基于多場景構建的城市雨澇預測預警模型設計及應用

摘" 要：為深入探討城市內澇原因，有效解決內澇問題，實現提前預警，建立系統化防控體系，提出基于多場景構建的城市雨澇預測預警模型，評估排水系統排水能力和內澇風險，提升城市對內澇災害的應對能力，減少對社會和經濟的影響。該文以廣東省某城市街道為例，通過排水系統監測體系、雨量實時短期預測模型、地表徑流二維模型、管網一維模型、河道一維模型等多模型耦合，基于整體把握，重點防控的原則，對引起內澇問題的因素進行排查，有效評估排水系統的實際運行狀態。利用最新的氣象數據和雨量監測對降雨量進行短期準確預測，綜合地形、土地利用和土壤類型等因素模擬地表產匯流，同時，基于排水系統和河道內水流動態和負荷的監測和模擬，對排水系統的排水能力、響應和溢流風險等進行評估并對易澇區域開展重點排查。該模型的應用能夠降低降雨帶來的內澇風險，了解降雨后地表水流的行為，優化排水系統的設計和管理，提供準確的內澇預警。并為制定有效的應急措施提供支持，提升城市防洪排澇的能力，幫助減少內澇災害的社會和經濟影響。

關鍵詞：內澇防控；在線預測預警；防汛；應急決策；智慧水務

中圖分類號：TU992" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0032-07

Abstract： In order to deeply explore the causes of urban waterlogging， effectively solve the problem of waterlogging， realize early warning in advance， and establish a systematic prevention and control system， an urban rain and waterlogging prediction and early warning model based on multiple scenarios was proposed to evaluate the drainage capacity of drainage system and waterlogging risk， improve the city's response ability to waterlogging disasters， and reduce the impact on society and economy. Taking a street in a city in Guangdong Province as an example， this paper uses the coupling of multiple models such as the drainage system monitoring system， the real-time and short-term rainfall prediction model， the two-dimensional surface runoff model， the one-dimensional pipe network model， and the one-dimensional river channel model， and based on the principles of overall grasp and key prevention and control， the factors causing waterlogging problems are investigated and the actual operating status of the drainage system is effectively evaluated. Use the latest meteorological data and rainfall monitoring to accurately predict rainfall in the short term， and integrate factors such as terrain， land use and soil type to simulate surface runoff. At the same time， based on the monitoring and simulation of water flow dynamics and loads in the drainage system and rivers， the drainage system's drainage capacity， response and overflow risks are evaluated and key investigations are carried out in waterlogging prone areas. The application of this model can reduce the risk of waterlogging caused by rainfall， understand the behavior of surface water flow after rainfall， optimize the design and management of drainage systems， and provide accurate early warning of waterlogging.

Keywords： waterlogging prevention and control; online forecasting and early warning; flood control; emergency decision-making; smart water

當前，全球氣候突變，城市化進程迅猛發展，城市硬化面積率持續上升，城市內澇問題逐漸為全球性問題[1]。近年，我國極端降雨事件顯著增加，極端日降水量時間頻次逐漸上升，導致城市內澇、積水問題頻發。2000年以來，全國約70%城市遭受過嚴重洪澇災害[2]。2023年7月31日，北京遭遇百年一遇的特大暴雨，部分地區出現大面積內澇及洪災，此次事故共造成33人死亡，18人失蹤；2021年7月20日，鄭州遭遇特大暴雨，事故最終導致292人遇難，經濟損失約532億元。洪澇災害對城市的日常運轉、經濟社會活動帶來巨大風險，甚至威脅到城市居民生命健康[3]。2021年4月，《國務院辦公廳關于加強城市內澇治理的實施意見》（國辦發〔2021〕11號）中對各地政府提出了工作目標：到2025年，各城市因地制宜基本形成“源頭減排、管網排放、蓄排并舉、超標應急”的城市排水防澇工程體系，排水防澇能力顯著提升，內澇治理工作取得明顯成效。因此，構建城市降雨和內澇進行預警模型，對于防洪減災工作具有重大指導意義。

