基于區(qū)域網(wǎng)格劃分的城市積水預(yù)警模型構(gòu)建

王慧軍，許映秋，談?dòng)⒆耍?江沖，李偉

(1.東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2. 東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210096；3. 中國(guó)電信南京公司，江蘇 南京 210000)

基于區(qū)域網(wǎng)格劃分的城市積水預(yù)警模型構(gòu)建

王慧軍1，許映秋1，談?dòng)⒆?， 江沖3，李偉3

(1.東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2. 東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210096；3. 中國(guó)電信南京公司，江蘇 南京 210000)

加強(qiáng)城市災(zāi)害的監(jiān)控和預(yù)測(cè)是城市防災(zāi)減災(zāi)工作的一項(xiàng)重要任務(wù)。基于對(duì)城市區(qū)域的網(wǎng)格劃分，構(gòu)建城市積水預(yù)警模型；在監(jiān)測(cè)城市降雨量的基礎(chǔ)之上，通過(guò)模型計(jì)算判斷城市中可能出現(xiàn)的積水區(qū)域，據(jù)此可采取相應(yīng)的預(yù)控措施，減少城市災(zāi)害帶來(lái)的損失。

城市；防災(zāi)；減災(zāi)；災(zāi)害預(yù)警；積水；網(wǎng)格

城市防災(zāi)工作已經(jīng)受到政府和社會(huì)的廣泛關(guān)注，在災(zāi)害發(fā)生的初期或者可能發(fā)生時(shí)，如果能夠采取有效的防災(zāi)措施或者及時(shí)的發(fā)布災(zāi)害預(yù)警信息，可以有效地減少災(zāi)害帶來(lái)的損失，同時(shí)為接下來(lái)的防災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)工作減輕難度。而防災(zāi)預(yù)警首先需要解決的問(wèn)題是如何進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測(cè)、識(shí)別，本文提出了一種基于城市區(qū)域網(wǎng)格劃分的暴雨積水預(yù)警模型，在進(jìn)行降雨量監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上通過(guò)模型計(jì)算，判斷可能出現(xiàn)積水的區(qū)域，據(jù)此進(jìn)行城市積水的預(yù)警。

1 城市區(qū)域網(wǎng)格劃分

實(shí)現(xiàn)城市積水預(yù)警，首先需要對(duì)城市區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)地表和排水渠道的水流運(yùn)動(dòng)建立動(dòng)力學(xué)方程，此過(guò)程以二維平面非恒定流方程作為主要的控制方程，以此作為城市積水預(yù)警的骨架。同時(shí)，為了計(jì)算城市中的排水渠道、河流中的水流，可以使用一維非恒定流方程進(jìn)行模擬計(jì)算。

一般情況下，上述兩種方程的使用，都是在對(duì)所研究的區(qū)域進(jìn)行規(guī)則的矩形網(wǎng)格劃分或者三角形網(wǎng)格劃分后計(jì)算。網(wǎng)格可分為結(jié)構(gòu)化(Structured)和非結(jié)構(gòu)化(Unstructured)兩類。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，每個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)都被相同數(shù)目的單元所包含；而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，包含每個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的單元數(shù)目是不確定的。

到目前為止結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)發(fā)展的相對(duì)比較成熟。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有很多優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)格形狀規(guī)則，單元分布較均勻；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；可以很容易地實(shí)現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，適于流體和表面應(yīng)力集中等方面的計(jì)算；對(duì)曲面或空間的擬合大多采用參數(shù)化或樣條插值的方法，區(qū)域光滑，與實(shí)際模型更容易接近。其缺點(diǎn)是適用范圍比較窄，只適用于形狀規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)。

與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的定義相對(duì)應(yīng)，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是指網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部點(diǎn)不具有相同的毗鄰單元。即與網(wǎng)格劃分區(qū)域內(nèi)的不同內(nèi)點(diǎn)相連的網(wǎng)格數(shù)目不同。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)能夠彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格難以解決任意形狀和任意連通區(qū)域的網(wǎng)格剖分的欠缺。

