某市雨洪水監測預警系統設計及應用分析

馮 偉，張冬冬

(1.張家口水文水資源勘測局，河北 張家口 075000； 2.河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066000)

0 引 言

隨著我國經濟的不斷發展，城鎮化進程也在逐步加快，全國各地城市都在征地建房，這也使城市防汛排澇壓力及造成的經濟損失越來越大，因此做到事前預警迫在眉睫。建立雨洪水預警系統，對于保證居民生命財產安全意義重大，也是目前全球很多城市的基礎配套設施之一。

1 項目區概況

本文以河北某市為例，該市位于河北省東北部，面積約為1 208 km2，轄區人口約70萬人，境內礦產資源豐富。該市西北部為山區，每年汛期(7-8月份)降雨強度大且匯流迅速，造成河水陡漲，極易使市區街道產生洪澇災害。為了減少洪災損失，相關部門在2015年投入超過3.2億元來建立城市雨洪水監測預警系統，對于指導抗洪搶險、防汛調度等工作有著重要參考價值。

2 SWMM模型地面產流模擬原理分析

SWMM(暴雨洪水管理模型)是一個動態的降水-徑流模擬模型，主要用于模擬城市某個單一降水事件或長期水量和水質動態變化模擬。該系統開發于1971年，目前已被廣泛應用于城市暴雨洪水、合流式下水道、排污管道等排水系統規劃、分析和設計中。

在設計地面產流模型時，根據地面是否透水，將項目區各子塊區域簡化為不透水區和透水區兩類，其中不透水區又分為低洼地和平坦地[1]。每種塊區的單位時間產流量Q(m3/h)估算如下：

1) 透水區塊產流量Q1計算見式(1)，其中透水區塊一般包括公園、綠地等。

(1)

式中：R為降雨強度，mm/h；I為入滲率，mm/h；T為降雨時間，h；S為透水區塊總面積，m2。

2) 不透水區低洼地產流量Q2計算見式(2)[2]，其中低洼地包括湖塘、人造蓄水池、自然形成的洼溝等，這些區塊入滲量相對于收集量可忽略不計。

(2)

式中：V為低洼地總蓄水量，m3。

3) 不透水平坦地產流量Q3計算見式(3)，主要包括經人工硬化后的地面，這類區域無降水滯蓄能力，產流迅速。

(3)

SWMM模型通過對模擬區域地面結構簡化，得到大致降雨過程中的地面產流總量，之后以此為基礎來評估、監測、優化城市排水系統。

3 雨水監測預警系統設計及監測數據分析

城市雨水監測預警系統的核心組成是監測模擬單元和預警單元，下面分別對這兩個單元的具體設計進行分析[3]。

3.1 雨水監測模擬單元設計

3.1.1 總體監測方案設計

監測點是整個系統前端數據采集的來源，整個前端數據采集系統見圖1。目前，該市雨水監測點共23個，遠遠達不到防汛預警要求。根據該市實際情況，設計再加設100個監測點。

圖1 前端數據采集系統組成圖

本項目監測方案整體設計是在重要設施、道路、排水管網、積水點、河道匯流等關鍵點安裝雨量計、流量計、水位計等傳感器，其測量原理、數據記錄、存儲、精度等要求見表1[4]。

表1 各監測傳感器主要參數

3.1.2 監測點選擇設計

監測點位置設計直接影響到對汛期危險程度的預判，因此對不同監測對象必須設計科學合理的監測點。本項目具體監測點設計原則如下：

1) 排水管渠監測點設計。目前，該市大部分區域采用“分流制”雨水管渠排澇系統，本項目設計在排水管渠分區邊界、支管與干管連接處、管渠排水口等處安設監測點；針對該市“合流制”雨水管渠排澇系統，將監測點均設計在排水口[5]。本項目排水管渠監測點共新增20處。

2) 河道、湖泊水系監測點設計。針對流經該市所有河道，在河道與排水分區交界面和河道溢流壩上下游30 m處設計監測斷面；針對該市湖泊等蓄水系統，在汛期要進行連續監測(數據每間隔10 min記錄一次)。本項目新增10處河道、湖泊水系監測點。

