湖州城市暴雨內澇預警預報系統研制*

駱麗楠 李洪權 張喜亮 陳中赟 梁明珠

(湖州市氣象局，浙江湖州313000)

0 引言

城市內澇災害是由于短時強降水或過程雨量偏大而造成徑流過多，在地勢低洼，排水不暢等情況下而形成積水的城市自然災害。近年來，高速發(fā)展的城市化進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，雨水滯留與調蓄功能下降;城市地下設施開發(fā)利用率普遍提高、城市經濟類型的多元化及資產的高密集性使城市的綜合承災能力脆弱，使得在同等致災條件下災害損失總量必然增大。湖州地處杭嘉湖平原，河網、水系密集，市區(qū)河道縱橫交錯，既有行洪通道，又有景觀河道。當河道水位較高，又遇短歷史強降雨時，容易產生城市內澇，內澇災害突發(fā)性強，危害性大，嚴重的城市內澇則造成城市內部交通受阻，商店、民宅浸水，威脅到人民的生命財產安全。因此，采用科學方法建立城市暴雨監(jiān)測、預報、內澇風險預警、災害評估一體化的防汛風險信息系統是十分必要的。

天津市氣象科學研究所與中國水利水電科學研究院減災中心、天津大學建工學院合作，研制了城市暴雨內澇仿真模型［1］，該模型具備了一定的內澇動態(tài)監(jiān)測預報能力，在國內處于領先地位，部分成果達到國際先進水平。這項研究成果在天津、南京、武漢、西安等國內很多城市得到較好的應用［2-7］。本文引進城市暴雨內澇仿真模型，概化了湖州城市地貌特征、城市規(guī)劃、排水系統特征、地下管網、排水規(guī)則、城市防洪工程等城市化信息，基于精細化的降水監(jiān)測和預報信息，建立了湖州城市暴雨內澇預警預報系統，并運用該系統對湖州“99630”連續(xù)暴雨引發(fā)的城市嚴重內澇過程進行歷史反演，反演結果與歷史記載的位置基本相符，面積偏小，說明系統對暴雨帶來的城市內澇具有一定的動態(tài)監(jiān)測預報能力，對拓展城市災害預報服務領域，提高城市暴雨內澇災害監(jiān)測、預報、災害風險評估水平具有一定的參考作用。

1 城市暴雨內澇仿真模型簡介

由天津市氣象科學研究所與中國水利水電研究院研制的城市暴雨內澇仿真模型，涉及到氣象學、水文學、水力學、河流動力學以及給排水工程等多學科的知識，屬于多學科交叉、具有系統工程特征的數學模型。模型反映了降雨量分布、產匯流原理、地面流、河道明渠流、堰流、跌水、管網有壓流、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象等多種工程情況及其相互連接問題，是一個復雜的微觀流域模型。模型以城市地表與明渠河道水流運動為模擬對象，基本控制方程以二維非恒定流的基本方程為骨架，并在模型的源匯項中考慮了城市不透水面積與排水系統的影響。同時針對城市特點，對小于離散化網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，模型應用有限體積法的思想，采用無結構不規(guī)則網格設計計算區(qū)域。網格可以設計成三邊形、四邊形或五邊形。網格各邊定義成通道，通道定點定義為節(jié)點。將城市排水管網和排水設施概化到網格和通道上。將城區(qū)雨量站觀測雨量或預報雨量，通過有效的插值方法得到面雨量，作為降雨邊界條件，通過城市暴雨內澇仿真模型模擬計算網格積水。

2 湖州城市暴雨內澇預警預報系統構成

2．1 所需資料

本系統除需要氣象信息外，還需要大量的非氣象資料，涉及到防汛、水文和市政設施維護管理等多個部門。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據。

(2)湖州城區(qū)排水系統信息：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;地下排水管網管徑、長度、流向等;阻水設施如公路、鐵路、建筑物等。

