李 婷，魏 軍，俞海洋，孫玉龍

（河北省氣象災(zāi)害防御中心，050021，石家莊）

河北省城市內(nèi)澇仿真模擬預(yù)警系統(tǒng)研制
——以石家莊市為例

李 婷，魏 軍，俞海洋，孫玉龍

（河北省氣象災(zāi)害防御中心，050021，石家莊）

河北省城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警能力較為薄弱，以石家莊市為試點(diǎn)，基于暴雨內(nèi)澇仿真模型建立河北省城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。采用立體直觀的實(shí)景三維形式將內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為四級(jí)，根據(jù)不同承載體對(duì)預(yù)警閾值進(jìn)行設(shè)定。2015年8月30日石家莊市城區(qū)暴雨，積水資料與系統(tǒng)模擬的16個(gè)積水點(diǎn)中水深絕對(duì)誤差值在0.2 m以下的共占94％，與實(shí)測(cè)水深較為一致，模擬效果有效。此外計(jì)算該等級(jí)降水重現(xiàn)期，繪制不同歷史重現(xiàn)期的城區(qū)淹沒水深分布圖，為暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供技術(shù)支撐，為政府部門快速?zèng)Q策提供參考。

內(nèi)澇災(zāi)害；模擬；預(yù)警；重現(xiàn)期

大氣環(huán)流的異常調(diào)整及熱島效應(yīng)對(duì)溫度場(chǎng)的改變會(huì)引起局地氣候變化，從而影響降雨的時(shí)空分布和暴雨發(fā)生概率，當(dāng)極端強(qiáng)降水或長(zhǎng)歷時(shí)強(qiáng)降雨超過(guò)城市排水能力時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)澇。當(dāng)今城市快速發(fā)展，土地利用類型和水工設(shè)施繁多，同時(shí)管網(wǎng)升級(jí)改造或排水運(yùn)行規(guī)則的改變也會(huì)直接影響積水情況。近年來(lái)河北省城市屢遭暴雨，引發(fā)嚴(yán)重內(nèi)澇災(zāi)害，各市均有發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅廊坊一地2000—2012年共發(fā)生24次內(nèi)澇災(zāi)害，直接經(jīng)濟(jì)損失近20億元。同時(shí)城市交通、通信、水電等生命線工程之間聯(lián)系緊密，內(nèi)澇災(zāi)害易造成連鎖反應(yīng)（如城市內(nèi)澇可造成車輛被淹、地鐵停運(yùn)，設(shè)施被毀，人員被困），如何提升城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力已成重要議題。

國(guó)外對(duì)城市內(nèi)澇的研究成果可借鑒，如美國(guó)SWMM和STORM模型、英國(guó)WALLINFORD等模型。而國(guó)內(nèi)天津市暴雨瀝澇仿真模型也已應(yīng)用于30多個(gè)城市，通過(guò)對(duì)地面產(chǎn)匯流過(guò)程的數(shù)值模擬，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城區(qū)積水并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。目前對(duì)城市內(nèi)澇的氣象服務(wù)多限于提供雨量實(shí)況信息及預(yù)報(bào)信息，尚未形成成熟的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)。本文對(duì)河北省內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以石家莊市為試點(diǎn)，通過(guò)獲取高精度地理信息、引進(jìn)國(guó)內(nèi)先進(jìn)模型、整合氣象系統(tǒng)雨量及數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品等方式，構(gòu)建首個(gè)河北省城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，為快速?zèng)Q策和應(yīng)急管理提供切實(shí)依據(jù)。