3) 城市道路監測點設計。解決城市道路行洪是本次雨水監測預警系統的主要目的之一，針對本市城市道路，將監測點設計在道路坡度較大、匯水面積廣、主干道交叉口、道路邊溝、進排水口等重點位置(部分見圖2)[6]。監測方式為連續監測；每隔5 min記錄一次；監測時間從下雨開始，至產流結束。本項目新增25處城市道路監測點。

圖2 本項目城市道路監測點(部分)設計

4) 易積水處監測點設計。通過對歷史易積水點統計，包括積水深度、范圍、時間等等，選取重要區域設置監測點，設計數據每5 min記錄一次。本項目新增12處易積水位置監測點。

3.2 雨水監測預警單元設計

該市建立的雨洪水監測預警平臺結構具體見圖3，主要包括五大模塊內容，下面針對幾個重要模塊設計進行簡單分析。

3.2.1 雨情監測分析模塊

在該市SWMM系統中，雨量監測過程為前端采集設備將數據實時傳輸中央處理器，再結合各監測設備空間位置，利用空間算法、GIS地圖快速生成市區降雨分布圖，可直觀反映出各區域降雨強度。同時，排水管渠流量、易澇點現場視頻也會傳到平臺。

3.2.2 汛情實時顯示和預警決策支持模塊

該市SWMM系統中設計的汛情實時顯示模塊可提取到：實時水位、降雨量、天氣預報、排水管渠系統運行、應急人員物資調動、居民報警等信息，可以實現一個平臺監測所有數據。

設計預警決策支持模塊，以系統收集到的數據為基礎，模擬出雨情、水情等動態變化，之后利用電視廣播、短信、微信等發布給廣大民眾，以顯著提高全民自救、避險能力。

3.2.3 防汛物資規劃模塊

防汛物資規劃主要包括物資放置位置、種類、數量等設計，本市防汛物資主要包括皮筏、抽水泵、救生圈，在全市范圍內共設計5處儲存點，為能及時到達易澇點(10 min內)，均位于地勢較低區域。每個點配備5個皮筏、20個救生圈，抽水泵功率及數量設計按照最長2 h退水標準配備。

圖3 雨洪水監測預警平臺結構示意圖

3.3 研究區監測數據分析

3.3.1 暴雨雨峰位置規律分析

通過分析，造成該市洪澇災害的原因主要是短歷時、強降雨，且越靠近市中心，出現頻率越高。本文利用芝加哥雨型公式來推算峰前暴雨強度i(t)，公式見式(4)[7]，其中60 min雨型圖見圖4。

圖4 60 min歷時該市芝加哥雨型圖

由圖4可知，暴雨強度在20～25 min時達到峰值，位于降雨前半段，其他歷時(30、90和120 min)也符合該規律。

(4)

式中：P為重現期，年；t為峰前降雨歷時，h。

3.3.2 排水管渠監測成果分析

本文以2019年7月20日降雨某條位于市中心的排水主干管(管徑1.2 m)為分析對象，引入漫溢指數R，計算公式見式(5)，分類見表2。通過分析8個監測點數據，發現R值均大于0.8，說明該干管排水能力不足。經排查,存在管道堵塞問題，疏通后R基本維持在0.7高位，排澇壓力依然較大，根本解決方式為鋪設分流管。

(5)

3.3.3 易澇點監測成果分析

根據該市易澇點監測數據，可利用SWMM系統估算出積水范圍、出現頻率、積水原因及解決方案，具體見表3。

表2 漫溢指數R分類標準

表3 易澇點監測成果(部分)

4 結 語

雨洪水監測預警系統最大的意義在于可以充分利用歷史數據、現場監測數據，建立降雨模型，便于統一指揮，而且能夠預報各區域水情變化，提醒廣大居民及機動車駕駛人員避免進入災區。該市應用SWMM雨洪水監測預警系統4年以來，逐步完善了汛期搶險救災工作，并且通過給居民發出預警，使報警率降低35%，取得較好的經濟社會效益。