城市内涝水量平衡计算方法.pdf
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1、第 5 期2023 年 10 月NO.5Oct.2023水 利 信 息 化Water Resources Informatization0 引言城市内涝具有预报难、损失重、影响大等特点,一直是防汛工作的重点和难点。技术人员基于不同的技术手段,搭建了各种内涝预警系统以辅助城市应急管理。梁好等1应用物联网和 WebGIS 技术,设计了天津城市自动化内涝监测预警系统。史潇等2基于 GIS 技术与 SWMM 模型的暴雨积涝模拟分析设计了江苏城市内涝预警系统。叶青3结合 GIS 技术与城市暴雨内涝数值模型、气象监测业务等,构建了南宁市内涝气象监测预警系统。曹雪健等4综合利用多源(雷达、地面雨量计、地面雨
2、滴谱)降雨、积水观测数据等,提高了内涝预报精度。张秀春等5搭建了一套以 BP 神经网络模型为核心,以 B/S 架构为基础的内涝预警系统。通过搭建水文水力模型对内涝形成过程进行模拟和预测的应用有很多,如业内应用较多的 SWMM,InfoWorks,MIKE 等模型,以及以这些模型为基础二次研发的各种机理模型。但这些模型在使用过程中普遍存在边界条件多、参数校正复杂、运算时间长、调用不便、建设维护费用高等问题,给时效性要求较高的城市内涝预报预警工作带来一定限制。而数理统计模型由于历史资料不易获得,城市建设、更新速度快导致城市水文环境变化大等因素,使用条件受限。为满足城市大尺度的内涝预警预报需求,结合
3、排水分区,以城市降雨量、主干管网过水能力为输入条件,提出城市内涝水量平衡计算方法,搭建城市内涝预警系统。1 城市内涝预警系统设计1.1 总体架构城市内涝预警系统基于 J2EE 体系结构和 MVC框架(模型-视图-控制器)设计,采用 B/S 模式,在遵循标准规范和信息安全体系的基础上,由信息化基础设施层、系统支撑层、业务应用层、展示层 4 层架构组成。系统功能、算法、流程、运行模式均可灵活配置,在保证整个系统高可靠性运行的同时,能为后续功能的完善和业务升级提供最大程度的便捷性和灵活性。系统总体架构如图 1 所示。1)信息化基础设施层。由“空-天-地-人”一体化信息感知设备、政务网、互联网等组成,
4、构成信息回传网络,实现信息采集、传输、存储等功能。2)系统支撑层。组成如下:a.数据支撑层。包括基础、监测、专题等数据库,以及共享气象、环保、交通、国土等各相关部门的外部数据。b.应用支撑层。基于 SOA 架构,以中间件及各类型平台为核心,为上层应用系统的开发、集成提供各类支撑。3)业务应用层。采用统一的应用服务建设模式,DOI:10.19364/j.1674-9405.2023.05.012城市内涝水量平衡计算方法李文辉 1,曾庆彬 2,杨宗国 3摘 要:针对当前内涝计算模型边界条件多、参数校正复杂、运算过程时间长等问题,提出一种基于水量平衡的城市内涝计算方法。以气象预报数据为输入,采用时段
5、水量平衡法,以排水分区的总降水量、区域主干管网的排水能力为边界,建立积水预报模型,搭建城市内涝预警系统,并对系统在深圳市 2021 年 10 次较大降雨中的应用情况进行分析,结果表明:采用水量平衡计算方法进行内涝模拟的准确率达 85%左右,能较好地预测城市内涝情况,为城市大尺度的内涝预警预报提供新的建设思路。关键词:水量平衡;城市内涝;排水分区;预警系统中图分类号:P426.616 文献标识码:A 文章编号:1674-9405(2023)05-0066-05收稿日期:2022-10-25作者简介:李文辉(1969),男,湖南衡阳人,高级工程师,主要从事水利工程管理、水利技术和信息化管理等工作。