城市雨澇模型基于實時監測數據，可實現內澇預警和快速響應，提升城市抵御內澇風險能力，減少損失，保障群眾生命財產安全[4]。梁驥超等[5]通過對歷史內澇事件的研究，制定了規范化應急預案，從而提高了面對城市內澇災害的響應速度。孫偉等[6]提出了一種基于物聯網的內澇預警模型，以提升城市防澇能力，并指出在應對城市內澇問題中，缺乏對易積水點的水位和水量的有效監測是導致內澇無法及時控制的關鍵原因之一。馬翠麗等[7]采用水面線法對不同降雨強度下河道的排澇能力進行評估，指出排水系統排水能力不足是造成內澇災害形成的主要因素之一。眾多學者已經針對城市內澇問題開展了大量研究，但在城市立體空間內的水動力模擬及基于綜合多維度的內澇預測和預警模型方面，仍存在進一步研究的需求。

本文基于水文水動力多場景耦合，通過短期雨量預測、地表徑流、管網及河道等多場景模擬，提出了一種區域內澇防治的預警和應急解決方案模型。該模型為防澇減災提供了科學有效的依據，提升了城市的綜合抵御能力，并為城市防洪體系和搶險響應機制的建設提供了支持。

1" 研究區域及方案設計

1.1" 區位概況

研究區位于廣東省某街道，轄區總面積約29.91 km2。該區域內澇成因復雜，洪水、內澇、潮汐相互疊加影響。此外，研究區域在雨季期間多受臺風和強對流提前影響，降雨空間分布極不均勻。2023年8月18日，當地發布暴雨紅色預警，該街道累計降雨量達98.8 mm，最大小時雨量高達84.8 mm，屬于一次超標準的極端暴雨事件。期間，多個區域發生積水，積水深度約20 cm，局部積水深度達到40 cm，積水持續時間在30～60 min不等。

1.2" 方案設計

為有效緩解該區域面臨的雨澇問題，本文構建了一套針對內澇防治的預警與應急解決方案模型。當前，國內的城市內澇預警系統主要分為3類[8]。第一類是基于雨洪模型的暴雨內澇預警系統：該系統依據地形特征、降雨過程線和排水系統能力等條件，模擬并預測積水深度、積水區域及積水時間等要素。該方法存在計算量大、模擬時間較長等問題。第二類是基于神經網絡算法和大數據的內澇預警模型：利用大數據的統計方法，建立雨情與積水之間的關聯模型進行預警。此方法需要長期的積累監測數據，以提高預測的準確性。第三類是基于物聯網的實時監測暴雨預警系統：通過布置傳感器進行實時監測，具有較高的準確性和時效性，但是成本相對較高。

圖1為本文的技術路線圖。本文基于地理信息數據收集、管網建設維護數據整理、缺失信息補充和數據格式轉換基本步驟，構建了模型基礎資料的收集和整理框架，搭建了全面、精準的區域歷史數據庫、排水管網監測體系以及數字高程模型。在此基礎上，建立了地表徑流二維模型、管網一維模型、河道一維模型和雨量實時短期預測模型。通過將大量基礎資料導入模型中，搭建了完整的區域拓撲結構圖，并利用智能算法和機器學習模型對集水區和地表進行網格劃分。同時，對河流、湖泊等水體進行源頭監測，以確定模型的邊界條件。最終，基于區域物聯網收集關鍵節點的實時監測數據，對模型參數進行優化，從而建立起精準的雨澇預測模型。

2" 城市雨澇預測預警模型

2.1" 排水系統監測體系

在排水管網監測體系中，統籌考慮了排水防澇、控源截污以及模型支持等多項監測目標。基于對區域排水負荷的整體把握，并結合區域匯水關系及管網存在的問題，采用網格化思維對區域進行劃分，將各排水分區設定為監測單元。并對易澇點等重要節點進行細化檢測，從而形成覆蓋“源頭-過程-末端”的精細化監測體系。

