濟(jì)南城市防汛預(yù)警決策支持系統(tǒng)研究

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(jì)南；2.山東省濟(jì)南市市政公用事業(yè)局，250000，濟(jì)南；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

一、研究背景

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，洪水對(duì)城市的影響作用日益嚴(yán)重，進(jìn)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(jì)南作為全國(guó)重點(diǎn)防汛城市對(duì)此也有迫切需要。

濟(jì)南市區(qū)南靠群山，北臨黃河，地勢(shì)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(dú)特的地形、地貌、氣候等特點(diǎn)，濟(jì)南城市洪水主要有以下特點(diǎn)：

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(chǎng)大暴雨中。暴雨強(qiáng)度大，一般歷時(shí)較短，且暴雨中心常由西到東。

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

流域面積?。ㄐ∏搴狱S臺(tái)橋之上流域面積323km2），匯流歷時(shí)短（預(yù)見期短），為了提前做好防洪準(zhǔn)備，要求的預(yù)報(bào)精度相當(dāng)高、難度相當(dāng)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(zhǎng)度7.5 km，高差達(dá)到了132 m；舜耕路從二環(huán)南路到經(jīng)七路，長(zhǎng)度5.3 km，高差達(dá)到 105 m；英雄山路從二環(huán)南路至北園大街，長(zhǎng)度10 km，高差達(dá)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(gè)較好的排洪途徑，不易產(chǎn)生澇災(zāi)。而濟(jì)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(huì)有一定改善。但由于長(zhǎng)年蓄水，特別是汛期蓄水，對(duì)防洪將會(huì)產(chǎn)生一定影響，如果調(diào)度不科學(xué)合理，將會(huì)產(chǎn)生更大災(zāi)害。因此，小清河景觀河道運(yùn)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(dāng)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(jì)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(shí)10分起，濟(jì)南市自北向南發(fā)生了一次強(qiáng)降雨過程，截至19日早6時(shí)，整個(gè)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(diǎn)多達(dá)40個(gè)。突然襲擊的特大暴雨洪水，給濟(jì)南市帶來特大災(zāi)害,全市直接經(jīng)濟(jì)損失12.3億元。

濟(jì)南城市防汛預(yù)警決策支持系統(tǒng)的建成有效提高了濟(jì)南城市防汛信息化水平，系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)和氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)或輸入任意降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間可以模擬計(jì)算濟(jì)南市城區(qū)主要道路、易積水點(diǎn)、鐵路立交、主要河道在未來時(shí)間段內(nèi)的洪水流速、流向、流量、積水深度等指標(biāo)，并能進(jìn)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(jì)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(jì)

系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)依據(jù)“層服務(wù)模型思想”，利用分層原理，根據(jù)信息表達(dá)類型、應(yīng)用范圍、使用層面的不同，將平臺(tái)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(shí)現(xiàn)一種相對(duì)獨(dú)立的功能，這樣可將龐大的共享平臺(tái)分解為若干邏輯平臺(tái)，這些平臺(tái)的定義將降低平臺(tái)的復(fù)雜度，為信息共享平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供清晰的接口，降低信息共享平臺(tái)建設(shè)的難度，為共享平臺(tái)的建設(shè)提供了較好的規(guī)范藍(lán)本。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.仿真模型結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式

本系統(tǒng)的仿真模型由數(shù)據(jù)前處理、主體計(jì)算模塊和計(jì)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(yùn)行方式，即驗(yàn)證計(jì)算、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)算和預(yù)報(bào)計(jì)算，如圖2所示。

三、濟(jì)南城市防汛預(yù)警決策系統(tǒng)主要展示界面

系統(tǒng)平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行直觀展示及進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的重要部分，平臺(tái)利用GIS技術(shù)集成防洪工程、實(shí)時(shí)水雨情、城區(qū)積水、預(yù)警分析等信息，提供直觀、準(zhǔn)確的信息展示服務(wù)和技術(shù)支持。

其主界面包括對(duì)文件的操作，基本圖層的查詢，水情、雨情、工情實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(jìn)行展示。

本系統(tǒng)的核心部分為積水情況的模擬計(jì)算，可以進(jìn)行預(yù)案查詢，根據(jù)測(cè)站傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的實(shí)測(cè)模擬及采用氣象部門發(fā)布的降雨情況的預(yù)報(bào)模擬，并可以進(jìn)行局部降雨的非均勻降雨的模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以曲線、圖表及動(dòng)態(tài)過程顯示。

根據(jù)計(jì)算模擬的結(jié)果，參照給定的預(yù)警界限指標(biāo)，系統(tǒng)可以進(jìn)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(jiǎn)報(bào)的自動(dòng)生成功能，無須人工干預(yù)，只需進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)的選擇。該簡(jiǎn)報(bào)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(dòng)的預(yù)警級(jí)別等，可以為快速?zèng)Q策提供技術(shù)依據(jù)。

圖1 濟(jì)南城市防汛預(yù)警決策系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖2 模型的運(yùn)行控制方式

四、系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)開發(fā)完成后，進(jìn)行了大量的濟(jì)南歷史城市洪水的模擬分析以進(jìn)行參數(shù)的率定，并以濟(jì)南市2007年7月18日暴雨為算例進(jìn)行了系統(tǒng)的考證工作，結(jié)果表明該系統(tǒng)的總體趨勢(shì)性結(jié)果與實(shí)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(jìn)行校正。系統(tǒng)精度取決于兩方面因素，一是硬件問題，簡(jiǎn)單說就是能供系統(tǒng)直接使用的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)量有多少，通過監(jiān)測(cè)站點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以認(rèn)為是準(zhǔn)確的，系統(tǒng)接收到的站點(diǎn)數(shù)據(jù)越多，通過系統(tǒng)分析后得出的結(jié)果就越準(zhǔn)確，因此監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建設(shè)越多對(duì)系統(tǒng)的精度越好，但遺憾的是，建設(shè)大量的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)需要投入的經(jīng)費(fèi)也就越多，因此，實(shí)際上不可能為提高系統(tǒng)精度而無限建設(shè)大量站點(diǎn)。系統(tǒng)精度的另一個(gè)影響因素取決于軟因素，最為重要的就是模型參數(shù)的準(zhǔn)確程度，而水文模型參數(shù)是一個(gè)隨機(jī)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(zhǔn)確的參數(shù)需要較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試、觀測(cè)、調(diào)整、率定。因此要使得系統(tǒng)具有較好的精度是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。另外，模型網(wǎng)格的誤差等因素對(duì)系統(tǒng)精度也有一定影響，因此需要后期不斷進(jìn)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(dá)到令人滿意的效果。

目前該系統(tǒng)已投入到濟(jì)南城市防汛預(yù)警決策的應(yīng)用中，并對(duì)2009年5月9日的城市暴雨進(jìn)行了預(yù)測(cè)和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)調(diào)查資料進(jìn)行了對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。

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

[2]張書亮，曾巧玲，姜永發(fā)，等.GIS支持下的城市暴雨積水計(jì)算的可視化[J].水利學(xué)報(bào)，2004，12.

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