城市內澇決策支持系統的研究及展望

盧健濤，侯貴兵，李媛媛，陳俊賢，薛嬌

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東廣州510611)

隨著經濟社會快速發展，城鎮化快速推進，人類活動對下墊面、產匯流特性產生重要影響，在全球氣候變化背景下，人口、財富的高度集中使得洪澇災害日趨嚴重。據不完全統計，中國60% 以上的城市正遭受不同程度內澇的侵害，城市內澇災害成為影響中國公共安全的突出問題和制約經濟社會可持續發展的重要因素。

城市產生內澇是因為強降水或連續性降水超過城市排水能力致使城市內產生積水災害，究其成因不止是內澇自身，也與城市發展、排澇系統等有著密切的關系。城鎮化的快速發展，改變了城市局部小氣候，城市雨(熱)島、阻礙、凝結核效應明顯，加大了降雨強度和降雨時長；城市建設改變了原有的下墊面條件，造成流域產匯流速度加快、蓄滯水能力減弱，城市洪峰洪量成倍增加，漲洪歷時縮短，加大了對城市防洪安全的威脅。城市的排澇系統一般由大小排水系統組成，小排水系統匯集城市道路、住宅建筑的降水排水，將其匯集到城市雨水排澇泵站；大排水系統將小排水系統匯集的雨水通過湖泊、洼地等調蓄后經排澇溝渠排至外江。由于歷史原因，城市的擴展大多是在舊城的基礎上擴大，舊城區的地下管網系統普遍存在管徑規模不夠、設施老化等問題；而新城區的管網又需要與老管網相接，復雜的管網僅能小幅度地提升城市排澇能力；同時城市建設大幅侵占了排澇溝渠，降低了排澇能力。為了解決城市內澇問題，相關部門一直致力于采取工程措施與非工程措施相結合的方式做好城市排水及暴雨內澇防治設施建設工作。其中，工程措施主要通過修筑蓄水、擋水、排水工程的方式構建海綿城市來治理城市內澇問題，從目前來看，海綿城市的建設有利于解決城市內澇問題，但受經濟等多方面因素制約對已建城區實施大范圍海綿城市建設存在困難；非工程措施作為工程措施的補充和提升，通過水文和洪水預報系統、防洪治澇指揮調度系統、內澇風險災害評估、推行洪水保險和災后救助管理、開展防洪治澇知識培訓等一系列手段進一步提高城市綜合治澇能力，特別是隨著遙感監測、信息傳輸、系統分析、人工智能等計算機技術的發展，近些年來城市內澇決策支持系統越來越多地運用于城市防洪除澇科學決策和管理。

本文在整理近20 a來相關文獻的基礎上，系統梳理了城市內澇決策支持系統的研究現狀與應用情況，分析了目前城市內澇決策支持系統的研究所存在的問題，并且對未來進行了展望。

1 城市內澇決策支持系統的研究現狀

近年來，依托信息技術、計算技術的快速發展，國內外城市防洪排澇信息化建設取得了長足發展，在水文預報、水工程調度、排澇決策等方面成果顯著，構建集信息采集、內澇模擬、智能調度、決策服務于一體的城市內澇決策支持平臺成為提升城市洪澇監測預警與應急管理能力的有效途徑。國內外相關研究主要聚焦在多源信息匯集與融合、城市內澇模擬、決策支持系統研發等方面。

1.1 多源信息匯集與融合

城市內澇涉及暴雨洪澇立體監測數據以及多部門互聯互通信息，多源數據的快速匯集和融合處理對于城市防洪治澇決策具有重要的意義。國內外在水利領域的多源信息匯集與融合技術研究主要集中在水資源評價、水文監測、水雨情信息匯集與快速處理等方向。