本文研究的對(duì)象是城市積水預(yù)警，城市區(qū)域內(nèi)的地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種建筑物、綠地交錯(cuò)分布，街道與河流錯(cuò)綜復(fù)雜，城市中的不同設(shè)施其參數(shù)設(shè)定各不相同，這對(duì)暴雨的徑流分析會(huì)產(chǎn)生很大的影響。為了使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，本文采用一種非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方法，即無(wú)結(jié)構(gòu)不規(guī)則的網(wǎng)格劃分形式，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可用圖1表示，城市中的網(wǎng)格根據(jù)用地的類型劃分為多邊形，網(wǎng)格的每一條邊定義成通道，通道之間的連接處定義為節(jié)點(diǎn)。在計(jì)算過(guò)程中，以每一個(gè)網(wǎng)格為單元，計(jì)算該網(wǎng)格內(nèi)的徑流量、排水量以及積水深度。

圖1 無(wú)結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格

1.1 網(wǎng)格內(nèi)水流動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

對(duì)網(wǎng)格內(nèi)的區(qū)域可以采用二維平面非恒定流方程進(jìn)行計(jì)算，以此模擬計(jì)算城市地表的水流運(yùn)動(dòng)，對(duì)各個(gè)通道采用一維非恒定流方程，以此模擬計(jì)算城市內(nèi)排水渠道、河流內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)。城市內(nèi)的各種堤壩或者地勢(shì)比較高的地方，可以采用寬頂堰流公式進(jìn)行模擬計(jì)算，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于區(qū)域網(wǎng)格劃分的積水預(yù)警模型

1) 二維非恒定流方程是一套水動(dòng)力學(xué)方程，其形式如下：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

其中:H為積水的深度，Z為積水表面的高度即水位，設(shè)Z0為積水底部的高度，則有Z=Z0+H；q為水的源匯項(xiàng)，它為雨水的總的流入量，由排水強(qiáng)度和降雨強(qiáng)度兩部分組成；M，N分別為x，y兩個(gè)方向的單寬流量，他們可以表示為M=Hu，N=Hv；u，v為在x和y方向上流速的分量；n為粗糙率；g為重力加速度。

通過(guò)控制二維非恒定流方程的源匯項(xiàng)q，可以控制地表的網(wǎng)格單元與地下的排水管道的水量交換。網(wǎng)格單元內(nèi)的降雨強(qiáng)度形成的徑流量用qλ表示，單位為m3/s，其計(jì)算公式如式(4)所示：

(4)

其中：Axy為網(wǎng)格單元內(nèi)不透水區(qū)域的面積與網(wǎng)格單元總面積的比例；Rain為網(wǎng)格單元內(nèi)的降雨量；f(x)為當(dāng)?shù)氐膹搅飨禂?shù)，一般在城市區(qū)域內(nèi)，可以通過(guò)f(x)=0.4+0.4×Axy計(jì)算徑流系數(shù)；Area為該網(wǎng)格的面積。

單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)格內(nèi)排水管網(wǎng)的最大排水量用qc表示，則：

(5)

其中：R為排水管網(wǎng)中豎井的半徑；L為單元網(wǎng)格內(nèi)設(shè)有的排水管的總長(zhǎng)度，d為該網(wǎng)格內(nèi)排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的排水井之間的平均井距，該參數(shù)一般可以從城市的建筑手冊(cè)中查取，由此可以理解L/d為該單元網(wǎng)格內(nèi)的排水井的數(shù)量；g為重力加速度。

當(dāng)降雨強(qiáng)度小于排水管最大排水量時(shí)，地面將不會(huì)產(chǎn)生積水，雨水全部由排水管排出；當(dāng)降雨強(qiáng)度大于排水管最大排水量時(shí)，網(wǎng)格內(nèi)的積水將以排水管的最大排水量qc進(jìn)行排水。

2) 一維非恒定流方程：

(6)

