滨海平原河网地区城镇洪涝灾害预报预警系统研究

孙 甜 ，郭 磊 ，舒全英 ，朱 灿 ，习雪飞

（1.浙江大禹信息技术有限公司，浙江 杭州 310002；2.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

1 问题的提出

在我国，滨海平原大多处于经济发达、地理位置优越的地区，并且由于湖泊和河流纵横交错，使该地区的河网水系变得十分复杂，同时，较低的地势条件，使得洪涝灾害更易发生[1]。受潮水的影响，如果在洪涝期，当地降水或上游来水无法及时排出，再遭遇下游高潮位时，湖泊或河道中蓄积的洪水便会发生漫堤，进而造成洪涝灾害[2]。针对滨海平原河网地区而言，近年来，随着城镇化进程的加快，下垫面状况发生改变，表现在城镇不透水面积增加，致使城镇产汇流特性发生变化，产汇流时间缩短、产流量增加等诸多原因均增大城镇洪涝的风险；而且由于雨水管网标准偏低，受河道顶托影响，导致泄水不畅也加重了城市洪涝风险。

目前国内外在城市暴雨洪涝预警预报及综合管理等方面取得了一系列研究成果[3]。其中较具代表性的是美国环保署（EPA）开发的SWMM模型，现已被国内学者广泛应用于洪涝过程计算[4-5]。刘俊等[6]首次引进该模型，进行天津市区二级河道的排涝模拟。丛翔宇等[7]研究了城市立交桥的暴雨积水过程，并分析雨水口堵塞50%时的道路积水情况。朱程浩等[8]基于SWMM模型建立西安市沣西新城区洪涝模型，开展洪涝过程及其风险评估研究。徐冰等[9]构建基于SWMM管网和地面二维积水的城市内涝模拟模型，分析福州省晋安河周边城市内涝成因及应对策略。虽然当前基于SWMM模型的研究在洪涝过程计算方面成果丰富，但洪涝过程转换为风险评估结果的较少；以历史过程模拟为主，缺乏系统平台支撑，不能快速实现在线预警预报。

本文选取典型的滨海城镇地区—温州市鹿城区作为研究对象。鹿城区地处东南沿海，北面位于瓯江下游，是温州市政治、经济、文化中心。区域内经常受到台风暴雨、强对流暴雨的袭击，并且易受瓯江潮水的顶托作用。台风是影响鹿城区最大的气象灾害之一，当强台风过境时，基本面临风、暴、潮三碰头，导致洪涝灾害严重[10]。鉴于此，结合实时水雨情数据和降雨预报，通过构建暴雨洪水管理模型（SWMM）、管网—地表浅流模型耦合的洪涝预报模型，建立滨海平原河网地区城镇洪涝灾害预报预警系统，实现水雨情、工情等信息的快速查询，在SWMM模型、洪涝预报模型集成的基础上，及时进行洪水预报、道路预警和洪水风险评估，为水灾害防御调度提供科学依据，有效地减少洪涝灾害造成的损失。

2 系统设计

2.1 总体技术路线

滨海平原河网地区城镇洪涝灾害预报预警系统基于GIS、SWMM模型、洪涝预报模型实现道路洪涝预警、洪涝风险评估等功能；同时整合水文信息、工情信息、备汛信息实现实时水雨情查询、工情信息查询、备汛信息查询等功能，为水灾害防御提供有效的服务。总体技术路线见图1。

图1 技术路线图

2.2 系统主要功能模块设计

针对平原河网城镇开发的平原河网城镇洪涝灾害预报预警系统主要功能模块包括以下6个：地图操作模块、信息查询和数据模块、洪水预报模块、淹没分析模块、灾情评估模块以及防洪调度模块，系统总体结构见图2。

图2 系统总体结构图

2.2.1 地图操作模块

该模块基于电子地图，按照点、线、面等矢量数据格式组织各个图层，并对不同图层进行叠加显示，实现图形的缩放、量测等操作功能。

2.2.2 信息查询和数据管理模块

信息查询在GIS平台上实现对数据的查询、展示、分类统计。数据管理实现对数据的添加、删除与修改等功能。数据包括水雨情数据、河道数据、工情调查数据、水文调查数据、社会经济、人口情况的调查数据等。

2.2.3 洪水预报模块

该模块能够根据雨量和蒸发等数据，结合管网、河道断面、高程等信息，通过降雨径流—雨污管流—洪涝预报模型，计算不同阶段管流的水位、压强、流速、流量等参数的变化情况，预测确定地点的水位、流量、洪峰抵达时间等数据。

2.2.4 淹没分析模块

该模块在洪水预报计算结果下，能提供相应的洪水漫溢造成的淹没范围、水深等数据，为后续灾害评估做准备。

2.2.5 灾情评估模块

该模块根据降雨径流模型和洪水演进模型所得洪灾时间、空间分布数据，结合研究区域的社会经济分布情况，基于GIS平台，计算不同时段、不同水深下相应区域的洪灾风险与人口、财产损失。