Chang等[1]通過運用多源和多尺度遙感數據的融合技術，對城市地區的水資源可用性進行評價，可以更好地支持區域的可持續規劃；Mohamed等[2]利用遙感數據融合技術，并結合地理信息系統對埃及的基納谷(Qena Valley)進行了地下水潛力區的劃分；Rokni等[3]提出了一種基于像素級圖像融合和圖像分類技術相結合的地表水變化監測新方法，可以生成銳化的多光譜圖像，同時突出變化的區域，并提供高準確度的結果; 姜仁貴等[4]針對防汛雨水情應用存在的多源數據難以集成、應用單一以及表現力不足等特點，采用組件式軟件開發技術、框架技術及三維仿真等現代信息技術，設計并開發了面向水利防汛的組件式雨水情應用集成平臺，在多源數據集成的基礎上實現雨水情應用集成；李繼園等[5]結合水利信息聚合應用特點，分析了解決該問題的空間數據密集和并行計算、快速檢索與傳輸等幾個關鍵支撐技術，通過對現有系統集成和應用模式的剖析，在理論上提出了該運行框架的初步設計，為水利遙感數據中心的建設提供了參考和建議；李蘭等[6]從構建多用途流域分布式水文模型的標準化、模塊化需求出發，自主研發了基于海量數字化信息和氣象水文監測數據等多源數據融合前處理系統；嚴棟飛等[7]針對當前水利信息化中存在的數據集成難、多源信息難以融合應用、實時性不足、利用率低等問題，提出通過以綜合集成平臺為支撐，將數據信息融合、信息應用功能組件化，在各組件之間通過數據流連接，靈活、快速地使用數據集成功能，將多源信息進行融合，為整合信息應用提供服務。

1.2 城市內澇模擬

城市內澇積水模擬是一個復雜的時空模擬問題，且城市化水文效應、下墊面條件復雜以及河湖蓄泄洪條件帶來的不確定性，進一步增加了城市區域的暴雨積水模擬難度。城市內澇積水模擬概括起來有水文學、水力學以及水文水力學模型耦合3種方法。

水文學方法發展得較早，它利用水量平衡原理，依據流域系統輸入、輸出的實測資料分析流域的產匯流特性，利用模型預報或計算一次暴雨積水過程。水文學模型的核心模塊是流域的產匯流計算，用降雨、流域下墊面參數作為輸入條件，以流域匯流作為輸出，具有方法簡單、應用方便、計算速度快的優點。最早研究關于城市水文學是在1851年摩爾凡尼[8]提出了計算洪峰流量的合理化公式。1857年Bidder、Hawksley與Bazalgette在關于倫敦Sevoy大街排水管道中的暴雨研究中發現75 min降雨25.4 mm，這是最早研究徑流的經驗方法[9]。到1967年以后，城市水文學得到了較快的發展，防洪、排水、供水和水質控制等城市水文學模型的提出逐漸形成了一些具有城市水文特點的分析方法[10]。傳統的城市雨水內澇計算模型主要是在經典水文學模型的基礎上建立起來的，國外比較著名的模型有美國陸軍工程兵團水文學中心開發的STORM暴雨模型，美國環保局的SWMM-Storm雨水管理模型，英國環境部WALLINGFORD模型以及伊利諾城市排水區域模擬模型(ILLUDAS)等[11]。國內在城市內澇模擬方面的研究起步較晚，主要模型有城市雨水徑流模型(CSYJM)、城市雨水管道計算模型(SSCM)、新安江模型以及陜北模型等[12]。這些模型已經在城市化流域排水系統的規劃、設計和評價方面取得了良好的應用效果。但隨著城市化的進程加快、暴雨內澇頻繁發生、經濟損失成倍增加等因素使得管理部門對洪澇要素要求越來越細，在防洪治澇中更加關注易澇區域范圍、馬路行洪、局部地區洪水流速等詳細信息。

