1、,全国城市防洪排涝与减灾学术年会2015,东莞城市内涝预报预警关键技术研究与应用,中山大学水灾害管理与水利信息化实验室 2015年1月15日 中国 南京,汇报提纲,2,一、概述,3,形成了系列的代表性城市群，如珠江三角洲城市群、长江三角洲城市群、环渤海湾城市群,等； 2010年第六次全国人口普查数据显示，截至2010年11月1日，我国城镇人口占总人口的49.68%，其中，珠江三角洲城市群城市化率超过80%,我国在过去几十年中经历了一个快速的城市发展时期,我国城镇化发展非常迅猛,珠江三角洲城市群与京津冀、长江三角洲城市群被列为东部地区城市群。,4,国家新型城镇化规划（20142020年）：201
2、4年3月16日发布,据中国政府网,东部地区城市化走在全国前面,城市内涝灾害的发生呈上升趋势,5,2014年珠江三角洲城市群城市内涝,2014年5月11日 深圳发生严重内涝 全市42条道路因积水导致交通中断或严重拥堵 400余条线路共5458辆公交车辆停运 直接经济损失约8000万元 （据中国广播网）,城市内涝灾害的发生呈上升趋势,6,2014年珠江三角洲城市群城市内涝,2014年5月17日 惠州发生严重内涝 （据中新网、CCTV截图）,7,珠江三角洲城市群中的广州市内涝特别严重,2013年7月15日，暴雨让广州市区内十余个路段出现水浸，广州大道半小时内积水超过50厘米，沿途商户损失惨重； 20
3、12年4月14日，广州市10多处出现较大的局部积水和涝情，市区11个路段堵塞，一度交通瘫痪，受阻近三个小时； 2011年7月17日，强降水使广州市中心城区28处出现短时积水或涝情。 2010年4月下旬到5月上旬不到一个月的时间里，广州市内涝不断，仅5月7日的一场内涝就使广州城内1万多辆汽车被淹，直接经济损失超过人民币1亿元； 2009年3月广州市内涝，全城交通大堵塞；,城市内涝灾害的发生呈上升趋势,城市内涝灾害的发生呈上升趋势,8,广州市中心城区近10年来内涝发生的次数统计,城市内涝灾害的发生呈上升趋势,9,珠三角城市内涝严重,广州 岗顶(2009.6.3),城市内涝灾害的发生呈上升趋势,10
4、,珠三角城市内涝严重,城 市 交 通 严 重 受 阻,城市内涝灾害的发生呈上升趋势,11,珠三角城市内涝严重,东莞市 金牛横路一杂货店成了水塘,城市内涝灾害的发生呈上升趋势,12,珠三角城市内涝实景,东莞某居民区一片汪洋,东莞 门前筑坝,13,国内其它城市内涝增加,北京： 2012年7月21日洪涝灾害，受灾面积16000平方公里，受灾人口190万人，79人死亡，163处不可移动文物不同程度受损，经济损失共约116.4亿元； 武汉：1998年7月遭受暴雨成为水城之后，每年都投入数亿元进行排水系统改善，2004、2011年水淹全城灾害又再度重演； 上海：2013年10月，2001年8月、2005年
5、8月，受台风暴雨的影响，上海城区发生严重内涝； 南京：2003年7月5日、2006年7月20日，遭受暴雨袭击，城区变成一片水城； 济南：2007年7月18日突降大暴雨，发生严重的内涝。,城市内涝灾害的发生呈上升趋势,据住房和城乡建设部2010年对351个城市进行的专项调研结果显示，2008年2010年间，全国62%的城市发生过城市内涝,我国城镇化过程中，内涝灾害严重，影响了我国城镇的可持续发展,62%,14,城市内涝灾害的发生呈上升趋势,我国快速城市化的洪涝灾害效应 城市洪涝灾害的频度和烈度呈上升趋势 城市洪涝灾害对社会的影响更大、更广，社会关注更高 我国城市内涝加剧的重要原因是我国城市的快速
6、发展,15,城市内涝灾害的发生呈上升趋势,16,城市内涝灾害的发生呈上升趋势,城市内涝防治系统生病了 城市内涝是我国城市的富贵病 富贵病难治 我国城市内涝的富贵病越来越严重,17,城市内涝防治方法,工程措施 非工程措施 内涝预报预警 研究目标 以珠江三角洲城市群中的典型城市东莞市为研究对象 采用国内外最新洪水预警预报技术，包括分布式物理水文模型、多普勒雷达降雨定量探测技术及GIS技术 对珠江三角洲城市群内涝预报预警关键技术开展研究 以东莞城区为例，开发城市内涝预报预警示范系统,二、多普勒雷达降雨定量探测,18,原理：利用微波的反射现象来对目标进行探测。 方法： 接收到的回波信号的强度，反映了雨
