泰安市城市水文智慧監測工程設計方案探討

于 鵬 侯恩光 張忠科

(泰安市水文局，山東 泰安 271000)

1 開展城市水文的必要性

泰安市是國家重要的旅游城市之一，也是山東省重點旅游城市，近年來，隨著全球氣候變化和城市化進程的加快，市區不透水面積逐步增加，城區暴雨產匯流倍增、防洪排澇壓力增大，暴雨積水造成的城市生命線系統癱瘓、危舊房倒塌、地下設施進水、大量汽車受淹等問題日益突出，嚴重時甚至造成人員傷亡，暴雨引發的洪水災害已成為影響城市公共安全的突出問題和制約泰安經濟社會發展的重要因素之一，開展城市水文研究已迫在眉睫。

隨著水文智能監測設備的出現，物聯網技術以及智能處置專業模型的發展為城市水文提供了技術支持，這些先進的監測設施設備為增強城市防洪排澇提供了保障，填補城市水文這一短板成為可能。泰安市出臺了《關于加快推進海綿城市建設的實施意見》，提出增強城市防澇減災能力，提高城市水生態品質，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施，有效減輕洪澇危害，提升城市綜合承載能力。加快城市水文監測系統建設，順應泰安市建設海綿城市規劃要求，開展城市水文智慧監測研究是很有必要的。

城市是一個地區的政治、經濟、文化中心，城市人口和財富相對集中，一旦遭災，損失巨大。研究城市水文效應、城市化對水文過程的影響，解決城市防洪排澇、城市水資源及水生態環境問題，對于泰安市城市發展規劃、城市建設、環境保護、市政管理、經濟發展和居民生活等都具有十分重要的意義。

2 泰安市城市水文情況概述

2.1 泰安市水文氣象情況

泰安市屬暖溫帶大陸性季風型氣候區，四季分明，春季干燥多風，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷少有雨雪。泰安市多年平均降水量為690.6mm，其中6—9月降水量528.6mm，占年降水量的76.5%，3—5月降水量97.7mm，占年降水量的14.1%，具有春旱、夏澇、晚秋又旱的特點。降水量的年際變化也比較明顯，豐、枯交替出現。

2.2 市區洪澇災害基本情況

1949年以來，泰安市于1954年、1957年、1964年、1987年、1994年、1996年、2003年、2018年、2019年、2020年等先后發生洪澇災害。

1996年7月28—31日，泰安市城內出現自1966年以來罕見大暴雨，暴雨中心在泰山及泰安市城區周圍，7月30日16時40分至17時40分泰安市城區1h降雨量120mm，泰山南麓降雨200mm，由于降雨時間短、強度大，造成山洪暴發，城區洪水泛濫成災，4人死亡。泰安市城區347個單位和1.5萬戶居民住宅進水，部分企業停產。泰安火車站進水淹沒軌道，津浦線停發客車0.5h。

3 城區洪澇成因和防洪現狀

3.1 短歷時強降雨頻發

城市化引發的“熱島效應”導致城市突發性降雨時間短強度大，“逢雨必澇”現象不斷上演。其原因是城區道路不透水面積達90%左右，城區地面硬化且建筑物頂部也不存水，降雨后產生的地表徑流較多，匯流時間縮短，峰值出現時間提前且峰量增高，一旦雨量和強度超過泰安市現狀河涌排澇能力和城市排水管網排水能力，就容易出現交通道路積水量暴增、水位瞬時增高導致的交通障礙，危害極大。由于城市人口和財富相對集中，一旦遭災，損失較大。如龍潭路火車站涵洞地勢中間低兩邊高，暴雨過程中排澇不及時極易存水，造成城市交通系統癱瘓、大量汽車受淹，甚至造成人員傷亡。

3.2 城市排水標準偏低

據資料統計，泰安市城區排水管道按3年一遇排澇標準設計，而老城區85%左右的排水管網為1年一遇排澇標準，城市排水標準偏低。隨著城市不斷擴張，硬化面積增加，排水壓力進一步增大。老城區排水系統老化失修，淤積堵塞嚴重，也降低了排水能力。城市排水問題是發生城區洪澇災害的原因之一，一旦大雨傾盆，城市排水系統便力不從心，出現“城區看海”現象。

3.3 城市河道行洪能力不足，缺乏水文預警預測設施

泰安市城區地處泰山南麓，地勢北高南低、西高東低，南北地形高差80多m，地形坡度在1%～2%之間，特殊的地形地貌，形成獨特的“馬路行洪”現象。泰安市內流河主要有泮河、七里河、奈河、梳洗河、雙龍河、明堂河、芝田河等河道，均為雨源型山溪性河流，一旦強降雨，來水迅速，防洪形勢嚴峻。上述內河在設計上均有防洪排澇、蓄水補源的功能。但有的內河水系不能滿足排澇設計標準，且河道中的阻水橋梁、橋涵以及各類垃圾倒棄等使得河道行洪空間被占用、堵塞，造成行洪不暢。同時，當遇到短時強降雨天氣，地表徑流快速進入城市排水系統并匯入河道，使河內水位急劇上漲，嚴重時河水溢出路面，容易引發河洪型內澇。而未進入排水系統的匯流快速流向城市低洼地區，致使城區內澇嚴重。