隨著計算機技術的發展，城市洪水模擬的水力學方法逐漸發展起來。Mark等[13]建立了城市道路與管網耦合的一維水動力學模型，成功模擬了地表一維匯流過程；馮良記等[14]通過引入Preissmann窄縫假定，實現了一維管網內明滿過渡流的同時模擬；耿艷芬[12]應用有限體積法和有限差分法相結合的離散方法構建了城市復雜計算區域二維水動力學模型，并采用經驗公式等將地表徑流和地下排水管網連接構建了一、二維城市雨洪模型，較好地模擬了城市暴雨內澇的非恒定流過程。從已有研究成果看，一維水動力學模型主要用來模擬城市河網、管網水流運動規律，比較常用的求解方法有特征線法、分裂算子法、有限體積法等，具有計算速度快、輸入資料要求少等優點，但只能表征流動的線性特征；二維水動力學模型主要用來模擬馬路行洪、廣場、公園等具有二維特征的區域，比較常用的求解方法有有限單元法、有限體積法等，可以提供流速、流向、水位、蓄水量等更豐富的信息，存在計算速度慢、輸入資料要求高、不能對水工建筑物進行精確計算等缺點[15]。為了充分發揮一、二維水動力學模型各自的特色和優勢，解決分別使用時存在的計算效率、空間分辨率、計算精度等問題，國內外先后開發了一、二維水動力耦合模型。國外比較成功的如SOBEK、XP-SWMM、LISFLOOD和MIKE FLOOD等模型[16]。此外，Lan等[17]基于THRM模型，將地表徑流模擬與下墊面徑流模擬相結合，實現了一維與二維水動力過程的耦合。國內針對一、二維水動力耦合模型的研究比較廣泛。范玉燕等[18]將SWMM模型與基于有限體積法的二維水動力學模型進行耦合，建立了基于北京市排水小區的一、二維耦合的水動力學模型，證實了海綿措施能改善內澇積水情況并間接提高排水標準。馬天海等[19]基于MIKE模型系統建立了一維河網與二維湖泊水動力耦合模型，較好地模擬了陽澄湖及外部河網的水位過程。羅海婉等[20]以SWMM為一維模型基礎，采用動態鏈接庫文件(DLL)方法耦合二維水動力模型，表明了模型在一維排水系統的排水能力與二維地表積水的模擬中均具有較好的精度和可靠性，對城市洪澇模擬分析有較好的應用價值。

水文學、水力學2種方法各有優缺點，且具有互補性，隨著技術的進步，將2種方法耦合起來又發展成了水文水動力學方法[21]。將水文學模型和一、二維水動力學模型耦合后，模型系統可以模擬城市產流、匯流過程，分析區域分洪對河道、管網水位的影響，以及河道、管網水位變化對城市積水的影響，提高模擬精度和可靠性，中國水利水電科學院研發的城市洪澇仿真模型耦合水文學，一、二維水動力學模型，使城市洪澇模擬具有較高的精度和可靠性[22]。劉家宏等[23]提出了城市水文水動力耦合模型的總體框架，兼顧地表產匯流的水文學機制和管網匯流及地表淹沒的水動力學機制，使模擬結果更為精細。

1.3 城市內澇決策支持系統研發

國外城市內澇系統研發起步較早，1971年美國就開發了暴雨洪水管理模型(SWMM)[24]。而后隨著技術的發展更新，WebGIS[25]與RIA[26]技術被用于城市內澇系統的結果查詢顯示和分析預警方面。