其中：Q為排水管或渠道中的截面流量，l為排水管或渠道的長(zhǎng)度，A為該排水管或渠道的斷面中過(guò)水部分的截面面積，Sf為排水管或渠道內(nèi)的摩阻系數(shù)，可以根據(jù)式(7)計(jì)算得出：

(7)

其中：U為排水管或渠道內(nèi)的水流的平均速度；n為管道表面的粗糙率；R為水力半徑，它是過(guò)水?dāng)嗝婷娣e與濕周之間的比值，表達(dá)式為R=A/X，濕周為過(guò)水?dāng)嗝嫔纤魉鶟駶?rùn)的邊界長(zhǎng)度。

3) 寬頂堰溢流公式的表達(dá)式：

(8)

其中：Qj為堰頂部分的流量，m為溢流系數(shù)，δs為淹沒系數(shù)，H為堰頂上部的徑流水位。

1.2 地貌地形與排水系統(tǒng)概化

建立某一區(qū)域的暴雨積水預(yù)警模型，需要考慮該區(qū)域的地形地貌特征和排水系統(tǒng)，由于現(xiàn)實(shí)情況一般比較復(fù)雜，因此需要在對(duì)該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)域內(nèi)的地貌特征和排水系統(tǒng)進(jìn)行概化。

本節(jié)選取南京市某大學(xué)四牌樓校區(qū)作為模擬地圖，采用無(wú)結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)作為計(jì)算單元，將該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。以道路作為網(wǎng)格的通道，通道與通道之間以節(jié)點(diǎn)相連，構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其中圖3(a)為該區(qū)域的平面圖，圖3(b)為根據(jù)該區(qū)域的道路分布結(jié)構(gòu)，在假設(shè)排水管路沿道路鋪設(shè)的基礎(chǔ)之上，構(gòu)建出該區(qū)域的排水管道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)這些排水管道將該區(qū)域劃分為多個(gè)無(wú)結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格，以便進(jìn)行下一步的計(jì)算。

圖3 網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

市區(qū)的排水系統(tǒng)對(duì)降雨時(shí)能否產(chǎn)生積水影響很大，一般城市中的地下排水管網(wǎng)排布都非常復(fù)雜，城市中基本會(huì)沿著每條街道鋪設(shè)排水管道。考慮到實(shí)際情況非常復(fù)雜，為了降低計(jì)算量，需要將排水管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。通過(guò)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以每條道路建立了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本節(jié)通過(guò)假設(shè)排水管道為沿道路鋪設(shè)，則將排水管網(wǎng)絡(luò)與地面的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，即網(wǎng)格的通道就是排水管道。對(duì)于網(wǎng)格單元內(nèi)部，設(shè)定是否具有排水管道，如果有則按照管道的總長(zhǎng)度、平均管徑等要素概化。圖4為圖3所示區(qū)域排水管道概化后的結(jié)果。從圖4中可見，地圖中每一條道路可以通過(guò)鼠標(biāo)選擇，選擇出的對(duì)象即為程序內(nèi)部概化的排水管道(圖中黑線標(biāo)出)，該管道相應(yīng)的參數(shù)在右側(cè)方框內(nèi)顯示。

圖4 排水管道概化

降雨時(shí)，該區(qū)域內(nèi)的積水以淹沒出流的方式經(jīng)排水管道排入地圖右側(cè)的明渠之中。如果河道中的水位高出了排水管道頂部，則會(huì)出現(xiàn)倒流的現(xiàn)象。南京在城市多個(gè)地區(qū)建有泵站，在需要的時(shí)刻同時(shí)開啟，可以將河道內(nèi)的積水逐級(jí)的排出，保證河道內(nèi)水位保持較低的穩(wěn)定狀態(tài)，因此程序中暫未考慮排水管道逆流的現(xiàn)象。

管道內(nèi)的水流采用一維非恒定流方程進(jìn)行計(jì)算，各網(wǎng)格與排水管之間的積水流動(dòng)，即方程的源匯項(xiàng)，源匯項(xiàng)由該網(wǎng)格區(qū)域的降雨強(qiáng)度和排水強(qiáng)度組成，兩者決定排水管對(duì)網(wǎng)格區(qū)域中雨水的排量。

