基于gis的湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究

基于gis的湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究

0城市暴雨洪水災(zāi)害預(yù)測模型城市洪水災(zāi)害是一種嚴(yán)重的城市自然災(zāi)害，由于短期降雨和雨季正常，導(dǎo)致大量排水。在地勢較低，排水不良的情況下，形成了一個(gè)池塘。近年來,高速發(fā)展的城市化進(jìn)程引起城市水文特性的顯著變化:城市房屋建筑密集,混凝土覆蓋面積增大,雨水滲透減少,雨水滯留與調(diào)蓄功能下降;城市地下設(shè)施開發(fā)利用率普遍提高、城市經(jīng)濟(jì)類型的多元化及資產(chǎn)的高密集性使城市的綜合承災(zāi)能力脆弱,使得在同等致災(zāi)條件下災(zāi)害損失總量必然增大。湖州地處杭嘉湖平原,河網(wǎng)、水系密集,市區(qū)河道縱橫交錯(cuò),既有行洪通道,又有景觀河道。當(dāng)河道水位較高,又遇短歷史強(qiáng)降雨時(shí),容易產(chǎn)生城市內(nèi)澇,內(nèi)澇災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng),危害性大,嚴(yán)重的城市內(nèi)澇則造成城市內(nèi)部交通受阻,商店、民宅浸水,威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此,采用科學(xué)方法建立城市暴雨監(jiān)測、預(yù)報(bào)、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、災(zāi)害評估一體化的防汛風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)是十分必要的。天津市氣象科學(xué)研究所與中國水利水電科學(xué)研究院減災(zāi)中心、天津大學(xué)建工學(xué)院合作,研制了城市暴雨內(nèi)澇仿真模型,該模型具備了一定的內(nèi)澇動態(tài)監(jiān)測預(yù)報(bào)能力,在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位,部分成果達(dá)到國際先進(jìn)水平。這項(xiàng)研究成果在天津、南京、武漢、西安等國內(nèi)很多城市得到較好的應(yīng)用。本文引進(jìn)城市暴雨內(nèi)澇仿真模型,概化了湖州城市地貌特征、城市規(guī)劃、排水系統(tǒng)特征、地下管網(wǎng)、排水規(guī)則、城市防洪工程等城市化信息,基于精細(xì)化的降水監(jiān)測和預(yù)報(bào)信息,建立了湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng),并運(yùn)用該系統(tǒng)對湖州“99630”連續(xù)暴雨引發(fā)的城市嚴(yán)重內(nèi)澇過程進(jìn)行歷史反演,反演結(jié)果與歷史記載的位置基本相符,面積偏小,說明系統(tǒng)對暴雨帶來的城市內(nèi)澇具有一定的動態(tài)監(jiān)測預(yù)報(bào)能力,對拓展城市災(zāi)害預(yù)報(bào)服務(wù)領(lǐng)域,提高城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)報(bào)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估水平具有一定的參考作用。1城市不透水面積、排水現(xiàn)狀及其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)由天津市氣象科學(xué)研究所與中國水利水電研究院研制的城市暴雨內(nèi)澇仿真模型,涉及到氣象學(xué)、水文學(xué)、水力學(xué)、河流動力學(xué)以及給排水工程等多學(xué)科的知識,屬于多學(xué)科交叉、具有系統(tǒng)工程特征的數(shù)學(xué)模型。模型反映了降雨量分布、產(chǎn)匯流原理、地面流、河道明渠流、堰流、跌水、管網(wǎng)有壓流、管道無壓流、有壓流到無壓流過渡過程,以及地面向管道中泄流或從管道向地面涌水現(xiàn)象等多種工程情況及其相互連接問題,是一個(gè)復(fù)雜的微觀流域模型。