江苏城市内涝预警系统设计技术与研究

现　代　测　绘

ＭｏｄｅｒｎＳｕｒｖｅｉｎａｎｄＭａｉｎ　　ｙｇｐｐｇ　

Ｖｏｌ．４２，

，Ｓｅｔ．２０１９ｐ

江苏城市内涝预警系统设计技术与研究

史　潇，孙　明（）江苏省气象服务中心，江苏南京２１００００

摘　要　针对强降雨引起的城市内涝等问题，通过深入分析研究江苏省城水文特征与城暴雨积涝致灾机理与致灾构建Ｇ的城暴雨积涝模拟分析模型；基于暴雨积涝模拟分析模型实现气象过程，ＩＳ技术结合城雨洪模型（ｓｗｍｍ）观测数据、基础地理信息数据、河网水位监测数据、城排水管网数据的耦合分析计算，设计了江苏城市内涝预警系实现江苏省城暴雨积涝的积水风险空间分布的实时动态监测预警与预测预报。该系统内涝预报精度达到国内统，领先水平。

关键词　暴雨；城市内涝；雨洪模型；江苏城市内涝预警系统

（）中图分类号：Ｐ２０８．２　　　　文献标识码：Ａ　　　　文章编号：１６７２－４０９７２０１９０５－０００６－０４

０　引　言

区域内涝是指由于强降水或连续性降水超过

１］

。造城排水能力，致使城内产生积水灾害的现象［

带来的财产损失和人员伤亡。本系统内涝预报精度达到国内领先水平，为２００ｍ×２００ｍ。内涝预报准确率３０ｍｉｎ达８０％、１ｈ预报准确率达７０％、３ｈ预报准确率达６０％，ＱＰＦ产品１ｈ预报准确率≥６０％。该系统通过构建是以建立在各点的自动气

象站实时降水、各最易内涝和内涝灾害影响大的监、测点水位（如全球眼和公路交通视频）实时雷达回波反演预报降水、城暴雨阈值、主观预报降水、下垫面和下水道管网信息等信息的基础上，以区域内涝（模型为核心，以Ｇ平台为ＩＳ１∶１０００的三维地形图）　界面，建成江苏省城暴雨内涝监测预报预警和发布系统。实现江苏省城暴雨降水监测预报预警、区域内涝监测和模拟预报及区域内涝演进计算和模拟，及预报预警产品自动制作和分发于一体，并支持与水利、水文、交通、园林等部门共享数据和产品。

成内涝的客观原因是降雨强度大，范围集中。区域内涝危害众多，首先区域内涝会对交通安全造成极大影响，其次区域内涝会造成严重的经济损失，包括房屋地基因积水而造成的损坏、财产因进水而造交通瘫痪对物流行业造成的影响、施工成的损失、

场地停工而造成的损失等等。区域内涝对周边生态系统的破坏也是极其严重的，城市本身处在一个生态环境极为脆弱的体系之中，长期的淹水条件会对动植物生长造成很严重的影响。

在美国、日本等发达国家利用ＧＩＳ技术结合雨演变规律、灾害洪模型开展了区域内涝灾害风险、

综合防治对策的研究，并取得很多值得借鉴的成

２］

果。刘佳明［基于ＲＳ和ＧＩＳ建立了分布式城市雨

１　关键技术

１．１　基于ＰＣＳＷＭＭ的内涝模型仿真

暴雨内涝数学模型是建立城防汛信息系统、模拟出预报和监测的内涝积水过程的重要研究手段。该模型涉及到气象学、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。ＳＷＭＭ（）模型是美国环Ｓｔｏｒｍ　ＷａｔｅｒＭａｎａｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌ　　ｇ