(3)城市積水信息：湖州歷史暴雨內澇過程積水信息。

(4)防澇調度信息：防洪調度預案、運行規(guī)則等。包括一、二級河道控制水位，泵站、閘門的開啟原則，排水管網的控制水位，遇暴雨時的排水方式等。

(5)氣象信息：建站以來湖州雨量數據、近年來城區(qū)自動站雨量監(jiān)測數據、預報信息采用多種數值預報產品集合預報結果以及雷達估測降水結果。

2．2 湖州城市地理信息概化

湖州城市暴雨內澇預警預報系統設計區(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、導流港以北，新開河以北，大錢港以西的區(qū)域，涵蓋了防洪預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個不規(guī)則網格、2802個通道和1589個節(jié)點，共計40．35 km2，見圖1。1214個網格中包括陸地網格型1168個，河道型網格46個，將旄兒港、仁皇山、三環(huán)北路、大錢港、新開河、東苕溪導流港、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置;2802個通道中包括特殊通道即二級河道234個;湖州市的排水系統，包括排水管網、泵站、閘門等，它們對暴雨內澇現象有很大的影響，地下排水管以淹沒出流的方式直接向河道泄水，當河道水位高于管道水位時會出現倒流現象，因此泵站在排水系統中起著重要的作用。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間內的排水量、開關等進行概化。含有淹沒出流管道的網格(與二級河道相聯)為管網的排水出口，以管徑的形式概化其泄水能力。據此，共設置排水設施91處，其中排水泵站15處，河道閘門15處，淹沒出流54處。主要地下排水管網按照河流分布共分成13個區(qū)域。地下排水管網概化過程中，由于資料來源有限，所以只考慮主干地下雨水管網和雨污合流管網的資料，充分考慮截流點的蓄水特征，按照所連接管道的管徑，計算截留點的等效長度，將這個等效長度加入到該管段中。將防洪預案中的排水設施控制運行方案，如開、關閘水位設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置為泵站的高控水位，將泵站的停止排澇水位設置成泵站的低控水位，并對仿真模型中泵站排水模式進行了修改。

圖1 湖州城區(qū)網格劃分及河道、泵站、閘門等位置示意圖

2．3 湖州城市暴雨內澇氣象等級劃分和系統啟動條件

本系統根據湖州市歷史內澇出現幾率和內澇實際情況，將湖州城市暴雨內澇氣象等級劃分為4級。

1級：重度積澇，城區(qū)低洼地段和地勢較低的路面積水嚴重，積水大于50 cm，引起車輛熄火、交通堵塞，有工廠、商店、居民家庭進水現象發(fā)生，對生產、生活造成嚴重影響。

2級：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25～50 cm之間，對交通、生產、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：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5～25 cm之間，行人通行較困難對交通：生產、生活略有影響。

4級：無積澇，城區(qū)低洼地段和地勢較低的路面積水5 cm以下積水，對交通、生產、生活基本沒有影響。

湖州城市暴雨內澇預警系統啟動條件：當預報員預報未來12 h有大到暴雨以上降水過程或城區(qū)自動雨量站出現20 mm/h以上的降水時，即開始啟動湖州城市暴雨內澇預警預報系統。

3 湖州“99630”連續(xù)暴雨內澇過程歷史反演

3．1 湖州“99630”暴雨概況

1999年梅汛期，湖州市遭遇特大暴雨洪澇災害，梅雨量達870．8 mm，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日出現了115．8 mm的大暴雨，連續(xù)暴雨導致洪水泛濫，杭長橋水位達3．77 m，超歷史最高水位0．13 m，三里橋水位 3．18 m，超歷史最高水位0．17 m，水位居高不下，造成湖州市大范圍的洪澇災害。史料記載“中心城市紅豐、定安、市北、潮音等約5．19 km2居住區(qū)被淹，積水深度達0．3 ～0．8 m，涉及 5．6 萬人，7637 戶進水，緊急轉移1409戶，2．5萬人受洪水圍困，損壞和倒塌房屋9753間，總計30．23萬 m2，近400家企業(yè)停產、半停產，直接經濟損失約4．4億元?！?/p>

3．2 “99630”暴雨內澇模擬基礎信息

“99630”暴雨內澇直接原因是連續(xù)暴雨導致河道水位的持續(xù)上漲，對城市管網排水形成頂托造成。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81．6 mm，46．6 mm，85．2 mm，84．6 mm，24．9 mm，27．7 mm，115．8 mm，48 mm，連續(xù)暴雨導致水位持續(xù)上漲，6月24日杭長橋水位(一級河道水位代表站)為2．05 m，到6月27日，杭長橋水位達到3．55 m，6月30日達到3．75 m，7 月1 日達歷史極值，為3．91 m，降水量和水位變化見圖2。

