模，生成圖2所示的計算模型。

圖2 吳中區(qū)部分地區(qū)內(nèi)澇模型

模型建立完畢后，需利用液位計、流速計以及雨量計的實際監(jiān)測值對模型進行3～6個月的預熱調(diào)優(yōu)（warm up），使其更加適應吳中區(qū)的地形特征和排水能力。模型調(diào)優(yōu)后，ICM Live從數(shù)據(jù)庫中自動讀入實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時從互聯(lián)網(wǎng)接入氣象預報數(shù)據(jù)（本例中接入的是彩云天氣的降雨量預報數(shù)據(jù)），使得降雨量預報數(shù)據(jù)可以自動進入模型參與運算。ICM Live會調(diào)用ICM模型計算未來一段時間（一般為6 h）內(nèi)整個區(qū)域的城市淹水情況及其動態(tài)變化數(shù)據(jù)[9-10]。該數(shù)據(jù)可以Shape file文件格式保存，也可以結構化的形式存入數(shù)據(jù)庫。用戶端通過GIS引擎讀取文件或數(shù)據(jù)庫并展示，即可對應看到預測時間段內(nèi)的城市淹水情況。

3 歷史內(nèi)澇模擬

以吳中區(qū)太湖新城部分區(qū)域在2015年8月發(fā)生的短時間強降雨為例，模擬該區(qū)域地面積水過程，每5 min取1次積水數(shù)據(jù)，模擬時長為2 h。圖中白色箭頭指示積水的流向。

對比圖3、圖4可以看出，在內(nèi)澇剛發(fā)生約40 min時（見圖3），地面積水區(qū)域較小，且多數(shù)地方積水深度小于0.07 m，而在內(nèi)澇發(fā)生90 min后（見圖4），內(nèi)澇區(qū)域明顯增大，且多數(shù)地方積水深度大于0.07 m。

在實際地形探測中可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域靠近蘇州灣，地勢低洼，多年來一直是易澇點，該預測結果基本符合記錄數(shù)據(jù)。

4 結 語

對城市內(nèi)澇的預測是一個復雜的計算過程，其中基礎數(shù)據(jù)的準確性、模型運算的準確度是兩個至關重要的影響因素。本文系統(tǒng)已在蘇州市吳中太湖新城運行管理中心正式運行，運行結果表明：在給定降雨量的情況下，可以準確預測出城市中各易澇點是否會發(fā)生內(nèi)澇，并且正確展示出在各時間點的內(nèi)澇態(tài)勢；對于內(nèi)澇區(qū)域內(nèi)各點積水深度的判斷，由于上述誤差的存在，很難做到絕對正確；但是系統(tǒng)對整體區(qū)域的積水深度的判斷是正確的，可以為城市管理部門防范和治理內(nèi)澇提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

圖3 強降雨初期地面積水情況

圖4 強降雨中后期地面積水情況