石家莊市城市內澇氣象風險監(jiān)測預警系統(tǒng)研制及應用

魏 軍，俞海洋，胡會芳，彭相瑜，陳小雷

(河北省氣象災害防御中心，石家莊 050021)

頻繁發(fā)生的城市內澇災害對城市的運行、管理和安全造成了嚴重影響，已成為影響城市公共安全的重要因素[1,2]。因此，如何提升城市內澇災害風險預警服務能力，最大程度地減輕內澇災害造成的損失，保障人民群眾的生命財產安全，促進經濟社會科學發(fā)展，已經成為加強城市氣象災害防御工作的重要抓手和當務之急。

為減少城市內澇帶來的危害，許多歐美發(fā)達國家在經驗累積的基礎上，已研究開發(fā)了一些具有不同針對性的水力水文模型，如美國環(huán)境保護署研發(fā)的雨洪管理模型(SWMM)、英國Wallingford軟件公司開發(fā)的城市綜合流域排水模型(InfoWorks ICM)以及丹麥水資源及水環(huán)境研究所研發(fā)的MIKE模型軟件等，對城市排水系統(tǒng)的數學模擬具有很強的計算功能，在減少城市雨洪災害及實現雨水管理等方面有著較大貢獻[3-6]。國外的諸類模型大多是由流域水文模型改進的確定性模型，具有建模簡單、計算方便、理論成熟的特點，但是由于城市匯水區(qū)域不同于流域匯水區(qū)域，難以精確劃分積水區(qū)域；其次由于計算過程中無水力聯系，無水量交換，不能較好地反映在內澇期間城市地表的流動過程[7]。相較而言，將數值模擬方法用于城市內澇研究，我國雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。典型代表是中國水科院和天津市氣象科學研究所聯合研發(fā)的天津市暴雨瀝澇仿真數學模型[8,9]，該模型以水文-水動力學理論為基礎，以城市地表水流運動為研究對象，采用無結構不規(guī)則網格對地表進行概化處理，能夠動態(tài)模擬城市積水分布，極大增強城市內澇監(jiān)測預警服務能力，多年來已被廣泛應用于全國多個城市[10-14]。該模型對地表網格的劃分要求較高，需要大量精度較高的基礎數據，但由于其物理意義清晰，通過結合GIS技術強大的空間表達能力，更適合于城市內澇的模擬。

石家莊作為河北省省會城市，近年來由于城市化進程不斷加快，不透水面積增加，雨水滲透減少，再加上城市排水管網系統(tǒng)設計標準偏低，城市經濟和人口的暴露量的逐年增大，每年受到內澇災害影響較為嚴重，常常造成很大的經濟損失。據統(tǒng)計，石家莊中心城區(qū)易積水點多達40余處，最大積水深度達到3 m，最長積水歷時20 h，如2015年8月30日、2016年7月19-20日的降水都曾給石家莊市造成大面積內澇災害。目前，石家莊城市內澇預警服務工作還處于起步階段，監(jiān)測預警服務能力較為薄弱，集約化的城市內澇監(jiān)測預警系統(tǒng)尚未建立[15]。作為城市氣象業(yè)務工作者，為更好地開展石家莊城市內澇風險預警服務工作，協助城市管理部門做好城市雨水的管理，降低內澇災害的風險，減少內澇災害造成的損失，建立城市內澇氣象風險監(jiān)測預警系統(tǒng)具有迫切的實際需求和應用價值。本文充分考慮石家莊市城市防汛工作的特點和需求，基于城市內澇水動力模型，加以集成創(chuàng)新，較完整地構建了集城區(qū)多源雨量監(jiān)測與處理、積水實況動態(tài)模擬與預測、易積水點風險預警、數據查詢和服務產品制作發(fā)布等功能于一體的石家莊市城市內澇氣象風險監(jiān)測預警系統(tǒng)，并在投入實際業(yè)務應用中，取得了良好的服務效果。

1 系統(tǒng)總體設計

石家莊市城市內澇氣象風險監(jiān)測預警系統(tǒng)以地理信息系統(tǒng)為支撐平臺，依托氣象中小尺度監(jiān)測預報系統(tǒng)，利用暴雨內澇數學模型模擬暴雨內澇災害，實現內澇災害的預警。本系統(tǒng)設計成兩大子系統(tǒng)，分別是基于C/S的城市內澇數學模型模擬子系統(tǒng)、基于B/S的城市內澇氣象監(jiān)測與預警子系統(tǒng)，見圖1。城市內澇數學模型模擬子系統(tǒng)是通過利用石家莊高精度城市地理信息數據、排水工程設施信息及河道地形信息等數據，以城市地表和明渠河道的水流運動作為模擬對象，建立石家莊城市內澇數學仿真模型，實現對暴雨積澇過程進行實時動態(tài)模擬。城市內澇氣象監(jiān)測與預警子系統(tǒng)是在提取暴雨內澇數學模型模擬結果的基礎上，基于WEBGIS技術開發(fā)的可視化內澇監(jiān)測預警與發(fā)布平臺，能夠實現城區(qū)多源雨量監(jiān)測、實況與預報模擬積水顯示、歷史數據動態(tài)查詢與統(tǒng)計、內澇風險預警和服務產品制作發(fā)布等功能。

