“2D城市洪澇與流域汛情風險預警評估系統(tǒng)”應用探討

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(浙江省水利水電勘測設計院，杭州 310002)

近年來，極端氣候事件頻繁發(fā)生，城市化進程快速推進導致城市群的“熱島效應”，這些都加劇了城市的洪澇災害［1］。如北京等市的特大暴雨災害，使得這一問題倍受關注。水利部門高度重視城市防洪問題，在實施“948”項目中推薦引進“2D城市洪澇與流域汛情風險預警評估系統(tǒng)(FRMFS)”(以下簡稱FRMFS)。本文簡述了該系統(tǒng)引進、消化、吸收和二次開發(fā)等方面的經(jīng)驗，驗證了系統(tǒng)在我國中小城市的適用性。

1 城市防洪現(xiàn)狀

我國多數(shù)城市存在內(nèi)澇現(xiàn)象，有的甚至相當嚴重，其原因首先是遭遇超過規(guī)劃重現(xiàn)期設計標準的降雨強度，排洪設施無法及時排除暴雨產(chǎn)生的雨水。如杭州市城區(qū)一般能抵御約36 mm/h的短時強降雨，重點區(qū)域能抵御46 mm/h，但是2010年的10號臺風中，該市濱江短歷時雨量為80 mm/h，大大超過了設計標準，出現(xiàn)了嚴重的洪澇災害。

其次是由于城區(qū)的不透水面積比重增大，下滲水量少，造成產(chǎn)流速度和產(chǎn)流量增加。

再者，城區(qū)防洪排澇基礎設施存在設計標準低、容量小、管網(wǎng)建設不成體系、排水效率低、設施老化等問題，影響排澇實效［2］。以浙江省為例，現(xiàn)有縣級及以上69個城市的防洪工程體系已基本建成，防洪能力達到50 a一遇以上的占38%;達到20 a一遇的占36%。但城市排水管渠設計重現(xiàn)期多為0.5～1 a一遇，部分重點區(qū)域為2～3 a一遇。

其他原因還包括:城市擴張改變了原有的正常排澇水系，河道湖泊淤積，城區(qū)蓄洪能力不足;城市氣溫高，空氣中粉塵大，容易出現(xiàn)城市雨島效應等［3］。

2 非工程措施的必要性

提高城市排澇能力是城市建設的迫切需求，但擴大現(xiàn)有排水和防洪工程的能力，不僅需要巨大投資，也會影響和干擾正常的城市運行秩序。以北京為例，按照其現(xiàn)行的暴雨強度公式和排澇設施建設估算標準，若把整個雨水排出系統(tǒng)的設計重現(xiàn)期從1 a 分別提高到2，3，5，10 a，其排水管道的建設費用將分別增加大約30%，50%，70%和100%。所以，應用非工程措施，通過科學管理和制定縝密的應急預案，全面提高城市抵御暴雨災害的科學技術水平，已成為城市防汛的重要研究課題。

非工程措施已成為許多國家減少洪澇災害的主要手段。美國工程師團將非工程措施分成14類，其中就有洪水預報警報系統(tǒng)和撤退計劃。防洪工程措施著重于現(xiàn)有設施的保護，是在洪水威脅時采取的被動保護和事后補救措施，制約因素多，工程量和投資大;而非工程防洪措施主要著重于在可能造成重大洪災損失之前，通過提高洪澇災害預警預報的準確程度，避讓或提高人和財產(chǎn)本身抗洪性能而采取的主動措施，制約因素少，事前決策靈活，費用較低。FRMFS正是目前國際上這方面最先進的系統(tǒng)之一。

3 FRMFS

為迅速提高我國城市洪澇防治水平，水利部結(jié)合我國實際情況，推薦引進“2D城市洪澇與流域汛情風險預警評估系統(tǒng)(FRMFS)”。在向全國推廣之前，先由典型城市進行試用，浙江金華市是試點城市之一。參加項目的單位有:金華市防汛辦、浙江省水利水電勘測設計院、河海大學等。金華市負責提供水情、雨情、工情、城市地理、地下管網(wǎng)等基礎數(shù)據(jù)，其他單位進行試運行和系統(tǒng)調(diào)試修改升級。系統(tǒng)安裝測試后，結(jié)合實際進行了二次開發(fā)，形成了適用于我國中小城市應用的漢化版系統(tǒng)。項目于2011年通過了驗收。

3.1 系統(tǒng)功能

FRMFS由英國Wallingford集團研制，試點項目主要測試驗證的功能如下:

(1)實時預警預報。系統(tǒng)可以實時鏈接水文與氣象數(shù)據(jù)，集成需要的水文及水力模型，快速對城市洪澇災害進行預報預警，并能結(jié)合地理信息，評估洪災的風險影響范圍和影響程度，幫助管理者快速準確地制定城市防汛調(diào)度應急措施。

