賈 超 ， 徐幫樹 ，韓永軍 ，王俊勝 ，程曉陶 ，李 娜 ，王 靜

（1.山東大學(xué)，250061，濟南；2.山東省濟南市市政公用事業(yè)局，250000，濟南；3.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

一、研究背景

隨著城市化進程的不斷推進，洪水對城市的影響作用日益嚴重，進行城市防洪預(yù)警決策的信息化建設(shè)日益受到人們的重視。濟南作為全國重點防汛城市對此也有迫切需要。

濟南市區(qū)南靠群山，北臨黃河，地勢南高北低，北面的黃河是地上河，防洪大壩高出市區(qū)20多m，大致呈朝東開口的淺盆地形，從南到北由中低山過渡到低山丘陵。

由于其獨特的地形、地貌、氣候等特點，濟南城市洪水主要有以下特點：

年內(nèi)洪水高度集中在汛期，汛期降水占全年降水的70%～80%。汛期降水也高度集中，常集中在幾場大暴雨中。暴雨強度大，一般歷時較短，且暴雨中心常由西到東。

洪水陡漲陡落，歷時短，源短流急。發(fā)生大暴雨時，洪峰常在2～3h內(nèi)發(fā)生，一般暴雨峰現(xiàn)時間也只有4～5h。

流域面積?。ㄐ∏搴狱S臺橋之上流域面積323km2），匯流歷時短（預(yù)見期短），為了提前做好防洪準備，要求的預(yù)報精度相當高、難度相當大。

城市下墊面條件特殊，屬于半山區(qū)性城市，不同于一般的平原城市，特別是市區(qū)從南向北比降大，例如從旅游路到小清河段，長度7.5 km，高差達到了132 m；舜耕路從二環(huán)南路到經(jīng)七路，長度5.3 km，高差達到 105 m；英雄山路從二環(huán)南路至北園大街，長度10 km，高差達到95 m，因此暴雨后洪水流速很快。也不同于純山區(qū)城市（例如重慶等），一般而言山區(qū)城市都有一個較好的排洪途徑，不易產(chǎn)生澇災(zāi)。而濟南市的排洪出路只有一條，即小清河。且由于小清河（平原河流，城區(qū)部分河道比降大約為1/8 000，治理前河寬只有50m左右，治理后主河槽80～90 m）泄洪能力非常有限，發(fā)生大暴雨后城市北部由于洪水排泄不暢，常發(fā)生澇災(zāi)。治理后河道的下泄能力將會有一定改善。但由于長年蓄水，特別是汛期蓄水，對防洪將會產(chǎn)生一定影響，如果調(diào)度不科學(xué)合理，將會產(chǎn)生更大災(zāi)害。因此，小清河景觀河道運行后，汛期洪水調(diào)度問題將變得更為復(fù)雜。

城市下墊面條件特殊的另一方面是城區(qū)硬化面積發(fā)展快，且占總流域面積的比例相當大（約1/3），徑流條件近幾十年來發(fā)生了較大變化，資料的一致性方面還顯困難。不僅要用陸地水文的研究方法，也要用城市水文的研究方法。

歷史上，濟南曾發(fā)生過1987年8月26日城市洪水。近期，如2007年7月18日15時10分起，濟南市自北向南發(fā)生了一次強降雨過程，截至19日早6時，整個降雨過程全市平均降雨82.3mm，其中市區(qū)142.2mm，全市超過100mm的降雨點多達40個。突然襲擊的特大暴雨洪水，給濟南市帶來特大災(zāi)害,全市直接經(jīng)濟損失12.3億元。

濟南城市防汛預(yù)警決策支持系統(tǒng)的建成有效提高了濟南城市防汛信息化水平，系統(tǒng)通過監(jiān)測站點數(shù)據(jù)和氣象預(yù)報數(shù)據(jù)或輸入任意降雨強度和降雨時間可以模擬計算濟南市城區(qū)主要道路、易積水點、鐵路立交、主要河道在未來時間段內(nèi)的洪水流速、流向、流量、積水深度等指標，并能進行災(zāi)情信息的預(yù)警和發(fā)布，可以為防汛預(yù)警提供技術(shù)支持。

二、濟南城市防汛預(yù)警決策支持系統(tǒng)研究

1.系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)平臺設(shè)計依據(jù)“層服務(wù)模型思想”，利用分層原理，根據(jù)信息表達類型、應(yīng)用范圍、使用層面的不同，將平臺的數(shù)據(jù)和應(yīng)用資源劃分為不同的層次。通過層次劃分，每一層實現(xiàn)一種相對獨立的功能，這樣可將龐大的共享平臺分解為若干邏輯平臺，這些平臺的定義將降低平臺的復(fù)雜度，為信息共享平臺的設(shè)計和建設(shè)提供清晰的接口，降低信息共享平臺建設(shè)的難度，為共享平臺的建設(shè)提供了較好的規(guī)范藍本。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