保局研制的城市雨洪过程和水质过程的数学模型，它能够模拟出城降雨径流和水质污染运动的全过

３］

。程，并输出径流过程中节点的溢流和水质状况［

洪模型。国内的许多大城也已开展了相关的研究，如天津、武汉、南京等，经业务试运行验证，对区域内涝情况的模拟与实际情况基本吻合，模拟效果较好，对城防汛决策有很好的指导意义，增强了城综合应急能力。由于区域内涝预测报系统的研制具有典型的城个性特征，不同地区的地理特征、城规划、排水策略等方面各有特色，以往的内涝系统不能完全适用于江苏省。因此迫切需要建立一套适用于江苏省的暴雨内涝预警系统，能够准确预报，及时预警，为城的科学管理提供准确、快速的信息服务。

为了向城管理者提供准确的内涝气象预报预警安全服务，最大程度减少因暴雨引发的区域内涝

史潇，工程师，研究方向为灾害评估。　第一作者简介：

合流ＳＷＭＭ模型被广泛应用于城地区暴雨洪水、

制水道、排污管道等其他排水系统的规划、分析和

第５期史　潇等：江苏城市内涝预警系统设计技术与研究

７

设计。ＰＣＳＷＭＭ模型采用了图形化用户界面，延用了部分ＳＷＭＭ决策系统，能较好地适用于水文

条件复杂并且以管网作为排水体统的城区域［

４］

。ＰＣＳＷＭＭ模型的核心模块包括四个服务模块和四

个水力模型：服务模块包括降雨模块、温度模块、结合模块和统计模块；水文／水力模块包括径流模块、输送模块、扩充输送模块和蓄存－处理模块。水文／水力模块是ＰＣＳＷＭＭ模型的核心模块，能够模拟城暴雨地表径流、管网输送等过程，得到城雨

图１　ＰＣＳＷＭＭ核心结构ＰＣＳ关系图

洪水量空间动态变化结果（图１）。ＰＣＳＷＭＭ模型提供了三种下渗模型：Ｈｏｒｔｏｎ模型、Ｇｒｅｅｎ－Ａｍｐｔ模型和ＳＣＳ模型。其中，Ｈｏｒｔｏｎ下渗模型描述的是下渗率在时间上的变化过程，适用于小流域模拟；Ｇｒｅｅｎ－Ａｍｐｔ模型假设土壤层中存在急剧变化的土壤干湿界面，降雨过程初期，雨强可以小于入渗率，充分降雨能够使下垫面经历由不饱和至饱和的变化过程；ＳＣＳ模型是利用反映流域特征的ＣＮ值给出流量过程线的方法，能够反映前期土壤含水量状况，但不能反映雨强对产流的影响。随着ＳＷＭＭ的升级与发展，ＰＣＳＷＭＭ也在不断地更新和完善，除了具备传统ＳＷＭＭ的功能外，还整合了功能强大的地理信息系统引擎，并与ＧＩＳ地理信息数据无缝对接，以其自身强大的智能化工具来实现模型的建立与优化。

ＰＣＳＷＭＭ具有以下特点：①排水系统的属性

数据可以通过人性化的ＧＩＳ绘图工具直接输入，也可以通过通用化接口直接导入，智能的ＧＩＳ引擎支持基于开放标准的数据，包括ＡｒｃＧＩＳ、ＭａｐＩｎｆｏ、Ｍｉｃｒｏ－Ｓｔａｔｉｏｎ、ＡｕｔｏＣＡＤ、ＫＭＬ等；②在模型界面中可以通过ｓｔｒｅｅｔ　ｍａｐ接口加载电子地图，与经过投影变换的概化图层进行精确叠加，有利于分析模型的溢流结果，能够直观的表达淹没区域；③专家纠错系统和误差灵敏度分析工具大大提高了模型的运行质量和可信度，模型运行结束后会提示水力模型的连续性误差，可以理解为数学测试，主要从数学角度保证模型的质量；④计算结果的动态演示、流速流量的图表输出实现了管网溢流模拟的可视化。．２　Ｌｅａｆｌｅｔ相关介绍及项目应用