2.2.6 防洪调度模块

该模块基于洪水预报计算、洪涝灾害评估计算等结果，结合降雨、水文等实时监测数据和监控的实际情况，能够初步实现防洪调度方案制定、防洪调度方案仿真以及防洪预警的功能。

3 采用的关键技术

3.1 基于耦合模型的演进技术

滨海平原河网地区城镇洪涝灾害的重要特征在于强降雨容易导致城镇低洼区域淹水、雨污排水管井超荷载满溢以及河道水位上涨发生漫堤等情况，构建地表、管道、河道汇流的耦合模拟计算模型，以模拟地表径流、排水管道与河网水系的相互作用机制。

降雨地面径流 — 河网 — 管道耦合水动力学耦合计算主要通过边界计算节点之间的水位和流量条件实现。其中降雨 — 径流模型计算所得出的结果作为雨污排水系统管流和河网非恒定流预报模型的汇流边界条件；同时，雨污排水系统管流模型计算得到结果作为河网非恒定流预报模型的汇流条件，雨污排水系统管流计算通过设置压力和流量边界条件，考虑河网洪水水位上涨发生顶托或管流淹没处理的情况。

极端降雨条件下，在发生雨污排水管满溢出现地表浅流的情况下，降雨地表径流模型通过在满溢区域计算节点上，考虑雨污管井出入流量的时间变化过程，在控制方程中通过源项纳入计算过程，获得其对地表径流的影响。当河网洪水水位上涨，发生漫堤时，采用相同的方法，在坡面和河网边界面上的计算节点，通过水位、流量的连续条件进行计算，从而实现地面汇流、管道地面双重汇流和河网汇流的一体化计算。

3.2 洪水淹没动态模拟技术

根据DEM求取给定水位条件下的淹没区，从计算机算法的角度，无源淹没处理相对简单，只要沿着由左至右、由上至下的方向遍寻所有网格，将满足条件的网格找出即可。有源淹没因需处理迂回连通问题，其算法实现复杂一些。经过分析采用种子蔓延法进行处理。该算法的核心思想是从给定的源点出发，从平面区域上沿8个方向游动扩散，求取既满足水位条件又与源点连通的网格集合。考虑到洪水淹没的动态模拟，在有源淹没中设计淹没步数，实现雨量由小至大所造成的淹没演示过程；有源淹没中淹没的演进是从源点逐渐扩散的，因此也是水源流动的动态模拟。

3.3 洪涝风险评估技术

洪涝灾害风险是洪涝致灾因子、孕灾环境、承灾体几个方面的综合函数，洪涝灾害风险评估的技术流程包括：指标选择、指标量化、风险评估、风险分析、风险验证、风险区划、风险决策、评估模型等8个部分。根据灾害风险评估原理、指标选取原则、评价方法，建立洪水灾害风险评估指标体系；通过层次分析法、熵值法、组合权重法确立评价指标权重；按向量归一化法将各指标特征值进行标准化处理，将洪涝灾害风险由高到低划分为5个等级，并将各指标等级阈值进行标准化处理；计算隶属度矩阵，利用改进的模糊优选模型进行计算，得到各个分区的洪涝灾害风险评估结果。

4 系统应用

4.1 洪水预报过程展示

系统首先对方案进行设定，包括洪水场次名称、预报方案名称、方案开始时间和结束时间等；并根据设定时间的实测降雨和预报降雨，在降雨径流过程计算模块集成的基础上，实现对径流过程的模拟，且计算结果能以图表的形式直观展现。

根据降雨径流过程模拟结果，并结合各河道断面、高程等信息，基于非恒定河网水动力模型，实现对各河道水位过程的模拟及统计洪峰水位和峰现时间，同时能将计算水位与实测水位进行对比。通过设定不同的预见期，能满足在前期降水和未来降水预报条件下，对河道未来水位过程的模拟，为提前采取相应的调度措施提供依据。

4.2 道路预警展示

为了反映积水在地面的淹没和汇流过程，系统集成管网 — 地表浅流模型耦合的洪涝预报模型，实现排水系统遭遇不同暴雨频率下内涝发生的可能性、淹没时间、淹没范围以及淹没深度，展示城镇建设用地（地块）的内涝风险。以道路预警为例，通过选择相应的预报方案，对道路洪水演进过程进行计算分析，展示的道路淹没水深和范围。

4.3 洪水风险展示

通过选择相应的洪水场次、预报时刻和方案，依据系统集成的洪涝预报模型，进行洪水风险绘制，系统能展示研究区域的淹没范围、淹没水深，并根据计算结果进行风险评估分析，为水灾害防御调度决策提供预判依据，减轻洪涝灾害。

5 结 语

本文结合地理信息系统，利用分布在流域、城镇河网和城市排水系统的在线监测数据，基于实时动态的气象降水预报数据，并依托耦合模型的演进技术和洪水淹没动态模拟技术，开发滨海平原河网地区城镇洪涝灾害预报预警系统，实现成果的动态模拟推演及可视化，并应用于温州市鹿城区，为鹿城区的水灾害防御提供技术支撑。