基于水動力模型與三維實景模型的城市“智”水思路探究

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335）

隨著城市不斷發展，水安全、水資源、水生態等問題日益突出，城市頻繁發生洪澇災害、水質污染事件，嚴重制約社會的可持續發展。為了應對這些挑戰，城市生態化建設管理的理念應運而生，如我國正在推進的“海綿城市”[1-2]、美國的低影響開發LID措施[3]、澳大利亞的水敏感城市設計[4]。綠色基礎設施作為城市建設的一部分，在調節城市徑流、減輕面源污染方面發揮了巨大作用。為提升城市應對水災害的能力，除工程建設之外，還應加強非工程建設和管理水平的優化。隨著信息技術的不斷發展，城市信息化、數字化、智慧化應用水平不斷提升。BIM、GIS、物聯網、云計算、大數據、數值模擬和移動互聯網等新一代信息智慧技術全方位運用到城市水務業務規劃、建設、管理和服務中，能夠實現基礎設施建設數字化、經營管理協同化的目標，實時有效地管理城市水循環全過程。

目前市場上針對水安全問題的洪澇災害管理平臺主要基于二維GIS平面圖進行展示。隨著研究尺度的不斷減小，展示的精細化要求不斷提高，二維展示難以滿足對淹沒區域細節的把控，例如，建筑物淹沒的高度位置是否會影響某棟大樓的正常出行。三維實景模型技術能夠將城市空間立體化，同時提供空間分析、查詢和統計的功能。目前三維實景模型發展迅速，技術相對成熟，已經廣泛應用于城市交通、景觀設計、基礎設施建設等項目中。因此，本文考慮將三維實景模型與水動力模型相結合，以長江沿岸城市九江的兩河地區作為研究區域，以水動力模型作為智慧內核，實時計算城市洪水演進過程，以三維實景技術為手段，實現更多維度的展示，有利于更精準地掌握現場情況和制定決策，形成城市“智”水新思路。

1 研究區域概況

九江市位于長江中下游地區，東臨鄱陽湖、北靠長江，中心城區水系眾多，城區管網分流制合流制并存。其中，兩河片區是典型的防洪排澇試點片區，總面積約21 km2，區域內有十里河和濂溪河，最終匯入八里湖后排向長江。兩河地區支流河道普遍缺少完善的防洪排澇系統，老城區存在排雨標準低、斷面過小、管道老化、淤積嚴重等問題。為此，九江市進行了流域綜合整治，包括河道治理、雨污管網系統改造等一系列工程措施。本文針對兩河地區洪澇災害問題，結合水動力模型和三維實景建模技術，提出城市洪澇災害的智慧化管控，作為非工程措施與工程建設形成互補，進一步完善防洪排澇體系。研究區域范圍及排水管網如圖1所示。

圖1 研究區域范圍及排水管網

2 水動力模型構建

2.1 一維水動力模型建立

采用Bentley公司SewerGEMS軟件針對流域內城區排水管網搭建一維管網水動力模型，以普查和竣工的排水管網數字化成果為基礎，構建兩河地區一維管網水動力模型。數字化成果包括檢查井位置、埋深，排水口位置、底高程、管道的管徑、起止點高程等信息。同時收集區域內排水設施的基礎信息和運行調度規則，根據泵站、調蓄池的屬性及運行規則設置相應參數。

一維河道水動力模型的建模范圍為十里河蓮花大道-入八里湖河口段，長度為8.8 km；濂溪河蓮花大道-入十里河河口段，長度為5.2 km。以最新河道平面圖和橫斷面數據為基礎，構建一維河道水動力模型框架，根據河道的斷面情況和水流狀態，取上游河道糙率為0.035，中下游河道糙率為0.03。管網與河道通過排口進行水力連接，即每一個排口就近對應一個河段。

一維管網水動力模型的上邊界為設計暴雨，考慮到與二維地表的耦合，以降水進入網格單元的方式設置上邊界，根據GIS地形統計工具與當地規劃設計資料進行相關參數的設置。一維河道水動力模型的上邊界為十里河、濂溪河上游設計洪水流量過程，下邊界為八里湖對應的設計洪水位，管網與河道之間的耦合通過排口的水量交換進行，即雨水通過管網收集排入河道，河道水位升高超過排口底高程時，會形成水位頂托，影響管網水流運動。

