张慧1 2 曹子聪2 3 嵇海祥1 2
1.水利部南京水利水文自动化研究所；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心；3.江苏南水水务科技有限公司（江苏南京210012）
摘要：城市暴雨洪水预警预报系统以暴雨洪水管理模型为基础，结合雷达观测技术以及水文测报技术，对赫尔辛基城市暴雨洪水进行分析预测，对预测得到的数据进行处理、展示，当某区域积水水位值超过预先设定的最高水位值时，触发报警系统，及时提醒相关部门采取应对措施，从而减小城市暴雨洪水对人民生命财产造成的损害。
关键词：暴雨洪水；预警预报；管理模型；水文测报
芬兰位于欧洲北部，被誉为“千湖之国”，水域占区域面积百分比如图1所示，该地区平均降雨量为500-800mm（其中30%-50%为降雪）。近年来，社会高速发展，带来社会经济效益增长的同时也对居住环境造成巨大压力，温室效应、热岛效应等引发的全球气候变暖，造成了诸如冰川融化、强降雨等一系列环境问题。受全球气候变化的影响，赫尔辛基城市降雨主要集中在夏季，随着全球气候变暖，夏季持续高温带来的强降水，引起城市径流量瞬间增大；同时由于城市化进程引起下垫面环境的变化，当产生的径流流量超过城市管网的排泄能力时，雨水在城市低洼处堆积而产生的城市内涝，严重影响城市居民的正常生活，并且暴雨洪水产生的雨洪污水汇入城市排水管网，最终排入城市河道，将改变水体环境，危及水体中生活的动植物。因此，采用先进的雨洪管理理念，结合现代水文自动测报技术以及雷达观测技术，采用暴雨洪水管理模型，开展洪水预警预报技术研究，对于实时监测赫尔辛基城市水文信息，把握城市暴雨洪水发展动向，及时采取应对措施减少生命财产损失具有重要意义。
一、城市暴雨洪水预警预报系统介绍
城市暴雨洪水预警预报系统（系统原理图如图2所示），以暴雨洪水管理模型为基础，结合水文自动测报技术、卫星雷达观测技术、通信技术、数据库技术、计算机技术等，对雨量数据进行采集、存储、传输、处理、展示以及预警预报。系统采用雨量站及雷达两种方式观测比对获得雨量数据，将该数据输入到洪水预报管理模型中，经处理后输出雨量数据预测值，同时计算出城市径流情况，用于手机端及电脑端洪水预警预报信息展示，各子模块介绍如下。
.png)
图1 水域占区域面积百分比 图2 城市暴雨预警预报系统工作原理图
1.系统网络架构总体部署
系统选用B/S（Browser/Server）架构，通过一定的权限控制实现多客户访问，交互性强，版本更新方便。客户端主要负责水文数据查询展示以及预警预报信息展示，服务器端主要负责数据处理、与数据库以及其他子系统交互。联网状态下，客户端和服务器端进行通信，实现数据处理、存储、展示与推送等过程。
2.雨量观测
暴雨监测是暴雨洪水预报的基础，过去采用遥测雨量站对暴雨数据进行采集，该方法存在站点布设密度低，站点分布不均匀，数据缺乏时空连续性且精度不高等局限性，特别是持续强降水情形下，数据错报、漏报等都会给当地环境部、农林部以及城市居民使用、查看过程中造成极大不便。雷达测报技术，对区域现有雨量站测得的数据进行校准比较，弥补水文测报系统的短板，从而提高数据的质量。该技术通过探测雨滴形状推定雨量大小，实现对地区强降雨信号的捕捉、监控、预报、传输，提高数据时空连续性以及提供实时的更高精度的雨量数据。数据采集间隔可设为5min、10min、1h等，获取得到雨量数据后，作为输入值输入到暴雨洪水管理模型，从而得出该地区雨量数据某时段内的预测值。
3.暴雨洪水管理模型
暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model，SWMM），1969至1971年间由美国环境保护署（Unite States Environment Protection Agency，EPA）提出，旨在解决日益严峻的城市暴雨洪水问题。该模型通过建立动态的降雨-径流模型，对城市的排水管网进行长期或者短期的跟踪、模拟，从而计算分析出任意时间点城市管网中任意径流的流量及水质情况，用于指导优化现有城市排水管网。当暴雨洪水来临时，对暴雨洪水进行优化调度，降低城市洪水发生的概率。选取赫尔辛基最近五年海量的雨量、径流数据，采用数据挖掘技术，对该地区数据进行选取、转换、清洗等操作，从而挖掘出有效的水文数据。同时选取M5模型树算法，输入挖掘得到的水文数据，不断对模型进行训练学习，得出适用于本系统的模型。该模型树将输入属性空间划分成互相平行的矩形区域，对每一个分区域，得出对应的回归模型，实现雨量的模拟及预测，M5模型树算法流程图如图3所示。通过M5模型树算法建立的洪水预报模型，操作方便、维护简单，并且能够提供高精度预测数据。