圖1 城市內澇監(jiān)測預警系統(tǒng)功能結構Fig.1 Functional structure of urban waterlogging monitoring and early warning system

2 系統(tǒng)開發(fā)技術

2.1 系統(tǒng)架構

本文系統(tǒng)總體上采用云計算架構(見圖2)，由下至上依次劃分為感知層、基礎設施層、開發(fā)平臺層、數據層和應用展示層5個層次。

圖2 系統(tǒng)總體架構Fig.2 Overall architecture of the system

感知層位于系統(tǒng)最底層，為系統(tǒng)實時數據采集提供硬件支撐，主要以自動氣象站、交通氣象站、水文氣象站等實時獲取降水數據，利用城市積澇監(jiān)測站等實時獲取積澇區(qū)積水深度數據，通過視頻監(jiān)控實時獲取內澇災情數據?；A設施層指的是系統(tǒng)運行環(huán)境，通過將系統(tǒng)搭建在河北省氣象信息中心資源池中，在資源池中安裝了2臺Vmware虛擬機，并通過光纖網絡連接磁盤陣列存儲。平臺開發(fā)層，主要由Oracle數據庫系統(tǒng)、Linux操作系統(tǒng)和GIS平臺軟件組成，為系統(tǒng)提供軟件運行環(huán)境。數據層主要由各類數據庫及數據訪問接口組成，系統(tǒng)數據庫主要由基礎地理信息數據庫、城市交通專題數據庫、市政專題數據庫、內澇隱患點專題數據庫、視頻專題數據庫、氣象專題數據庫和信息發(fā)布專題數據庫組成，數據訪問接口主要采用WebService形式提供。應用展示層是系統(tǒng)的核心層，采用Javascript開發(fā)，提供基于B/S的城市內澇監(jiān)測預警顯示平臺，能夠實現雨量監(jiān)測、積水模擬、風險預警和產品發(fā)布等功能，可為城市內澇預警預報服務提供及時、準確及可視的決策支持。

2.2 關鍵技術

2.2.1 石家莊城市內澇仿真數學模型

(1)模型的數學基礎。石家莊城市內澇仿真數學模型運用有限體積法的思想，將氣象降水數據作為模型的降水初值和邊界條件，以平面二維非恒定流的基本控制方程為骨架，同時針對小于離散網格尺度的排水渠涌或河道，在二維模型中結合了一維明渠非恒定流方程的算法，采用一維非恒定流方程計算地下排水管網內的水流，用連續(xù)方程的源匯項控制地下排水管網與地面的水量交換，對漫堤等采用寬頂溢流公式計算水流。其基本控制數學方程如下。

①二維非恒定流基本方程公式為：

(1)

動量方程公式為：

(2)

(3)

式中：H為水深；Z為水位，Z=Z0+H，Z0為底高程；q為源匯項，包括有效降雨量和排水強度2項；M、N分別為x、y方向上的單寬流量，且M=Hu，N=Hv；u和v分別為流速在x、y方向上的分量；n為糙率；g為重力加速度。

②一維非恒定流基本控制方程為：

(4)

式中：Q為截面流量；A為計算斷面的過水面積；Sf為摩阻坡降，由曼寧公式可得：

(5)

③寬頂堰溢流公式為：

(6)

式中：Qj為堰頂單寬流量；m為寬頂堰溢流系數；σs為淹沒系數；Hj為堰頂上游水位。

(2)內澇模型構建。系統(tǒng)構建的石家莊城市內澇數學模型主要模擬對象為城區(qū)地表與明渠河道的水流運動，根據城市下墊面的地形地貌特征，采用無結構不規(guī)則網格進行模型計算域概化。網格設計時需要充分考慮城市地形地貌特征和積水區(qū)的分布情況，如城市的重點服務區(qū)和易積水片區(qū)采用較密的網格劃分，在城市邊郊和不易積水區(qū)域采用較為稀疏的網格進行劃分，且單一網格內的下墊面屬性盡可能相同。同時針對建模區(qū)域地道橋、涵洞和暗河較多等情況，在模型網格劃分時采用立體多重和分區(qū)分層方式對模型加以優(yōu)化改進。立體多重指在同一平面位置上布設多重網格，解決地道橋、涵洞、暗河等網格單元立體層面的水體匯流和積水問題；分區(qū)是指將網格按路網、社區(qū)和河網劃分，各區(qū)自成體系，實現逐區(qū)計算；分層是指管網層、地表層與雨量層等獨立計算。圖3為城市內澇模型積澇計算流程圖，其中包含了路網、河網、社區(qū)和管網匯流模擬與泵站排水或管網自流3個程序塊，應用程序采用Visual Fortran 語言編制。