一、河北省城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力現(xiàn)狀

河北省城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作初步開展，各地市氣象部門已對(duì)現(xiàn)有暴雨公式進(jìn)行修訂和完善，并且開展城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)普查工作，但河北城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警能力還較為薄弱：①基礎(chǔ)信息有待完善，數(shù)據(jù)共享機(jī)制亟須建立。目前資料種類繁多，涉及單位眾多，資料整合復(fù)雜且缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)梳理，內(nèi)澇基礎(chǔ)信息資料涉及12個(gè)單位及部門，資料種類近30種，數(shù)據(jù)格式近100種。信息共享實(shí)現(xiàn)較少，且存在收取資料加工費(fèi)、資料涉密限用等問(wèn)題。②監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚未建立，精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品支撐仍需加強(qiáng)。城區(qū)氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)密度較低，經(jīng)測(cè)算，觀測(cè)站密度應(yīng)達(dá)到1～3 km一個(gè)觀測(cè)站，但目前全省地市區(qū)平均8.2 km一個(gè)觀測(cè)站，且多為單要素雨量站，受地形、人為因素影響大，數(shù)據(jù)質(zhì)量難以控制，跨部門監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與管理。此外各地市區(qū)面積普遍較小，數(shù)值產(chǎn)品空間分辨率應(yīng)達(dá)到 1～3 km，刷新頻率應(yīng)達(dá)到 15 min，但目前能達(dá)要求的僅QPF、inca兩種產(chǎn)品。③業(yè)務(wù)有待整合，集約化的業(yè)務(wù)系統(tǒng)仍需完善。受限于技術(shù)、人員、資金，各項(xiàng)目大多處于研究階段，尚未形成較成熟的城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警業(yè)務(wù)及系統(tǒng)，但隨著內(nèi)澇問(wèn)題的嚴(yán)重，各級(jí)政府及相關(guān)部門越來(lái)越重視，建立一套準(zhǔn)確及時(shí)的城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)勢(shì)在必行。為全面提升河北省城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力，整合現(xiàn)有人力、數(shù)據(jù)、技術(shù)資源，以石家莊市為試點(diǎn)，依托精細(xì)化格網(wǎng)預(yù)報(bào)，利用仿真模型，建立河北省城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)。

圖1 石家莊市二環(huán)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格劃分圖

二、系統(tǒng)組成與模型方法

河北省城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)利用自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)處理、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、雷達(dá)雨量估算、城市內(nèi)澇仿真模擬及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，以GIS為支撐平臺(tái)，利用仿真模型模擬內(nèi)澇實(shí)現(xiàn)預(yù)警。模型以城市地表與明渠河道水流運(yùn)動(dòng)為模擬對(duì)象，以平面二維非恒定流的基本方程為骨架，針對(duì)小于離散網(wǎng)格尺度的排水渠涌或河道，采用一維明渠非恒定流方程算法（略），結(jié)合石家莊市的地形及排水特征，對(duì)地形進(jìn)行概化，將民心河、世紀(jì)公園作為一級(jí)河道，劃分為若干河道型網(wǎng)格，將水上公園、長(zhǎng)安公園劃分為湖泊型網(wǎng)格，平安公園、元南公園和丁香園園內(nèi)的湖泊因尺度小而忽略，其余根據(jù)街道與河流的走向以及建筑物分布劃分成四到六邊形等不規(guī)則網(wǎng)格。圖1為石家莊二環(huán)內(nèi)的網(wǎng)格劃分圖，共分為河道型、湖泊型、陸地型網(wǎng)格，網(wǎng)格共計(jì)3 218個(gè)，通道7 093條，節(jié)點(diǎn)3 876個(gè)。模型在降雨邊界條件處理上，采用實(shí)時(shí)降水信息和數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，動(dòng)態(tài)再現(xiàn)或預(yù)測(cè)災(zāi)害演變過(guò)程，此外，在排水管網(wǎng)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了地面與地下管網(wǎng)水體相結(jié)合的模擬計(jì)算，使精度進(jìn)一步提高。

三、系統(tǒng)應(yīng)用——以石家莊市為例

1.研究區(qū)概況

石家莊市地處河北省西南部，屬太行山山前沖洪積平原，形態(tài)較為單一，市內(nèi)地勢(shì)平坦，高差不大，不利于防洪排澇。降水受大氣環(huán)流和地形影響，年降水量75％～80％集中在夏季，短時(shí)強(qiáng)降水是引發(fā)市區(qū)內(nèi)澇的直接因素。城市下墊面硬覆蓋增加，且排水系統(tǒng)難以滿足發(fā)展要求，這是關(guān)鍵因素。

石家莊市易積水點(diǎn)多達(dá)40余處，包括29處路口及地道橋、11處路段。結(jié)合所購(gòu)置的地理信息范圍，內(nèi)澇模型主要研究區(qū)域?yàn)槎h(huán)以內(nèi)，涉及長(zhǎng)安區(qū)、橋西區(qū)、裕華區(qū)、新華區(qū)等4個(gè)主城區(qū)，面積共計(jì)110 km2。

2.業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行界面包括實(shí)況監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、內(nèi)澇災(zāi)情管理、服務(wù)制作發(fā)布和系統(tǒng)管理等。業(yè)務(wù)流程：①監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。包括多元雨量監(jiān)測(cè)，實(shí)況水深模擬，城市內(nèi)澇災(zāi)情監(jiān)測(cè)，不同分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品適用。②內(nèi)澇評(píng)估。讀取格點(diǎn)化數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，通過(guò)內(nèi)澇模型生成不同實(shí)效的評(píng)估結(jié)果。③風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)閾值，生成內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品，提醒不同服務(wù)對(duì)象根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)采取對(duì)應(yīng)響應(yīng)行動(dòng)。