.png)
图3 M5模型树算法流程图
4.数据库设计
根据系统功能的需求，本系统的设计既支持测站数据、雨量数据、预警预报数据、用户数据等历史数据的查询，也支持实时数据的查询、存储与处理，历史数据通过查阅当地环境部以及农林部历史资料可得，实时数据可通过实时读取雨量站数据接口得到。如1.2节中介绍，通过暴雨洪水管理模型，生成城市暴雨洪水预测值，用以进行数据展示以及预警预报。本系统采用主流数据库SQL Server。系统部分E-R设计图如图4。其中，StationData对应测站数据表，包含站点精度、站点ID号等信息；RainFall对应降雨信息表，包含时间、测站降雨量等信息；User对应用户数据表，包含用户ID号、用户类型ID号等信息； WarningInformation对应预警信息表，包含预警信号ID、预警解除时间等信息。
.png)
图4 系统E-R图
对数据库表进行设计，表设计分别如下：(1)测站数据表。此表用来存放观测站的基本信息，如站点ID号、站点编号、经度、纬度、高程等（表1）。
.png)
5.信息查询及预警模块介绍
信息检索查询模块用于收集水情信息，当用户需要查询雨量信息时，在数据查询区选择需要查询的测站编号以及查询时间间隔，系统即将实时查询到的结果显示在降水量预报记录框中，即可查看雨量信息。预警模块用于发布和搜索预报信息，按照设定的扫描时间间隔，对雨量站雨量数据进行扫描，将扫描得到的数据与提前录入模块中的雨量阈值进行比对，超过阈值时，触发预报语音、手机短信等推送服务，将预警预报信息推送给相应个人以及部门，同时记录下扫描结果、预警预报记录信息生成.txt文件，用于后期查阅。
二、赫尔辛基暴雨洪水模拟展示及应用
系统选定赫尔辛基地区作为模拟分析对象，结合ArcGIS技术，调用Google地图数据，确定赫尔辛基地区物理结构网络图，将该地区雨量计站点信息、雨量数据、子流域、节点、连接点、时间步长等信息输入到系统中（考虑到赫尔辛基地区冬季下雪，还需要录入该地区的气象数据，模拟融雪过程）。当暴雨洪水来临时，暴雨洪水管理模型对分析出的降雨量进行计算，结合该区域结构信息、水文数据、气象数据等进行径流模拟，分析出该地区未来特定时段的降雨-径流关系，得出积水情况，进而实现洪水模拟、预警预报。赫尔辛基城市暴雨洪水展示图如图4所示（该图片来源于芬兰VTT公司）。
.png)
三、城市暴雨洪水应对措施
结合预测值，提前通知相关部门做好应对措施。针对不同阶段的降雨，将区域暴雨严重程度进行分级，便于决策者针对不同等级的暴雨洪水指定不同级别的应对措施；同时，对重点区域加强监测力度，提高监测频率，提前准备应对措施，结合“海绵城市”理念，加强城市LID（Low Impact Development，低影响开发）建设，例如采用可渗水路面、建设城市花园、屋顶花园、湿地公园等，提高城市排水管网的承载能力，从而将城市暴雨洪水对人们生命、财产的影响降到最低。
四、结语
城市暴雨洪水预警预报系统有效地提高了人们对城市暴雨洪水监控的质量和效率，该系统能够实时展示区域降雨以及积水情况、提供高质量的雨量数据信息、动态跟踪区域雨量变化趋势，提供预警预报等功能，为城市洪水预警预报提供支持和参考。
参考文献:
[1]何秉顺.日本中小河流山洪预报研究[J].中国防汛抗旱,2016.6.
[1]陈俊霞.赤水河中下游防洪预警信息系统的设计与实现[D].电子科技大学,2016.
【作者简介】张慧（1990.09-），女，汉族，江苏泰州市人，硕士研究生学历，水利部南京水利水文自动化研究所工程师，主要研究方向：水利信息化。【通讯作者】曹子聪（1990-），男，江苏南京市人，本科学历，江苏南水水务科技有限公司工程师，主要研究方向：水文仪器研发。