魏 軍，俞海洋，胡會芳，彭相瑜，陳小雷

(河北省氣象災(zāi)害防御中心，石家莊 050021)

頻繁發(fā)生的城市內(nèi)澇災(zāi)害對城市的運行、管理和安全造成了嚴重影響，已成為影響城市公共安全的重要因素[1,2]。因此，如何提升城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警服務(wù)能力，最大程度地減輕內(nèi)澇災(zāi)害造成的損失，保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全，促進經(jīng)濟社會科學(xué)發(fā)展，已經(jīng)成為加強城市氣象災(zāi)害防御工作的重要抓手和當(dāng)務(wù)之急。

為減少城市內(nèi)澇帶來的危害，許多歐美發(fā)達國家在經(jīng)驗累積的基礎(chǔ)上，已研究開發(fā)了一些具有不同針對性的水力水文模型，如美國環(huán)境保護署研發(fā)的雨洪管理模型(SWMM)、英國Wallingford軟件公司開發(fā)的城市綜合流域排水模型(InfoWorks ICM)以及丹麥水資源及水環(huán)境研究所研發(fā)的MIKE模型軟件等，對城市排水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬具有很強的計算功能，在減少城市雨洪災(zāi)害及實現(xiàn)雨水管理等方面有著較大貢獻[3-6]。國外的諸類模型大多是由流域水文模型改進的確定性模型，具有建模簡單、計算方便、理論成熟的特點，但是由于城市匯水區(qū)域不同于流域匯水區(qū)域，難以精確劃分積水區(qū)域；其次由于計算過程中無水力聯(lián)系，無水量交換，不能較好地反映在內(nèi)澇期間城市地表的流動過程[7]。相較而言，將數(shù)值模擬方法用于城市內(nèi)澇研究，我國雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。典型代表是中國水科院和天津市氣象科學(xué)研究所聯(lián)合研發(fā)的天津市暴雨瀝澇仿真數(shù)學(xué)模型[8,9]，該模型以水文-水動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，以城市地表水流運動為研究對象，采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格對地表進行概化處理，能夠動態(tài)模擬城市積水分布，極大增強城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警服務(wù)能力，多年來已被廣泛應(yīng)用于全國多個城市[10-14]。該模型對地表網(wǎng)格的劃分要求較高，需要大量精度較高的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但由于其物理意義清晰，通過結(jié)合GIS技術(shù)強大的空間表達能力，更適合于城市內(nèi)澇的模擬。

石家莊作為河北省省會城市，近年來由于城市化進程不斷加快，不透水面積增加，雨水滲透減少，再加上城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計標準偏低，城市經(jīng)濟和人口的暴露量的逐年增大，每年受到內(nèi)澇災(zāi)害影響較為嚴重，常常造成很大的經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，石家莊中心城區(qū)易積水點多達40余處，最大積水深度達到3 m，最長積水歷時20 h，如2015年8月30日、2016年7月19-20日的降水都曾給石家莊市造成大面積內(nèi)澇災(zāi)害。目前，石家莊城市內(nèi)澇預(yù)警服務(wù)工作還處于起步階段，監(jiān)測預(yù)警服務(wù)能力較為薄弱，集約化的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)尚未建立[15]。作為城市氣象業(yè)務(wù)工作者，為更好地開展石家莊城市內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)警服務(wù)工作，協(xié)助城市管理部門做好城市雨水的管理，降低內(nèi)澇災(zāi)害的風(fēng)險，減少內(nèi)澇災(zāi)害造成的損失，建立城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有迫切的實際需求和應(yīng)用價值。本文充分考慮石家莊市城市防汛工作的特點和需求，基于城市內(nèi)澇水動力模型，加以集成創(chuàng)新，較完整地構(gòu)建了集城區(qū)多源雨量監(jiān)測與處理、積水實況動態(tài)模擬與預(yù)測、易積水點風(fēng)險預(yù)警、數(shù)據(jù)查詢和服務(wù)產(chǎn)品制作發(fā)布等功能于一體的石家莊市城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并在投入實際業(yè)務(wù)應(yīng)用中，取得了良好的服務(wù)效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

