基于區域網格劃分的城市積水預警模型構建

王慧軍，許映秋，談英姿， 江沖，李偉

(1.東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 211189；2. 東南大學 自動化學院，江蘇 南京 210096；3. 中國電信南京公司，江蘇 南京 210000)

基于區域網格劃分的城市積水預警模型構建

王慧軍1，許映秋1，談英姿2， 江沖3，李偉3

(1.東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 211189；2. 東南大學 自動化學院，江蘇 南京 210096；3. 中國電信南京公司，江蘇 南京 210000)

加強城市災害的監控和預測是城市防災減災工作的一項重要任務。基于對城市區域的網格劃分，構建城市積水預警模型；在監測城市降雨量的基礎之上，通過模型計算判斷城市中可能出現的積水區域，據此可采取相應的預控措施，減少城市災害帶來的損失。

城市；防災；減災；災害預警；積水；網格

城市防災工作已經受到政府和社會的廣泛關注，在災害發生的初期或者可能發生時，如果能夠采取有效的防災措施或者及時的發布災害預警信息，可以有效地減少災害帶來的損失，同時為接下來的防災應急響應工作減輕難度。而防災預警首先需要解決的問題是如何進行災害預測、識別，本文提出了一種基于城市區域網格劃分的暴雨積水預警模型，在進行降雨量監測的基礎上通過模型計算，判斷可能出現積水的區域，據此進行城市積水的預警。

1 城市區域網格劃分

實現城市積水預警，首先需要對城市區域進行網格劃分，并對地表和排水渠道的水流運動建立動力學方程，此過程以二維平面非恒定流方程作為主要的控制方程，以此作為城市積水預警的骨架。同時，為了計算城市中的排水渠道、河流中的水流，可以使用一維非恒定流方程進行模擬計算。

一般情況下，上述兩種方程的使用，都是在對所研究的區域進行規則的矩形網格劃分或者三角形網格劃分后計算。網格可分為結構化(Structured)和非結構化(Unstructured)兩類。結構化網格中，每個內部節點都被相同數目的單元所包含；而非結構化網格中，包含每個內部節點的單元數目是不確定的。

到目前為止結構化網格技術發展的相對比較成熟。結構化網格具有很多優點：網格形狀規則，單元分布較均勻；數據結構簡單，易于實現；可以很容易地實現區域的邊界擬合，適于流體和表面應力集中等方面的計算；對曲面或空間的擬合大多采用參數化或樣條插值的方法，區域光滑，與實際模型更容易接近。其缺點是適用范圍比較窄，只適用于形狀規則的幾何結構。

與結構化網格的定義相對應，非結構化網格是指網格區域內的內部點不具有相同的毗鄰單元。即與網格劃分區域內的不同內點相連的網格數目不同。非結構化網格劃分技術能夠彌補結構化網格難以解決任意形狀和任意連通區域的網格剖分的欠缺。

本文研究的對象是城市積水預警，城市區域內的地形結構復雜，各種建筑物、綠地交錯分布，街道與河流錯綜復雜，城市中的不同設施其參數設定各不相同，這對暴雨的徑流分析會產生很大的影響。為了使計算結果更準確，本文采用一種非結構化的網格劃分方法，即無結構不規則的網格劃分形式，網格結構可用圖1表示，城市中的網格根據用地的類型劃分為多邊形，網格的每一條邊定義成通道，通道之間的連接處定義為節點。在計算過程中，以每一個網格為單元，計算該網格內的徑流量、排水量以及積水深度。

圖1 無結構不規則網格

1.1 網格內水流動力學模型構建

對網格內的區域可以采用二維平面非恒定流方程進行計算，以此模擬計算城市地表的水流運動，對各個通道采用一維非恒定流方程，以此模擬計算城市內排水渠道、河流內的水流運動。城市內的各種堤壩或者地勢比較高的地方，可以采用寬頂堰流公式進行模擬計算，模型結構如圖2所示。

圖2 基于區域網格劃分的積水預警模型

1) 二維非恒定流方程是一套水動力學方程，其形式如下：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

其中:H為積水的深度，Z為積水表面的高度即水位，設Z0為積水底部的高度，則有Z=Z0+H；q為水的源匯項，它為雨水的總的流入量，由排水強度和降雨強度兩部分組成；M，N分別為x，y兩個方向的單寬流量，他們可以表示為M=Hu，N=Hv；u，v為在x和y方向上流速的分量；n為粗糙率；g為重力加速度。

通過控制二維非恒定流方程的源匯項q，可以控制地表的網格單元與地下的排水管道的水量交換。網格單元內的降雨強度形成的徑流量用qλ表示，單位為m3/s，其計算公式如式(4)所示：

(4)

