基于強降雨模擬仿真模型的韌性城市探究

文｜中國城市科學研究會/智慧城市聯合實驗室/中城智慧（北京）城市規劃設計研究院有限公司/智慧城市（合肥）標準化研究院有限公司 杜青峰 萬碧玉 姜棟 李玲玲；中國城市科學研究會/智慧城市聯合實驗室/智慧城市（合肥）標準化研究院有限公司/佛山市南海區中城數字城市促進中心 馬蓉；中國城市科學研究會/智慧城市聯合實驗室/中城智慧（北京）城市規劃設計研究院有限公司/佛山市南海區中城數字城市促進中心 陳宇藝；中國城市科學研究會/智慧城市聯合實驗室/中城智慧（北京）城市規劃設計研究院有限公司 陳慧文

1 韌性城市綜述

《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二 三五年遠景目標的建議》中首提“韌性城市”?！巴七M以人為核心的新型城鎮化，強化歷史文化保護、塑造城市風貌，加強城鎮老舊小區改造和社區建設，增強城市防洪排澇能力，建設海綿城市、韌性城市。”從全球環境變化和城市可持續性科學領域，城市韌性是研究視角和分析工具。主流的研究是單一的社會或災害治理，也有強調物理設施、忽視人的能動性，重災后恢復、輕災前預防等問題。

韌性物理學定義：“回到最初的狀態”?！绊g性城市”遭受突發事件時，能夠自我修復。韌性城市能夠快速分散風險、自動調整恢復，從而有效抵御外來沖擊和減緩內部災害?？偠灾?，在“災難”面前，讓城市既能有效防范，又能快速復原，這就是“韌性城市”。

城市是人類文明的承載體，城市的韌性發展已成為疫情和災害頻發的首要問題。當前四川德陽市、湖北黃石市、浙江義烏市，入選全球“100 韌性城市”。韌性城市是具有吸收未來的對其社會，經濟，技術系統和基礎設施的沖擊和壓力，仍能維持基本的功能，結構，系統和特征的城市。[1]建設安全靈敏的韌性城市也是新型城鎮化試點示范等地區典型做法。隨著災害問題和公共衛生突發事件發生，城市系統屢遭重創，城市居民的生命財產和相關人身安全遭到了極大的威脅。韌性城市提供了一種新的系統視角和理論體系以支撐災害、突發事件等潛在擾動威脅下的城市的可持續發展。

2 城市仿真的技術方法

根據《中共中央國務院關于深入推進城市執法體制改革改進城市管理工作的指導意見》構建智慧城市?！疤剿骷訌姵鞘谢A設施智慧化管理與監控服務，加快市政公用設施智慧化改造升級，構建城市虛擬仿真系統，強化城鎮重點應用工程建設?！币虼藰嫿ǔ鞘刑摂M仿真系統，提高韌性城市演化機理和評估方法，提高城市應對自然、經濟與社會環境中潛在風險和突發事件的防御、恢復和適應能力。韌性城市智能規劃正在起步階段，亟需根據現階段韌性城市發展需求加快研制基礎理論、關鍵共性技術標準及基礎平臺開發，以促進城市智慧化建設、可持續化發展。

近年來，高速發展的城市化進程中，已經引起城市水文特性的顯著變化：城市房屋建筑容積率不斷加大，混凝土覆蓋地面的面積增大，雨水滲透減少，雨水排澇與調蓄功能下降；大多數城市對地下設施開發利用率普遍提高，城市資產高密集，綜合承災能力脆弱。

3 韌性城市研究目標

仇保興認為“從韌性城市的結構韌性、過程韌性和系統韌性三個方面，韌性城市有六個要素，即主體性、多樣性、自治性、冗余、慢變量管理、標識，在堅持主體自主能動性基礎上，進而形成豐富的標識系統，城市的韌性才可以變得越來越強?！?/p>

通過模擬仿真，提出城市發展模型，在城市發展過程中獲取同步信息，明確城市規劃決策的內在規律，作出更明智的決策，優化資源配置，可以有效提高結構韌性、過程韌性和系統韌性。在可持續發展時期對城市規劃提出必要的干預措施，以及公共政策。城市系統優化和相關技術的更新，可以極大的改善城市的宜居性、交通擁堵、污染等城市問題。

基于我國城市的背景提出研究目標研究韌性城市理論基礎及技術集成，提出跨學科融合可行的韌性城市理論模型，構建綜合量化評估指標體系，制定相關標準。基于城市常態與應急狀態韌性城市要素數據規范，形成韌性城市數字仿真環境模型，利用城市多源大數據及其建模/分析/診斷技術進行韌性城市智能規劃。最后利用韌性城市信息監測預警管理基礎平臺、韌性城市智能模擬預測推演平臺、韌性城市自適應規劃決策平臺，對城市主要風險點和災害進行智能監測、檢測預警、協調聯動，保障城市基礎設施、規劃要素從突發事件發生到恢復過程的適應性循環機制正常實施。

