中小城镇实时洪水分析预警系统研发与应用--以贵州都柳江榕江县城区为例

　　（一）基本情况

　　1. 案例概述

　　确保城市防洪安全是智慧水务实施的前提和关键。洪水风险分析技术借助于计算机数值模拟，能够直观反映洪水可能淹没区域洪水风险要素空间分布特征或风险管理信息，为洪水风险管理提供了新的手段。我国自2013年启动了全国重点地区洪水风险图编制，为重要城市和重点防洪区洪水风险管理奠定了良好基础。但传统静态风险图因为降雨、洪水过程等边界条件和计算方案相对固定，洪水过程模拟时效性和表现形式也不够灵活，对于防汛应急抢险的支持深度和广度还有待进一步挖掘。实时洪水风险分析根据实测或预报的降雨、水位、流量等水文信息，开展洪水模拟分析、过程动态展示、人员转移和影响评估等，对于我国大多数缺资料河流沿岸的中小城镇，精细化防洪决策，为防汛应急、抢险救灾等提供实时决策支持信息。

　　贵州省榕江县城区地处都柳江、寨蒿河、平江河三江汇流处，地势低洼,河道洪水宣泄能力较差，受干支流洪水遭遇和回水顶托影响，历年涝灾灾害频发。针对当前榕江县城防洪任务重，洪涝机理、预警系统建设滞后等问题，依托中国水科究院研发了都柳江榕江城区洪水实时预报系统，属贵州省首个通过现代化手段指导城镇防汛抗洪工作的信息化运用系统。该系统基于自主研发的IFMS/URBAN(1D+2D+SWMM）和CTS Space三维仿真渲染引擎和高精度无人机航测数据，通过与上游水文监测站点数据联动，实时计算、预测城区控制断面洪水到达时间、漫堤位置，以及城区可能淹没范围、淹没历时等信息，并可进行动态三维展示；同时与城市防洪应急预案实时联动，动态绘制转移作战指挥地图，生成预警信息并推送至相关人员，实现人员提前有序转移避险。为遭遇大洪水时科学精准调度、精细化应急管理和预报预警提供技术支撑。

　　2. 案例实施主体、服务对象及适用场景

　　都柳江榕江县城区洪水实时分析与预警系统案例实施主体为中国水利水电科学研究院,服务对象为黔东南州山洪灾防治项目建设工作领导小组办公室、贵州省黔东南州水务局和榕江县水务局。

　　本项目解决方案是自主实时洪涝分析一二维耦合模型、预报预警系统与三维展示集成技术在中小城镇的创新应用，相关研究成果适用于我国广大缺资料中小河流流域沿岸城镇，能够有效满足精细化防洪决策、调度指挥和智慧水务管理的需求。相较于传统静态风险图，案例集成融合了无人机航测三维建模、站点实时监测数据驱动、高效耦合洪水分析模型和洪水演进动态三维展示与预警于一体，对于中小城镇科学精准调度、精细化应急管理和预报预警具有重要推广应用价值。

　　3. 案例关键技术

　　针对项目区洪涝灾害季节性强、频率高，山丘区洪水易突发、难预测、成灾快、危害大等特点，以及干支流洪水遭遇复杂、上游洪水监测预报能力不足，县域基础资料薄弱、洪水预报预警能力不足等现状问题，在借鉴国内外洪水预报预警先进建设经验的基础上，开发了城市实时洪涝分析预警系统。取得的关键技术如下：

　　（1）通过固定翼无人机和三维倾斜摄影技术采集了城区时效性较强的高分辨率正射影像数据（DOM）、数字高程数据（DEM）和精细化三维仿真场景模型，为洪水耦合模型构建、淹没分析和洪水演进三维展示奠定基础，提高了数据汇集整合及协同融合能力。

　　（2）充分利用当前移动通信、智能监测等技术，建设了城区上游河道控制断面独立运行的雷达洪水监测站点，以及实时数据传输系统，站点与洪涝模型耦合联动，实时监测上游来流变化，滚动预测洪峰流量、超警断面水位及到达城区时间，以及可能出现的洪水组合情况，有效提高洪涝预见期和智慧感知能力。

　　（3）基于自主研发的IFMS/URBAN(Integrated Flood Modeling System,1D+2D+SWMM）平台，在多源航测数据支撑下，考虑堤防、道路、河道和地表建筑等因素对榕江县城区的区域地形分割，以及阻水导水作用，对区域进行精细化网格剖分，建立流域上、下游河道和城区一二维耦合洪涝分析模型，模型预留了与雷达站点实时洪水监测数据、基于历史洪水资料的典型频率设计洪水和区域短历时设计暴雨内涝等边界条件输入接口，快速模拟预报城区未来3至6小时内的洪涝淹没情况。