中國城市內澇決策支持系統的設計研究起步相對較晚，20世紀80年代中期學者們對決策支持系統在水資源、防洪排澇等方面的設計研究陸續開展起來，清華大學翁文斌等[27]在研究京津唐水資源規劃決策支持系統中取得了良好的結果，使得決策支持系統在水庫調度決策中得到了推廣應用。而后，邢毅等[28]研究了基于多媒體地理信息系統(GIS)的城市防洪除澇決策支持系統，該系統包含了多媒體信息、防洪除澇規劃、氣象信息、水情雨情檢索、洪澇災害預報、災害損失評估、防災減災對策、數據信息管理等8個子系統，并且設計了人機交互界面，使系統操作更為簡便，提升了計算結果的可視性。余學謙[29]提出了基于“4D”的城市防澇減災決策支持系統，該系統使用“4D”的矢柵一體化空間數據庫技術，相較于GIS技術提高了生產效率，同時系統支持實時排澇調度決策功能，能夠輔助決策長遠的排澇規劃。張運才[30]使用網絡通訊、GIS以及智能決策等先進技術，設計了城區防洪預警與調度決策支持系統，此系統對城區的河道、雨水口、排污口、積水點等關鍵位置進行監控，實時采集信息進行城區排澇的綜合決策，實現排澇的仿真調度，并且該系統還能夠用于小流域洪水預報和城區降雨積水預報。北京清華城市規劃設計院整合了排水管網模型，設計了包含在線監測、汛前管理、暴雨應急管理及雨后分析評估等模塊的防汛應急系統，使系統能夠實現標準化、精細化的全流程管理模式[31]。姜元軍等[32]使用ArcGIS二次開發技術，通過物聯網智能監控布設，設計了城市內澇預警預報決策支持系統，實現水情監測與泵站的遠程控制。在地理信息系統、網絡通訊、實時監控、物聯網、計算機等技術的大發展背景下，城市內澇決策支持系統的研究設計越來越完善，相比之前的決策更加科學精準，而且涉及的范圍更加細致全面。

2 城市內澇決策支持系統的應用

近些年，城市管理越來越重視城市內澇決策支持系統在防洪治澇中的應用，先后有多個城市研發了內澇決策支持系統，取得了較為顯著的效果。中國水利水電科學研究院在安慶市實現了城市防洪暨堤防管理系統，能夠進行汛情監測，工情、險情、災情等信息處理，以及防洪調度分析和制定搶險方案[33]。王靜等[34]基于GIS技術開發了連云港市城區洪水風險圖管理系統，提供了洪水風險圖的繪制與分析功能，為連云港市的防洪決策和洪水風險管理提供依據。王浩正[35]設計了鎮江市防汛預警和指揮調度系統，為城市排水管理部門汛前防汛預案制定、雨中調度應急指揮、雨后積水問題分析提供了決策依據。陳洋波等[36]以東莞市三防決策支持系統平臺為依托，開發了東莞市城市內澇預警預報決策支持系統，實現了對東莞市城區暴雨和內澇的監測、預報以及預警。王輝等[37]吸收引進先進的實時模型技術，利用遙測數據、管網水力模型、氣象信息等建立了上海市排水防汛預警預測支持系統，實現了對城市積水的預警預測、排水系統運行狀況的預報以及泵站調度的輔助決策。張祖山等[38]基于SWMM模型和Google Earth實現了青島市降水和積水情況的實時監測和三維可視化顯示，提供解決泄洪和分流的方案，為城市規劃和防汛決策提供科學依據。張忠義等[39]整合了新一代物聯網技術和GPRS技術，優化了武漢市內澇監測預警系統，提高了內澇的預見性，從而提高了城市排水的應急效率。

3 城市內澇決策支持系統研發應用存在的問題

城市內澇決策支持系統取得了長足的發展，但是在研發和應用過程中也發現了一些問題，可以歸納為以下幾個方面。

a) 現狀內澇監測難以滿足城市防洪治澇精細化管理的要求。目前城市內澇監測體系普遍存在監測站點密度過低、監測要素不全、監測頻次低、監測體系不完善等問題，部分內澇信息采集仍以人工巡測或人工值守為主，監測數據的精準度、時效性、穩定性和連續性難以支撐業務應用的需求，可能導致城市內澇模擬模型無充分實測資料進行參數率定和模型驗證，以至于無法較為精確地模擬實測洪水。

b) 多源數據匯集難度大，信息共享、傳遞效率不高。隨著測報技術的快速發展，衛星遙測、氣象雷達、降水監測與預報、水文測報等多源數據匯集難度大，信息共享、傳遞效率不高，導致內澇決策支持系統感知端運行效率較低。同時，城市防洪內澇涉及氣象、水文、水利、交通、住建、電力等多部門，已建城市內澇決策支持系統多數集成了氣象、水文、水利實時信息，但缺少交通、住建、電力等其他行業的實時數據，一定程度上影響洪澇災害分析的可靠性和決策支持的可行性。

