城市水災(zāi)害監(jiān)測(cè)及決策支持系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

張祖山 李 磊 史大勇

一、系統(tǒng)建設(shè)背景

城市化進(jìn)程的加快與全球氣候變化導(dǎo)致城市遭受突發(fā)性強(qiáng)暴雨洪水的幾率加大，給很多城市都帶來(lái)了災(zāi)難和損失。青島市區(qū)河流均屬山溪性河流，河流源短水急，河流水量隨季節(jié)變化顯著，汛期雨量大，河道水量較大、水位較高。降雨形成徑流迅速，匯入河道后水流強(qiáng)度大、流速快，加之城市下墊面條件的不透水特點(diǎn)，更縮短了洪水的形成時(shí)間，增加了水流的強(qiáng)度，在市區(qū)形成雨洪內(nèi)澇，給城市交通、居民出行帶來(lái)了很大困難，直接影響正常的生產(chǎn)生活，干擾城市建設(shè)的正常進(jìn)行。

1985年“桃芝”臺(tái)風(fēng)、2005 年“麥莎”臺(tái)風(fēng)和2007年“圣帕”臺(tái)風(fēng)都對(duì)青島市內(nèi)四區(qū)的防汛工作帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。臺(tái)風(fēng)暴雨造成216個(gè)企業(yè)停工，供電、郵電線路被刮斷，橋涵下沉、公路沖毀、樹(shù)木傾倒，全市損失總值約6.22億元。市內(nèi)四區(qū)作為青島市的經(jīng)濟(jì)中心，匯集了眾多的外資企業(yè)和當(dāng)?shù)氐闹髽I(yè)，一旦發(fā)生大的洪水自然災(zāi)害，損失不可估量。

近幾年，只要出現(xiàn)中等強(qiáng)度以上的降雨，市區(qū)的低洼路段就會(huì)形成積水，給城市交通、居民出行帶來(lái)了很大困難，而當(dāng)市區(qū)24h降雨量達(dá)到250mm以上時(shí)，市區(qū)大部分路段交通將會(huì)陷入癱瘓。因此，準(zhǔn)確及時(shí)地監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)城市雨洪和道路積水情況，對(duì)保證正常生產(chǎn)生活不受水災(zāi)害影響具有重要意義。

二、現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

截至2013年，青島市城區(qū)共有52處雨量站，分別屬市水文局、建委、水利局所有。各單位所采用的雨量觀測(cè)儀器及觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，且站點(diǎn)布局不盡合理。城陽(yáng)區(qū)的中部、市北區(qū)的西部雨量點(diǎn)偏少，不能滿足城市防洪需要。

三、系統(tǒng)組成內(nèi)容

1.城市雨量站

新設(shè)10處雨量站，雨量站建設(shè)采用一體化雨量監(jiān)測(cè)站，主要包括翻斗式雨量計(jì)、無(wú)限傳輸模塊及太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。降水量觀測(cè)任務(wù)是用雨量采集儀器進(jìn)行觀測(cè)，資料要求連續(xù)完整且滿足精度要求，能為防汛部門(mén)提供準(zhǔn)確及時(shí)的雨情信息。

2.積水點(diǎn)監(jiān)測(cè)站

建設(shè)城區(qū)低洼地區(qū)積水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)45處，安裝一體化積水監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)城區(qū)低洼地區(qū)、立交橋及鐵路涵洞等地區(qū)的積水深度、區(qū)域降水量和積水面積，發(fā)生大暴雨時(shí)可以及時(shí)提交發(fā)布城區(qū)各類低洼地區(qū)積水狀況。積水深監(jiān)測(cè)采用目前先進(jìn)的雷達(dá)水位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)采用水文水資源測(cè)控終端機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集傳輸，并配置傳感器、太陽(yáng)能電池板、鋰電池、GPRS/GSM通信模塊等設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件不同，采用不同的傳感器組建監(jiān)測(cè)站。

3.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)集成

為了能夠及時(shí)有效地判斷洪水等級(jí)以及洪水時(shí)間需要系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在分析整理現(xiàn)有的城市水文數(shù)據(jù)庫(kù)、地理、城市管網(wǎng)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立青島市城市暴雨數(shù)據(jù)庫(kù)、地表數(shù)字高程模型（DEM）、城市管網(wǎng)的空間布局和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、模型專用數(shù)據(jù)庫(kù)等，繪制青島市區(qū)管網(wǎng)數(shù)字化圖，在數(shù)據(jù)庫(kù)及系統(tǒng)建設(shè)方面分別需要考慮多數(shù)據(jù)庫(kù)集成方案和信息流程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

4.城市水災(zāi)害模擬及可視化決策支持系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

主要包括硬件設(shè)備、軟件平臺(tái)和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)三方面內(nèi)容。

（1）硬件平臺(tái)

城市水災(zāi)害模擬及可視化決策支持系統(tǒng)建設(shè)中心硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)配備4臺(tái)機(jī)架式多路服務(wù)器、1臺(tái)圖形工作站、1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、1臺(tái)3KVA UPS、1臺(tái)計(jì)算機(jī)、1套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，服務(wù)器連接Internet外部網(wǎng)絡(luò)采用專線（光纖）方式接入并配備固定公網(wǎng)IP。

（2）軟件平臺(tái)