2.2 一二維水動力模型耦合計算

考慮到模型耦合的兼容性和平臺的完整統一性，采用Bentley公司Openflows Flood軟件搭建二維洪水演進模型并導入一維水動力模型進行耦合計算。根據九江防洪規劃情況，分別設置10年一遇、20年一遇和50年一遇的設計洪水情景，模擬不同情景下城市洪水變化過程。對研究范圍內約21 km2的研究區域進行精細化網格建模，以研究區域的城市地形數據、建筑物圖層和道路圖層數據為基礎，進行網格剖分和網格高程賦值。本次研究網格步長選用10 m，地表曼寧系數取經驗值0.02。由于十里河、濂溪河城區段的堤防標準為50年一遇，本次模擬暫不考慮河流漫堤或潰堤，只進行一維管網模型與二維地表模型的耦合。一二維水動力模型耦合以檢查井為物理介質進行水量交換，二維網格內的雨水根據地面高程就近排入雨水節點，當水量超過地下排水管網容量時，檢查井發生冒溢，雨水重新進入二維地表網格。一二維水動力模型耦合計算結果如圖2所示。

圖2 一二維水動力模型耦合計算結果

3 三維實景模型構建及洪水淹沒三維可視化情景

三維實景模型基于無人機三維成像技術，在無人機上搭載多臺傳感器，從垂直、傾斜等不同角度采集影像，通過對傾斜影像進行數據處理并整合其他地理信息，輸出正射影像、地形圖、三維模型等產品。通過無人機傾斜攝影，對九江市兩河地區的地理、地貌、設施等進行數字化建設，生成研究區域的實景模型，作為城市洪澇災害管理平臺的基礎底圖，實現數字化三維環境的搭建。通過實時可視化工具，將水動力模型計算結果與三維實景文件融合，形成三維虛擬實景情景，能夠展示街道內澇淹沒的深度，如圖3所示。

圖3 水動力模型結果與三維實景結合的城市淹沒展示

4 城市洪澇智慧化管控

隨著信息化技術的不斷發展，物聯感知、自動控制以及智能分析決策等技術手段逐漸向傳統行業滲透，城市防洪除澇也逐漸從治水向“智”水的思路進行轉變。將水動力模型與三維實景建模技術應用到城市洪澇的智慧化管控中，以研究城市水文機理為切入點，基于在線監測數據，模擬從降雨到內澇的城市排水全過程，掌握關鍵節點的水情水勢。結合城市三維實景模型，對內澇點的位置和周邊環境、淹沒水深、排水設施的調度等進行有效分析，形成智慧決策大腦，能夠為管理者預測災情、事故、突發事件所帶來的后果，以便應急管理部門做出快速響應。以九江兩河地區為例，在水力數值模型和三維實景底圖的基礎上，可以搭建城市洪澇災害管理平臺，以“精細模擬，科學決策，統籌管理”為目標，建設監測感知體系、服務支撐層、數字資源中心、業務應用平臺等子系統，形成城市洪澇災害管理的通用軟件產品。通過接入雨量、水位、流量等監測數據作為水動力模型輸入條件進行實時在線計算，能夠對潛在的洪澇進行預警預報，模擬城市可能發生的洪水淹沒實景。以水動力模型服務作為洪澇災害管理平臺的核心，以三維實景模型作為洪澇災害模擬與管理的底圖，為防洪排澇智能調度提供科學支持，對城市排水設施進行一體化調度，實現城市洪澇災害的智慧化管理。

5 結語

本文基于三維實景模型和水動力模型技術提出了城市洪澇災害智慧化管理思路，以二、三維聯動構建“數字化一張圖”，全方位查看城市地形地貌。基于在線監測數據，通過水動力數值模型模擬能夠實現洪澇的預警預報和智能調度分析，降低城市洪澇災害風險，實現從數字化到智慧化的升級。通過基礎設施的管控和智慧調度提升城市對洪澇災害的抵抗、恢復和調整適應的能力，提升城市韌性。通過新技術與成熟方法的融合，完善城市防洪排澇體系，實現城市的高效管理、持續發展、人水和諧。