圖2 1999年6月24日—7月1日湖州市降水量和水位變化圖

本文對“99630”暴雨進行長達180 h的反演，為保證模式穩(wěn)定和河道水位更加逼近真實情況，反演分兩段進行，第一段為6月24日02時到27日20時，6月24日杭長橋水位2．05 m，設外河道(即一級河道)初始水位2．05 m，陸地網格初始水深從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行方案設定閘門和泵站;第二段為6月27日21時到7月1日13時，6月27日杭長橋水位3．55 m，設一級河道初始水位3．55 m，陸地網格的初始水深取自第一段反演結果末時次陸地網格水深。內河道(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河初始水位分別2 m，2．25 m，2．5 m，2．75 m 和 3 m，進行 5次反演，得到5種不同內河水位假設條件下的積水分布。

3．3 “99630”暴雨內澇反演結果分析

本次模擬以5種內河初始水位假定條件來進行5次反演，反演結果顯示中心城區(qū)嚴重積水區(qū)域主要分布在紅豐、絲綢城以西、開發(fā)區(qū)陵陽路個別路段以及吉山等地，最長積水時間為151 h，占反演時間長度的近80%，圖3為假定內河初始水位2．75 m時城區(qū)最大積水分布圖。

圖3 “99630”內河初始水位假定為2．75 m時最大積水分布圖

圖4 重點關注區(qū)域在內河不同假定水位反演過程中最大積水深度對比圖

本次模擬重點關注城區(qū)范圍內最大積水情況，圖中東北部區(qū)域為未開發(fā)區(qū)域，所以不記為重點關注區(qū)域。城區(qū)重點關注區(qū)域5次模擬結果比較見圖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河水位變化影響;紅豐、絲綢城兩個區(qū)域最大積水深度受到內河水位影響，隨內河水位升高而積水加深，其中紅豐一帶在內河初始水位為2 m變?yōu)? m時，最大積水深度增加14 cm左右，超過50 cm積水面積增大;絲綢城以西區(qū)域積水隨內河初始水位升高而加深明顯，面積也有所增大。

內河不同假定初始水位條件下反演結果不同，圖5列出了不同內河初始水位條件下10 cm以上、20 cm以上、30 cm以上、50 cm以上積水面積。我們發(fā)現，內河水位變化對積水面積影響明顯，積水深度的面積，在內河初始水位升高的情況下緩慢增加，當內河初始水位在2．5 m以上時，積水面積增加迅速。當內河水位2．5 m以下，超50 cm積水面積值相同，只有紅豐一帶、開發(fā)區(qū)少數網格;在內河初始水位3 m的情況下為超過 30 cm積水面積 2．8 km2，而“99630”積水歷史資料記載“中心城市紅豐、定安、市北、潮音等約5．19 km2居住區(qū)被淹，積水深度達0．3～0．8 m”，說明本次反演結果比實況面積值偏少，最大積水深度反演結果與史料記載接近，當內河初始水位在2．5～2．75 m與最大實際積水較為接近。

圖5 內河不同假定水位條件下積水面積對比圖

3．4 暴雨內澇反演偏差產生原因

分析本次反演過程中偏差產生的原因可能有以下幾點。

(1)城市降水空間分布不均。城市短歷時暴雨往往在空間分布上存在較大變化。1999年湖州市區(qū)只有一個氣象觀測站，位于南門外，難以細致反映降雨的空間分布特征，是形成計算誤差的原因之一。

(2)地面硬化面積改變。近10 a來，城市化建設進程突飛猛進，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)地表水下滲能力?！?9630”過程不是一個完全獨立的過程，梅汛前期雨量導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)管網排水能力變化。近年來隨著城市化建設，地下排水管網的管徑和管長均有所改善，管網排水能力有所提高，本文以現有管網為基礎進行模擬，1999年城區(qū)排水管網具體情況不詳。

4 結語

本文給出了“湖州城市暴雨內澇預警預報系統”的建設基礎，對湖州市“99630”歷史性大洪水的城市暴雨內澇過程進行了反演，系統較好地再現了歷史罕見的持續(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、城市面積及排水系統特征等條件下對湖州1999年的“99630”暴雨進行模擬，而1999年湖州城市河道防洪能力、地下管網排水能力、下墊面性質等都與現在實際情況有所不同，反演具有一定的不確定性。反演結果同時顯示，“湖州城市暴雨內澇預警預報系統”在湖州城市暴雨內澇模擬方面具有較好的適用性，具備一定的暴雨內澇動態(tài)監(jiān)測預報能力，對拓展城市災害預報服務領域，提高城市暴雨內澇災害監(jiān)測、預報、災害風險評估水平具有一定的參考作用。但城市建設發(fā)展導致的路面高程、排水設施、地下管網等各類資料隨著城市化建設而不斷變化，暴雨精細化預報水平等將對系統預報能力有所約束。

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