2 模塊實(shí)現(xiàn)

對(duì)預(yù)警區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分之后，地圖中需要建立的對(duì)象有通道、節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格。本文采用Java語(yǔ)言，對(duì)每一個(gè)對(duì)象建立一個(gè)類，具體有通道類Road、節(jié)點(diǎn)類Node、網(wǎng)格類Area。對(duì)上述類的定義如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)類定義

2.1 模型參數(shù)設(shè)定

2011年7月中旬，南京20年來(lái)最長(zhǎng)梅雨季突發(fā)“最后一擊”，出現(xiàn)當(dāng)年的最大暴雨。17日南京市區(qū)、六合南部地區(qū)的降雨量已達(dá)100mm以上，暴雨持續(xù)四個(gè)多小時(shí)。暴雨導(dǎo)致城市東、南、西、北交通四處中斷，主干道堵成一片，車輛排成長(zhǎng)龍，路邊一樓店鋪進(jìn)水，紛紛提前關(guān)門。棲霞大道、十月廣場(chǎng)積水嚴(yán)重，燕山路全線封路。玄武湖隧道中，很多轎車熄火，在鬧市區(qū)，積水倒灌進(jìn)地鐵站，一些地勢(shì)低洼的小區(qū)住戶被淹，部分城南老房的屋頂發(fā)生塌陷。大量積水倒灌鐵路，導(dǎo)致滬寧城際鐵路部分軌道被淹。為確保列車安全運(yùn)行，鐵路部門將部分南京至上海站的列車改為南京南站始發(fā)、終到。受強(qiáng)降雨影響，南京市祿口機(jī)場(chǎng)航班也因暴雨大面積延誤。

本文以南京在2011年7月18日的每小時(shí)降雨強(qiáng)度數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行預(yù)警模型的參數(shù)設(shè)定，圖6為7月18日的小時(shí)降雨強(qiáng)度。

圖6 每小時(shí)降雨強(qiáng)度

參考《建筑給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的排水管道參數(shù)，對(duì)上文所建的概化模型進(jìn)行如下參數(shù)設(shè)定，如表1所示。

表1 模型參數(shù)

2.2 模型計(jì)算結(jié)果

選取7月18日15時(shí)進(jìn)行暴雨積水預(yù)警，降雨強(qiáng)度為22mm/h，根據(jù)式(4)對(duì)當(dāng)時(shí)降雨強(qiáng)度下形成的地表徑流進(jìn)行模擬計(jì)算，并通過(guò)一維非恒定流方程對(duì)各排水管道內(nèi)流量進(jìn)行計(jì)算，選取圖3(b)圖中最下方的排水管道，該管道為區(qū)域內(nèi)的最終匯流排水管道，從其中的排水流量分布可初步看出區(qū)域內(nèi)各區(qū)段內(nèi)的管道排水承受能力，流量計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 排水管流量時(shí)間/距離分布

排水管內(nèi)的流量在管道中的不同位置和時(shí)間的流量分布趨勢(shì)如圖7所示，圖中管道距離0表示當(dāng)前位置為排水管與下游排水管的匯合處。通過(guò)將某一網(wǎng)格內(nèi)形成的地表徑流與該處管道的流量計(jì)算值進(jìn)行比較來(lái)判斷會(huì)否產(chǎn)生積水，如果地表徑流大于該處排水管內(nèi)排水流量，則此處將出現(xiàn)積水，如果地表徑流小于該處排水管內(nèi)排水流量，則雨水將全部由排水管排出。本算例計(jì)算出該區(qū)域內(nèi)可能產(chǎn)生積水的情況分布如圖8所示。

圖8 積水區(qū)域預(yù)測(cè)

