基于gis的湖州城市暴雨内涝预警预报系统研究

基于gis的湖州城市暴雨内涝预警预报系统研究

0城市暴雨洪水灾害预测模型城市洪水灾害是一种严重的城市自然灾害，由于短期降雨和雨季正常，导致大量排水。在地势较低，排水不良的情况下，形成了一个池塘。近年来,高速发展的城市化进程引起城市水文特性的显著变化:城市房屋建筑密集,混凝土覆盖面积增大,雨水渗透减少,雨水滞留与调蓄功能下降;城市地下设施开发利用率普遍提高、城市经济类型的多元化及资产的高密集性使城市的综合承灾能力脆弱,使得在同等致灾条件下灾害损失总量必然增大。湖州地处杭嘉湖平原,河网、水系密集,市区河道纵横交错,既有行洪通道,又有景观河道。当河道水位较高,又遇短历史强降雨时,容易产生城市内涝,内涝灾害突发性强,危害性大,严重的城市内涝则造成城市内部交通受阻,商店、民宅浸水,威胁到人民的生命财产安全。因此,采用科学方法建立城市暴雨监测、预报、内涝风险预警、灾害评估一体化的防汛风险信息系统是十分必要的。天津市气象科学研究所与中国水利水电科学研究院减灾中心、天津大学建工学院合作,研制了城市暴雨内涝仿真模型,该模型具备了一定的内涝动态监测预报能力,在国内处于领先地位,部分成果达到国际先进水平。这项研究成果在天津、南京、武汉、西安等国内很多城市得到较好的应用。本文引进城市暴雨内涝仿真模型,概化了湖州城市地貌特征、城市规划、排水系统特征、地下管网、排水规则、城市防洪工程等城市化信息,基于精细化的降水监测和预报信息,建立了湖州城市暴雨内涝预警预报系统,并运用该系统对湖州“99630”连续暴雨引发的城市严重内涝过程进行历史反演,反演结果与历史记载的位置基本相符,面积偏小,说明系统对暴雨带来的城市内涝具有一定的动态监测预报能力,对拓展城市灾害预报服务领域,提高城市暴雨内涝灾害监测、预报、灾害风险评估水平具有一定的参考作用。1城市不透水面积、排水现状及其网格结构由天津市气象科学研究所与中国水利水电研究院研制的城市暴雨内涝仿真模型,涉及到气象学、水文学、水力学、河流动力学以及给排水工程等多学科的知识,属于多学科交叉、具有系统工程特征的数学模型。模型反映了降雨量分布、产汇流原理、地面流、河道明渠流、堰流、跌水、管网有压流、管道无压流、有压流到无压流过渡过程,以及地面向管道中泄流或从管道向地面涌水现象等多种工程情况及其相互连接问题,是一个复杂的微观流域模型。模型以城市地表与明渠河道水流运动为模拟对象,基本控制方程以二维非恒定流的基本方程为骨架,并在模型的源汇项中考虑了城市不透水面积与排水系统的影响。同时针对城市特点,对小于离散化网格尺度的排水明渠采用一维非恒定流方程的算法。为了更好地反映城市暴雨径流的特点,模型应用有限体积法的思想,采用无结构不规则网格设计计算区域。网格可以设计成三边形、四边形或五边形。网格各边定义成通道,通道定点定义为节点。将城市排水管网和排水设施概化到网格和通道上。将城区雨量站观测雨量或预报雨量,通过有效的插值方法得到面雨量,作为降雨边界条件,通过城市暴雨内涝仿真模型模拟计算网格积水。2湖州市祈雨和洪水灾害警报系统2.1地形高程与排水系统本系统除需要气象信息外,还需要大量的非气象资料,涉及到防汛、水文和市政设施维护管理等多个部门。所需信息包括:(1)城市地理信息:湖州市1∶5万的电子地图,从测绘部门购置1∶2000高精度的地形高程数据。(2)湖州城区排水系统信息:包括河道走向、宽度、河底高程、堤高、水位等;泵站闸门位置、排水能力等;地下排水管网管径、长度、流向等;阻水设施如公路、铁路、建筑物等。(3)城市积水信息:湖州历史暴雨内涝过程积水信息。(4)防涝调度信息:防洪调度预案、运行规则等。包括一、二级河道控制水位,泵站、闸门的开启原则,排水管网的控制水位,遇暴雨时的排水方式等。(5)气象信息:建站以来湖州雨量数据、近年来城区自动站雨量监测数据、预报信息采用多种数值预报产品集合预报结果以及雷达估测降水结果。