模型以城市地表與明渠河道水流運(yùn)動為模擬對象,基本控制方程以二維非恒定流的基本方程為骨架,并在模型的源匯項(xiàng)中考慮了城市不透水面積與排水系統(tǒng)的影響。同時(shí)針對城市特點(diǎn),對小于離散化網(wǎng)格尺度的排水明渠采用一維非恒定流方程的算法。為了更好地反映城市暴雨徑流的特點(diǎn),模型應(yīng)用有限體積法的思想,采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格設(shè)計(jì)計(jì)算區(qū)域。網(wǎng)格可以設(shè)計(jì)成三邊形、四邊形或五邊形。網(wǎng)格各邊定義成通道,通道定點(diǎn)定義為節(jié)點(diǎn)。將城市排水管網(wǎng)和排水設(shè)施概化到網(wǎng)格和通道上。將城區(qū)雨量站觀測雨量或預(yù)報(bào)雨量,通過有效的插值方法得到面雨量,作為降雨邊界條件,通過城市暴雨內(nèi)澇仿真模型模擬計(jì)算網(wǎng)格積水。2湖州市祈雨和洪水災(zāi)害警報(bào)系統(tǒng)2.1地形高程與排水系統(tǒng)本系統(tǒng)除需要?dú)庀笮畔⑼?還需要大量的非氣象資料,涉及到防汛、水文和市政設(shè)施維護(hù)管理等多個(gè)部門。所需信息包括:(1)城市地理信息:湖州市1∶5萬的電子地圖,從測繪部門購置1∶2000高精度的地形高程數(shù)據(jù)。(2)湖州城區(qū)排水系統(tǒng)信息:包括河道走向、寬度、河底高程、堤高、水位等;泵站閘門位置、排水能力等;地下排水管網(wǎng)管徑、長度、流向等;阻水設(shè)施如公路、鐵路、建筑物等。(3)城市積水信息:湖州歷史暴雨內(nèi)澇過程積水信息。(4)防澇調(diào)度信息:防洪調(diào)度預(yù)案、運(yùn)行規(guī)則等。包括一、二級河道控制水位,泵站、閘門的開啟原則,排水管網(wǎng)的控制水位,遇暴雨時(shí)的排水方式等。(5)氣象信息:建站以來湖州雨量數(shù)據(jù)、近年來城區(qū)自動站雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)信息采用多種數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品集合預(yù)報(bào)結(jié)果以及雷達(dá)估測降水結(jié)果。2.2級河道及排水管網(wǎng)湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)區(qū)域的邊界選擇在三環(huán)北路以南,仁皇山以東,旄兒港以南,龍溪、導(dǎo)流港以北,新開河以北,大錢港以西的區(qū)域,涵蓋了防洪預(yù)案中湖州中心城市一期城防區(qū)域,城中分區(qū)、鳳凰分區(qū)和仁皇山新區(qū),按照河流走向和地形特征分割成1214個(gè)不規(guī)則網(wǎng)格、2802個(gè)通道和1589個(gè)節(jié)點(diǎn),共計(jì)40.35km2,見圖1。1214個(gè)網(wǎng)格中包括陸地網(wǎng)格型1168個(gè),河道型網(wǎng)格46個(gè),將旄兒港、仁皇山、三環(huán)北路、大錢港、新開河、東苕溪導(dǎo)流港、老龍溪作為區(qū)域的外邊界,將旄兒港和環(huán)城河定義為一級河道,其余河道定義為二級河道,河道堤防按照防汛辦提供的河道堤防高程設(shè)置;2802個(gè)通道中包括特殊通道即二級河道234個(gè);湖州市的排水系統(tǒng),包括排水管網(wǎng)、泵站、閘門等,它們對暴雨內(nèi)澇現(xiàn)象有很大的影響,地下排水管以淹沒出流的方式直接向河道泄水,當(dāng)河道水位高于管道水位時(shí)會出現(xiàn)倒流現(xiàn)象,因此泵站在排水系統(tǒng)中起著重要的作用。泵站通過逐級抽排河道水量,使河道保持較低且相對穩(wěn)定的常水位,因此對于泵站按單位時(shí)間內(nèi)的排水量、開關(guān)等進(jìn)行概化。含有淹沒出流管道的網(wǎng)格(與二級河道相聯(lián))為管網(wǎng)的排水出口,以管徑的形式概化其泄水能力。據(jù)此,共設(shè)置排水設(shè)施91處,其中排水泵站15處,河道閘門15處,淹沒出流54處。主要地下排水管網(wǎng)按照河流分布共分成13個(gè)區(qū)域。地下排水管網(wǎng)概化過程中,由于資料來源有限,所以只考慮主干地下雨水管網(wǎng)和雨污合流管網(wǎng)的資料,充分考慮截流點(diǎn)的蓄水特征,按照所連接管道的管徑,計(jì)算截留點(diǎn)的等效長度,將這個(gè)等效長度加入到該管段中。