产品展示与地图交互作为本项目的核心功能

之一，

在项目的前端建设中占有很重要的地位。实况监测展示、暴雨内涝预报预警、内涝产品制作、灾害统计分析、人工在线修改等皆要基于地图底图来完成。因此，寻找一款功能强大、性能优良的Ｗｅｂ

地图引擎是整个前端建设最核心的需求。

Ｌｅａｆｌｅｔ操作简单、

性能优越、可用性极强，主要支持桌面和移动平台使用，支持ＨＴＭＬ５和ＣＳＳ３，

支持ＡＰＩ接入，

帮助设计师开发提高工作效率［５］

。Ｌｅａｆｌｅｔ是一个为构建移动设备友好的互动地图，

而开发的现代的、开源的ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ库。它是由Ｖｌａｄｉｍｉｒ　Ａｇａｆｏｎｋｉｎ带领一个专业贡献者团队开发，虽然代码量很小ＫＢ，但它具有开发人员开发在线地图的大部分功能。

本项目的地图显示与交互皆是基于ｌｅａｆｌｅｔ实

现，其中最基本的功能则为在线及离线地图加载与显示，基本落区绘制。各模块具体实现过程中皆涉及到矢量栅格图层的加载与控制，实况监测模块主要使用到了其等值线等值面绘制功能，

内涝预报及产品制作模块则用到了ＧｅｏＪｓｏｎ矢量图形绘制功能，并使用Ｌｅａｆｌｅｔ自带的ＨｔｍｌＣａｎｖａｓ图形渲染引擎进行渲染加速。

　系统设计

整个“江苏省内涝气象预报预警系统”由应用软件系统及其支撑环境、外部接口共同组成（图２

）。图２　总体设计框架图

基础环境层：为“江苏省内涝气象预报预警系统”系统提供各种运行所需的软硬件环境，包括网络、存储等基础硬件设备及操作系统、数据库、共享文件系统、基础软件框架等基础软件环境。整个基础设施层为系统最终的实现及运行提供基础软硬件环境支撑。硬件基础设施为硬件支撑环境，包括支撑各类应用运行和各类数据存储的服务器、存储、备份及机房环境等。基础设施的设计和建设，是根据业务应用的需求进行采购。

应用软件层：是“江苏省内涝气象预报预警系

１２８

现　代　测　绘　　　　　第４２卷

是本项目建设的核心。从软件的设计和统”重点，实现层面应用软件层将主要包括应用交互设计、系统功能规划、应用协作设计、技术架构设计、数据架构设计等具体为：

，图１积涝大量统显示积涝最深处深度达０．７ｍ（０）退去，积涝范围１研究区中部偏东江都９个汇水区，路以东至沙施河区域及解放南路与文昌中路交界）。处存在积涝（图１１

（１

）应用交互设计。是直接与用户交互的层面。（２

）系统功能规划。基于业务流程的分析与设计结果，依据ＩＰＯ的处理规则、提取每个功能节点所包含的用例、活动、处理的过程步骤，按照系统－子系统－模块－子模块逐步细化的分析与设计思路，规划整个“江苏省内涝气象预报预警系统”所包含的功能。

（３

）应用协作设计。主要从“江苏省内涝气象预报预警系统”的实际运行角度出发，分析和设计“江苏省内涝气象预报预警系统”的核心功能系统之间的分工及协作关系。

（４

）技术架构设计。主要从“江苏省内涝气象预报预警系统”的技术实现角度，构建其整个的技术体系，包括“江苏省内涝气象预报预警系统”的整体技术思路、技术路线、技术框架，整个软件的技术层次划分及每个层次的技术实现方式等。

（５）数据架构设计。主要从数据角度出发，规划整个“江苏省内涝气象预报预警系统”系统所有的多源数据、中间结果数据、检验分析结果数据、系统运行支撑数据等的数据分类、存储方式、存储结构及存储管理机制。