2.2级河道及排水管网湖州城市暴雨内涝预警预报系统设计区域的边界选择在三环北路以南,仁皇山以东,旄儿港以南,龙溪、导流港以北,新开河以北,大钱港以西的区域,涵盖了防洪预案中湖州中心城市一期城防区域,城中分区、凤凰分区和仁皇山新区,按照河流走向和地形特征分割成1214个不规则网格、2802个通道和1589个节点,共计40.35km2,见图1。1214个网格中包括陆地网格型1168个,河道型网格46个,将旄儿港、仁皇山、三环北路、大钱港、新开河、东苕溪导流港、老龙溪作为区域的外边界,将旄儿港和环城河定义为一级河道,其余河道定义为二级河道,河道堤防按照防汛办提供的河道堤防高程设置;2802个通道中包括特殊通道即二级河道234个;湖州市的排水系统,包括排水管网、泵站、闸门等,它们对暴雨内涝现象有很大的影响,地下排水管以淹没出流的方式直接向河道泄水,当河道水位高于管道水位时会出现倒流现象,因此泵站在排水系统中起着重要的作用。泵站通过逐级抽排河道水量,使河道保持较低且相对稳定的常水位,因此对于泵站按单位时间内的排水量、开关等进行概化。含有淹没出流管道的网格(与二级河道相联)为管网的排水出口,以管径的形式概化其泄水能力。据此,共设置排水设施91处,其中排水泵站15处,河道闸门15处,淹没出流54处。主要地下排水管网按照河流分布共分成13个区域。地下排水管网概化过程中,由于资料来源有限,所以只考虑主干地下雨水管网和雨污合流管网的资料,充分考虑截流点的蓄水特征,按照所连接管道的管径,计算截留点的等效长度,将这个等效长度加入到该管段中。将防洪预案中的排水设施控制运行方案,如开、关闸水位设置成闸门的高控水位、低控水位,考虑到湖州泵站的排涝功能将泵站的起排水位设置为泵站的高控水位,将泵站的停止排涝水位设置成泵站的低控水位,并对仿真模型中泵站排水模式进行了修改。2.3湖州市雨、洪水灾害的气象分类及系统初验本系统根据湖州市历史内涝出现几率和内涝实际情况,将湖州城市暴雨内涝气象等级划分为4级。1车辆创新水保水重度积涝,城区低洼地段和地势较低的路面积水严重,积水大于50cm,引起车辆熄火、交通堵塞,有工厂、商店、居民家庭进水现象发生,对生产、生活造成严重影响。2道路排水施工存在严重的问题中度积涝,城区路面低洼地段和地势较低的路面有积水,积水25~50cm之间,对交通、生产、生活造成明显影响,行人通行有一定困难、道路通行受阻。3级别轻度积涝,城区低洼地段和地势较低的路面有少量积水,积水5~25cm之间,行人通行较困难对交通:生产、生活略有影响。4通、生产、生活无积涝,城区低洼地段和地势较低的路面积水5cm以下积水,对交通、生产、生活基本没有影响。湖州城市暴雨内涝预警系统启动条件:当预报员预报未来12h有大到暴雨以上降水过程或城区自动雨量站出现20mm/h以上的降水时,即开始启动湖州城市暴雨内涝预警预报系统。3湖州“99630”连续降雨和洪水的历史再演3.1连续暴雨导致洪水泛滥,超历史水位偏低,影响了营造大范围的洪涝灾害1999年梅汛期,湖州市遭遇特大暴雨洪涝灾害,梅雨量达870.8mm,是常年的近3倍,创历史最高记录。6月8—10日、6月24日—7月1日,分别发生持续暴雨天气,尤其是6月30日出现了115.8mm的大暴雨,连续暴雨导致洪水泛滥,杭长桥水位达3.77m,超历史最高水位0.13m,三里桥水位3.18m,超历史最高水位0.17m,水位居高不下,造成湖州市大范围的洪涝灾害。史料记载“中心城市红丰、定安、市北、潮音等约5.19km2居住区被淹,积水深度达0.3~0.8m,涉及5.6万人,7637户进水,紧急转移1409户,2.5万人受洪水围困,损坏和倒塌房屋9753间,总计30.23万m2,近400家企业停产、半停产,直接经济损失约4.4亿元。”3.2减水剂初始水位反演“99630”暴雨内涝直接原因是连续暴雨导致河道水位的持续上涨,对城市管网排水形成顶托造成。从6月24日—7月1日降水量,湖州观测站监测到的日降雨量分别为81.6mm,46.6mm,85.2mm,84.6mm,24.9mm,27.7mm,115.8mm,48mm,连续暴雨导致水位持续上涨,6月24日杭长桥水位(一级河道水位代表站)为2.05m,到6月27日,杭长桥水位达到3.55m,6月30日达到3.75m,7月1日达历史极值,为3.91m,降水量和水位变化见图2。