石家莊市城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)以地理信息系統(tǒng)為支撐平臺，依托氣象中小尺度監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)，利用暴雨內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型模擬暴雨內(nèi)澇災(zāi)害，實現(xiàn)內(nèi)澇災(zāi)害的預(yù)警。本系統(tǒng)設(shè)計成兩大子系統(tǒng)，分別是基于C/S的城市內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型模擬子系統(tǒng)、基于B/S的城市內(nèi)澇氣象監(jiān)測與預(yù)警子系統(tǒng)，見圖1。城市內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型模擬子系統(tǒng)是通過利用石家莊高精度城市地理信息數(shù)據(jù)、排水工程設(shè)施信息及河道地形信息等數(shù)據(jù)，以城市地表和明渠河道的水流運動作為模擬對象，建立石家莊城市內(nèi)澇數(shù)學(xué)仿真模型，實現(xiàn)對暴雨積澇過程進行實時動態(tài)模擬。城市內(nèi)澇氣象監(jiān)測與預(yù)警子系統(tǒng)是在提取暴雨內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于WEBGIS技術(shù)開發(fā)的可視化內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警與發(fā)布平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)城區(qū)多源雨量監(jiān)測、實況與預(yù)報模擬積水顯示、歷史數(shù)據(jù)動態(tài)查詢與統(tǒng)計、內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)警和服務(wù)產(chǎn)品制作發(fā)布等功能。

圖1 城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Functional structure of urban waterlogging monitoring and early warning system

2 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文系統(tǒng)總體上采用云計算架構(gòu)(見圖2)，由下至上依次劃分為感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、開發(fā)平臺層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用展示層5個層次。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of the system

感知層位于系統(tǒng)最底層，為系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)采集提供硬件支撐，主要以自動氣象站、交通氣象站、水文氣象站等實時獲取降水?dāng)?shù)據(jù)，利用城市積澇監(jiān)測站等實時獲取積澇區(qū)積水深度數(shù)據(jù)，通過視頻監(jiān)控實時獲取內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)據(jù)?；A(chǔ)設(shè)施層指的是系統(tǒng)運行環(huán)境，通過將系統(tǒng)搭建在河北省氣象信息中心資源池中，在資源池中安裝了2臺Vmware虛擬機，并通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接磁盤陣列存儲。平臺開發(fā)層，主要由Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、Linux操作系統(tǒng)和GIS平臺軟件組成，為系統(tǒng)提供軟件運行環(huán)境。數(shù)據(jù)層主要由各類數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)訪問接口組成，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要由基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、城市交通專題數(shù)據(jù)庫、市政專題數(shù)據(jù)庫、內(nèi)澇隱患點專題數(shù)據(jù)庫、視頻專題數(shù)據(jù)庫、氣象專題數(shù)據(jù)庫和信息發(fā)布專題數(shù)據(jù)庫組成，數(shù)據(jù)訪問接口主要采用WebService形式提供。應(yīng)用展示層是系統(tǒng)的核心層，采用Javascript開發(fā)，提供基于B/S的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警顯示平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)雨量監(jiān)測、積水模擬、風(fēng)險預(yù)警和產(chǎn)品發(fā)布等功能，可為城市內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報服務(wù)提供及時、準確及可視的決策支持。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 石家莊城市內(nèi)澇仿真數(shù)學(xué)模型

(1)模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。石家莊城市內(nèi)澇仿真數(shù)學(xué)模型運用有限體積法的思想，將氣象降水?dāng)?shù)據(jù)作為模型的降水初值和邊界條件，以平面二維非恒定流的基本控制方程為骨架，同時針對小于離散網(wǎng)格尺度的排水渠涌或河道，在二維模型中結(jié)合了一維明渠非恒定流方程的算法，采用一維非恒定流方程計算地下排水管網(wǎng)內(nèi)的水流，用連續(xù)方程的源匯項控制地下排水管網(wǎng)與地面的水量交換，對漫堤等采用寬頂溢流公式計算水流。其基本控制數(shù)學(xué)方程如下。

①二維非恒定流基本方程公式為：

(1)

動量方程公式為：

(2)

(3)

式中：H為水深；Z為水位，Z=Z0+H，Z0為底高程；q為源匯項，包括有效降雨量和排水強度2項；M、N分別為x、y方向上的單寬流量，且M=Hu，N=Hv；u和v分別為流速在x、y方向上的分量；n為糙率；g為重力加速度。