其中：Axy為網格單元內不透水區域的面積與網格單元總面積的比例；Rain為網格單元內的降雨量；f(x)為當地的徑流系數，一般在城市區域內，可以通過f(x)=0.4+0.4×Axy計算徑流系數；Area為該網格的面積。

單位時間內網格內排水管網的最大排水量用qc表示，則：

(5)

其中：R為排水管網中豎井的半徑；L為單元網格內設有的排水管的總長度，d為該網格內排水管網設計的排水井之間的平均井距，該參數一般可以從城市的建筑手冊中查取，由此可以理解L/d為該單元網格內的排水井的數量；g為重力加速度。

當降雨強度小于排水管最大排水量時，地面將不會產生積水，雨水全部由排水管排出；當降雨強度大于排水管最大排水量時，網格內的積水將以排水管的最大排水量qc進行排水。

2) 一維非恒定流方程：

(6)

其中：Q為排水管或渠道中的截面流量，l為排水管或渠道的長度，A為該排水管或渠道的斷面中過水部分的截面面積，Sf為排水管或渠道內的摩阻系數，可以根據式(7)計算得出：

(7)

其中：U為排水管或渠道內的水流的平均速度；n為管道表面的粗糙率；R為水力半徑，它是過水斷面面積與濕周之間的比值，表達式為R=A/X，濕周為過水斷面上水流所濕潤的邊界長度。

3) 寬頂堰溢流公式的表達式：

(8)

其中：Qj為堰頂部分的流量，m為溢流系數，δs為淹沒系數，H為堰頂上部的徑流水位。

1.2 地貌地形與排水系統概化

建立某一區域的暴雨積水預警模型，需要考慮該區域的地形地貌特征和排水系統，由于現實情況一般比較復雜，因此需要在對該區域進行網格劃分的基礎上，對區域內的地貌特征和排水系統進行概化。

本節選取南京市某大學四牌樓校區作為模擬地圖，采用無結構不規則網絡作為計算單元，將該區域進行網格劃分。以道路作為網格的通道，通道與通道之間以節點相連，構建出網絡拓撲結構如圖3所示，其中圖3(a)為該區域的平面圖，圖3(b)為根據該區域的道路分布結構，在假設排水管路沿道路鋪設的基礎之上，構建出該區域的排水管道拓撲結構，根據這些排水管道將該區域劃分為多個無結構不規則網格，以便進行下一步的計算。

圖3 網格拓撲結構

市區的排水系統對降雨時能否產生積水影響很大，一般城市中的地下排水管網排布都非常復雜，城市中基本會沿著每條街道鋪設排水管道。考慮到實際情況非常復雜，為了降低計算量，需要將排水管網絡進行合理的簡化。通過對目標區域進行網格劃分，以每條道路建立了拓撲結構，本節通過假設排水管道為沿道路鋪設，則將排水管網絡與地面的網格拓撲結構結合起來，即網格的通道就是排水管道。對于網格單元內部，設定是否具有排水管道，如果有則按照管道的總長度、平均管徑等要素概化。圖4為圖3所示區域排水管道概化后的結果。從圖4中可見，地圖中每一條道路可以通過鼠標選擇，選擇出的對象即為程序內部概化的排水管道(圖中黑線標出)，該管道相應的參數在右側方框內顯示。

圖4 排水管道概化

降雨時，該區域內的積水以淹沒出流的方式經排水管道排入地圖右側的明渠之中。如果河道中的水位高出了排水管道頂部，則會出現倒流的現象。南京在城市多個地區建有泵站，在需要的時刻同時開啟，可以將河道內的積水逐級的排出，保證河道內水位保持較低的穩定狀態，因此程序中暫未考慮排水管道逆流的現象。

管道內的水流采用一維非恒定流方程進行計算，各網格與排水管之間的積水流動，即方程的源匯項，源匯項由該網格區域的降雨強度和排水強度組成，兩者決定排水管對網格區域中雨水的排量。

2 模塊實現

對預警區域進行網格劃分之后，地圖中需要建立的對象有通道、節點和網格。本文采用Java語言，對每一個對象建立一個類，具體有通道類Road、節點類Node、網格類Area。對上述類的定義如圖5所示。

圖5 網格結構類定義

2.1 模型參數設定

2011年7月中旬，南京20年來最長梅雨季突發“最后一擊”，出現當年的最大暴雨。17日南京市區、六合南部地區的降雨量已達100mm以上，暴雨持續四個多小時。暴雨導致城市東、南、西、北交通四處中斷，主干道堵成一片，車輛排成長龍，路邊一樓店鋪進水，紛紛提前關門。棲霞大道、十月廣場積水嚴重，燕山路全線封路。玄武湖隧道中，很多轎車熄火，在鬧市區，積水倒灌進地鐵站，一些地勢低洼的小區住戶被淹，部分城南老房的屋頂發生塌陷。大量積水倒灌鐵路，導致滬寧城際鐵路部分軌道被淹。為確保列車安全運行，鐵路部門將部分南京至上海站的列車改為南京南站始發、終到。受強降雨影響，南京市祿口機場航班也因暴雨大面積延誤。

