孫 甜 ，郭 磊 ，舒全英 ，朱 燦 ，習雪飛

（1.浙江大禹信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310002；2.浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

在我國，濱海平原大多處于經(jīng)濟發(fā)達、地理位置優(yōu)越的地區(qū)，并且由于湖泊和河流縱橫交錯，使該地區(qū)的河網(wǎng)水系變得十分復雜，同時，較低的地勢條件，使得洪澇災(zāi)害更易發(fā)生[1]。受潮水的影響，如果在洪澇期，當?shù)亟邓蛏嫌蝸硭疅o法及時排出，再遭遇下游高潮位時，湖泊或河道中蓄積的洪水便會發(fā)生漫堤，進而造成洪澇災(zāi)害[2]。針對濱海平原河網(wǎng)地區(qū)而言，近年來，隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，下墊面狀況發(fā)生改變，表現(xiàn)在城鎮(zhèn)不透水面積增加，致使城鎮(zhèn)產(chǎn)匯流特性發(fā)生變化，產(chǎn)匯流時間縮短、產(chǎn)流量增加等諸多原因均增大城鎮(zhèn)洪澇的風險；而且由于雨水管網(wǎng)標準偏低，受河道頂托影響，導致泄水不暢也加重了城市洪澇風險。

目前國內(nèi)外在城市暴雨洪澇預警預報及綜合管理等方面取得了一系列研究成果[3]。其中較具代表性的是美國環(huán)保署（EPA）開發(fā)的SWMM模型，現(xiàn)已被國內(nèi)學者廣泛應(yīng)用于洪澇過程計算[4-5]。劉俊等[6]首次引進該模型，進行天津市區(qū)二級河道的排澇模擬。叢翔宇等[7]研究了城市立交橋的暴雨積水過程，并分析雨水口堵塞50%時的道路積水情況。朱程浩等[8]基于SWMM模型建立西安市灃西新城區(qū)洪澇模型，開展洪澇過程及其風險評估研究。徐冰等[9]構(gòu)建基于SWMM管網(wǎng)和地面二維積水的城市內(nèi)澇模擬模型，分析福州省晉安河周邊城市內(nèi)澇成因及應(yīng)對策略。雖然當前基于SWMM模型的研究在洪澇過程計算方面成果豐富，但洪澇過程轉(zhuǎn)換為風險評估結(jié)果的較少；以歷史過程模擬為主，缺乏系統(tǒng)平臺支撐，不能快速實現(xiàn)在線預警預報。

本文選取典型的濱海城鎮(zhèn)地區(qū)—溫州市鹿城區(qū)作為研究對象。鹿城區(qū)地處東南沿海，北面位于甌江下游，是溫州市政治、經(jīng)濟、文化中心。區(qū)域內(nèi)經(jīng)常受到臺風暴雨、強對流暴雨的襲擊，并且易受甌江潮水的頂托作用。臺風是影響鹿城區(qū)最大的氣象災(zāi)害之一，當強臺風過境時，基本面臨風、暴、潮三碰頭，導致洪澇災(zāi)害嚴重[10]。鑒于此，結(jié)合實時水雨情數(shù)據(jù)和降雨預報，通過構(gòu)建暴雨洪水管理模型（SWMM）、管網(wǎng)—地表淺流模型耦合的洪澇預報模型，建立濱海平原河網(wǎng)地區(qū)城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害預報預警系統(tǒng)，實現(xiàn)水雨情、工情等信息的快速查詢，在SWMM模型、洪澇預報模型集成的基礎(chǔ)上，及時進行洪水預報、道路預警和洪水風險評估，為水災(zāi)害防御調(diào)度提供科學依據(jù)，有效地減少洪澇災(zāi)害造成的損失。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體技術(shù)路線

濱海平原河網(wǎng)地區(qū)城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害預報預警系統(tǒng)基于GIS、SWMM模型、洪澇預報模型實現(xiàn)道路洪澇預警、洪澇風險評估等功能；同時整合水文信息、工情信息、備汛信息實現(xiàn)實時水雨情查詢、工情信息查詢、備汛信息查詢等功能，為水災(zāi)害防御提供有效的服務(wù)?？傮w技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