②一維非恒定流基本控制方程為：

(4)

式中：Q為截面流量；A為計算斷面的過水面積；Sf為摩阻坡降，由曼寧公式可得：

(5)

③寬頂堰溢流公式為：

(6)

式中：Qj為堰頂單寬流量；m為寬頂堰溢流系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)；Hj為堰頂上游水位。

(2)內(nèi)澇模型構(gòu)建。系統(tǒng)構(gòu)建的石家莊城市內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型主要模擬對象為城區(qū)地表與明渠河道的水流運動，根據(jù)城市下墊面的地形地貌特征，采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格進行模型計算域概化。網(wǎng)格設(shè)計時需要充分考慮城市地形地貌特征和積水區(qū)的分布情況，如城市的重點服務(wù)區(qū)和易積水片區(qū)采用較密的網(wǎng)格劃分，在城市邊郊和不易積水區(qū)域采用較為稀疏的網(wǎng)格進行劃分，且單一網(wǎng)格內(nèi)的下墊面屬性盡可能相同。同時針對建模區(qū)域地道橋、涵洞和暗河較多等情況，在模型網(wǎng)格劃分時采用立體多重和分區(qū)分層方式對模型加以優(yōu)化改進。立體多重指在同一平面位置上布設(shè)多重網(wǎng)格，解決地道橋、涵洞、暗河等網(wǎng)格單元立體層面的水體匯流和積水問題；分區(qū)是指將網(wǎng)格按路網(wǎng)、社區(qū)和河網(wǎng)劃分，各區(qū)自成體系，實現(xiàn)逐區(qū)計算；分層是指管網(wǎng)層、地表層與雨量層等獨立計算。圖3為城市內(nèi)澇模型積澇計算流程圖，其中包含了路網(wǎng)、河網(wǎng)、社區(qū)和管網(wǎng)匯流模擬與泵站排水或管網(wǎng)自流3個程序塊，應(yīng)用程序采用Visual Fortran 語言編制。

圖3 城市內(nèi)澇模型計算流程示意Fig.3 Schematic diagram of calculation processes of the urban waterlogging model

改進后的城市內(nèi)澇模型采用自動雨量站與雷達估算降水(QPE)相結(jié)合的方式計算區(qū)域?qū)崟r面雨量，用以作為模型的降雨邊界條件；河網(wǎng)層模型以河網(wǎng)和管網(wǎng)之間的水量交換為主要目標，通過改變以往河流單純匯流、排水和蓄水的功能，以河網(wǎng)的控流、限流和調(diào)節(jié)為建設(shè)條件，建立自排水與泵站抽水相結(jié)合的排水計算模式，增加了河網(wǎng)的調(diào)控能力；路網(wǎng)層模型主要以立體路網(wǎng)之間、路網(wǎng)與社區(qū)之間、路網(wǎng)與管網(wǎng)之間的水量交換為目標，水量交換的方式表現(xiàn)為垂直井匯或涌水、陡坡匯流、社區(qū)旁側(cè)分流等；社區(qū)層模型主要以社區(qū)與路網(wǎng)、社區(qū)與管網(wǎng)間的水量交換為目標，水量交換方式主要有社區(qū)與管網(wǎng)匯流、整體社區(qū)與周邊道路水量交換、局部社區(qū)水量分布等，將整體模擬與局部模擬相結(jié)合。

根據(jù)上述網(wǎng)格設(shè)計原則，利用高精度城市地理信息數(shù)據(jù)，最終劃分得到建模區(qū)域內(nèi)河道型網(wǎng)格545個，道路型網(wǎng)格3 169個，社區(qū)型網(wǎng)格11 055個，見圖4。

圖4 內(nèi)澇模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Waterlogging model grid division

2.2.2 綜合開發(fā)技術(shù)