4 強降雨模擬仿真模型的韌性城市探究理論

城市空間安全韌性是城市安全可持續發展的保障。[2]本模型以水文學概念為基礎，通過全區域大尺度模擬仿真對研究區域的主要易澇點進行定位，模擬不同降雨條件下城市的內澇情況，結合城市的敏感基礎設施空間信息，獲取高風險地點的暴雨易澇等級。在宏觀模擬的基礎上，通過計算流體力學模擬強降雨在城市高風險和核心區域的內澇發生規律，為城市排水和應急響應提供更為精確的信息。

業務上由ArcGIS（或SuperMap）生成相關數據集，在仿真系統水模型與算法上計算，根據仿真區域要求的各項指標對城市水淹等進行分析，將相關數據指標在城市仿真系統（CSS）或3DGIS 業務平臺上進行可視化展示與業務管理。

4.1 強降雨模擬仿真模型建立

依據為水文學為基礎的宏觀模擬仿真主要以水量平衡方程建立基礎模型：

P=I+E+Ao+Au+Q

其中降雨量 (P) 等于植被攔截量 (I) 加蒸發量 (E) 加地表徑流量 (Ao) 加土壤滲透和下水道系統排水量 (Au) 加本地沉降量(Q)。在大暴雨的條件下，徑流條件近乎于絕對，攔截、蒸發與土壤滲透的降水量都可假設為零，在易澇點填滿之前，過量徑流(Ao) 同樣不會對此方程產生影響，因此原方程可以簡化為P = Au + Q，單位時間降水量等于單位時間下水道系統處理量加本地沉降量。

4.2 易澇區域識別

通過實驗用的高分辨率DEM 數字高程模型 (2m×2m) 和政數局提供的建筑物覆蓋矢量圖層作為初始數據，在ArcGIS 平臺上，應用多種水文分析工具構建宏觀模擬模型，識別出易澇區域位置。該模型可以計算出易澇區域的面積和填充易澇區域所需的降水量，在其他因素相同的情況下，易澇區域可容納的降雨量越小，該區域的建筑物和基礎設施受到的洪災風險越大。

經過模型計算，共識別出面積不等、風險級別各異的易澇區域?；谂潘O施可以應對3年一遇至5年一遇強降水的實際情況，進行驗證。

4.3 基于CFD 的水環境仿真建立

結合CFD 計算流體計算、混合云計算、機器視覺、大規模拓撲網絡計算、認知反演、計算流體分析等跨學科領域的頂尖能力，基于基本空間數據GIS（包括DEM、DOM、3D 建筑物模型）與城市規劃以及相關基本數據及三維數據，根據所在規劃區域的氣象、水文與水務數據等設定相關邊界條件，進行城市水環境等仿真。模型的建立使得城市海量多源數據的收集、實時處理與智能計算。

求解系統基礎CFD 方程式，求解公式：

（1）質量守恒方程式；

（2）動量守恒方程式；

（3）能量守恒方程式；

（4）K-epsiron 湍流模型。

經過與歷史監測數據對照，水淹范圍和水淹深度邊界條件限定。

在易澇區域的基礎上，結合SS-WE 水環境仿真模擬軟件中的計算流體力學模型，與歷史水浸點數據做具體對比驗證，評估易澇區域微觀模擬的準確度。在研究建設過程中，選取測試點周邊的歷史易澇點作為計算區域，利用計算流體力學模型模擬歷史降雨條件下的內澇情況。

5 展望

本研究中仿真技術廣泛運用于經濟發展、公共服務及社會生活等各個領域，更準確快捷配置資源、提升城市整體運行效率。城市仿真是一個比較復雜的系統工程。制定措施防范各種風險，保證研究順利實施。

從城市空間環境優化的角度，韌性城市的實施具有更加直接的緊迫性和必要性，結合中國城市當前及今后的發展需求，從形態布局，自然環境，公共設施，社會生活4 個維度提出中國韌性城市空間規劃的策略和發展途徑。[3]城市仿真技術作為信息技術中的一種新興技術，正在逐漸成為幫助城市規劃和管理的重要手段，它對于城市規劃的影響不僅表現在對城市規劃所需信息的采集、處理和利用方面，更為重要的是它能夠改變城市規劃內部信息流程和城市規劃部門與社會的信息交流與反饋機制，進而對城市規劃的管理體制產生積極影響。

重建城市微循環是建設韌性城市、加快綠色低碳轉型和提升城市宜居與活力的重要途徑，也是城市和規劃建設模式變革的未來趨勢，這方面的新理念和新技術應當在北京率先得到推廣應用。[4]在智慧城市與仿真技術過程中，本實驗通過汶川、廣州佛山南海等數字城市仿真建設實踐，提出實體城市空間與虛擬城市空間與社會空間共融互動，從人、物理世界的感知、同步搭建智慧設施以“大平臺、大數據、大應用”構建數字孿生的虛擬空間支撐智慧發展的韌性城市發展理念。

“以人民為中心和綠色發展”的新型城鎮化，就必須要考慮韌性城市的建設問題。[5]基于計算流體力學（CFD）的城市仿真、物聯網等數字信息化手段，構建城市神經網絡傳感系統，在規范統一的制度標準基礎上，構建以人為本、跨學科融合的復雜城市韌性理論。未來選擇不同類型城市試點示范，推動技術理論成果、標準、平臺等的規?；瘧?，提升我國在城市監測預警預測、模擬推演、應急防控等領域的技術支撐和決策能力。