將防洪預(yù)案中的排水設(shè)施控制運(yùn)行方案,如開、關(guān)閘水位設(shè)置成閘門的高控水位、低控水位,考慮到湖州泵站的排澇功能將泵站的起排水位設(shè)置為泵站的高控水位,將泵站的停止排澇水位設(shè)置成泵站的低控水位,并對仿真模型中泵站排水模式進(jìn)行了修改。2.3湖州市雨、洪水災(zāi)害的氣象分類及系統(tǒng)初驗(yàn)本系統(tǒng)根據(jù)湖州市歷史內(nèi)澇出現(xiàn)幾率和內(nèi)澇實(shí)際情況,將湖州城市暴雨內(nèi)澇氣象等級劃分為4級。1車輛創(chuàng)新水保水重度積澇,城區(qū)低洼地段和地勢較低的路面積水嚴(yán)重,積水大于50cm,引起車輛熄火、交通堵塞,有工廠、商店、居民家庭進(jìn)水現(xiàn)象發(fā)生,對生產(chǎn)、生活造成嚴(yán)重影響。2道路排水施工存在嚴(yán)重的問題中度積澇,城區(qū)路面低洼地段和地勢較低的路面有積水,積水25~50cm之間,對交通、生產(chǎn)、生活造成明顯影響,行人通行有一定困難、道路通行受阻。3級別輕度積澇,城區(qū)低洼地段和地勢較低的路面有少量積水,積水5~25cm之間,行人通行較困難對交通:生產(chǎn)、生活略有影響。4通、生產(chǎn)、生活無積澇,城區(qū)低洼地段和地勢較低的路面積水5cm以下積水,對交通、生產(chǎn)、生活基本沒有影響。湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)啟動條件:當(dāng)預(yù)報(bào)員預(yù)報(bào)未來12h有大到暴雨以上降水過程或城區(qū)自動雨量站出現(xiàn)20mm/h以上的降水時(shí),即開始啟動湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)。3湖州“99630”連續(xù)降雨和洪水的歷史再演3.1連續(xù)暴雨導(dǎo)致洪水泛濫,超歷史水位偏低,影響了營造大范圍的洪澇災(zāi)害1999年梅汛期,湖州市遭遇特大暴雨洪澇災(zāi)害,梅雨量達(dá)870.8mm,是常年的近3倍,創(chuàng)歷史最高記錄。6月8—10日、6月24日—7月1日,分別發(fā)生持續(xù)暴雨天氣,尤其是6月30日出現(xiàn)了115.8mm的大暴雨,連續(xù)暴雨導(dǎo)致洪水泛濫,杭長橋水位達(dá)3.77m,超歷史最高水位0.13m,三里橋水位3.18m,超歷史最高水位0.17m,水位居高不下,造成湖州市大范圍的洪澇災(zāi)害。史料記載“中心城市紅豐、定安、市北、潮音等約5.19km2居住區(qū)被淹,積水深度達(dá)0.3~0.8m,涉及5.6萬人,7637戶進(jìn)水,緊急轉(zhuǎn)移1409戶,2.5萬人受洪水圍困,損壞和倒塌房屋9753間,總計(jì)30.23萬m2,近400家企業(yè)停產(chǎn)、半停產(chǎn),直接經(jīng)濟(jì)損失約4.4億元?！?.2減水劑初始水位反演“99630”暴雨內(nèi)澇直接原因是連續(xù)暴雨導(dǎo)致河道水位的持續(xù)上漲,對城市管網(wǎng)排水形成頂托造成。從6月24日—7月1日降水量,湖州觀測站監(jiān)測到的日降雨量分別為81.6mm,46.6mm,85.2mm,84.6mm,24.9mm,27.7mm,115.8mm,48mm,連續(xù)暴雨導(dǎo)致水位持續(xù)上漲,6月24日杭長橋水位(一級河道水位代表站)為2.05m,到6月27日,杭長橋水位達(dá)到3.55m,6月30日達(dá)到3.75m,7月1日達(dá)歷史極值,為3.91m,降水量和水位變化見圖2。本文對“99630”暴雨進(jìn)行長達(dá)180h的反演,為保證模式穩(wěn)定和河道水位更加逼近真實(shí)情況,反演分兩段進(jìn)行,第一段為6月24日02時(shí)到27日20時(shí),6月24日杭長橋水位2.05m,設(shè)外河道(即一級河道)初始水位2.05m,陸地網(wǎng)格初始水深從0開始,即假定之前沒有形成積水,按照目前城防工程控制運(yùn)行方案設(shè)定閘門和泵站;第二段為6月27日21時(shí)到7月1日13時(shí),6月27日杭長橋水位3.55m,設(shè)一級河道初始水位3.55m,陸地網(wǎng)格的初始水深取自第一段反演結(jié)果末時(shí)次陸地網(wǎng)格水深。