系統(tǒng)平臺以面向服務(wù)的體系架構(gòu)(SOA)方式搭建，前端采用AJAX技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的局部刷新，后端采用Java開發(fā)的Rest服務(wù)方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布服務(wù)，并集成對跨域資源共享(CORS)的支持，使跨站數(shù)據(jù)傳輸更安全，增加系統(tǒng)的可移植性、通用性。通過HTML5的Canvas技術(shù)實現(xiàn)積水網(wǎng)格的快速渲染繪制，實現(xiàn)流暢的積水淹沒動畫播放效果和面雨量色斑圖的展示。同時基于動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)、WEBGIS技術(shù)、分布式技術(shù)、中間件技術(shù)等目前B/S系統(tǒng)建設(shè)領(lǐng)域較為先進和廣泛的系統(tǒng)技術(shù)，以天地圖公眾地圖服務(wù)為地理支撐平臺，通過使用Javascript前端腳本語言實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)的疊加展示，實現(xiàn)了電子地圖的基本操作及多圖層顯示，快速的數(shù)據(jù)瀏覽及查詢分析，雨量、雷達估算降水、數(shù)值預(yù)報雨量信息顯示及城市面雨量數(shù)據(jù)顯示，積水深度和易積水點預(yù)報預(yù)警顯示等功能。數(shù)據(jù)庫使用Microsoft SQL Server 2008，其提供完整的企業(yè)級技術(shù)與工具，具有使用方便可伸縮性好與相關(guān)軟件集成程度高等優(yōu)點。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

石家莊城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)城市的實時雨量監(jiān)測、降水?dāng)?shù)據(jù)自動采集、積水模擬與預(yù)測、積水點風(fēng)險預(yù)警和服務(wù)產(chǎn)品一鍵式發(fā)布等功能，基本滿足了城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警服務(wù)的業(yè)務(wù)需求。

3.1 服務(wù)端數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集程序分為手動運行模式和自動運行模式(見圖5)，手動運行模式能夠讀取任意歷史降水過程的自動站、水文站和雷達估測降水的雨量數(shù)據(jù)，用于開展歷史積澇過程的模擬；自動運行模式能夠采集實況站點雨量數(shù)據(jù)、雷達資料、各類數(shù)值預(yù)報降水?dāng)?shù)據(jù)等，并根據(jù)當(dāng)前資料計算面雨量實況、面雨量預(yù)報、城市積水實況、城市積水預(yù)報等。

圖5 手動運行模式與自動運行模式的數(shù)據(jù)采集界面Fig.5 Data acquisition interface of manual operation mode and automatic operation mode

3.2 雨量監(jiān)測顯示

雨量監(jiān)測主要包括石家莊區(qū)域氣象自動站、交通氣象站和水文站的實況降水?dāng)?shù)據(jù)，高時空分辨率的雷達定量降水估測(QPE)資料和精細化數(shù)值預(yù)報降水?dāng)?shù)據(jù)。同時根據(jù)插值方法，能夠?qū)崟r生成面雨量，能夠顯示不同網(wǎng)格的面雨量信息(見圖6)。

圖6 自動站雨量及面雨量監(jiān)測顯示Fig.6 Monitoring of automatic station rainfall and surface rainfall

3.3 積水模擬顯示

積水模擬包括實況降水積水深度模擬和預(yù)報降水積水深度模擬2方面。系統(tǒng)在業(yè)務(wù)運行時，通過讀取當(dāng)時時刻的前6 h逐小時實況降水?dāng)?shù)據(jù)加未來6 h逐小時的預(yù)報數(shù)據(jù)，按照每30 min運轉(zhuǎn)一次，及時監(jiān)測預(yù)報城區(qū)積水變化情況。同時針對重點區(qū)域，系統(tǒng)可以給出選擇區(qū)域積水最大值隨時間的變化趨勢(見圖7)。

圖7 道路積水模擬顯示Fig.7 Display of the simulated road water logging

3.4 易積澇點預(yù)警顯示

系統(tǒng)基于實況雨量監(jiān)測和模型水深模擬結(jié)果制定了易積澇點風(fēng)險預(yù)警等級。設(shè)定易積澇片(點)的致災(zāi)雨量閾值和制定積水深度風(fēng)險預(yù)警閾值(見表1)，當(dāng)關(guān)聯(lián)的自動雨量站雨量或模擬積水深度超過相應(yīng)的閾值時，發(fā)布城區(qū)易積澇片(點)的風(fēng)險預(yù)警，同時提供易澇區(qū)(點)詳細情況的介紹(見圖8)，以利于開展相關(guān)氣象服務(wù)。