(2)損失自動評估。系統(tǒng)可以集成1D和2D地面洪水模擬引擎;可預測城市降雨(河道或地下排水系統(tǒng))產(chǎn)生洪水的發(fā)生地點、淹沒范圍、流向及淹沒水深;在全面結(jié)合地形地貌、構(gòu)筑物、道路等相關設施的作用后，對洪澇風險和災害進行評估。

(3)快速決策發(fā)布。系統(tǒng)具有強大的網(wǎng)絡發(fā)布與瘦客戶端遠程驅(qū)動功能，擁有權限的遠程用戶可通過網(wǎng)絡瀏覽器遠程驅(qū)動服務器進行水情預測，提高了不受地域限制的遠程調(diào)度決策能力。

系統(tǒng)的主要計算流程和相關模型采用如圖1所示。

3.2 技術先進性

FRMFS技術上的先進性主要表現(xiàn)在:

它內(nèi)嵌城市排水管網(wǎng)及河網(wǎng)的水力模擬引擎;采用分布式實時水文水動模型系統(tǒng)，方便模型的更新、升級和擴展;根據(jù)使用特征采用模塊化設計，各模塊可以根據(jù)需要拆分或組合使用;可以方便地與水情監(jiān)測鏈接，實時模擬預測洪水風險。

FRMFS支持多用戶訪問;遠程用戶能在線驅(qū)動水情預測模擬并發(fā)布決策信息，其他相關用戶可以在權限范圍內(nèi)通過簡單的IE操作界面參與實現(xiàn)遠程調(diào)度;引入2D洪水演進過程計算引擎，真實準確地評估流域/城市洪水淹沒和洪澇災害的風險;具有靈活的結(jié)果表現(xiàn)方式和豐富的成果報告。

3.3 解決的關鍵問題

FRMFS在本項目的實施中解決了2個關鍵問題:

一是使1D和2D洪水引擎完美結(jié)合。系統(tǒng)采用1D水力模型(城市排水管網(wǎng)水力模型)確定洪水出現(xiàn)的位置，用2D引擎結(jié)合地形在更詳細的局部范圍內(nèi)確定洪水的淹沒范圍、水深及流速，為洪水風險分析和災害評估提供準確的評判依據(jù)，并能夠根據(jù)需要與各類洪水災害評估的模型進行整合。FRMFS能真實地反映地形地貌要素，有機地結(jié)合地面高程模型DEM/DTM、土地利用情況(不同的下墊面糙率系數(shù))、城市地面建筑物(不同的透水程度)以及地形地貌(自動調(diào)節(jié)2D格網(wǎng)的大小)，大幅度提高計算速度，也更準確、真實地確定洪水預報的各項要素。

二是風險預警效率高。FRMFS的預警以氣象觀測和水文分析為基礎，自動計算判斷不同暴雨分布可能形成的內(nèi)澇范圍和嚴重程度，迅速全面分析各種不利因素，預測各種可能造成的后果信息，使用戶在災害發(fā)生初期迅速做出判斷，及時發(fā)布警報范圍、等級和應急措施。

實例中FRMFS解決的關鍵技術有:迅速精確地獲取洪澇淹沒區(qū)域和洪水水深分布;快速處理巨量空間和屬性數(shù)據(jù);洪澇汛情風險預警評估的模型規(guī)劃、建立和實現(xiàn)。

4 城市洪水預報

FRMFS發(fā)揮效益的關鍵是其預報的精度和速度。城市地區(qū)下墊面情況復雜，大量的道路、建筑及排水管網(wǎng)改變了原有暴雨徑流和產(chǎn)匯流條件，從而使其水文要素和水文過程發(fā)生明顯改變，城市洪水預報［4］是針對城市化地區(qū)的水文預報，其預報對象是城市河流洪水及城市內(nèi)澇情況。

4.1 預報步驟

本項目應用FRMFS分析預報的主要步驟為:

(1)確定預報范圍。實例范圍根據(jù)地形及城市排水管網(wǎng)的情況劃分。其中假設城市排水系統(tǒng)完全由管網(wǎng)和排水河網(wǎng)組成，設定產(chǎn)生的暴雨洪水先排入管網(wǎng)，然后排入河網(wǎng)，參考河道和地下排水管網(wǎng)的布局劃分集水區(qū)域。

(2)確定透水墊層。通過實測的現(xiàn)狀地形圖確定不透水的面積，實例中將樓房、校區(qū)、工廠、單層建筑、河流、湖泊、綠地等劃分為7個基本計算區(qū)域，以其面積與相應的不透水面積系數(shù)相乘，再相加得到總的不透水面積。