　个例检验

图３－５展示了２０１８年５月２５日至２６日一场暴雨引发的内涝的完整过程，展现了扬州市主城区的道路积水情况，共持续２６小时。５月２５日早５时出现降雨，５时至６时大部分区域面雨量达到１．５－７ｍｍ，东北区域面雨量１－１．５ｍｍ（图３）。２５日早６时系统显示出现积涝，最深处积涝深度达．６ｍ（图４），积涝范围达到２０个汇水区，积涝分布在研究区中部偏东江都路以东至沙施河区域及解放南路与文昌中路交界处（图５）。５月２５日晚１８

时至１９时全部区域面雨量达到１５－３０ｍｍ（图６），９时系统显示积涝最深处深度达１．３ｍ（

图７），积涝范围进一步扩大，达１０２个汇水区，主要分布在研究区中部偏东江都路以东至沙施河区域、解放南路与文昌中路交界处、交通安全文化主题公园附近、古运河渡江南路段至文昌中路段、研究区北部梅岭东路和马太路交界处附近、渡江南路和渡江西街交界处附近、扬州大学荷花池校区北门以西区域、研究区东部运河北路附近（图８）。２５日晚２１时至２２时全部区域面雨量达到１．５－７ｍｍｖ（图９），２２时系

图３　５月２５日５：００－６：００时面雨量情况

图４　５月２５日６：００时积涝情况（

汇水区平均深度）图５　５月２５日６：００时积涝情况（

网格区）图６　５月２５日１８：００－１９：００时面雨量情况

图７　５月２５日１９：００时积涝情况（网格区）３０１第５期史　潇等：江苏城市内涝预警系统设计技术与研究

９

图８　５月２汇水区平均深度）５日１９：００时积涝情况（图１汇水区平均深度）１　５月２５日２２：００时积涝情况（

４　结　语

该系统的内涝模拟结果在３０×３０ｍ精细化网格上进行展示，可以清晰看到积涝所在的乡镇、街道位置，因此能够较好的作为业务化使用。近年来，随着传感技术的发展，通过布设积水深度传感器可实现对积水的实时监测。而利用此类数据作为模型的输入数据，可对模型精度进行进一步的

图９　５月２５日２１：００－２２：００时面雨量情况

优化。

参考文献

［］城市内涝与排水管网建设的探讨［科学大１］Ｊ．　高海燕．

，（）：众（科学教育）２０１３２１７１－１７１．

［城市雨洪放大效应及分布式城市雨洪模型研２］　刘佳明．

究［Ｄ］．２０１６．

［陈吉宁，赵冬泉．３］ＳＷＭＭ模型在城市排水系统　董欣，

］（）：给水排水，规划中的应用［Ｊ．２００６，３２５１０６－１０９．

［，／４］ｍｉｔｈＤ，Ｊ．ＬｉＤ．Ｂａｎｔｉｎ．ＡＰＣＳＷＭＭＧＩＳｂａｓｅｄｗａｔｅｒ　Ｓ　　－　ｇ

］ｂａｌａｎｃｅｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅＲｅｅｓｏｒＣｒｅｅｋｗａｔｅｒｓｈｅｄ［Ｊ．Ａｔ　　　　　　－，，（）：ｍｏｓｈｅｒｉｃＲｅｓｅａｒｃｈ２００５７７１－４３８８－４０６．　ｐ

［刘尚魁．构建基于Ｌ５］ｅａｆｌｅｔ的高性能ＧＩＳ解决　宁群仪，

］（）：电子技术与软件工程，方案［Ｊ．２０１８，１４２２０５９．

图１网格区）０　５月２５日２２：００时积涝情况（

该系统基于一次降雨过程仿真　　实验结果表明，

的积水结果与新闻报导的积水点基本一致，因此能较为准确的仿真暴雨积涝过程。

ＤｅｓｉｎＴｅｃｈｎｏｌｏａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＥａｒｌＷａｒｎｉｎＳｓｔｅｍｆｏｒ　　　　　ｇｇｙｙｇｙ　　　

ＷａｔｅｒｌｏｉｎｉｎＪｉａｎｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅＵｒｂａｎ　　　ｇｇｇｇ　