本文以南京在2011年7月18日的每小時降雨強度數據為例，進行預警模型的參數設定，圖6為7月18日的小時降雨強度。

圖6 每小時降雨強度

參考《建筑給排水設計手冊》中的排水管道參數，對上文所建的概化模型進行如下參數設定，如表1所示。

表1 模型參數

2.2 模型計算結果

選取7月18日15時進行暴雨積水預警，降雨強度為22mm/h，根據式(4)對當時降雨強度下形成的地表徑流進行模擬計算，并通過一維非恒定流方程對各排水管道內流量進行計算，選取圖3(b)圖中最下方的排水管道，該管道為區域內的最終匯流排水管道，從其中的排水流量分布可初步看出區域內各區段內的管道排水承受能力，流量計算結果如圖7所示。

圖7 排水管流量時間/距離分布

排水管內的流量在管道中的不同位置和時間的流量分布趨勢如圖7所示，圖中管道距離0表示當前位置為排水管與下游排水管的匯合處。通過將某一網格內形成的地表徑流與該處管道的流量計算值進行比較來判斷會否產生積水，如果地表徑流大于該處排水管內排水流量，則此處將出現積水，如果地表徑流小于該處排水管內排水流量，則雨水將全部由排水管排出。本算例計算出該區域內可能產生積水的情況分布如圖8所示。

圖8 積水區域預測

實際的情況是，每年因暴雨出現積水的區域主要分布于該校校園的西門附近，與本模型預測結果基本相符，但北部的李文正樓附近并無嚴重積水，模型出現偏差可能與該區域附近的地表滲水參數設定有關，停車場區域為土壤地表，其可滲水量要遠大于其他柏油路和磚砌水泥地表。

3 預警信息發布

預警發布是預警模型的最后一個環節，也是一個非常重要的環節，無論是對災害監測還是識別，其最終目的都是使防災相關人員和公眾接收到災害的預警，并根據預警信息采取一定的預防措施。

預警發布是結合相關應急預案中的防災預控措施，形成預警綜合信息，通過通訊服務商的通訊網絡，以盡可能多的方式將預警綜合信息發送至相關接收者和公眾，預警發布模塊的業務流程如圖9所示。

圖9 預警發布流程

本文通過總結現有的信息發布方式，簡要給出預警信息發布的可用方式及其特點，如表2所示。

表2 預警信息可用發布方式

鑒于預警信息的接收需要得到保障，且需要較強的實效性，本文將通過WEB網絡和手機通訊網絡來設計預警信息的發布方式。基于WEB網絡的應急響應信息發布過程如圖10所示，根據相關預案確定系統用戶、所屬部門以及部門職責關系表，防災系統的服務器與WEB網絡相連，將關系表中的預警信息通過WEB網絡和手機通訊網絡發送至相應的用戶終端，用戶收到信息后的反饋則通過網絡傳輸至系統服務器，并對數據庫進行更新。

圖10 應急響應信息發布流程

4 總結

通過對城市區域進行網格劃分的方法，將城市區域以街道為邊界構建無結構不規則網格，并采用面向對象的方法設計程序算法，通過水流的動力學方程計算降雨形成的地表徑流及渠道、河流中的水流，判斷各網格內的降雨及

排水狀況，以此生成城市積水的預警信息，最后設計相應的預警信息發布方式，通知相關工作人員及公眾采取必要的預控措施，降低積水可能造成的損失。

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City Hydrops Forewarning Model Structure Based on City Area Meshing

WANG Hui-jun1, XU Ying-qiu1, TAN Ying-zi2, JIANG Chong3, LI Wei3

(1. Mechanical College of Southeast University, Nanjing 211189, China; 2. Automation College of Southeast University, Nanjing 210096, China;3. China Telecom Nanjing Branch, Nanjing 210000, China)

Strengthening urban disaster monitoring and forecasting is an important task of urban disaster prevention and mitigation. Based on the urban areas meshing, this article builds the urban hydrops forewarning model and then, according to the monitored urban rainfall, analyzes the hydrops areas in the city by the model calculations,so that the appropriate pre-control measures are taken,which can be used to reduce the urban disaster losses.

city; disaster prevention; disaster mitigation; disaster forewarning; hydrops; meshing

江蘇省科技支撐計劃——工業部分(BE2011175)資助

王慧軍(1988-)，男，河南安陽人，碩士研究生，研究方向為工業工程。

TP277.1

B

1671-5276(2014)02-0117-04

2014-01-03