2.2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計

針對平原河網(wǎng)城鎮(zhèn)開發(fā)的平原河網(wǎng)城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害預報預警系統(tǒng)主要功能模塊包括以下6個：地圖操作模塊、信息查詢和數(shù)據(jù)模塊、洪水預報模塊、淹沒分析模塊、災(zāi)情評估模塊以及防洪調(diào)度模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 地圖操作模塊

該模塊基于電子地圖，按照點、線、面等矢量數(shù)據(jù)格式組織各個圖層，并對不同圖層進行疊加顯示，實現(xiàn)圖形的縮放、量測等操作功能。

2.2.2 信息查詢和數(shù)據(jù)管理模塊

信息查詢在GIS平臺上實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查詢、展示、分類統(tǒng)計。數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的添加、刪除與修改等功能。數(shù)據(jù)包括水雨情數(shù)據(jù)、河道數(shù)據(jù)、工情調(diào)查數(shù)據(jù)、水文調(diào)查數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟、人口情況的調(diào)查數(shù)據(jù)等。

2.2.3 洪水預報模塊

該模塊能夠根據(jù)雨量和蒸發(fā)等數(shù)據(jù)，結(jié)合管網(wǎng)、河道斷面、高程等信息，通過降雨徑流—雨污管流—洪澇預報模型，計算不同階段管流的水位、壓強、流速、流量等參數(shù)的變化情況，預測確定地點的水位、流量、洪峰抵達時間等數(shù)據(jù)。

2.2.4 淹沒分析模塊

該模塊在洪水預報計算結(jié)果下，能提供相應(yīng)的洪水漫溢造成的淹沒范圍、水深等數(shù)據(jù)，為后續(xù)災(zāi)害評估做準備。

2.2.5 災(zāi)情評估模塊

該模塊根據(jù)降雨徑流模型和洪水演進模型所得洪災(zāi)時間、空間分布數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)域的社會經(jīng)濟分布情況，基于GIS平臺，計算不同時段、不同水深下相應(yīng)區(qū)域的洪災(zāi)風險與人口、財產(chǎn)損失。

2.2.6 防洪調(diào)度模塊

該模塊基于洪水預報計算、洪澇災(zāi)害評估計算等結(jié)果，結(jié)合降雨、水文等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)控的實際情況，能夠初步實現(xiàn)防洪調(diào)度方案制定、防洪調(diào)度方案仿真以及防洪預警的功能。

3 采用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于耦合模型的演進技術(shù)

濱海平原河網(wǎng)地區(qū)城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害的重要特征在于強降雨容易導致城鎮(zhèn)低洼區(qū)域淹水、雨污排水管井超荷載滿溢以及河道水位上漲發(fā)生漫堤等情況，構(gòu)建地表、管道、河道匯流的耦合模擬計算模型，以模擬地表徑流、排水管道與河網(wǎng)水系的相互作用機制。

降雨地面徑流 — 河網(wǎng) — 管道耦合水動力學耦合計算主要通過邊界計算節(jié)點之間的水位和流量條件實現(xiàn)。其中降雨 — 徑流模型計算所得出的結(jié)果作為雨污排水系統(tǒng)管流和河網(wǎng)非恒定流預報模型的匯流邊界條件；同時，雨污排水系統(tǒng)管流模型計算得到結(jié)果作為河網(wǎng)非恒定流預報模型的匯流條件，雨污排水系統(tǒng)管流計算通過設(shè)置壓力和流量邊界條件，考慮河網(wǎng)洪水水位上漲發(fā)生頂托或管流淹沒處理的情況。

極端降雨條件下，在發(fā)生雨污排水管滿溢出現(xiàn)地表淺流的情況下，降雨地表徑流模型通過在滿溢區(qū)域計算節(jié)點上，考慮雨污管井出入流量的時間變化過程，在控制方程中通過源項納入計算過程，獲得其對地表徑流的影響。當河網(wǎng)洪水水位上漲，發(fā)生漫堤時，采用相同的方法，在坡面和河網(wǎng)邊界面上的計算節(jié)點，通過水位、流量的連續(xù)條件進行計算，從而實現(xiàn)地面匯流、管道地面雙重匯流和河網(wǎng)匯流的一體化計算。

3.2 洪水淹沒動態(tài)模擬技術(shù)