，ＳＨＩＸｉａｏＳＵＮＭｉｎ　　ｇ

（，Ｎ）ＭｅｔｅｏｒｏｌｏｉｃａｌＳｅｒｖｉｃｅＣｅｎｔｅｒｏｆＪｉａｎｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅａｎｉｎＪｉａｎｓｕ２１００００，Ｃｈｉｎａ　　　　　　ｇｇｊｇｇ　

，ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｏｆｕｒｂａｎｆｌｏｏｄｉｎｃａｕｓｅｄｂｈｅａｖｒａｉｎｆａｌｌｔｈｉｓｍａｄｅａｎｉｎｄｅｔｈａｎａｌｓｉｓｔｏｔｈｅｒｏｂｌｅｍａｅｒ　　　　　　　　　　　　　－　　　ｇｙｙｐｙｐｐｐ　　　，ｒｏｃｅｓｓｈｄｒｏｌｏｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｔｈｅｄｉｓａｓｔｅｒｃａｕｓｉｎｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｏｆｕｒｂａｎｓｔｏｒｍｗａｔｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＪｉａｎｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ．　　－　　　　　　　　　ｐｙｇｇｇ　，ａｅｒｒｏｏｓｅｄｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅａｂｏｖｅｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｉｓＰＣＳＷＭＭｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆＧＩＳｔｅｃｈｎｏｌｏａｎｄＳｔｏｒｍＯｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｐｐｐｐｇｙ　ＭａｎａｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌ（ＳＷＭＭ）．ＷｉｔｈｔｈｅＰＣＳＷＭＭ，ｔｈｅｃｏｕｌｅｄａｎａｌｓｉｓａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｓｏｆｄａｔａＷａｔｅｒ　　　　　　　　　　　　　ｇｐｙｙｐ，，ｅｏｒａｈｉｃｉｎｃｌｕｄｉｎｍｅｔｅｏｒｏｌｏｉｃａｌｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｄａｔａｂａｓｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｄａｔａｒｉｖｅｒｎｅｔｗｏｒｋｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｄａｔａａｎｄ　　　　　　　　　　ｇｇｐｇｇｇ　　，ｄｒａｉｎａｅｎｅｔｗｏｒｋｄａｔａｃｏｕｌｄｂｅｆｉｎｉｓｈｅｄ．ＭｏｒｅｏｖｅｒｔｈｉｓＪｉａｎｓｕｕｒｂａｎｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｏｏｄｗａｒｎｉｎｉｅａｅｒｒｅｓｅｎｔｅｄｕｒｂａｎ　　　　　　　　　　　　　　ｇｇｇｐｐｐｐｐ，ｅｓｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＰＣＳＷＭＭ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄａｃｈｉｅｖｅｒｅａｌｔｉｍｅｄｎａｍｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎａｒｌｗａｒｎｉｎａｎｄｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｏｆｓａｔｉａｌ　　　　　　－　　　　ｙｙｇｙｇｇｐ　　　ｏｆａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄｗａｔｅｒｒｉｓｋｓｆｏｒｔｈｅｒａｉｎｓｔｏｒｍｉｎＪｉａｎｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ．Ｔｈｅｏｆｗａｔｅｒｌｏｉｎｉｎｔｈｉｓｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｃｉｓｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　　　　　　　　　　　　　　　ｇｇｇｇｐｐ　ｒｅａｃｈｅｓｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｌｅａｄｉｎｌｅｖｅｌ．ｓｓｔｅｍ　　　　ｇｙ　

；；；ＫｅｗｏｒｄｓｅａｖｒａｉｎｕｒｂａｎｆｌｏｏｄｒａｉｎｆｌｏｏｄｍｏｄｅｌＪｉａｎｓｕｕｒｂａｎｆｌｏｏｄｗａｒｎｉｎｓｓｔｅｍ　ｈ　　　　　　ｙｇｇｙｙ