城市水災(zāi)害模擬及可視化決策支持系統(tǒng)的軟件平臺(tái)以支撐應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)和功能實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)。引進(jìn)美國(guó)環(huán)保局（EPA）開(kāi)發(fā)的通用的暴雨洪水管理模型SWMM和Wallingford模型。SWMM模型不僅可以用于單次雨洪的模擬，還具有連續(xù)模擬雨洪的功能，這對(duì)城市排水設(shè)計(jì)具有重要的意義。城市雨洪模擬模型是根據(jù)氣象、水文、水利等專業(yè)知識(shí)，利用GIS的空間分析技術(shù)，結(jié)合城市地理數(shù)據(jù)庫(kù)和災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)而建立起來(lái)的。城市內(nèi)澇模型是一個(gè)集城市地面高程模型、降雨模型、產(chǎn)匯流模型、排水模型、數(shù)學(xué)計(jì)算模型和GIS的空間分析應(yīng)用模塊為一體的綜合模型。其中，地面高程模型（DEM）用于模擬城市地面的高低起伏，該模型是城市內(nèi)澇積水計(jì)算和模擬的基礎(chǔ)；降水模型用于模擬和計(jì)算城市降雨的空間和時(shí)間分布；產(chǎn)匯流模型用于模擬地面徑流的生成過(guò)程和匯集過(guò)程；排水模型則是用于根據(jù)不同的城市排水方式計(jì)算城市排水量。幾個(gè)模型的綜合計(jì)算為城市內(nèi)澇積水的計(jì)算提供了依據(jù)。數(shù)學(xué)計(jì)算模型和GIS空間分析應(yīng)用模塊是整個(gè)城市水災(zāi)害模型的“運(yùn)行中樞”。數(shù)學(xué)計(jì)算模型提供了包括降水量計(jì)算、綜合排水量計(jì)算、剩余雨量計(jì)算和積水高度計(jì)算等關(guān)鍵理論和公式。GIS的空間分析應(yīng)用模塊則為數(shù)學(xué)模型中涉及的空間問(wèn)題提供了重要的空間解決方案，同時(shí)也為城市內(nèi)澇積水過(guò)程的顯示和模擬提供了強(qiáng)大的支持。另外還需要配備GIS平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)、城市數(shù)字地圖和防病毒軟件等。

四、應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)應(yīng)用

城市水災(zāi)害模擬及可視化決策支持系統(tǒng)應(yīng)用軟件由數(shù)據(jù)接收軟件與應(yīng)用軟件構(gòu)成。數(shù)據(jù)接收軟件主要負(fù)責(zé)遙測(cè)站數(shù)據(jù)在線接收、解碼、校驗(yàn)與入庫(kù)等功能，系統(tǒng)應(yīng)用軟件具有基于地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示、分析計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、查詢與報(bào)表等功能。

1.數(shù)據(jù)接收軟件

由于系統(tǒng)基于WEBGIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用支持空間數(shù)據(jù)的POSTGRE SQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)接收軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能：通訊組網(wǎng)可在GSM短消息通訊或GPRS通訊之間選擇，接收軟件5分鐘內(nèi)收齊全部遙測(cè)站的雨量、積水等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表顯示及打印和過(guò)程分析功能，如動(dòng)態(tài)雨量水位顯示、柱狀圖、水位過(guò)程線等。

2.系統(tǒng)應(yīng)用軟件

基于SWMM建立市區(qū)暴雨徑流模型，將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的降雨量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端計(jì)算機(jī)中，通過(guò)模擬得到研究區(qū)域內(nèi)的匯流和積水情況，將模擬結(jié)果與Google Earth連接，實(shí)現(xiàn)青島市區(qū)降雨量和積水情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和可視化，并進(jìn)行三維顯示。

五、應(yīng)用系統(tǒng)信息發(fā)布

應(yīng)用軟件支持短信群發(fā)和自動(dòng)傳真兩種緊急情況下信息發(fā)布功能。短信群發(fā)：中心可通過(guò)群發(fā)平臺(tái)以短信方式自動(dòng)將預(yù)測(cè)預(yù)警信息按照預(yù)案規(guī)定發(fā)送到相關(guān)聯(lián)絡(luò)人手機(jī)中，所有人員收到短信后自動(dòng)反饋信息給中心。自動(dòng)傳真：中心可依據(jù)預(yù)存聯(lián)系傳真電話向相關(guān)單位自動(dòng)發(fā)送預(yù)測(cè)預(yù)警信息和調(diào)度指示文件。兩種方式緊急情況下互相補(bǔ)充。

六、系統(tǒng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

通過(guò)該系統(tǒng)的建設(shè)，新建青島市城市10處雨量站、45處積水監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)積水路段的雨量、積水深度等水文基本數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、整編、顯示、分析與報(bào)表，并通過(guò)信息中心平臺(tái)對(duì)外發(fā)布。建立青島市暴雨、土地利用、DEM、市區(qū)管網(wǎng)空間布局和屬性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，基于SWMM建立市區(qū)暴雨徑流模型，將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的降雨量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端計(jì)算機(jī)中，通過(guò)模擬得到研究區(qū)域內(nèi)的匯流和積水情況，將模擬結(jié)果與Google Earth連接，實(shí)現(xiàn)青島市區(qū)降雨量和積水情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和可視化并進(jìn)行三維顯示，提供解決分流、泄洪的方案，以便為城規(guī)、防汛提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)■