監測設備主要包括液位計、流量計、雨量計等，這些監測設備根據排水區與雨水管網的布局布置，遵循“整體調整、分區檢測、節點控制”的原則。具體檢測點的布置如下。

1）主要斷面監測點：位于管道、河道等排水系統的關鍵位置，覆蓋區域內的核心斷面，如圖2（a）所示。

2）關鍵地段監測點：設置在具有特殊地理特征、流量集中或水動力性質突出的地段，如管道與河道變窄、交匯處，如圖2（b）所示。

3）漫堤與積水監測點：監測點布置在漫堤區域、可能形成積水的低洼地段等。

4）其他關鍵位置監測點：根據河道的具體情況，選擇其他重要位置進行監測，如主要排水口、拐角處、暗涵入口及河口等，如圖2（c）所示。

2.2" 數字高程模型

數字高程模型（DEM）提供了精確的地形數據，對預測洪水流動路徑、識別易受內澇影響的區域、優化排水系統設計以及評估不同防治措施的效果有重要作用。這使得決策者能夠更好地理解和預測地表變化及其對城市排水能力和應急響應的影響。本文通過粗略的DEM高程數據，結合管道GIS模型，實現地下管網數據的校核，篩選出易產生內澇的區域，并對小范圍風險點進行高精度DEM建模（圖3）和土地利用數據獲取，從而實現成本控制。

2.3" 模型與算法

2.3.1" 雨量實時短期預測模型

在雨量預測模型中，傳統的數值模型通常受到假設條件、空間尺度的限制以及管道漏損、堵塞等特殊情況的影響，導致模型誤差逐漸積累，限制了預測的精度。例如，模型可能難以準確反映局部降雨強度的變化，因此，單一的靜態模型往往難以應對復雜的城市內澇情境。

為提高預測精確度，本文引入了雨量實時短期預測模型，實現降雨短期的動態臨近預報。該模型結合高分辨率網格降雨預報數據和實時監測數據，利用實時降雨數據對模型進行動態調整，從而更準確地反映降雨和排水系統的實際運行情況，逐步減小預測誤差。該模型能夠靈活地適應氣象條件的變化，動態調整重點區域的危險等級，從而顯著提高內澇預測的準確性。雨量實時短期預測模型的加入能夠為防汛決策提供更加可靠的依據。

2.3.2" 地表徑流二維模型

地表徑流二維模型采用元胞自動機（Cellular Automata，CA）方法。該方法是一種用于模擬復雜系統的概念框架，以元胞為計算單元，并基于元胞自身及其周圍單元的狀態，通過演化規則判斷下一時刻元胞的狀態。該方法通過局部狀態的演化，實現整體系統的模擬與預測[9]，典型的CA模型如公式（1）所示。

CA=lt;W，B，S，Rgt; ， （1）

式中：W為地理元胞空間，代表特定區域的特征，有一維、二維或多維空間等；B為鄰域類型，用于決定一個元胞狀態更新的周圍元胞集合，如馮諾依曼型、Moore型和擴展 Moore型等；S為元胞狀態集，每個元胞單元可以取的不同狀態的集合，可以用2種或多種狀態表示；R為演化規則，根據元胞單元及周圍元胞的狀態和設定的演化規則，決定下一時刻的元胞狀態。

本文用水文和水動力學方程，對城市排水系統的排水能力、地面高程、地表植被覆蓋率及土壤性質等因素進行模塊化處理，并融入產匯流規則。為加快模型的運算速度，本文簡化了單元水流分配規則，在保證精度的前提下，盡可能真實地模擬降雨過程中城市排水系統的運行狀況。此方法克服了傳統二維淺水方程計算復雜、時間成本高的難題。