　　（4）基于实时洪水风险分析水动力模型，开发都柳江榕江县城区洪水实时分析预警系统，系统包括汛情监视模块、实时计算模块、预警发布模块、三维展示与避洪转移模块等。在高分辨率DOM、DEM和三维仿真模型、实时洪水监测数据等多源数据及自主CTS Space三维仿真渲染引擎支持下，系统能实时启动并预测分析城区淹没状态，判别特征断面水位否达到预警水位指标，基于洪水淹没计算结果进行三维展示，面向防汛部门及公众及时提供洪水预警信息。

4.实施情况和主要特点

　　2019年3月启动项目建设，2019年4月15日，完成无人机航测、河道断面及地物测量，雷达站点及数据传输系统建设，以及实时洪涝模型构建和预警系统初步开发，通过初步验收并部署试运行；2019年7月20日，经汛期率定验证，完成项目全部开发；2019年11月通过项目初步验收，成果满足项目要求，洪水率定验证效果达到预期目标。

　　（二）案例创新性

　　本案例集成了无人机高精度三维航测数据、站点实时洪水监测数据，基于历史统计资料的设计洪水、设计暴雨数据和自主IFMS/URBAN模型平台，研发了实时洪水分析数值模型和预警系统，可以灵活输入洪水计算情境方案，进行关键断面预报预警、城区洪水淹没产汇流分析。并基于CTS Space三维仿真渲染引擎，能够以任意视角切换等更加直观方式精细化动态展示和淹没过程，并与防汛应急预案联动实现预警动态预警发布，有效改变了传统风险图边界条件、计算方案相对固定，洪水过程模拟时效性和表现形式不够灵活等不足。

图1 应用方案技术流程路线图

　　（1）基于IFMS/URBAN自主洪水分析软件平台：由中国水利水电科学研究院自主研发，包含复杂水利工程调度的一维河网引擎，高分辨率二维洪水引擎、快速非结构网格生成模块，集成国内外广泛使用的SWMM管网模型，基于自主研发的GIS平台，完成了模型前后处理功能研发，实现了一二维耦合以及管网与二维模型耦合。

图2 IFMS/Urban平台软件总体框架

 

　　（2）高分辨率无人机航测及三维场景建模数据集成融合：利用固定翼无人机和倾斜摄影采集项目区时效性较强的高分辨率航测数据，进而得到高分辨率DOM、DEM和三维仿真场景模型，清晰展现居民房屋、桥梁、涵洞等三维建筑物，为城区洪水分析计算、洪水演进三维展示、应急撤离等奠定数据基础。

图3 重点区域航测及三维场景建模

 

　　（3）控制断面雷达站点洪水监测数据实时传输与耦合联动：选取都柳江、寨蒿、平江河控制性河段，建设7套雷达水位站点网络及数据传输系统，实现水位、流量信息的自动采集；建设监测点到数据中心的通讯网络系统，实现各类监测信息能实时传输到监测中心，为驱动实时洪涝分析模型和预报预警系统，提供实时动态边界条件输入。

 

图4 雷达水位站点及数据传输系统建设

图5 部分雷达水位站点现场及运维

　　（4）实时一二维耦合水动力学模型构建：在多源航测数据支撑下，考虑堤防、道路、河道和地表建筑等因素对榕江县城区的区域地形分割，以及阻水导水作用，对区域进行精细化网格剖分，建立流域上、下游河道和城区一二维耦合洪涝分析模型，模型预留了与雷达站点实时洪水监测数据、基于历史洪水资料的典型频率设计洪水和区域短历时设计暴雨内涝等边界条件输入接口，快速模拟预报城区未来3至6小时内的洪涝淹没情况。  

图6 实时一二维耦合水动力学模型构建

图7 洪水来源及边界条件接口

 

　　（5）都柳江榕江县城区洪水实时分析预警系统开发：基于实时洪涝分析水动力模型，开发都柳江榕江县城区洪水实时分析预警系统，系统包括汛情监视模块、实时计算模块、预警发布模块、三维展示与避洪转移模块等，可满足智慧防汛决策支持要求。

图8都柳江榕江县城区洪水实时分析预警系统框架

图9实时汛情监视预报界面

图10任意流量/时段/洪水过程时间序列输入

图11 洪水

 

图12 洪水淹没三维场景展示

图13 洪水影响分析与统计

图14 避洪转移分析

 

（6）合作研发的自主CTS 三维仿真加载渲染引擎：与北京尔希科技合作研发了CTS Space洪水三维仿真模型引擎，涵盖CTS Earth、CTSServer、CTS SDK等多个模型接口，融合了动态缓存、LOD技术和实时四叉树索引等多媒体与虚拟现实交互技术，解决了海量三维模型数据的实时加载渲染问题，能够以实时、流畅、沉浸式的方式动态展示洪水演进。

图15 CTS动态缓存交互、LOD、实时四叉树索引关键技术

 

　　（三）案例应用成效

　　自2019 年 4 月 30 日完成实时洪水分析与预警系统软件部署、安装调试和试运行以来，采用2016洪水过程对城区淹没范围和水位，对模型和系统进行了率定验证。并经历了汛期2019-07-06、2019-07-19两次洪水过程，对城区河道洪峰到达时间、控制断面水位进行了检验和进一步修正率定。