內(nèi)河道(即二級河道)水位由于沒有監(jiān)測值,本次反演過程采取多種內(nèi)河初始水位假定,多次模擬的方案,在第二段模擬過程中假定內(nèi)河初始水位分別2m,2.25m,2.5m,2.75m和3m,進(jìn)行5次反演,得到5種不同內(nèi)河水位假設(shè)條件下的積水分布。3.3內(nèi)河初始水位本次模擬以5種內(nèi)河初始水位假定條件來進(jìn)行5次反演,反演結(jié)果顯示中心城區(qū)嚴(yán)重積水區(qū)域主要分布在紅豐、絲綢城以西、開發(fā)區(qū)陵陽路個(gè)別路段以及吉山等地,最長積水時(shí)間為151h,占反演時(shí)間長度的近80%,圖3為假定內(nèi)河初始水位2.75m時(shí)城區(qū)最大積水分布圖。本次模擬重點(diǎn)關(guān)注城區(qū)范圍內(nèi)最大積水情況,圖中東北部區(qū)域?yàn)槲撮_發(fā)區(qū)域,所以不記為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。城區(qū)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域5次模擬結(jié)果比較見圖4。從圖中可以看出,星海名城、港湖橋、仁皇山路、市陌路、吉山、毗山西路、環(huán)城南路、月河小區(qū)、東湖路、定安、潮音等區(qū)域最大積水深度不受內(nèi)河水位變化影響;紅豐、絲綢城兩個(gè)區(qū)域最大積水深度受到內(nèi)河水位影響,隨內(nèi)河水位升高而積水加深,其中紅豐一帶在內(nèi)河初始水位為2m變?yōu)?m時(shí),最大積水深度增加14cm左右,超過50cm積水面積增大;絲綢城以西區(qū)域積水隨內(nèi)河初始水位升高而加深明顯,面積也有所增大。內(nèi)河不同假定初始水位條件下反演結(jié)果不同,圖5列出了不同內(nèi)河初始水位條件下10cm以上、20cm以上、30cm以上、50cm以上積水面積。我們發(fā)現(xiàn),內(nèi)河水位變化對積水面積影響明顯,積水深度的面積,在內(nèi)河初始水位升高的情況下緩慢增加,當(dāng)內(nèi)河初始水位在2.5m以上時(shí),積水面積增加迅速。當(dāng)內(nèi)河水位2.5m以下,超50cm積水面積值相同,只有紅豐一帶、開發(fā)區(qū)少數(shù)網(wǎng)格;在內(nèi)河初始水位3m的情況下為超過30cm積水面積2.8km2,而“99630”積水歷史資料記載“中心城市紅豐、定安、市北、潮音等約5.19km2居住區(qū)被淹,積水深度達(dá)0.3~0.8m”,說明本次反演結(jié)果比實(shí)況面積值偏少,最大積水深度反演結(jié)果與史料記載接近,當(dāng)內(nèi)河初始水位在2.5~2.75m與最大實(shí)際積水較為接近。3.4洪水災(zāi)害的反演偏差原因分析本次反演過程中偏差產(chǎn)生的原因可能有以下幾點(diǎn)。(1)降雨的空間分布特征城市短歷時(shí)暴雨往往在空間分布上存在較大變化。1999年湖州市區(qū)只有一個(gè)氣象觀測站,位于南門外,難以細(xì)致反映降雨的空間分布特征,是形成計(jì)算誤差的原因之一。(2)地下泄能力下降,地面自然下泄能力增加近10a來,城市化建設(shè)進(jìn)程突飛猛進(jìn),建筑密度和地面硬化面積均比1999年有所增加,地面自然下泄能力比原來差,徑流增加,造成積水更加容易。(3)水的滲透能力“99630”過程不是一個(gè)完全獨(dú)立的過程,梅汛前期雨量導(dǎo)致土壤水分飽和度大,地下水位升高,地表下滲排水能力下降。(4)排水管網(wǎng)模擬近年來隨著城市化建設(shè),地下排水管網(wǎng)的管徑和管長均有所改善,管網(wǎng)排水能力有所提高,本文以現(xiàn)有管網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬,1999年城區(qū)排水管網(wǎng)具體情況不詳。4分析結(jié)果及反演結(jié)果本文給出了“湖州城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)”的建設(shè)基礎(chǔ),對湖州市“99630”歷史性大洪水的城市暴雨內(nèi)澇過程進(jìn)行了反演,系統(tǒng)較好地再現(xiàn)了歷史罕見的持續(xù)暴雨過程造成的城區(qū)積水程度。反演結(jié)果顯示,積水面積較史料描述偏小,最大積水深度及位置基本吻合。由于本文是在目前湖州市的地形地貌