圖3 城市內澇模型計算流程示意Fig.3 Schematic diagram of calculation processes of the urban waterlogging model

改進后的城市內澇模型采用自動雨量站與雷達估算降水(QPE)相結合的方式計算區(qū)域實時面雨量，用以作為模型的降雨邊界條件；河網層模型以河網和管網之間的水量交換為主要目標，通過改變以往河流單純匯流、排水和蓄水的功能，以河網的控流、限流和調節(jié)為建設條件，建立自排水與泵站抽水相結合的排水計算模式，增加了河網的調控能力；路網層模型主要以立體路網之間、路網與社區(qū)之間、路網與管網之間的水量交換為目標，水量交換的方式表現為垂直井匯或涌水、陡坡匯流、社區(qū)旁側分流等；社區(qū)層模型主要以社區(qū)與路網、社區(qū)與管網間的水量交換為目標，水量交換方式主要有社區(qū)與管網匯流、整體社區(qū)與周邊道路水量交換、局部社區(qū)水量分布等，將整體模擬與局部模擬相結合。

根據上述網格設計原則，利用高精度城市地理信息數據，最終劃分得到建模區(qū)域內河道型網格545個，道路型網格3 169個，社區(qū)型網格11 055個，見圖4。

圖4 內澇模型網格劃分Fig.4 Waterlogging model grid division

2.2.2 綜合開發(fā)技術

系統(tǒng)平臺以面向服務的體系架構(SOA)方式搭建，前端采用AJAX技術實現數據的局部刷新，后端采用Java開發(fā)的Rest服務方式實現數據的發(fā)布服務，并集成對跨域資源共享(CORS)的支持，使跨站數據傳輸更安全，增加系統(tǒng)的可移植性、通用性。通過HTML5的Canvas技術實現積水網格的快速渲染繪制，實現流暢的積水淹沒動畫播放效果和面雨量色斑圖的展示。同時基于動態(tài)網頁技術、WEBGIS技術、分布式技術、中間件技術等目前B/S系統(tǒng)建設領域較為先進和廣泛的系統(tǒng)技術，以天地圖公眾地圖服務為地理支撐平臺，通過使用Javascript前端腳本語言實現氣象數據與地理數據的疊加展示，實現了電子地圖的基本操作及多圖層顯示，快速的數據瀏覽及查詢分析，雨量、雷達估算降水、數值預報雨量信息顯示及城市面雨量數據顯示，積水深度和易積水點預報預警顯示等功能。數據庫使用Microsoft SQL Server 2008，其提供完整的企業(yè)級技術與工具，具有使用方便可伸縮性好與相關軟件集成程度高等優(yōu)點。

3 系統(tǒng)功能實現

石家莊城市內澇氣象風險監(jiān)測預警系統(tǒng)能夠較好地實現城市的實時雨量監(jiān)測、降水數據自動采集、積水模擬與預測、積水點風險預警和服務產品一鍵式發(fā)布等功能，基本滿足了城市內澇監(jiān)測預警服務的業(yè)務需求。

3.1 服務端數據采集模塊

數據采集程序分為手動運行模式和自動運行模式(見圖5)，手動運行模式能夠讀取任意歷史降水過程的自動站、水文站和雷達估測降水的雨量數據，用于開展歷史積澇過程的模擬；自動運行模式能夠采集實況站點雨量數據、雷達資料、各類數值預報降水數據等，并根據當前資料計算面雨量實況、面雨量預報、城市積水實況、城市積水預報等。

圖5 手動運行模式與自動運行模式的數據采集界面Fig.5 Data acquisition interface of manual operation mode and automatic operation mode

3.2 雨量監(jiān)測顯示

雨量監(jiān)測主要包括石家莊區(qū)域氣象自動站、交通氣象站和水文站的實況降水數據，高時空分辨率的雷達定量降水估測(QPE)資料和精細化數值預報降水數據。同時根據插值方法，能夠實時生成面雨量，能夠顯示不同網格的面雨量信息(見圖6)。

圖6 自動站雨量及面雨量監(jiān)測顯示Fig.6 Monitoring of automatic station rainfall and surface rainfall

3.3 積水模擬顯示

積水模擬包括實況降水積水深度模擬和預報降水積水深度模擬2方面。系統(tǒng)在業(yè)務運行時，通過讀取當時時刻的前6 h逐小時實況降水數據加未來6 h逐小時的預報數據，按照每30 min運轉一次，及時監(jiān)測預報城區(qū)積水變化情況。同時針對重點區(qū)域，系統(tǒng)可以給出選擇區(qū)域積水最大值隨時間的變化趨勢(見圖7)。