　　（1）2016洪水过程率定验证

　　2016年7月2日，强降雨使地处都柳江、平永河、寨蒿河交汇处的榕江县城被洪水围困，县城低洼地带被洪水淹没，连接新旧城的榕江大桥、榕江二桥因洪水无法通行，洪水量级接近20年一遇。系统及模型开发完成后，利用2016年7月2日都柳江、平永河、寨蒿河上游水文站点洪水水位、流量等实测洪水资料，通过洪水淹没过程进行重现，结合实地调查洪痕、航拍照片，对城区淹没过程、范围、水深、特征断面水位等进行了对比验证，并据此对模型参数进行了率定。

图16 2016年7月2日实测洪水过程

　　从2016年7月石灰厂出口断面实测与模拟流量曲线对比结果可以看出，断面实测与系统模拟流量曲线洪水涨落、洪峰形态趋势总体拟合度较好，峰值流量模拟计算值与实测值相差约320m³/s，相较于实测最高峰值流量7290m³/s，总体误差在5%以内。

图17 2016年7月石灰厂出口断面实测与模拟流量对比

　　从2016年7月航拍与模拟计算结果老城区南部区域漫溢、新城区体育场区域排洪沟倒灌淹没范围对比结果可以看出，航拍照片淹没范围与模拟计算三维展示结果较为温和，局部建筑物、立交桥等特征地物淹没水深基本相符。

图17 2016年7月2日航拍照片与模拟淹没范围对比

图18 2016年7月2日新城区模拟淹没范围和淹没居民区计算结果

　　（2）2019-07-06、2019-07-19洪水过程率定验证

　　2019年汛期都柳江、寨蒿河、平江河未发生导致榕江县城区漫溢或溃堤的重大洪涝灾害，利用2019-07-06、2019-07-19两次高水位洪水过程资料，城区河道洪峰到达时间、控制断面水位进行了检验。

图19 2016年6-9月汛期洪水过程

站点	用途	距离（km）	预警时间预估（h）
ZH1	洪水预警	29.11	5
ZH2	洪水预警	23.99	3
ZH3	模型率定验证	11.5	1.5
PJ1	洪水预警	19.86	2.5
DLJ1	洪水预警	54.11	6.5
DLJ2	模型率定验证	31.76	4.2
DLJ3	模型率定验证	18.85	3

      2019年7月6日系统汛期监视报警截图

图20  2019年7月19日定旦-八开站洪水演进时间验证实测与模拟结果对比

　　实测与模拟结果总体拟合度较好，峰值偏大220m³/s，相较于实测最高峰值流量2360m3/s，总体误差约9.2%，经分析与雷达站点断面估算流量偏大、区间汇流有关，符合预警偏安全考虑原则设计的初衷。

图21 2017年7月18-24日石灰厂出口断面实测与模拟流量对比

图22 2016年7月19日章鲁大桥和榕江四中模拟与实测最高洪水位对比

图23 2019年7月19日榕江二桥模拟与实测最高洪水位对比

 

　　（3）模型参数率定及系统优化

　　根据实测洪水过程，以及现场实际调研和补充测量情况，在城区关键点位对模型河网断面加密了断面序列，并增加了部分滚水坝、景观闸等影响洪水过流特性的控制断面，以及章鲁大桥、五中、体育场等位置堤坝沿线的重要排洪/溢洪口门，以更好模拟洪水在城区的演进特征；结合2019年汛期上游水文站洪水水情，对雷达站点所在控制断面的水位、流量进行了修正。同时，分河段对模型中河床主槽滩地糙率、下渗率等关键参数进行了率定。

  

  

图24 模型参数率定及优化

　　（四）案例可推广性

　　确保城市防洪安全是智慧水务工作开展实施的前提和应有之义。针对当前榕江县城防洪任务重，洪涝机理、预警系统建设滞后等问题，中国水利水电科学研究院主持研发的都柳江榕江城区洪水实时预报系统，属贵州省首个通过现代化手段指导城镇防汛抗洪工作的信息化运用系统。该系统通过与上游水文监测站点数据联动，实时计算、预测城区控制断面洪水到达时间、漫堤位置，以及城区可能淹没范围、淹没历时等信息，并可进行动态三维展示；同时与城市防洪应急预案实时联动，动态绘制转移作战指挥地图，生成预警信息并推送至相关人员，实现人员提前有序转移避险。

　　该应用案例在试运行过程中，经历了汛期洪水过程，对城区河道洪峰到达时间检验和率定验证，整体模型计算精度符合标准要求，系统运行稳定可靠，相较于传统静态洪水风险图，该系统集成解决方案根据实测水文信息，开展洪水模拟分析、过程动态展示、人员转移和影响评估等，对于我国大多数缺资料河流沿岸的中小城镇，科学精准调度、精细化防洪决策和应急管理具有重要参考意义和推广价值。