3.產(chǎn)品形式

河北省城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可提供以下預(yù)警產(chǎn)品：①主城區(qū)實(shí)況警報(bào)，達(dá)到或超過(guò)某一水深值的地點(diǎn)位置。②主城區(qū)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，以積水深度作為評(píng)估參考值。③易積澇點(diǎn)實(shí)況警報(bào)，積水深度實(shí)時(shí)變化。④易積澇點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，以易積澇點(diǎn)相鄰最近的雨量站點(diǎn)降水量作為評(píng)估參考值。

在產(chǎn)品輸出形式上與河北省第三測(cè)繪院合作，其目前主推的城市實(shí)景三維數(shù)據(jù)具有真實(shí)性強(qiáng)、分辨率高及可視性好等特點(diǎn)，因此結(jié)合城市實(shí)際建筑，基于實(shí)景三維數(shù)據(jù)，可直觀有效地反映城市積水情況。圖2a、圖2b分別為2015年8月30日暴雨導(dǎo)致市區(qū)裕華路與體育大街交口和石家莊站的內(nèi)澇積水模擬實(shí)景，可清晰看到高架橋、地道橋及普通道路淹水情況。

4.內(nèi)澇等級(jí)劃分

在日常業(yè)務(wù)中，系統(tǒng)啟動(dòng)條件：當(dāng)預(yù)報(bào)員預(yù)報(bào)12 h內(nèi)中雨以上降水過(guò)程或自動(dòng)雨量站出現(xiàn)10 mm/h的降水即開始啟動(dòng)仿真系統(tǒng)。本文將石家莊市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為四級(jí)——有一定風(fēng)險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)較高、風(fēng)險(xiǎn)高和風(fēng)險(xiǎn)很高，并根據(jù)不同承載體對(duì)系統(tǒng)預(yù)警閾值進(jìn)行設(shè)定，見表1。

5.2015 年8月30日積水模擬與分析

2015年8月下旬受北方冷渦影響，華北地區(qū)有分散性強(qiáng)降水，并伴有強(qiáng)對(duì)流天氣。8月30日，高空低渦南移，冷空氣南下，石家莊市低層濕度和能量條件充足，08—13時(shí)，城區(qū)遭遇大到暴雨，歷時(shí)5 h，該時(shí)段累計(jì)降雨量最高達(dá)到73 mm（烈士陵園），降水過(guò)程主要集中在10—11時(shí)。根據(jù)城區(qū)自動(dòng)雨量站（14個(gè)）和部分水文站（4個(gè)）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合雷達(dá)估測(cè)降水QPE資料采用曲面插值方法，得到面雨量分布情況（圖3），此次降水主要落區(qū)為市內(nèi)中部地區(qū)，約45～75 mm/h，中西部降水強(qiáng)度最大，石家莊內(nèi)澇積水路段主要集中在體育大街東崗路至中山路路段、塔北路、槐安路與建華大街交口、裕華路萬(wàn)象天成附近，平均積水深度在20～30 cm。應(yīng)用本系統(tǒng)對(duì)此次內(nèi)澇過(guò)程進(jìn)行模擬，積水模擬及積水實(shí)況如圖4，由圖可見體育南大街、中華南大街和裕華西路、中山路段的模擬積水區(qū)域與實(shí)際積澇點(diǎn)大多相同，由于人工搜集實(shí)際積澇點(diǎn)數(shù)量有限，因此模擬得到的積澇網(wǎng)格數(shù)比實(shí)際積水點(diǎn)多。

通過(guò)排水管理處提供的積水實(shí)測(cè)資料，對(duì)系統(tǒng)模擬得到的積水深度進(jìn)行驗(yàn)證，見表2。其中有7處的水深絕對(duì)誤差在0.1 m以下 （包括0.1 m），占16個(gè)積水點(diǎn)的44％；有8處的水深誤差介于0.1～0.2 m之間，約占50％，因此誤差值在0.2 m以下的共占94％，與實(shí)測(cè)水深較為一致，模擬結(jié)果實(shí)際有效。此外有1處水深誤差大于0.2 m，體育中山路口（0.1 m）地勢(shì)相對(duì)平坦，但由于修建地鐵，存在低洼地段，而網(wǎng)格高程并未反映出該特殊路段，因此模擬水深較低。對(duì)于此種情況，可通過(guò)記錄水位，用水位和實(shí)際地形之差求得水深值，從而消除網(wǎng)格平均高程與實(shí)際地形之間的誤差所造成的誤差。