城市化后僅僅依靠城市路面的排水系統應對城區暴雨洪水是遠遠不夠的，還應針對引起城市水文循環變化的根源作出對策。由于城區內河流缺少必要的水位監測站點和智慧信息顯示系統等水文監測設施，不能及時、實時獲取水文監測數據信息，尤其在每年汛期發生的強降雨過程中不能及時發布市區易積水橋段及低洼路段的積水信息，不能為城區防汛應急提供決策依據，達不到預警預報、科學進行交通管制的目的。因此，認清城市水文監測服務缺位這一短板，積極拓寬服務思路，合理規劃監測站點，加大中心城區水文站點建設和管理是極為重要的。

4 城市水文監測工程建設的功能需求

城市水文環境的變化主要表現在城市積水、排水不暢、地面沉降、水流污染等。從水文角度上來講，泰安市城市水文智慧監測系統要對市區河道、低洼區路段及內澇易發區等地段進行合理完善地布局，在現有水文監測項目的基礎上對這些地方增設水位、雨量等自動化的水文監測設施設備，用于監測降水、徑流、水質、地下水位、排洪能力、道路積水深度等項目，形成專門用于城市內澇的水位、雨量監測信息站點及信息發布、災害預警、視頻監控于一體的智能監測設備和應用。

4.1 城區降水觀測

由于城市范圍不斷擴大，單一的降水觀測點不能滿足城市區域降水分布的需要，所以要根據實際情況布設足夠的雨量站對降水分布進行空間控制，滿足不同區域服務的需求。布設雨量站點時要充分考慮降水量大小、降水時空分布及頻現期等因素，從而有效預測降水帶來的水文效應對城市的影響。

4.2 城區徑流觀測

城區與天然流域最大的區別在于下墊面透水能力，城區內少有的透水區域對徑流影響不大。城市洪災最明顯的特征是產匯流速度快，所以在不同區域加強流量、水流向、排水流速、積水變化等徑流監測至關重要。智慧水文監測設施能實現全自動視頻監控，實現水位、雨量等設備的自動化采集及處理；能夠完成實時水文數據的傳輸及自動存儲和處理，能夠實時視頻監控現場內澇情況，并能夠對內澇情況進行現場顯示以及數據越限進行監測及預警預報等。

4.3 城區地下水位及高程變化監測

城區地面硬化，減少了降水入滲，地下水開采量逐年遞增，使地下水位不斷下降，地面隨之下沉，會使地面建筑物裂縫、沉降、管道破裂等，嚴重影響群眾生活。所以地下水位的觀測、預警及帶來的后果也是城市水文應該研究的內容。

4.4 城區道路積水深度監測

在城區橋涵、低洼地段等易澇區域進行積水深度監測，為排水管網的設計、建設提供科學數據依據，為人們的出行提供安全警示作用。

4.5 城區水文的宣傳需要

城市水文站點一般地處城市繁華地段，建設具有強烈水文元素、鮮明城市特色的水文站點，不僅能夠體現水文標識，更是水文宣傳于社會的窗口。建設諸如東方明珠塔、鑄銅仿古卡尺、卡通人物水文寶貝等一處處帶有地標性景觀的水文站點，能廣泛傳播水文工作的社會價值。

目前，泰安市現有水文站網主要是圍繞監測過境水量及預警預報城市上游來水，為防洪排澇提供決策依據而設立的。城市水文、水位站點應重點設立在市內地勢低洼及易澇區域，依據上述各種功能需求，結合泰安市城區洪澇特點，實行“一點一策”，按照“建設一處站點，形成一道景觀，服務一方民生”的思路，打破過去傳統的為水利服務的單一監測作用，根據不同需求進行觀測，形成服務多樣化、現代化的城市水文監測體系，擴大水文的服務范圍，為城市的規劃和發展提供科學有效的水文數據，降低城市洪災給當地居民和社會帶來的經濟損失。如：在城區橋梁、涵洞及低洼路段建設補充城市水文監測站點，配置雷達式水位計、夜視熒光鏤空水尺及視頻監控等監測設備；在人口密集處建設一批用來發布實時雨水情信息、水深預警及水文宣傳信息于一體的全彩顯示屏視頻監控系統；在流經城區的奈河、梳洗河等河流顯著處建設水位計、視頻監控等設施設備，進行在線流量、水位監測；在城市重點湖泊公園建設控制水生態變化的監測站點。經過這樣合理化的布局形成站類齊全、覆蓋面廣、監測手段先進實用的城市水文智慧監測站網體系，達到預報、預警、應急搶險一體化和上下聯動的目的，能及時提交發布可靠的雨水情信息，全面提升城市水文監測能力。這對完善城區防汛應急體系，整體提高政府處置突發公共事件的能力，促進經濟社會與環境和諧發展具有重要意義。