(3)鏈接分析實時水雨情數(shù)據(jù)。城市雨洪過程完成時間比較短，實例中全部使用實時遙測雨量數(shù)據(jù)。金華全市水雨量站密集，設備先進，水雨情分析軟件計算精度和運行效率都很高。

(4)選擇確定模型，迭代比較分析，并自動糾錯調(diào)整，計算輸出成果數(shù)據(jù)，如水位、徑流量、洪峰流量、峰現(xiàn)時間、洪水過程、積水深度及積水時間等。

4.2 預報模型

根據(jù)FRMFS的原有模型，結(jié)合浙江省的實際情況，在本項目中采用產(chǎn)流、匯流及管網(wǎng)匯流等各相關的洪水預報模型。其中主要有洪水產(chǎn)流、匯流計算。

洪水產(chǎn)流計算:城市匯水區(qū)面積小，不透水面積比重大，下滲較少，產(chǎn)流計算側(cè)重于地表徑流量分析。采用的產(chǎn)流模型有固定徑流比例模型(不透水面采用)、Wallingford固定徑流模型、新英國(可變)徑流模型、美國SCS方法、Green-Ampt模型、Horton模型(透水面采用)。

洪水匯流計算:把城市雨水匯流分成地面、管網(wǎng)、河網(wǎng)等匯流。采用模型主要有雙線性水庫(Wallingford)模型、Desbordes模型(法國標準匯流模型)、SPRINT匯流模型(單線性水庫模型)、SWMM匯流模型(非線性水庫+運動波方程)、大型貢獻面積匯流模型。

5 應用實例

5.1 實例基本情況

金華市是浙江省中西部中心城市，市區(qū)面積2 044 km2，人口92萬，臺風、暴雨等自然災害影響嚴重。例如“羅莎”臺風時，市區(qū)積水有1 m多深，30條道路無法通行，大量汽車浸泡水中。金華市洪澇災害頻發(fā)的主要原因有:

(1)自然因素。市區(qū)地面高程與周圍的河道水位相差不多，容易積水。外圍山地坡度陡，暴雨形成的山洪匯流快，迅速進入主城區(qū)河道。城市周圍河流出現(xiàn)洪水時，水位迅速抬高，造成內(nèi)河的排澇閘不能排出澇水。

(2)蓄洪能力弱。由于城區(qū)不斷增大，市郊大批農(nóng)田消失，雨水無法下滲;部分河道被占用，原有蓄滯洪能力減小。

(3)排澇不暢。城市排澇標準設計偏低，河道和地下管道過水能力不足，一些早期的排洪通道被填堵，沒有配套建設有足夠排泄能力的新排洪通道，導致市區(qū)排水不暢。

從以上情況看，金華城區(qū)的狀況與國內(nèi)許多城市相似。

5.2 試用介紹

在試用初期，計算成果并不理想，主要原因是約束條件多，系統(tǒng)自帶模型不適合實際應用等。所以項目組與英國Wallingford集團合作進行了二次開發(fā)，主要工作有:

(1)對系統(tǒng)進行了全面漢化，使各類用戶都能讀懂、理解和應用系統(tǒng)。

(2)進行系統(tǒng)簡化，刪除了在我國不必要的功能，減少了冗余，提高了系統(tǒng)的運行速度和效率。

(3)嵌入了適合浙江省實際的產(chǎn)匯流和預報模型，特別是一些經(jīng)驗公式，提高了系統(tǒng)適用性。

(4)修改了約束條件，讓系統(tǒng)的適應能力大幅度增加。

在二次開發(fā)的同時，對數(shù)據(jù)原有格式進行了調(diào)整和格式化。經(jīng)過2 a多的反復試算和修改，最終的成果滿足了精度和可靠性的要求。表1是5組實例的典型暴雨洪水驗算結(jié)果，計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)基本吻合。

表1 典型暴雨洪水實測與計算數(shù)據(jù)成果比較Table 1 Comparison between measured and calculated data of typical storm flood

5.3 成果評價

FRMFS的實施解決了金華市防汛工作的瓶頸，使全市洪澇汛情風險預警評估成果的質(zhì)量大幅度提高，提升了城市洪澇汛情風險預警評估應用的科學性、合理性、可操作性。項目最終評審結(jié)論:

(1)針對我國城市防洪排澇的特點，通過模塊和參數(shù)優(yōu)選，提高了系統(tǒng)運行速度與效率，同時提出該模型的2D模塊主要適用于城市重點區(qū)或易澇區(qū)。

(2)系統(tǒng)包含了城市空間基礎信息、災情分析與評估、實時水雨情、工情等數(shù)據(jù)庫以及分區(qū)域、分專題的綜合信息管理，是一個綜合性的一體化管理方案。