實(shí)際的情況是，每年因暴雨出現(xiàn)積水的區(qū)域主要分布于該校校園的西門附近，與本模型預(yù)測(cè)結(jié)果基本相符，但北部的李文正樓附近并無(wú)嚴(yán)重積水，模型出現(xiàn)偏差可能與該區(qū)域附近的地表滲水參數(shù)設(shè)定有關(guān)，停車場(chǎng)區(qū)域?yàn)橥寥赖乇?，其可滲水量要遠(yuǎn)大于其他柏油路和磚砌水泥地表。

3 預(yù)警信息發(fā)布

預(yù)警發(fā)布是預(yù)警模型的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，無(wú)論是對(duì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)還是識(shí)別，其最終目的都是使防災(zāi)相關(guān)人員和公眾接收到災(zāi)害的預(yù)警，并根據(jù)預(yù)警信息采取一定的預(yù)防措施。

預(yù)警發(fā)布是結(jié)合相關(guān)應(yīng)急預(yù)案中的防災(zāi)預(yù)控措施，形成預(yù)警綜合信息，通過(guò)通訊服務(wù)商的通訊網(wǎng)絡(luò)，以盡可能多的方式將預(yù)警綜合信息發(fā)送至相關(guān)接收者和公眾，預(yù)警發(fā)布模塊的業(yè)務(wù)流程如圖9所示。

圖9 預(yù)警發(fā)布流程

本文通過(guò)總結(jié)現(xiàn)有的信息發(fā)布方式，簡(jiǎn)要給出預(yù)警信息發(fā)布的可用方式及其特點(diǎn)，如表2所示。

表2 預(yù)警信息可用發(fā)布方式

鑒于預(yù)警信息的接收需要得到保障，且需要較強(qiáng)的實(shí)效性，本文將通過(guò)WEB網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)來(lái)設(shè)計(jì)預(yù)警信息的發(fā)布方式。基于WEB網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急響應(yīng)信息發(fā)布過(guò)程如圖10所示，根據(jù)相關(guān)預(yù)案確定系統(tǒng)用戶、所屬部門以及部門職責(zé)關(guān)系表，防災(zāi)系統(tǒng)的服務(wù)器與WEB網(wǎng)絡(luò)相連，將關(guān)系表中的預(yù)警信息通過(guò)WEB網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至相應(yīng)的用戶終端，用戶收到信息后的反饋則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)服務(wù)器，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新。

圖10 應(yīng)急響應(yīng)信息發(fā)布流程

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)城市區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分的方法，將城市區(qū)域以街道為邊界構(gòu)建無(wú)結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格，并采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)程序算法，通過(guò)水流的動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算降雨形成的地表徑流及渠道、河流中的水流，判斷各網(wǎng)格內(nèi)的降雨及

排水狀況，以此生成城市積水的預(yù)警信息，最后設(shè)計(jì)相應(yīng)的預(yù)警信息發(fā)布方式，通知相關(guān)工作人員及公眾采取必要的預(yù)控措施，降低積水可能造成的損失。

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City Hydrops Forewarning Model Structure Based on City Area Meshing

WANG Hui-jun1, XU Ying-qiu1, TAN Ying-zi2, JIANG Chong3, LI Wei3

(1. Mechanical College of Southeast University, Nanjing 211189, China; 2. Automation College of Southeast University, Nanjing 210096, China;3. China Telecom Nanjing Branch, Nanjing 210000, China)

Strengthening urban disaster monitoring and forecasting is an important task of urban disaster prevention and mitigation. Based on the urban areas meshing, this article builds the urban hydrops forewarning model and then, according to the monitored urban rainfall, analyzes the hydrops areas in the city by the model calculations,so that the appropriate pre-control measures are taken,which can be used to reduce the urban disaster losses.

city; disaster prevention; disaster mitigation; disaster forewarning; hydrops; meshing

江蘇省科技支撐計(jì)劃——工業(yè)部分(BE2011175)資助

王慧軍(1988-)，男，河南安陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)工程。

TP277.1

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1671-5276(2014)02-0117-04

2014-01-03