天津城市自动化积水监测及预警的实现

段丽瑶，梁 好，侯天宇，张春莉，陈子煊

(1. 天津市气象台 天津300074；2. 天津市突发公共事件预警信息发布中心 天津300074)

0 引 言

天津地处九河下梢，地形低平，夏季强降水经常导致城区大面积积水，给城市交通、行人行车、城市运行等带来极大影响，严重威胁低洼、老旧、危房地段的商业区和社区居民的生命和财产安全。孙永尚等[1]基于北京的积水自动监测站网，建立了北京市内涝积水监测预警系统，实现了积水深度信息的实时获取、快速查询等功能，为政府应对城市积涝提供了一手资料；邵鹏飞等[2]采用移动 GIS和云服务等技术，设计了具有道路实时积水呈现、道路通行告警、汛情实景图片、政府信息通告等功能的一体化城市内涝监测预警信息系统，为政府和公众提供服务。

针对城市积涝的监测预警，天津市也开展了许多研究，解以扬等[3]综合考虑降水量、城市管网、地面高程、下垫面状况等多种因素建立了城市暴雨内涝数学模型，并在全国30多个省市进行推广应用；陈靖等[4]在前期研究的基础上，开展了更深入的研究，建立了天津市典型区域立体多重城市内涝模型，开展典型区域的城市积涝预测预警。但由于天津城市积水监测自动化水平较低，数据精细化程度不够，难以满足城市积涝监测预报预警和服务的需求，需要尽快建立自动化程度高、能快速进行积水数据采集和处理的城市积水监测站网，以及基于位置信息的天津城市积水监测预报预警系统，更好地为政府和社会公众提供服务，更好地避灾避险。

1 城市积水监测站网建设

1.1 研发积水监测设备

积水监测传感器的原理：采用薄膜式压力传感器，将水底的压力与外部环境的气压进行比较，将薄膜产生的微小形变通过精密放大电路转化为电压信号，从而实现精确的积水深度信息采集。如图 1所示，作者所在的研发团队应用物联网技术自主研发出一种新型的积水监测设备，将设备安装在道路两边的路灯杆或监控杆内部，在路肩处与地面平行开孔放入压力传感器，当路面出现积水时，传感器就可以通过接触积水监测积水深度，再将数据通过GPRS网络回传至服务器端，实现了内涝风险点积水数据实时动态自动上传。

图1 积水监测传感器(下)及传感探头(上)Fig.1 Water accumulation monitoring sensor(lower)and sensor probe(upper)

1.2 建设城市积水监测站网

天津市气象局于2014年通过开展城市内涝风险普查，确定了天津城区140个易积水路段。2018年入汛前项目组联合各街道办事处走访调查积水隐患点及积水监测设备的安装条件，在中心城区地铁站周边安装20个积水监测站点，覆盖重点积水地区、商圈、大型居民区等人员密集区。

20个积水监测站于 2018年 6月前建成并投入使用，2018年汛期成功监测积水实况数据，形成逐5min(可自定义采集频率，最小间隔 1min)积水深度采集数据库。数据采集和传输质量经人工现场检验，测量误差在1%范围内。2019年又安装了150个积水监测站点，基本实现了中心城区易积水点的监测站点全覆盖。

2 城市积水监测预警服务平台

如图2所示，基于Web GIS技术，采用B/S、C/S混合架构设计，建成天津城市积水监测及内涝风险预警推送系统，包括设备通信管理子系统、积水深度预报子系统、数据支撑子系统、积水监测预警业务子系统。在 PC端实现积水深度和降雨量的监测、精细化降雨量预报、雷达资料等数据的充分融合，满足业务人员分析和处理数据的需求。可在线管理积水检测设备运行、实时监测所有积水监测站点的积水深度并预测未来一小时积水深度，绘制积水点积水深度变化曲线及城市内涝风险预警色斑图。提供内涝风险预警功能，可查询内涝风险分析的详细数据。

图2 城市自动化积水监测预警服务平台总体架构Fig.2 Overall structure of urban automatic water accumulation monitoring and early warning service platform

3 基于位置的风险预警推送

建立了移动端基于位置的风险预警推送系统，该系统包括 4个子模块：积水风险预警处理子模块、地理信息匹配子模块、网格化数据子模块、移动端预警推送子模块，实现了基于移动端的城市积水实况监测以及内涝风险预警产品自动加工，通过移动端可实时查询天津中心城区精确到街道和社区的网格化的积水深度实况以及未来一小时的积水预测信息，并向用户实时推送基于位置的积水实况和预警服务产品。

4 结 论

天津城市自动化积水监测及预警系统建成后，可向天津市政府及相关部门提供降水和积水监测预测信息，从而提升政府和相关部门城市内涝灾害的防御能力和应急处置效率。系统功能及作用如下：

①通过建立天津城市自动化积水监测站网，实现了城区内涝风险点积水数据实时动态自动上传，其自动化程度高，极大提升了天津城区积水监测能力。

②实现了基于位置的城市内涝风险预警推送，提高了城市内涝风险预报预警服务能力；提供基于位置的积水实况信息和未来一小时积水预测预警信息，为政府决策、相关部门及时排水提供了决策依据，也便于公众出行及时了解最新积水情况。