圖7 道路積水模擬顯示Fig.7 Display of the simulated road water logging

3.4 易積澇點預警顯示

系統(tǒng)基于實況雨量監(jiān)測和模型水深模擬結果制定了易積澇點風險預警等級。設定易積澇片(點)的致災雨量閾值和制定積水深度風險預警閾值(見表1)，當關聯的自動雨量站雨量或模擬積水深度超過相應的閾值時，發(fā)布城區(qū)易積澇片(點)的風險預警，同時提供易澇區(qū)(點)詳細情況的介紹(見圖8)，以利于開展相關氣象服務。

表1 積水深度風險預警等級Tab.1 Depth risk warning level of water accumulation

圖8 易積澇點風險預警Fig.8 Risk early warning of waterlog

3.5 服務產品制作發(fā)布

系統(tǒng)提供了服務產品制作的相關工具，在服務材料的發(fā)布上，采用固定的模板，包含了降水歷史、小時最大雨強、最大積水深度、積水面積等信息，支持FTP、郵箱、短信、微博等多渠道發(fā)布方式(見圖9)。

圖9 服務產品制作與發(fā)布Fig.9 Production and release of service products

3.6 系統(tǒng)設置

系統(tǒng)設置中主要包括用戶管理、積水點信息管理和色表管理3個方面。用戶管理主要是針對不同的用戶，給予不同的使用權限；積水點信息管理主要用于積水片(點)信息的更新以及它們的閾值設定；色表管理主要是對系統(tǒng)出圖的網格顏色進行管理。

4 系統(tǒng)應用

2017年7月21日11∶00-12∶00石家莊市區(qū)出現一次短時強降水，降水路徑自西向東分布，11∶00雨強最高為63.0 mm，出現在市區(qū)西部的烈士陵園站，12∶00雨強最高為56.1 mm，出現是市區(qū)東部的土賢莊站(見圖10)。城區(qū)多處地方出現明顯積水，部分路段出現斷交情況，個別地道橋最大積水深度達到3 m。利用石家莊城市內澇氣象風險監(jiān)測預警系統(tǒng)對此次過程造成的積澇程度進行驗證計算，對比分析系統(tǒng)的實際應用效果。

圖10 2017年7月21日10∶00-14∶00逐時雨量變化Fig.10 Rainfall changes at 10-14 hours on July 21 in 2017

結果發(fā)現，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，界面實時顯示自動站雨量信息，并根據站點雨量及時生成面雨量，利用城市內澇模型，能夠逐時顯示城區(qū)積水模擬分布。此外，通過石家莊市排水管理處提供的10處重點路段和2個地道橋的實測積水資料，對模型計算的最大積水深度精度進行驗證，見表2。由表2可知，針對此次降水過程，石家莊市排水處提供的12處城區(qū)積水片(點)在模型中都有所體現，不存在漏報情況；實測積水深度與模擬最大水深的誤差絕對值在0.3 m以內(包括0.3 m)有9處，占全部積水片(點)的75.0%，其中絕對誤差小于0.1 m的有4處，占全部的33.3%，總體上模擬結果與實際情況相符；有2處絕對誤差超過1 m，均集中在地道橋積水模擬上，可能與地道橋周邊泵站及閘門是否按時開啟有關，需對其相對應的模型網格參數進行進一步率定。

表2 2017年7月21日積水點驗證 m

總體來說，本系統(tǒng)在功能實現、模擬精度及運行穩(wěn)定性等方面都能達預期設計目標，滿足了業(yè)務使用需求，可以應用于石家莊市內澇預報的業(yè)務工作。

5 結 論

(1)充分考慮石家莊市城市防汛工作的特點和需求，基于城市內澇水動力仿真模型，集成創(chuàng)新，較完整地構建了集城區(qū)多源雨量監(jiān)測與處理、積水實況動態(tài)模擬與預測、易積水點風險預警、數據查詢和服務產品制作發(fā)布等功能于一體的石家莊市城市內澇氣象風險監(jiān)測預警系統(tǒng)。

(2)利用該系統(tǒng)，對2017年7月21日的一次強降水過程進行模擬驗證，結果顯示系統(tǒng)在功能實現、模 擬精度及運行穩(wěn)定性等方面都能達預期設計目標，滿足了業(yè)務使用需求，可以應用于石家莊市內澇預報的業(yè)務工作。

(3)鑒于目前模型模擬結果與實際積水情況之間仍存在一定的誤差，下一步將繼續(xù)對內澇模型進行改進和完善。相信通過大量實測資料對模型參數進行調試和率定后，該模型對于積水的模擬精度將得到進一步提高。