(3)系統(tǒng)根據(jù)降雨/水深模型，組合數(shù)據(jù)高程模型分析洪水影響范圍，計算輸出分析成果，并據(jù)此繪制洪水風險示意圖，直觀形象地展示可能發(fā)生的雨澇淹沒范圍、淹沒水深等;系統(tǒng)定量地分析和輸出防汛決策所需要的大部分汛情風險預警評估專用數(shù)據(jù)，預測區(qū)域洪水量及損失程度，成果信息量豐富，圖文并茂。

圖2是眾多輸出圖中的一幅，顯示計算區(qū)域各關鍵結(jié)點(檢查井)溢出最大洪水量。

圖2 城市區(qū)域關鍵結(jié)點(檢查井)溢出最大洪水量圖Fig.2 Maximum overflow flood in key nodes(inspection wells)

(4)在進行災情現(xiàn)勢性分析和災情預測后，列出可能的排澇方案(如圖2顯示了洪水量的分布，指導用戶開啟最合適的排澇泵閘;圖中也顯示排水通道(鏈路)的寬度和流量，用戶可以據(jù)此設計最佳排澇方案)。代入方案后，得到排澇調(diào)度之后的現(xiàn)勢性分析成果，顯示輸出已淹沒范圍、可能會淹沒范圍、預測淹沒后可能產(chǎn)生的損失，方便確定最優(yōu)解決方案。例如，系統(tǒng)輸出淹沒范圍(水深)圖，預測區(qū)域內(nèi)道路哪些會被淹沒，以利于用戶確定最佳撤退線路;系統(tǒng)預測損失信息，可用于指揮把有限的人力和物力投入到最需要的地方;特別是對將要淹沒和已淹沒區(qū)域的精確分析，指引避開危險區(qū)域，迅速把人員財產(chǎn)轉(zhuǎn)移到安全地帶。

金華市實施FRMFS，比原計劃自行開發(fā)系統(tǒng)節(jié)省了3/4～4/5的投資，開發(fā)時間縮短5倍，為經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供了保障。金華市經(jīng)濟發(fā)達，人口稠密，市內(nèi)各流域是獨流入海，山區(qū)性、平原河網(wǎng)交錯，故有其特殊性，但FRMFS應用研究的大部分內(nèi)容能為其他城市所引用。

FRMFS實施的難點是:基礎資料收集困難，邊界條件約束較多，對水雨情、工情、地理信息等數(shù)據(jù)的完整性要求較高。

6 結(jié)語

城市是地區(qū)政治、經(jīng)濟和文化的中心，是交通、信息和網(wǎng)絡的樞紐。城市洪澇災害威脅著人民群眾生命財產(chǎn)的安全，影響了人與自然的和諧發(fā)展。非工程防洪排澇措施的成本低，實施方便。它對于降低洪澇災害的損失，調(diào)整洪澇的影響過程和程度，最大限度地減少洪水的負面作用意義重大。目前，我國城市洪澇汛情風險預警評估系統(tǒng)研究和應用相對落后，借鑒國外先進的方法與技術是改變這種落后局面的捷徑之一。作為先進的非工程措施，F(xiàn)RMFS的實施為城市洪澇汛情風險預警評估系統(tǒng)建設提供了經(jīng)驗。對提高我國中小城市防洪排澇預警預報能力和防汛工作的綜合水平起到積極作用。

［1］關彥斌，李景慶，趙光明，等.透水性路面與城市生態(tài)環(huán)境［J］.城市問題，2006，(6):50 －53.(GUAN Yanbin，LI Jing-qing，ZHAO Guang-ming，et al.Water Penetrated Pavement and Urban Ecological Environment［J］.Urban Problems，2006，(6):50 －53.(in Chinese))

［2］李月明，鄭雄偉.浙江省城市防洪排澇問題與對策［J］.水利規(guī)劃與設計，2012，(3):1 －3.(LI Yue-ming，ZHENG Xiong-wei.Issue and Countermeasure of Urban Flood and Drainage in Zhejiang［J］.Water Resources Planning and Design，2012，(3):1 －3.(in Chinese))

［3］戴慎志，曹 凱.我國城市防洪排澇對策研究［J］.現(xiàn)代城市研究，2012，(1):21 －23.(DAI Shen-zhi，CAO Kai.Countermeasure of Urban Flood and Drainage in China［J］.Modern Urban Research，2012，(1):21 －23.(in Chinese))

［4］鐘登華，李文穎.城市洪水預報及分析模型研究［J］.河北水利水電技術，2001，(2):8－9.(ZHONG Denghua，LI Wen-ying.Urban Flood Prediction and Analytical Modeling Research［J］.Hebei Water Resources and Hydropower Engineering，2001，(2):8 －9.(in Chinese))