c) 城市下墊面、工程建設等信息更新不夠及時。中國城市建設處于高速發展階段，城市下墊面條件、管網工況等情況日新月異，目前已建設的城市內澇決策系統缺乏相關數據的更新維護機制，易導致城市內澇模擬不能準確反映實際情況，影響分析精度。

d) 研究范圍有待進一步拓展。目前城市內澇決策系統研究多以單個城市甚至中心片區作為空間范圍，主要著眼于城市內部雨洪管理，城市與流域之間洪澇相互作用研究較為少見。從城鎮化演進特征、洪澇成因看，流域外洪制約著城市排澇規模，對于城市內澇治理具有較為顯著的影響，城市內澇決策系統研究范圍有待進一步拓展。

e) 城市內澇模擬模型運行速度有待提高?，F有大部分模型對于大型城市區域內澇一、二維耦合計算的運算速度較慢，使用的數值計算方法也還有待優化，如果加入流域計算后，空間尺度和時間尺度的變化將導致模型運算速度更難滿足要求。

f) 新技術、新方法應用不足。隨著大數據分析、人工智能、物聯網等先進信息技術的快速發展，信息采集、傳輸、處理分析能力等方面都得到了較大的提升，目前城市內澇決策支持系統建設對于這些新技術新方法的融合和應用不足，尚有較大的提升空間。

4 城市內澇決策支持系統研究展望

城市內澇決策支持系統仍然需要不斷地深入研究。本文聚焦城市內澇決策支持系統的研發與應用現狀，分析了其研發應用中存在的問題，并針對存在的問題進行了以下展望。

a) 完善城市內澇監測監控體系。在整合現有氣象、水文、水利等監測站點基礎上，充分利用衛星遙感、無人機(船)、定位技術、視頻監控、智能終端、圖像識別等技術裝備和手段，進一步擴大城市內澇感知范圍，完善要素監測內容，增強城市防洪排澇智能感知監測，為城市防洪治澇精細化管理提供支撐。

b) 加強城市內澇多源數據匯集方法與融合技術研究。針對城市內澇涉及暴雨洪澇立體監測數據以及多部門互聯互通信息，存在著海量、多源、異構、冗余等特點，按照城市內澇決策計算需求，研究多源數據匯集技術，對實時數據進行融合與挖掘，可提高數據的有效性、準確性。

c) 構建城市內澇系統下墊面、工程建設等基礎信息更新維護機制。結合城市總體規劃、土地利用規劃等規劃成果以及城市實時建設情況，在城市下墊面條件或者工程情況發生明顯變化時及時更新相關基礎數據，為城市內澇模擬提供基礎支撐。

d) 加強流域、城市洪澇一體化預測預報技術的研究。鑒于城市與流域之間洪澇相互作用較為顯著，為盡量降低外洪對城市內澇的影響，未來的研究可將預報范圍拓展到流域，在城市防洪排澇調度計算中充分考慮流域外洪的影響，提高城市內澇預報精度和決策效率。

e) 提高城市內澇模擬模型的計算速度。針對目前大型城市區域內澇模擬模型一、二維耦合運算速度過慢，加之耦合流域計算模型更使得模型計算速度難以滿足要求，未來需要使用更為先進的數值計算方法進行優化計算，并提升模型的框架結構，從而提升模型整體的計算運行速度。

f) 加強新方法、新技術的應用。加強大數據分析、人工智能、物聯網等先進技術在城市內澇決策支持系統建設中的應用，提高洪澇信息監測匯集效率，識別城市洪澇實時信息潛在的規律，為實時決策提供技術支撐。利用人工智能技術結合水文、市政、運籌學、管理學等多種科學的方法，實現防洪排澇決策方案的智能生成，并形成多方案優選的體系，與預報預警有效對接，能夠提高應急決策效率，降低應急處置時間。同時，加入專家經驗到決策支持系統，并激發專家知識系統進行創造性思維，實現決策支持系統仿生化。