6.歷史重現(xiàn)期

根據(jù)降水等級(jí)出現(xiàn)的概率P，計(jì)算該等級(jí)降水的重現(xiàn)期T=1/P，即該等級(jí)降水出現(xiàn)概率的倒數(shù)，代入內(nèi)澇仿真系統(tǒng)進(jìn)行模擬，按照石家莊城市建設(shè)和排水系統(tǒng)狀況，得到不同歷史重現(xiàn)期的一小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，重現(xiàn)期為1、10、20和50年的一小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)分別為12.3、60.3、69.0和79.5 mm，并繪制了不同歷史重現(xiàn)期的石家莊城區(qū)淹沒水深分布圖，見圖5?？梢钥闯?，一年一遇降水的積水點(diǎn)數(shù)量較少（圖5a），積水深度較低，大多在0.3 m以下，明顯低于10年一遇的積水分布（圖5b）。10年一遇降水的積水深度主要在1.0 m以下，個(gè)別地點(diǎn)超過(guò)1 m。10年以上一遇降水的積水主要集中在體育大街中山路至槐安路段、和平路二院及附近地道橋、維明大街和友誼北大街路段，積水深度多在0.5 m以上，因此該路段為易積水區(qū)，應(yīng)加強(qiáng)防范措施。

圖2 內(nèi)澇積水實(shí)景三維形式

四、結(jié)論與討論

表1 不同易損性承災(zāi)體災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)河北省城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)河北省城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警能力較為薄弱，基礎(chǔ)信息有待完善，部門間信息共享機(jī)制亟須建立；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚未建立，精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品支撐仍需加強(qiáng)；業(yè)務(wù)有待整合，集約化業(yè)務(wù)系統(tǒng)仍需完善。

為全面提升河北省城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警能力，應(yīng)用城市內(nèi)澇仿

真模型，構(gòu)建了首個(gè)河北省城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，并通過(guò)石家莊市二環(huán)區(qū)域驗(yàn)證，本系統(tǒng)的模擬結(jié)果有效可靠。但是作為面向全省用戶的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，仍需在應(yīng)用中不斷完善：評(píng)估精度仍需提高，由于缺乏城市排水管網(wǎng)信息及積水災(zāi)情信息，系統(tǒng)的部分參數(shù)和致災(zāi)閾值需進(jìn)一步調(diào)整；項(xiàng)目實(shí)用性需加強(qiáng)，要做好項(xiàng)目的推廣與對(duì)接，不斷完善系統(tǒng)的實(shí)用性；面向的服務(wù)對(duì)象不同，城市內(nèi)澇的服務(wù)產(chǎn)品仍需豐富，例如基于智能手機(jī)定位功能的預(yù)警推送、智能內(nèi)澇災(zāi)情收集、城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃產(chǎn)品的自動(dòng)輸出等；常態(tài)化工作機(jī)制有待建立，不間斷地進(jìn)行災(zāi)情監(jiān)控及定期參數(shù)調(diào)整。 ■

表2 2015年8月30日積水點(diǎn)驗(yàn)證情況（單位：m）

圖38 月30日10—11時(shí)面雨量實(shí)況

圖4 積水模擬及積水實(shí)況

圖5 不同歷史重現(xiàn)期的石家莊市區(qū)淹沒水深分布情況（a、b、c、d重現(xiàn)期分別為1年、10年、20年、50年）

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責(zé)任編輯 李建章

Simulation warning system of urban waterlogging in hebei province——a case study of Shijiazhuang//

Li Ting，Wei Jun，Yu Haiyang，Sun Yulong

The urban waterlogging risk assessment and warning capability in Hebei Province was weak.Taking Shijiazhuang as a pilot，urban waterlogging simulation model was applied to establish the urban waterlogging meteorological risk monitoring and warning system of Hebei province based on the fine grid forecast.The system applied 3D data，disaster risk was classified into four levels，and warning threshold was set according to different carriers.There was a heavy precipitation happed on August 30th，2015 in Shijiazhuang.In the 16 waterlogging points，the water depth absolute error below 0.2m was 94％，that was consistent with the measured water depth.It turned out that the simulation results was serviceable.The return period of different precipitation gradeswasrevealed，anddifferenthistoricalreturnperiodsofurbanwaterloggingdepthdistributionof Shijiazhuang was finished，which could provide technical support for the waterlogging risk assessment，and reference for rapid decision-making of government department.

waterlogging disaster；simulation；warning；return period

P426.626

A

1000-1123（2016）10-0011-04

2016-05-04

李婷，助理工程師，主要從事氣象災(zāi)害防御技術(shù)研究。

河北省氣象事業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃河北省農(nóng)村氣象災(zāi)害防御與農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)工程（2016023889）。