水利专题系列数智治水：航天宏图助力城市内涝防洪“四预”

  近年来，随着卫星遥感、无人机、云计算、大数据与倾斜摄影、实景建模、虚拟仿真、BIM、CIM等技术在水利领域的应用逐步增加，智慧水利已成为热潮。航天宏图以智慧水利为目标，以水利信息化服务为主线，以遥感和咨询设计为特色，致力于信息技术的持续创新及其在水利行业中的普及应用，促进云计算、人工智能、大数据、卫星遥感、地理信息等信息技术与水利业务的深度融合，驱动创新水利业务流程，为水利业务的动态、精准和智能管理服务，赋能水利信息化。


  2023年开年首月，航天宏图推出水利专题系列文章，涉及数字孪生流域、水利遥感应用、水土保持、山洪监测预警、城市内涝、智慧灌区多个主题，敬请关注！

鹤壁市“7·21”特大暴雨灾害

  2021年7月17日8时至23日12时，鹤壁遭遇了历史极值的强降雨。全市平均降雨量613毫米，比年均降雨量586.6毫米多出26.4毫米，短短几天时间就下了一年多的雨；最大雨量点日降雨777.5毫米，是历史最高记录258.8毫米的3倍。此次暴雨共有93.7万人受灾，占常住人口的60%。

  鹤壁市城区因道路排水不及，所有下穿涵洞、低洼道路全部被淹，特别是下穿京广铁路桥涵全部严重积水。此次暴雨无论是造成的经济损失，还是受灾人数都达到了历史之最。

  为了消减日益增多的极端天气形成的城市特大内涝对人民群众生命财产生的危害，鹤壁市相关部门开始组织建设鹤壁市城市内涝预报预警系统。


  目前城市内涝防治中存在的不足
  01防洪设计标准低、超标准洪水考虑不足
  目前海绵城市、室外排水、城市内涝防治、城市防洪等技术规范对防洪设计标准低，而且对超标准暴雨情况考虑不足，导致全国32个省351个城市中213（占62%）个城市发生过不同程度的积水内涝，一年发生内涝灾害超过3次以上的城市达137个，甚至扩大到干旱少雨的西安、沈阳等西部和北部城市。

  例如内涝防治承泄区规划设计时，采用的是《治涝标准》规定的低重现期的24h设计暴雨，而不是《室外排水工程设计规范》规定的高重现期的设计暴雨，这两个设计暴雨不能等同，可能会出现涝水排除不及时，发生承泄区水位超过设计水位的情况，导致城市内涝防治无法得到保证。

  现有的室外排水、城市内涝防治、城市防洪等技术规范或者设计标准适用范围局限在某一范围的区域内，考虑某一特定问题，在大范围，极端超标准暴雨情况下不能充分考虑区域内的各种情况。例如，室外排水规范的计算方法适用于不大于2km2的小区，另外基于室外排水规范设计的排水系统，应用于较大规模排水系统时会产生较大误差，不能和城镇范围的内涝防治需求相匹配。

  03超标准暴雨情况下，街道行洪定义不明确
  目前的技术规范和标准仅对内涝的积水和淹没时间做了规定，没有明确定义超过内涝防洪标准后街道行洪情况，因此发生超标准洪水径流超过排水系统的排水能力时，街道行洪不可避免，需要统筹考虑街道行洪对城市内涝的影响。

  城市内涝预报预警产品设计

   ▷ 创新性设计理念

  针对内涝防治技术存在不相适应的各种问题，航天宏图创新性地提出新的内涝模型算法，并应用于鹤壁市城市内涝防治。

  鹤壁市城市内涝预报预警系统充分考虑了城市降水、小区产汇流、节点水量交换、地下管网排水、街道洪水演进、外源洪水和下游河道排水等水文水力分析计算模块，支持超标准暴雨下，城市内涝淹没全过程模拟仿真，识别超标准暴雨下的内涝风险点，实现城市内涝预报预警功能。

  01降雨计算
  利用IDF（intensity–duration–frequency，暴雨强度-历时-频率）模型，考虑特定持续时间和重现期下极端暴雨事件的强度，确定设计暴雨，也支持实时监测降雨数据输入。

  02小区产汇流计算
  根据小区、道路等区域集水面积和建筑的时空分布不均匀性等因素，确定综合径流系数，计算产汇流量。

  03街道行洪计算
  根据能量守恒和质量守恒原理，可导出一维明渠非恒定渐变流的基本方程，即圣维南(Saint-Venant)方程组。

  04地下管网水量计算
  采用动量方程计算管网水体流动。

  01内涝风险识别
  基于高精度无人机倾斜摄影数据，结合现场勘测和排查，针对不同降水条件下的城市内涝模拟，识别城市内涝风险点，如城市低洼处、下穿隧道、下沉广场等，摸清城市易涝点、易积水点。

  02城市排水能力评估
  基于城市内涝模拟仿真，模拟设计标准的暴雨条件下城市内涝过程，评估城市防汛现状、排水能力和达标情况。

  03辅助预案编制
  通过模拟不同降雨条件下的城市内涝过程，结合城市人口分布、经济社会发展现状等，对预演方案进行评估，动态调整应急调度、人员防灾避险等应对措施，辅助城市内内涝预案编制。

  04内涝监测预报
  结合气象预报、降水和水位监测等数据，模拟未来城市内涝过程，结合风险评估标准，预报内涝区域和淹没风险。

  05城市内涝预警
  结合降水、易涝点水位监测和视频等实施数据，实现对城市易涝点和易积水点进行实时预警。

  06内涝评估分析
  发生城市内涝灾害后，系统可根据灾害期间的降水和洪水过程，复盘内涝和街道行洪过程，分析内涝期间淹没范围、淹没水深等内涝信息，评估内涝灾害损失情况。


  城市内涝预报预警系统

  基于创新性地设计理念、高精度数据快速获取、三维孪生动态模拟等先进性设计，打造城市内涝预报预警模型，建设城市内涝预报预警系统，可为城市内涝安全防治保驾护航：

  事前
  基于城市内涝模拟仿真，评估城市防汛现状、排水能力和达标情况，识别风险点，辅助预案编制。

  航天宏图信息技术股份有限公司将不断加强城市内涝预报预警服务能力，全方位支持城市防洪“四预”（预报、预警、预演、预案）建设，发挥治水领域示范引领作用，打造数字孪生城市内涝预报预警系统工程标杆，为智慧治水发展作出更大贡献。

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  网络编辑：赵岚