5 城市水文監測工程技術平臺的設計功能分析

泰安市城市水文智慧監測系統是集水文自動測報、智能處理、物聯網技術、數據庫、系統集成等一系列技術于一體的規模龐大、功能強涉及面廣的系統工程。該系統的運用，實現了城市水文水資源數據的實時采集和共享，以及大數據的深度分析和應用管理，極大提高了城市水文監測的系統智能化水平。

5.1 物聯網技術

物聯網指的是無處不在的末端設備和設施，通過各種無線或者有線的長距離或短距離通信網絡實現互聯互通，通過大集成、云計算等新興ICT技術與水文信息系統的結合，實現城市水文數據實時采集和共享，以及大數據的深度分析和應用管理，采用適當的信息安全保障模式，提供個性化的在線監測、定位、報警等功能。

泰安市城市水文系統采用物聯網技術建設技術框架，大致分為4層，從上至下分別是云計算層、網絡傳輸層、邊緣計算層和信息感知層(見圖1)。通過物聯網實現水文信息的交互和共享。

圖1 水文系統架構設計

信息感知層主要包括城市易澇積水點、水文站點、雨量站點的水文信息和預警信息發布體系，該層用于實現水文信息的在線監測，預警信息實時、現地發布等功能。網絡傳輸層是物聯網對數據進行統一儲存和管理的體系，既包括數據采集現場局域網，也包括實現遠程通信的廣域網。這一層以4G/5G網絡、路由器、交換機、VPN、無線網橋、防火墻等大量的網絡設備和網絡安全設備作為技術支撐。隨著業務系統的云化，采集數據最后進入云計算層，云計算層是物聯網的神經中樞，大致可以分為3層：第一層是負責水文數據收集的各種資源層，如雨量監測層、水位監測層等；再往上是負責數據分析的數據處理層，如水文資料分析層，它會對數據做數據校驗、數據解析、數據管理、數據入庫等工作；最后就是面向城市水文的業務應用層，如信息發布、預警預報、決策建議等。這些最終數據提供給政府主管部門、防汛部門、城管部門、交通運輸部門、應急管理部門或公眾進行使用，并在城市顯著地段、交通標志屏幕上進行實時顯示。

5.2 技術平臺的功能實現

該系統的水文站點包括易澇地段水位監測站、水文站、雨量站等，根據各站點類型配備相應的智能感知儀器設備，從而可以隨時獲取水文實時數據。信息平臺系統分實時監測、信息查詢、城市內澇預報、積水點三維展示、預警服務及發布平臺、信息發布、移動應用及數據維護等板塊。實時監測模塊包括水位、水深、雨量、水文氣象、險情、視頻等監控信息。

在城區易澇和低洼地段，建設以水文監測設備和水文數據模型為核心的城市內澇實時監測預警預報系統。水文監測設備側重 “點”，內澇水文數據模型側重 “面”，兩者相輔相成，監測數據可用于監測和修正城市內澇水文模型，點面結合可以實現洪澇風險的滾動預報。內澇水文監測模型可根據地面水位、內河涌水位和水閘泵站運行情況，以及未來1～3h降水預報信息，繪制相應的洪水風險圖，展示最大水深、淹沒歷時和最高水位時刻等，并可以根據監測、預報的成果對當前或者未來的防洪動態進行模擬，通過視頻監控實時查看積水點、涵洞、立交橋等積水淹沒狀況。

預警服務和發布平臺包含實時監測和預報的雨水情信息，借助廣播、電視、短信平臺、微信等多種發布方式向有關部門提供數據。水利部門可以借助防汛內澇狀況，及時進行防洪排澇調度。交管部門可以通過該系統實時掌握低洼路段的積水狀況，為廣大群眾提供出行指南，避免人員、車輛誤入深水路段造成嚴重經濟損失。

移動應用平臺借助相應APP軟件，實現手機端的顯示，滿足外出和現場處置時對雨水情等實時信息的查詢，實現移動辦公。

6 結 語

泰安市城市水文智慧監測系統的建設，可對于落后于時代發展的城市水文建設起到促進作用。高起點的城市水文建設可減輕因暴雨洪澇災害頻發帶來的城市內澇壓力，具有重大的社會效益和經濟效益。