查治榮，徐保超，周慶鵬

（山東省青島市水文局黃島分局，266400，青島）

隨著我國城市化進(jìn)程不斷加快，城市防汛已成為城市管理工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容并日益受到重視。但是，由于預(yù)案操作性不強(qiáng)、預(yù)警信息推送不及時(shí)、預(yù)警對(duì)象針對(duì)性不強(qiáng)、決策支持信息不直觀等問題，導(dǎo)致城市防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急決策滯后。為滿足城市管理、防災(zāi)減災(zāi)對(duì)水文預(yù)警信息服務(wù)的需求，山東省青島市水文局黃島分局提出建設(shè)黃島區(qū)城市水文預(yù)警信息服務(wù)平臺(tái)，利用高精度城市積水預(yù)報(bào)模型和移動(dòng)通信大數(shù)據(jù)平臺(tái)，構(gòu)建了基于位置的城市水文預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)。

一、城市水文常規(guī)預(yù)警流程及存在問題

1.城市水文常規(guī)預(yù)警流程

目前常規(guī)洪水災(zāi)害預(yù)警信息主要發(fā)送至預(yù)設(shè)的預(yù)警對(duì)象，如防汛指揮機(jī)構(gòu)、城市管理、交通等部門的負(fù)責(zé)人，以及受威脅的社區(qū)、單位的管理人員。預(yù)警信息傳達(dá)的主要流程是：①從實(shí)測(cè)、模擬或預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)中篩選出災(zāi)情信息；②結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)圖找出受威脅的區(qū)域；③災(zāi)害范圍較大時(shí)，在預(yù)設(shè)的電話列表中向?qū)?yīng)的負(fù)責(zé)人等發(fā)送預(yù)警信息，由他們組織通知受威脅人員；④災(zāi)害范圍較小時(shí)，常常通過大喇叭、入戶警報(bào)器等方式直接通知受威脅人員。

2.存在的問題

一是預(yù)警時(shí)效性不強(qiáng)，對(duì)于城市洪澇來說，強(qiáng)降雨后的10分鐘左右就會(huì)形成具有威脅性的積水點(diǎn)，而傳統(tǒng)預(yù)警信息送達(dá)的時(shí)效性不能滿足公眾需求；二是預(yù)警的針對(duì)性不強(qiáng)，常規(guī)的信息發(fā)布方式不能將預(yù)警信息直接推送至實(shí)際遭受威脅人員，大范圍不區(qū)分對(duì)象的信息發(fā)布方式冗余度過大。

二、基于位置的城市水文預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)

1.實(shí)現(xiàn)原理

依托概念性城市暴雨積水預(yù)報(bào)模型，利用微地形構(gòu)建高精度城市洪澇預(yù)警信息及區(qū)域管理模型，實(shí)時(shí)判別積水區(qū)域和淹沒范圍。融合中國移動(dòng)、中國聯(lián)通兩大通信運(yùn)營商的大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，根據(jù)積水區(qū)域及范圍，整理各積水區(qū)域?qū)?yīng)的基站信息，形成積水區(qū)域、移動(dòng)基站LAC+CEL列表，建立智能識(shí)別、實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)觸發(fā)規(guī)則。將服務(wù)平臺(tái)推送來的積水區(qū)域信息及短信模板信息推送到移動(dòng)大數(shù)據(jù)預(yù)警短信平臺(tái)上，預(yù)警短信平臺(tái)根據(jù)積水區(qū)域條件觸發(fā)相應(yīng)基站，通過MAS端口向積水區(qū)域用戶發(fā)送指定的預(yù)警短信。實(shí)現(xiàn)原理見圖1。

圖1 實(shí)現(xiàn)原理圖

2.概念性城市暴雨積水模型

（1）模型介紹

模型采用分布式逐單元匯流技術(shù),通過產(chǎn)—匯流耦合技術(shù)考慮了匯流過程的非線性問題，內(nèi)嵌高精度數(shù)值流域信息、分布式輸出水文全要素模擬數(shù)據(jù)，并能結(jié)合GIS進(jìn)行多媒體展示。

每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的計(jì)算過程如下：

根據(jù)提取出的易澇點(diǎn)集水范圍，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)，按照集水范圍內(nèi)的下墊面類型及各下墊面類型的占比，統(tǒng)計(jì)出易澇點(diǎn)的徑流系數(shù)，用于降雨產(chǎn)流計(jì)算；用集水范圍內(nèi)的平均排澇模數(shù)做分水源計(jì)算，排入地下管網(wǎng)的水不參加后繼計(jì)算；對(duì)每個(gè)單元的地表自由水進(jìn)行逐單元匯流計(jì)算，并計(jì)算易澇點(diǎn)底部，結(jié)合二者，計(jì)算局部積水；計(jì)算局部積水在水深壓力作用下增加的管網(wǎng)排澇量，這部分水排入地下管網(wǎng)；計(jì)算剩余積水的面積和平均水深。