2.仿真模型結(jié)構(gòu)及運行方式

本系統(tǒng)的仿真模型由數(shù)據(jù)前處理、主體計算模塊和計算結(jié)果后處理三部分組成。根據(jù)不同的功能要求，模型可以分為三種不同的運行方式，即驗證計算、實時監(jiān)測計算和預(yù)報計算，如圖2所示。

三、濟南城市防汛預(yù)警決策系統(tǒng)主要展示界面

系統(tǒng)平臺是整個系統(tǒng)進行直觀展示及進行人機對話的重要部分，平臺利用GIS技術(shù)集成防洪工程、實時水雨情、城區(qū)積水、預(yù)警分析等信息，提供直觀、準確的信息展示服務(wù)和技術(shù)支持。

其主界面包括對文件的操作，基本圖層的查詢，水情、雨情、工情實時信息的接收及展示，積水情況的模擬，汛情的預(yù)警等功能。其中水情、雨情實時信息的展示可以按河道單站、多站、水庫等以曲線及圖表的形式進行展示。

本系統(tǒng)的核心部分為積水情況的模擬計算，可以進行預(yù)案查詢，根據(jù)測站傳輸數(shù)據(jù)進行計算的實測模擬及采用氣象部門發(fā)布的降雨情況的預(yù)報模擬，并可以進行局部降雨的非均勻降雨的模擬計算，計算結(jié)果可以曲線、圖表及動態(tài)過程顯示。

根據(jù)計算模擬的結(jié)果，參照給定的預(yù)警界限指標，系統(tǒng)可以進行相應(yīng)4色預(yù)警的發(fā)布與終止。

本系統(tǒng)的另外一大特色是提供了汛情簡報的自動生成功能，無須人工干預(yù)，只需進行相關(guān)項的選擇。該簡報包括雨情、水情、道路積水情況、主要低洼地段積水情況、建議啟動的預(yù)警級別等，可以為快速決策提供技術(shù)依據(jù)。

圖1 濟南城市防汛預(yù)警決策系統(tǒng)總體設(shè)計

圖2 模型的運行控制方式

四、系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)開發(fā)完成后，進行了大量的濟南歷史城市洪水的模擬分析以進行參數(shù)的率定，并以濟南市2007年7月18日暴雨為算例進行了系統(tǒng)的考證工作，結(jié)果表明該系統(tǒng)的總體趨勢性結(jié)果與實際情況比較吻合，但局部地區(qū)的水位結(jié)果偏小，尚有一定差距，需要后期工作繼續(xù)進行校正。系統(tǒng)精度取決于兩方面因素，一是硬件問題，簡單說就是能供系統(tǒng)直接使用的監(jiān)測站點的數(shù)量有多少，通過監(jiān)測站點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以認為是準確的，系統(tǒng)接收到的站點數(shù)據(jù)越多，通過系統(tǒng)分析后得出的結(jié)果就越準確，因此監(jiān)測站點建設(shè)越多對系統(tǒng)的精度越好，但遺憾的是，建設(shè)大量的監(jiān)測站點需要投入的經(jīng)費也就越多，因此，實際上不可能為提高系統(tǒng)精度而無限建設(shè)大量站點。系統(tǒng)精度的另一個影響因素取決于軟因素，最為重要的就是模型參數(shù)的準確程度，而水文模型參數(shù)是一個隨機性非常大的因素，并且受外部條件的影響非常大，比如城市下墊面情況受城市建設(shè)情況的影響極為顯著，獲得較為準確的參數(shù)需要較長時間的測試、觀測、調(diào)整、率定。因此要使得系統(tǒng)具有較好的精度是一個長期的過程。另外，模型網(wǎng)格的誤差等因素對系統(tǒng)精度也有一定影響，因此需要后期不斷進行各種因素的調(diào)整及修正，使得它的精度不斷提高，最終達到令人滿意的效果。

目前該系統(tǒng)已投入到濟南城市防汛預(yù)警決策的應(yīng)用中，并對2009年5月9日的城市暴雨進行了預(yù)測和計算，計算結(jié)果與實測調(diào)查資料進行了對比，計算結(jié)果與實際情況較為吻合。

[1]賈超，李術(shù)才，曹升樂，等.濟南城市防洪現(xiàn)狀及對策分析 [J].災(zāi)害學(xué),2009，24（1）.

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[3]金菊良，魏一鳴，付強.城市防洪規(guī)劃方案的綜合評價模型[J].水利學(xué)報，2002（11）.