7、强的大小 电磁波在雷达与雨滴之间传播所需要的时间，反映了雨滴的位置 通过回波强度与接受回波时间，进行降雨的定点、定量探测。,广州多普勒雷达,广州多普勒雷达数据质量控制,广州多普勒雷达降雨估算,东莞06.7内涝雷达降雨定量估算,三、分布式城市内涝预报模型,城市内涝模型结构,23,巨型城市内涝预报模型结构与方法,城市内涝模型结构地表划分,24,有一定高度和较大面积的各类建筑物，包括工厂、办公楼和住宅区等，大片平地上的小型建筑不单独划分,公共空间指高程与地面相同或相近但属敞开式的公共空间，表面不透水且有一定的面积，如休闲广场、运动场等，面积太小的不单独划分，可包括在其周边的地物中,道路为人工铺设的机
8、动车道，路面不透水，可进一步分成一级、二级和三级道路,湖泊指具有调蓄能力的水面，包括天然和人工湖泊,河涌为城市区域内具有排水能力的天然或人工排水明渠，已经被覆盖的河道处理为地下排水管道,绿地为由植被覆盖的，其上没有或只有较少量的建筑物或不透水面、具较大面积的地块，如公共绿地、公园等,技术关键,巨型城市内涝预报模型结构与方法,城市内涝模型结构基于遥感影像的城市下垫面特征参数提取,25,技术关键,巨型城市内涝预报模型结构与方法,城市内涝模型结构地表汇流网络提取,26,地表汇流网络指径流在地物上汇流的通道，包括计算单元内的汇流网络，称为单元汇流网络，和计算单元内的径流进入道路后沿道路的汇流网络，称为
9、路面汇流网络。路面在充当地面汇流网络时，视作矩形河道，路面的宽度为河宽，路面的坡度为河道底坡，道路的长度为河道长度。不同的汇流网络，采用不同的汇流计算方法。地表汇流网络的提取与地表划分同步进行。,技术关键,巨型城市内涝预报模型结构与方法,27,城市内涝模型结构地下汇流网络提取,地下汇流网络： 地下排水管网（包括沟渠和已加盖河涌） 河涌和深层排蓄水隧道,提出一个“逆流向上”的确定地下汇流网络的方法,技术关键,巨型城市内涝预报模型结构与方法,城市内涝模型结构水量交换点提取,28,水量交换点即地表汇流网络和地下汇流网络产生水量交换的地点，主要就是收水口。 将几个收水口合成为一个，称为计算收水口，其收
10、水能力为各个收水口的收水能力之和。根据河道的长度，对于较长的河道，也可设若干个收水口，以考虑城市空间的特征变化。 湖泊处理为特殊的水量交换点，它有调蓄能力。水流进入后并不马上排入地下排水系统，而是暂时蓄存在水量交换点，起到调蓄内涝径流的作用。,技术关键,巨型城市内涝预报模型结构与方法,城市内涝模型结构易涝点提取,29,技术关键,城市内涝模型产汇流计算方法,城市内涝模型结构产流计算方法,30,技术关键,二维汇流 建筑物影响下的二维汇流计算方法容积率系数法一维汇流 Pressmann提出“明管缝”（Open Slot）的方法屋顶汇流 绿色屋顶的汇流按照水箱出流计算,城市内涝模型产汇流计算方法,城市
11、内涝模型结构汇流计算方法,31,技术关键,巨型城市内涝预报模型结构与方法,城市内涝模型结构径流耦合计算方法,32,技术关键,巨型城市内涝预报模型结构与方法,城市内涝模型结构内涝淹没计算,33,技术关键,城市内涝预报预警与动态风险图绘制,技术流程,34,技术关键,四、东莞城区内涝模型与模拟,东莞市城区信息概化 东莞市暴雨内涝模型以东莞城区为研究范围，面积218km2。根据东莞市的地形、地貌特点，将城区划分成28个排水分区。全部计算区域共划分3350个不规则网格，陆地通道6712个，连续堤通道424个，特殊通道225个，特殊通道节点240个。,35,四、东莞城区内涝模型与模拟,东莞市排水分区划分图
12、：28个排水分区,36,四、东莞城区内涝模型与模拟,3350个不规则网格，陆地通道6712个，连续堤通道424个，特殊通道225个，特殊通道节点240个,37,2006年7月16内涝模拟结果,2006年7月16日内涝，雷达测雨,38,2008年6.13暴雨内涝模拟结果,2008年6.13暴雨内涝，雨量站测雨,39,2008年6.13暴雨内涝模拟结果,结果对比表,40,五、城市内涝预警评价方法,目前国内仅有少数城市有专门的内涝预警评价方法 单指标法：根据降雨确定预警等级 主成分分析法：根据城市内涝现状及降雨中的主要因素确定预警等级 评价指标单一，精细度较低 本项目提出一个模糊综合评价法 采用DP
13、SIR模型，确定评价指标体系 采用模糊综合评价法确定综合评价系数 根据综合评价系数确定预警级别,41,评价指标选择,采用驱动力-压力-状态-影响-反应模型 （DPSIR模型），对评价指标进行选择。 评价指标分成五个方面 驱动力 压力 状态 影响 反应,42,评价指标选择,驱动力 定义为推动城市水灾害发生的指标，是促使城市水灾害发生的最原始、最关键的推动力，推荐采用降雨和外江水位两个指标来表示 降雨指标：当前时间连续3小时累积降雨量或考虑降雨临近预报最大连续3小时累积降雨量,43,评价指标选择,压力 与驱动力一起，引起洪水灾害损失的发生。与驱动力的效果有类似的作用，有时也难以区分，但一般将更直接