（2）模擬結(jié)果及驗(yàn)證

在近5年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，挑選淹沒深度較大的8次洪水過程，根據(jù)這8次洪水過程數(shù)據(jù)通過人機(jī)交互方式進(jìn)行模型參數(shù)的選擇與優(yōu)化。隨機(jī)選擇2次道路積水點(diǎn)洪水過程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，實(shí)測(cè)積水深與模擬積水深變化過程線見圖2和圖3。

計(jì)算出積水深最大值的相對(duì)誤差在4.91%~7.53%之間，積水深最大值的平均相對(duì)誤差為6.22%；積水深平均值的相對(duì)誤差在8.04%~10.34%之間，積水深平均值的平均相對(duì)誤差為9.19%。

圖2 次洪170804積水深過程線

圖3 次洪170817積水深過程線

2.基站天線覆蓋范圍確定

城市通信基站一般采用發(fā)射功率和天線增益較小的定向天線，天線水平半功率角接近60°，一般由三臺(tái)天線共同組成基站收發(fā)天線組，實(shí)現(xiàn)三葉草形蜂窩覆蓋范圍?？紤]到建筑物的阻擋、信道冗余等因素，城市通信基站往往密集設(shè)置。

借用分布式計(jì)算的思路，將基站周邊劃分為無數(shù)個(gè)柵格，根據(jù)基站各天線的位置、掛高、方位角和下傾角，建立模型，逐個(gè)計(jì)算基站周邊每個(gè)柵格的信號(hào)強(qiáng)度，得到信號(hào)強(qiáng)度的空間分布。

每個(gè)柵格的信號(hào)強(qiáng)度可以用如下原理來估算：

式中：I是柵格的可能信號(hào)強(qiáng)度，單位是dBm；I0是天線主瓣最大信號(hào)強(qiáng)度，單位是dBm，在這可考慮天線的下傾角；kθ是角度衰減系數(shù)，無單位，其中角度可以利用柵格位置和天線的方位角來計(jì)算；kl是距離衰減系數(shù)，無單位，可以用柵格位置和天線位置來計(jì)算；kb是高大建筑物導(dǎo)致的信號(hào)衰減系數(shù)，無單位。

對(duì)于多個(gè)站點(diǎn)或一個(gè)站點(diǎn)的多個(gè)天線，逐個(gè)計(jì)算每個(gè)天線的覆蓋范圍，然后按照信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)先的原則來疊加，得到區(qū)間站網(wǎng)的信號(hào)覆蓋圖。

圖4 城市積水預(yù)警信息的發(fā)布流程圖

3.預(yù)警信息發(fā)布

以青島市黃島區(qū)1m分辨率的DEM（Digital Elevation Map，數(shù)字高程模型）劃分柵格，結(jié)合基站天線覆蓋圖，整理各積水區(qū)域?qū)?yīng)的基站信息，形成積水區(qū)域、移動(dòng)基站LAC+CEL列表，建立智能識(shí)別、實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)觸發(fā)規(guī)則。制定預(yù)警規(guī)則，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)概念性城市暴雨積水模型，獲取積水區(qū)域和預(yù)警范圍，制定預(yù)警信息內(nèi)容。預(yù)警信息推送接口以服務(wù)形式提供，數(shù)據(jù)進(jìn)入中國移動(dòng)、中國聯(lián)通兩大通信運(yùn)營商大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，根據(jù)積水區(qū)域及范圍參數(shù)，疊加積水范圍和基站天線覆蓋圖，參考冗余度，分析篩選出積水范圍內(nèi)的天線，對(duì)天線覆蓋范圍內(nèi)的所有用戶發(fā)送預(yù)警信息。發(fā)布流程見圖4。建立預(yù)警區(qū)域人群監(jiān)控分析模型，快速獲取災(zāi)害區(qū)內(nèi)和即將進(jìn)入災(zāi)害區(qū)人員信息，并返回每個(gè)積水區(qū)柵格內(nèi)的用戶數(shù)量。

三、結(jié) 語

通過建設(shè)黃島區(qū)城市水文預(yù)警信息服務(wù)平臺(tái)，構(gòu)建了基于位置的城市水文預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了城市洪澇預(yù)警信息的靶向服務(wù)。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，有效解決了城市水文預(yù)警信息推送不及時(shí)和推送對(duì)象針對(duì)性不強(qiáng)的問題，進(jìn)一步提升了城市水文預(yù)警信息情報(bào)的智能化和精細(xì)化水平，有效提高了城市居民應(yīng)對(duì)和防御城市洪澇災(zāi)害的能力。

基于位置的預(yù)警信息推送模式的推廣應(yīng)用，能進(jìn)一步滿足水文信息在防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急決策支持和公眾服務(wù)等方面的需要，更好地解決水文信息服務(wù)“最后一公里”的問題，實(shí)現(xiàn)水文信息綜合服務(wù)能力的全面提升。