根據(jù)DEM求取給定水位條件下的淹沒區(qū)，從計算機算法的角度，無源淹沒處理相對簡單，只要沿著由左至右、由上至下的方向遍尋所有網(wǎng)格，將滿足條件的網(wǎng)格找出即可。有源淹沒因需處理迂回連通問題，其算法實現(xiàn)復雜一些。經(jīng)過分析采用種子蔓延法進行處理。該算法的核心思想是從給定的源點出發(fā)，從平面區(qū)域上沿8個方向游動擴散，求取既滿足水位條件又與源點連通的網(wǎng)格集合?？紤]到洪水淹沒的動態(tài)模擬，在有源淹沒中設(shè)計淹沒步數(shù)，實現(xiàn)雨量由小至大所造成的淹沒演示過程；有源淹沒中淹沒的演進是從源點逐漸擴散的，因此也是水源流動的動態(tài)模擬。

3.3 洪澇風險評估技術(shù)

洪澇災(zāi)害風險是洪澇致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體幾個方面的綜合函數(shù)，洪澇災(zāi)害風險評估的技術(shù)流程包括：指標選擇、指標量化、風險評估、風險分析、風險驗證、風險區(qū)劃、風險決策、評估模型等8個部分。根據(jù)災(zāi)害風險評估原理、指標選取原則、評價方法，建立洪水災(zāi)害風險評估指標體系；通過層次分析法、熵值法、組合權(quán)重法確立評價指標權(quán)重；按向量歸一化法將各指標特征值進行標準化處理，將洪澇災(zāi)害風險由高到低劃分為5個等級，并將各指標等級閾值進行標準化處理；計算隸屬度矩陣，利用改進的模糊優(yōu)選模型進行計算，得到各個分區(qū)的洪澇災(zāi)害風險評估結(jié)果。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 洪水預報過程展示

系統(tǒng)首先對方案進行設(shè)定，包括洪水場次名稱、預報方案名稱、方案開始時間和結(jié)束時間等；并根據(jù)設(shè)定時間的實測降雨和預報降雨，在降雨徑流過程計算模塊集成的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對徑流過程的模擬，且計算結(jié)果能以圖表的形式直觀展現(xiàn)。

根據(jù)降雨徑流過程模擬結(jié)果，并結(jié)合各河道斷面、高程等信息，基于非恒定河網(wǎng)水動力模型，實現(xiàn)對各河道水位過程的模擬及統(tǒng)計洪峰水位和峰現(xiàn)時間，同時能將計算水位與實測水位進行對比。通過設(shè)定不同的預見期，能滿足在前期降水和未來降水預報條件下，對河道未來水位過程的模擬，為提前采取相應(yīng)的調(diào)度措施提供依據(jù)。

4.2 道路預警展示

為了反映積水在地面的淹沒和匯流過程，系統(tǒng)集成管網(wǎng) — 地表淺流模型耦合的洪澇預報模型，實現(xiàn)排水系統(tǒng)遭遇不同暴雨頻率下內(nèi)澇發(fā)生的可能性、淹沒時間、淹沒范圍以及淹沒深度，展示城鎮(zhèn)建設(shè)用地（地塊）的內(nèi)澇風險。以道路預警為例，通過選擇相應(yīng)的預報方案，對道路洪水演進過程進行計算分析，展示的道路淹沒水深和范圍。

4.3 洪水風險展示

通過選擇相應(yīng)的洪水場次、預報時刻和方案，依據(jù)系統(tǒng)集成的洪澇預報模型，進行洪水風險繪制，系統(tǒng)能展示研究區(qū)域的淹沒范圍、淹沒水深，并根據(jù)計算結(jié)果進行風險評估分析，為水災(zāi)害防御調(diào)度決策提供預判依據(jù)，減輕洪澇災(zāi)害。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合地理信息系統(tǒng)，利用分布在流域、城鎮(zhèn)河網(wǎng)和城市排水系統(tǒng)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于實時動態(tài)的氣象降水預報數(shù)據(jù)，并依托耦合模型的演進技術(shù)和洪水淹沒動態(tài)模擬技術(shù)，開發(fā)濱海平原河網(wǎng)地區(qū)城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害預報預警系統(tǒng)，實現(xiàn)成果的動態(tài)模擬推演及可視化，并應(yīng)用于溫州市鹿城區(qū)，為鹿城區(qū)的水災(zāi)害防御提供技術(shù)支撐。