14、的 “外力”作为驱动力，间接的“外力”作为压力 推荐两个指标来表示压力 当前的外江水位 预报的未来0-3小时的外江水位,44,评价指标选择,状态 指在压力的作用下，系统所处的状态，状态指标应该描述系统的物理特征，并使洪水灾害损失发生，推荐两个指标来表示 当前水深，或0-3小时预报水深 当前流速，或0-3小时预报流速,45,评价指标选择,影响 即是驱动力，压力对系统产生的影响，即引起的系统的变化，并且是与产生洪水灾害损失相关的指标，推荐以洪水灾害损失状态表示，采用灾度指标表示，可分4级，分别为 安全：尚未发生洪水灾害 轻度受灾：居民出行不便，交通不畅 中度受灾：已有淹没损失发生，但没有人员伤亡
15、重度受灾：淹没损失惨重，有人员伤亡,46,评价指标选择,响应 是指对城市防汛所采取的应对措施，是一个定性的描述，不易量化，从下述几方面加以考虑 是否采取了抢险措施，抢险人员到位否 现行排水系统是否正常，是否有因城市建设而引起排水系统排水能力临时减小 是否有健全的避险措施，居民是否有避险意识及方法 响应指标是定性的，可根据城市现状，推荐采用4级效率系数表示,47,评价指标的分级及阀值选择,按四级划分，针对东莞情况，推荐如下的阀值划分标准 3小时累积降雨量,48,评价指标的分级及阀值选择,按四级划分，针对东莞情况，推荐如下的阀值划分标准 外江水位,49,评价指标的分级及阀值选择,按四级划分，针对东
16、莞情况，推荐如下的阀值划分标准 淹没水深,50,评价指标的分级及阀值选择,按四级划分，针对东莞情况，推荐如下的阀值划分标准 灾度,51,评价指标的分级及阀值选择,按四级划分，针对东莞情况，推荐如下的阀值划分标准 管理效率,52,隶属函数择,1）第一级即 j=1时，其隶属函数为：式中： xi-第i个指标的值； Dij-第i个指标第j级的阈值； Di(j+1)第i个指标第j+1级的阈值。,53,隶属函数择,2）第二、三级即 j=2,3时，其隶属函数为：式中： Di(j+1) -第i个指标第j-1级的阈值；其余符号意义同上。,54,隶属函数择,3）第四级即 j=4时，其隶属函数为：式中符号意义同上。
17、,55,预警指标模糊综合评判方法,设有m个评价指标ui，i=1,2,4，记为U=u1,u2, u3, u4，u5。每个评价指标的权重系数为W=w1,w2,w3,w4,w5，且有0wi1。 对每个评价指标，分成4级，得到一个评价指标集Vi=vi1,vi2,vi3,vi4,56,预警指标模糊综合评判方法,评价指标ui在评价集vj上存在着一个模糊隶属度rij，rij可简单理解为评价指标ui属于第j分级的可能性，类似于数理统计中概率的概念，但物理意义不同 得到一个评判矩阵R如下,57,预警指标模糊综合评判方法,评价结果B=（b1,b2, b3, b4）可以通过下列模糊变换得到B=WR 根据矩阵运算法则
18、，bj可通过下式计算,58,预警指标模糊综合评判方法,评价结果分为4级：级、级、级和级响应 bj值的物理意义： bj值越大，启动该级别预警的可能性越高 主要根据评价结果bj值的大小确定预警级别，原则上是bj值大的预警级别优先启动 结果不是一个确定的值，是一个模糊的概念,59,2006年7月16日内涝预警,60,2008年6月13日内涝预警,61,六、东莞内涝监测预警系统开发,东莞市城区内涝监测预警系统以新一代天气雷达为主要测报手段，以城市内涝模型为核心，以GIS平台为支撑，建成东莞市城区内涝监测预警系统，实现城区暴雨监测预警、城市内涝模拟预报及城区内涝演进计算和模拟 系统主要功能 雷达测雨模型
19、模块 暴雨监测预警模块 内涝仿真模型模块 内涝预警模块 排水系统管理模块 防汛预警应急响应模块,62,六、东莞内涝监测预警系统开发,63,七、总结,64,取得的成果： 研究提出了精细化城市内涝预报分布式物理水文模型，东莞城区建立了模型和确定了模型参数； 提出了城市内涝预警的指标体系及模糊评价方法，为城市内涝预警提供了科学依据； 综合运用城市内涝预报分布式物理水文模型、多普勒雷达估算降雨、遥感、GIS及软件工程技术开发出了城市内涝预报预警业务应用系统。 下步工作 在国内更多城市开展应用与验证，不断提高应用效果,中山大学 水灾害管理与水利信息化实验室,全国城市防洪排涝与减灾学术年会2015,谢谢！,敬请指正,