2.3.3" 管網一維模型

排水管網模型能夠模擬和預測排水系統在不同降雨條件下的表現，識別潛在的瓶頸和問題區域，并用于分析和評估內澇風險，支持災害預警和應急響應策略的擬定。本文采用動態鏈接庫（DLL）耦合WCA2D模型和SWMM模塊的方法構建管網一維模型。其中，WCA2D模型為二維地表概念模型，用于模型城市地表水動力過程；SWMM模塊為一維模型，用于模擬管網的水動力及地表水文過程。通過引入物理限制，本文在采用概念模型的基礎上保留了傳統模型的優點，避免了復雜的淺水方程計算，從而提高了運行速度精度，能夠清晰表達積水深度、水流方向等信息。

如圖4所示，該方法通過調整降雨的重現期，能夠模擬不同降雨條件下區域整體排水管網系統的管道負荷狀態，計算溢流檢查井和超負荷管道占比。同時，可依據模擬結果和管網監測數據分析排水能力不足的原因和風險等級，如下游頂托、管道淤堵等，并對管網提出整改建議。

2.3.4" 河道一維模型

我國城市排水管網大多與河道連通，極端降雨條件下，大量匯水迅速進入河道，導致河道水位抬升，甚至出現河道頂托、倒灌現象。這些現象使得排水管網排水能力下降，加劇城市內澇災害。因此，在城市防洪工作中，河道水位預報對維護城市水安全具有重要意義[10]。

河道模型能夠模擬河道在不同降雨條件和流量下的行為，預測洪水發生的潛在可能和影響，幫助制定有效的洪水管理和應急響應計劃。同時，建模可以評估不同河道疏浚、堤壩建設等設計方案的效果，優化設計以提高河道的排洪能力和穩定性。

本文采用河道一維模型的方法，基于高程數據構建研究區域河道模型，并設定區域糙率、水深、曼寧系數等基本參數和邊界條件實現模型初始化。通過實測上游流量數據計算研究區域河道水位高度變化。如圖5（a）、圖5（b）所示，初始時刻，河流內的水深低于岸邊的水深，隨著降雨開始，河流和岸邊的水深逐步增加（圖5（c）、圖5（d））。當河道水位超過堤防高度時，發生洪水漫堤現象。之后，進一步根據研究區域的DEM和水動力學模型計算洪水的流向、流速和水深、淹沒范圍、淹沒水深以及淹沒歷時等關鍵數據。

2.3.5" 內澇動態預測預警系統

本文結合廣東省防洪排澇的實際需求，兼顧大區域模型的構建成本及實現效果，綜合考慮管網、河道、水庫和泵閘等相關要素，建立了集數據監測、模擬仿真、預測預警、數據展示及決策建議于一體的綜合流域內澇動態預測預警系統。該系統利用模型的系統分析和強大預測能力，提高了防汛指揮調度工作的前瞻性和準確性，將傳統的被動應急處置模式轉換為主動預警和風險防控，為制定防汛排澇方案提供了數據支持。

根據“整體把握，重點防控”的原則，本文為管網及河道模型建設提供了布設水位計、流量計、雨量計的參考依據。利用DEM對全域進行建模，篩選易內澇區域，并針對小范圍風險點獲取高精度DEM和土地利用數據，以實現成本控制。利用高精度下墊面數據、基礎數據、監測數據、雨量數據等對模型進行構建及率定。如圖6所示，系統通過各模型的耦合實現城市整體內澇預測預警。該系統模擬降雨強度、地表產匯流、排水系統排水等過程，識別不同雨強條件下的易澇區域，提前進行風險排查與防控，從而有效降低內澇風險。

3" 應用實效

本文將模型應用在廣東省某地區，并根據模型預測結果，針對部分內澇積水區域進行了重點診斷排查。結果表明，導致該地區內澇的主要原因包括管網排水能力不足、排水管網破壞淤堵、雨水涵養能力不足等。基于模擬結果和現場實地調查，本文針對典型區域提出了相應的處置建議和改進措施。

