张祖山 李 磊 史大勇

一、系统建设背景

城市化进程的加快与全球气候变化导致城市遭受突发性强暴雨洪水的几率加大，给很多城市都带来了灾难和损失。青岛市区河流均属山溪性河流，河流源短水急，河流水量随季节变化显著，汛期雨量大，河道水量较大、水位较高。降雨形成径流迅速，汇入河道后水流强度大、流速快，加之城市下垫面条件的不透水特点，更缩短了洪水的形成时间，增加了水流的强度，在市区形成雨洪内涝，给城市交通、居民出行带来了很大困难，直接影响正常的生产生活，干扰城市建设的正常进行。

1985年“桃芝”台风、2005 年“麦莎”台风和2007年“圣帕”台风都对青岛市内四区的防汛工作带来了严重的影响。台风暴雨造成216个企业停工，供电、邮电线路被刮断，桥涵下沉、公路冲毁、树木倾倒，全市损失总值约6.22亿元。市内四区作为青岛市的经济中心，汇集了众多的外资企业和当地的著名企业，一旦发生大的洪水自然灾害，损失不可估量。

近几年，只要出现中等强度以上的降雨，市区的低洼路段就会形成积水，给城市交通、居民出行带来了很大困难，而当市区24h降雨量达到250mm以上时，市区大部分路段交通将会陷入瘫痪。因此，准确及时地监测、预报城市雨洪和道路积水情况，对保证正常生产生活不受水灾害影响具有重要意义。

二、现状及存在的问题

截至2013年，青岛市城区共有52处雨量站，分别属市水文局、建委、水利局所有。各单位所采用的雨量观测仪器及观测标准不统一，且站点布局不尽合理。城阳区的中部、市北区的西部雨量点偏少，不能满足城市防洪需要。

三、系统组成内容

1.城市雨量站

新设10处雨量站，雨量站建设采用一体化雨量监测站，主要包括翻斗式雨量计、无限传输模块及太阳能供电系统。降水量观测任务是用雨量采集仪器进行观测，资料要求连续完整且满足精度要求，能为防汛部门提供准确及时的雨情信息。

2.积水点监测站

建设城区低洼地区积水监测站点45处，安装一体化积水监测设备，监测城区低洼地区、立交桥及铁路涵洞等地区的积水深度、区域降水量和积水面积，发生大暴雨时可以及时提交发布城区各类低洼地区积水状况。积水深监测采用目前先进的雷达水位计进行监测，同时采用水文水资源测控终端机进行数据实时采集传输，并配置传感器、太阳能电池板、锂电池、GPRS/GSM通信模块等设备。根据现场条件不同，采用不同的传感器组建监测站。

3.基础数据库集成

为了能够及时有效地判断洪水等级以及洪水时间需要系统的数据，在分析整理现有的城市水文数据库、地理、城市管网等基础数据的基础上，建立青岛市城市暴雨数据库、地表数字高程模型（DEM）、城市管网的空间布局和属性数据库、模型专用数据库等，绘制青岛市区管网数字化图，在数据库及系统建设方面分别需要考虑多数据库集成方案和信息流程结构设计方案。

4.城市水灾害模拟及可视化决策支持系统开发

主要包括硬件设备、软件平台和应用软件开发三方面内容。

（1）硬件平台

城市水灾害模拟及可视化决策支持系统建设中心硬件平台设计配备4台机架式多路服务器、1台图形工作站、1台网络交换机、1台3KVA UPS、1台计算机、1套视频监控系统，服务器连接Internet外部网络采用专线（光纤）方式接入并配备固定公网IP。

（2）软件平台

城市水灾害模拟及可视化决策支持系统的软件平台以支撑应用软件开发和功能实现为目标。引进美国环保局（EPA）开发的通用的暴雨洪水管理模型SWMM和Wallingford模型。SWMM模型不仅可以用于单次雨洪的模拟，还具有连续模拟雨洪的功能，这对城市排水设计具有重要的意义。城市雨洪模拟模型是根据气象、水文、水利等专业知识，利用GIS的空间分析技术，结合城市地理数据库和灾害数据库而建立起来的。城市内涝模型是一个集城市地面高程模型、降雨模型、产汇流模型、排水模型、数学计算模型和GIS的空间分析应用模块为一体的综合模型。其中，地面高程模型（DEM）用于模拟城市地面的高低起伏，该模型是城市内涝积水计算和模拟的基础；降水模型用于模拟和计算城市降雨的空间和时间分布；产汇流模型用于模拟地面径流的生成过程和汇集过程；排水模型则是用于根据不同的城市排水方式计算城市排水量。几个模型的综合计算为城市内涝积水的计算提供了依据。数学计算模型和GIS空间分析应用模块是整个城市水灾害模型的“运行中枢”。数学计算模型提供了包括降水量计算、综合排水量计算、剩余雨量计算和积水高度计算等关键理论和公式。GIS的空间分析应用模块则为数学模型中涉及的空间问题提供了重要的空间解决方案，同时也为城市内涝积水过程的显示和模拟提供了强大的支持。另外还需要配备GIS平台、数据库、城市数字地图和防病毒软件等。

四、应用软件开发与系统应用

城市水灾害模拟及可视化决策支持系统应用软件由数据接收软件与应用软件构成。数据接收软件主要负责遥测站数据在线接收、解码、校验与入库等功能，系统应用软件具有基于地理信息系统的数据展示、分析计算、统计、查询与报表等功能。

1.数据接收软件

由于系统基于WEBGIS平台开发，数据库系统采用支持空间数据的POSTGRE SQL作为数据库平台进行设计。

数据接收软件系统实现功能：通讯组网可在GSM短消息通讯或GPRS通讯之间选择，接收软件5分钟内收齐全部遥测站的雨量、积水等实时数据并具有数据存储、统计、报表显示及打印和过程分析功能，如动态雨量水位显示、柱状图、水位过程线等。

2.系统应用软件

基于SWMM建立市区暴雨径流模型，将各监测点的降雨量数据通过无线传输实时传输到远端计算机中，通过模拟得到研究区域内的汇流和积水情况，将模拟结果与Google Earth连接，实现青岛市区降雨量和积水情况的实时监测和可视化，并进行三维显示。

五、应用系统信息发布

应用软件支持短信群发和自动传真两种紧急情况下信息发布功能。短信群发：中心可通过群发平台以短信方式自动将预测预警信息按照预案规定发送到相关联络人手机中，所有人员收到短信后自动反馈信息给中心。自动传真：中心可依据预存联系传真电话向相关单位自动发送预测预警信息和调度指示文件。两种方式紧急情况下互相补充。

六、系统建设实现目标

通过该系统的建设，新建青岛市城市10处雨量站、45处积水监测站，实现积水路段的雨量、积水深度等水文基本数据的自动采集、整编、显示、分析与报表，并通过信息中心平台对外发布。建立青岛市暴雨、土地利用、DEM、市区管网空间布局和属性基础数据库，基于SWMM建立市区暴雨径流模型，将各监测点的降雨量数据通过无线传输实时传输到远端计算机中，通过模拟得到研究区域内的汇流和积水情况，将模拟结果与Google Earth连接，实现青岛市区降雨量和积水情况的实时监测和可视化并进行三维显示，提供解决分流、泄洪的方案，以便为城规、防汛提供科学依据和实践指导■