本文对“99630”暴雨进行长达180h的反演,为保证模式稳定和河道水位更加逼近真实情况,反演分两段进行,第一段为6月24日02时到27日20时,6月24日杭长桥水位2.05m,设外河道(即一级河道)初始水位2.05m,陆地网格初始水深从0开始,即假定之前没有形成积水,按照目前城防工程控制运行方案设定闸门和泵站;第二段为6月27日21时到7月1日13时,6月27日杭长桥水位3.55m,设一级河道初始水位3.55m,陆地网格的初始水深取自第一段反演结果末时次陆地网格水深。内河道(即二级河道)水位由于没有监测值,本次反演过程采取多种内河初始水位假定,多次模拟的方案,在第二段模拟过程中假定内河初始水位分别2m,2.25m,2.5m,2.75m和3m,进行5次反演,得到5种不同内河水位假设条件下的积水分布。3.3内河初始水位本次模拟以5种内河初始水位假定条件来进行5次反演,反演结果显示中心城区严重积水区域主要分布在红丰、丝绸城以西、开发区陵阳路个别路段以及吉山等地,最长积水时间为151h,占反演时间长度的近80%,图3为假定内河初始水位2.75m时城区最大积水分布图。本次模拟重点关注城区范围内最大积水情况,图中东北部区域为未开发区域,所以不记为重点关注区域。城区重点关注区域5次模拟结果比较见图4。从图中可以看出,星海名城、港湖桥、仁皇山路、市陌路、吉山、毗山西路、环城南路、月河小区、东湖路、定安、潮音等区域最大积水深度不受内河水位变化影响;红丰、丝绸城两个区域最大积水深度受到内河水位影响,随内河水位升高而积水加深,其中红丰一带在内河初始水位为2m变为3m时,最大积水深度增加14cm左右,超过50cm积水面积增大;丝绸城以西区域积水随内河初始水位升高而加深明显,面积也有所增大。内河不同假定初始水位条件下反演结果不同,图5列出了不同内河初始水位条件下10cm以上、20cm以上、30cm以上、50cm以上积水面积。我们发现,内河水位变化对积水面积影响明显,积水深度的面积,在内河初始水位升高的情况下缓慢增加,当内河初始水位在2.5m以上时,积水面积增加迅速。当内河水位2.5m以下,超50cm积水面积值相同,只有红丰一带、开发区少数网格;在内河初始水位3m的情况下为超过30cm积水面积2.8km2,而“99630”积水历史资料记载“中心城市红丰、定安、市北、潮音等约5.19km2居住区被淹,积水深度达0.3~0.8m”,说明本次反演结果比实况面积值偏少,最大积水深度反演结果与史料记载接近,当内河初始水位在2.5~2.75m与最大实际积水较为接近。3.4洪水灾害的反演偏差原因分析本次反演过程中偏差产生的原因可能有以下几点。(1)降雨的空间分布特征城市短历时暴雨往往在空间分布上存在较大变化。1999年湖州市区只有一个气象观测站,位于南门外,难以细致反映降雨的空间分布特征,是形成计算误差的原因之一。(2)地下泄能力下降,地面自然下泄能力增加近10a来,城市化建设进程突飞猛进,建筑密度和地面硬化面积均比1999年有所增加,地面自然下泄能力比原来差,径流增加,造成积水更加容易。(3)水的渗透能力“99630”过程不是一个完全独立的过程,梅汛前期雨量导致土壤水分饱和度大,地下水位升高,地表下渗排水能力下降。(4)排水管网模拟近年来随着城市化建设,地下排水管网的管径和管长均有所改善,管网排水能力有所提高,本文以现有管网为基础进行模拟,1999年城区排水管网具体情况不详。4分析结果及反演结果本文给出了“湖州城市暴雨内涝预警预报系统”的建设基础,对湖州市“99630”历史性大洪水的城市暴雨内涝过程进行了反演,系统较好地再现了历史罕见的持续暴雨过程造成的城区积水程度。反演结果显示,积水面积较史料描述偏小,最大积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