3.1" 拓寬排水渠，優化排水系統

在城鎮排水工程中，排水渠作為基礎設施之一，承擔著收集和引導降水的關鍵任務。迅速排除多余降水，降低洪澇積水的風險，防止因積水造成街道和建筑物的損害。然而，研究區的排水渠系統存在一定的問題。例如，部分路段上游排水渠的斷面尺寸為6 500 mm×2 700 mm，而下游的暗涵斷面則僅為4 000 mm×2 000 mm。這種斷面尺寸的不匹配導致下游暗渠的排水能力不足，發生滿溢現象，排水口被淹沒，進而阻礙上游排水，導致匯水區出現積水問題。為解決上述問題，應結合區域規劃與建設需求，協調相關單位，擴寬受阻排水渠的斷面尺寸，提升過水能力，從而提高行洪能力，消除積水隱患，保障防洪排澇安全。

3.2" 整改雨水口，恢復排水路徑

在城市更新改造項目中，雨水口的填埋、雨連管的破壞以及下游管道的損壞，導致原有排水管道堵塞、變形，嚴重影響正常排水功能（圖7）。此外，雨污水管道的誤接現象也進一步削弱了排澇能力。在部分道路改造工程中，由于路面提升，導致雨水箅子高度增加，沿線路面的雨水收集功能受到影響。針對上述問題，需對施工單位及相關責任單位進行警示，督促其盡快整改，恢復受損管道，以消除積水隱患，保障汛期人民的生命財產安全。

3.3" 規劃匯水區，落實配套建設

部分路段的雨水箱涵負責收集沿線兩側地塊的雨水，由于匯水面積較大，加之周邊文化、商業建筑等建設逐步開發，大面積植被移除，城市硬化面積增大，導致雨水涵養能力下降，地表徑流增大。這種變化使得雨水箱涵及下游排水渠在雨天時的排水壓力驟增，易導致周邊小區及路面出現積水。此外，下游雨水匯入排水渠時，容易引發排水渠上游段壅水，進一步加劇上游小區及路面的積水問題。為有效解決上述問題，應充分考慮地塊開發及配套道路建設，重新評估雨水箱涵及其下游排水管渠的整體承載能力，優化排水系統，保障周邊居民安全。

4" 結論

本文以廣東省某城市街道為研究區域，從模型構建、技術創新、實際應用等方面，探討了降水、地表產匯流、排水管網運行、河道響應一體化綜合預警和防澇體系的實現過程。提出了綜合性城市雨洪預測與預警模型，集成實時降雨預測、高精度氣象數據和先進的模擬技術，顯著提高了城市洪水預測的準確性和預警能力。借助模型的應用，發現了該區域在暴雨條件下的積水內澇原因，及時消除了城市排水系統建設和城市更新過程中存在的隱患，并提出了相應整改措施。同時，本文的研究內容為城市內澇防控和風險管理提供了寶貴的實踐經驗和建議，有助于應對日益復雜的城市內澇挑戰，簡要概括如下。

1）通過實時監測和數據整合，提供了關于水流負荷和排水能力的詳細信息，對于改善城市排水系統設計和增強系統排水能力具有重要意義，也支持了更加有效的應急響應措施。

2）模型結合了短期降雨預測與先進的模擬技術，基于高精度氣象數據和實時監測數據，預測降雨量和強度，為城市洪水管理提供了更為準確的預警。該方法顯著提升了對內澇風險的預測準確性，并增強了對未來強降雨事件的應急響應能力。

3）采用的表面徑流二維模型和排水網絡一維模型的集成，考慮到地形、土地使用和土壤類型等因素，全面模擬了產匯流行為，并對內澇動態有了深入理解，提高了內澇風險評估精度，有助于優化排水系統的設計和管理方案。

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