表1 積水深度風(fēng)險預(yù)警等級Tab.1 Depth risk warning level of water accumulation

圖8 易積澇點風(fēng)險預(yù)警Fig.8 Risk early warning of waterlog

3.5 服務(wù)產(chǎn)品制作發(fā)布

系統(tǒng)提供了服務(wù)產(chǎn)品制作的相關(guān)工具，在服務(wù)材料的發(fā)布上，采用固定的模板，包含了降水歷史、小時最大雨強、最大積水深度、積水面積等信息，支持FTP、郵箱、短信、微博等多渠道發(fā)布方式(見圖9)。

圖9 服務(wù)產(chǎn)品制作與發(fā)布Fig.9 Production and release of service products

3.6 系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)置中主要包括用戶管理、積水點信息管理和色表管理3個方面。用戶管理主要是針對不同的用戶，給予不同的使用權(quán)限；積水點信息管理主要用于積水片(點)信息的更新以及它們的閾值設(shè)定；色表管理主要是對系統(tǒng)出圖的網(wǎng)格顏色進行管理。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

2017年7月21日11∶00-12∶00石家莊市區(qū)出現(xiàn)一次短時強降水，降水路徑自西向東分布，11∶00雨強最高為63.0 mm，出現(xiàn)在市區(qū)西部的烈士陵園站，12∶00雨強最高為56.1 mm，出現(xiàn)是市區(qū)東部的土賢莊站(見圖10)。城區(qū)多處地方出現(xiàn)明顯積水，部分路段出現(xiàn)斷交情況，個別地道橋最大積水深度達到3 m。利用石家莊城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對此次過程造成的積澇程度進行驗證計算，對比分析系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果。

圖10 2017年7月21日10∶00-14∶00逐時雨量變化Fig.10 Rainfall changes at 10-14 hours on July 21 in 2017

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，界面實時顯示自動站雨量信息，并根據(jù)站點雨量及時生成面雨量，利用城市內(nèi)澇模型，能夠逐時顯示城區(qū)積水模擬分布。此外，通過石家莊市排水管理處提供的10處重點路段和2個地道橋的實測積水資料，對模型計算的最大積水深度精度進行驗證，見表2。由表2可知，針對此次降水過程，石家莊市排水處提供的12處城區(qū)積水片(點)在模型中都有所體現(xiàn)，不存在漏報情況；實測積水深度與模擬最大水深的誤差絕對值在0.3 m以內(nèi)(包括0.3 m)有9處，占全部積水片(點)的75.0%，其中絕對誤差小于0.1 m的有4處，占全部的33.3%，總體上模擬結(jié)果與實際情況相符；有2處絕對誤差超過1 m，均集中在地道橋積水模擬上，可能與地道橋周邊泵站及閘門是否按時開啟有關(guān)，需對其相對應(yīng)的模型網(wǎng)格參數(shù)進行進一步率定。

表2 2017年7月21日積水點驗證 m

總體來說，本系統(tǒng)在功能實現(xiàn)、模擬精度及運行穩(wěn)定性等方面都能達預(yù)期設(shè)計目標，滿足了業(yè)務(wù)使用需求，可以應(yīng)用于石家莊市內(nèi)澇預(yù)報的業(yè)務(wù)工作。

5 結(jié) 論

(1)充分考慮石家莊市城市防汛工作的特點和需求，基于城市內(nèi)澇水動力仿真模型，集成創(chuàng)新，較完整地構(gòu)建了集城區(qū)多源雨量監(jiān)測與處理、積水實況動態(tài)模擬與預(yù)測、易積水點風(fēng)險預(yù)警、數(shù)據(jù)查詢和服務(wù)產(chǎn)品制作發(fā)布等功能于一體的石家莊市城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

(2)利用該系統(tǒng)，對2017年7月21日的一次強降水過程進行模擬驗證，結(jié)果顯示系統(tǒng)在功能實現(xiàn)、模 擬精度及運行穩(wěn)定性等方面都能達預(yù)期設(shè)計目標，滿足了業(yè)務(wù)使用需求，可以應(yīng)用于石家莊市內(nèi)澇預(yù)報的業(yè)務(wù)工作。

(3)鑒于目前模型模擬結(jié)果與實際積水情況之間仍存在一定的誤差，下一步將繼續(xù)對內(nèi)澇模型進行改進和完善。相信通過大量實測資料對模型參數(shù)進行調(diào)試和率定后，該模型對于積水的模擬精度將得到進一步提高。