6、E-mail:(1.深圳市东部水源管理中心,广东 深圳 518100;2.深圳市水务规划设计院股份有限公司,广东 深圳 518036;3.深圳市水务科技发展有限公司,广东 深圳 518000)67李文辉等:城市内涝水量平衡计算方法第 5 期即模块化建设模式,提供基础信息、统计分析、内涝监测、内涝预警、内涝模拟、应急响应等服务。4)展示层。基于 Web 端及移动端进行业务展示。1.2 业务应用1.2.1 业务应用架构城市内涝预警系统包括基础信息、监测信息、预警响应、内涝模拟、系统管理等模块,业务应用架构如图 2 所示。1.2.2 业务功能各模块业务功能如下:1)基础信息模块。以深圳市数字高程模型
7、(DEM)、数字表面模型(DSM)、数字正射影像图(DOM),管网、水库、河道、泵站等水务设施空间地理和属性信息,排水分区划分等静态信息分图层叠加,构建二/三维联动的城市内涝底图。2)监测信息模块。将多源感知的气象、水情、雨情、潮情、积涝、视频、工情等动态信息在城市底图上实时可视化显示。静态、动态信息相结合,构成城市内涝一张图。3)预警响应模块。对水库、河道、积涝点等防御风险点的水位和流量及水量等安全要素进行监测,根据不同的阈值分级预警,根据不同等级的预警采用不同的应急源,以分解的应急预案进行应急响应,安排部署值班、工程巡查、防灾物资调度、人员转图 2 业务应用架构图图 1 系统总体架构图水
8、利 信 息 化682023(5)移等工作。4)内涝模拟模块。采用水量平衡法,结合排水分区、GIS、主干管网信息,具体模拟如下:降雨模拟主要对排水分区的降雨量进行模拟,管网模拟主要对管网流量、流速、过流能力等要素进行模拟,积水区模拟主要对内涝点的积水、流量、深度等要素进行模拟,并作可视化展示,便于预报。5)系统管理模块。包括图层的设置及对各类数据、模块、用户的管理等。1.3 信息安全体系城市内涝预警系统信息安全防护遵循 信息安全技术网络安全等级保护基本要求 信息安全技术 网络安全等级保护安全设计技术要求 等标准,围绕“一个中心,三层防御”的纵深防御体系,按照等保三级的要求实施,从治理评估、组织建
9、设、管理建设、技防建设、人员管理等多角度入手,保证业务安全稳定运行。2 城市内涝水量平衡计算方法深圳市除去深汕特别合作区后总面积为 1 997.47 km2,其中易产生内涝的建成区面积为 927.96 km2。建成区地表硬化、不透水,导致地表径流大、汇流速度快。如采用 SWMM,InfoWorks,MIKE 等模型,以及以这些模型为基础二次研发的各类水文学、水力学等机理模型,需要考虑降雨产流、地面汇流、排水汇流等全过程因素,涉及模型多、边界条件多、参数校正复杂、运算过程时间长等问题,最终结果虽然准确性高6,但在实际建模、模拟应用中会面临诸多困难,全过程投入资源多,加之城市更新速度快,管理单位倾
10、向选择简单模型进行城市大尺度的内涝模拟,以减少建模和模型维护的复杂度和成本。针对上述情况,本研究以水量平衡计算方法为核心,构建城市内涝预警系统的内涝模拟模块。内涝模拟模块是城市内涝预警系统的核心,内涝预警预报具有极强的时效性,城市内涝水量平衡计算方法可以完全满足内涝预警预报快速响应需求。基于水量平衡的城市内涝模型实现流程如图 3 所示。考虑到产汇流过程的复杂性,本研究忽略下渗、蒸发、滞蓄等因素的影响,假设降雨产流地表汇流排水汇流过程中水量保持平衡,结合排水主干管网过水能力,建立积水预报模型,实现积水点积水深度与面积的可视化表达及预报,为内涝预报提供科学依据。利用深圳市气象局预报的网格化降雨量、
11、排水分区面积,可得到排水分区的地面汇流量,计算公式如下:Q地=P S,(1)式中:Q地 为地面汇流量,也为排水汇流量;P 为降雨量;S 为排水分区面积。主干管网过流能力计算公式如下:Q=uA 2g H0,(2)式中:Q 为管网的流量;A 为管道过流面积;u 为管道流量系数;g 为重力加速度;H0 为管道作用水头,即管道起点与终点二者底高程之差。u 取经验值 0.7,则管网的过流能力为 Q=0.7A 2 g H0。(3)采用时段水量平衡法计算排水分区积水量的公式如下:W=Q地 -Q*t,(4)式中:W 为积水量;t 为预报的降雨历时。排水分区是指按照地形、水系、水文地质等条件进行划分,使降雨产生
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