城市洪涝风险智能预测系统

　　（一）基本情况

　　1. 案例概述

　　随着我国城镇化进程的加快和气候变化的影响，暴雨内涝灾害成为各大中城市汛期面临的突出问题之一，尤其是沿海城市，受特殊地理位置和气候条件影响，极易遭受台风、暴雨、高潮和上游洪水的组合威胁，形成“二碰头”、“三碰头”甚至“四碰头”的现象。构建能对城市洪涝进行实时、快速且较准确的动态预测分析系统是增加预警准备时间、提升决策科学性，从而有效应对洪涝灾害的重要手段。

　　城市实时动态洪水风险图应用系统以水文-水动力暴雨洪水分析模型为核心模块，通过与外部的气象精细化定量降雨预报数据库、自动雨量站实时监测数据库及实时水情数据库相关联，实现了对城市暴雨、河道洪水和风暴潮等单一发生或遭遇组合引起的淹没分布的快速实时预报计算，模拟和预测城市洪暴潮灾害的有关淹没特征数据，实现了模型输入条件、输出结果的可视化，淹没分析结果的图形化及淹没过程动态化展示，并可根据模拟结果制作区域和道路洪水风险图，对相关洪水风险信息进行查询和统计分析，为城市洪涝风险的实时动态分析和防汛指挥调度决策提供了重要工具。

　　该案例从2016年开始至今持续应用于上海市的防汛实践中，开发了上海市实时动态洪水风险图应用系统（图1），模型范围包括中心城区、浦东新区和嘉宝片，总面积2732km²，覆盖了大陆片近一半的区域。系统已成为上海市防汛应急中常态化应用的业务工具之一，除了作为汛期防汛应急保障演练的重要环节，还在应对包括“利奇马”、“米娜”等台风在内的汛期暴雨内涝时，提前基于气象预报信息开展模拟分析，及时发布内涝分析专报，在提高城市对洪涝灾害的“先知先觉”实践中取得了良好的效果，为防汛科学调度决策提供了有力支撑。

图1 上海市实时动态洪水风险图应用系统界面

　　2. 案例实施主体、服务对象及适用场景

　　该案例的实施主体是中国水利水电科学研究院，服务对象为以上海市防汛信息中心为主的上海市防汛应急部门。案例适用场景包括：

　　（1）城市暴雨洪涝灾害的实时预报分析

　　根据气象部门定期推送的未来6小时、72小时精细化预报降雨和常规降雨预报信息，利用系统快速设定预热期和预见期后，可自动加载实测和预报降雨、水位过程以及闸泵工程运行参数，并调用暴雨洪水分析模型进行实时预报模拟分析，快速预测灾害可能引起的洪水风险时空分布、生成风险专题图和内涝预报专报。

　　（2）沿海城市堤防（海塘）漫溢、溃决实时模拟分析

　　适用于沿海城市河道堤防或海塘在强暴雨、上游洪水、风暴潮等影响下发生漫溢或溃决对当地造成的淹没模拟实时分析。

　　（3）历史暴雨洪涝灾害桌面重演

　　针对已发生的历史典型场次暴雨洪水，可利用系统以实测降雨、水（潮）位和工程实际运行参数为基础，对洪涝灾害进行桌面重演。

　　3. 案例关键技术

　　（1）城市水文水动力暴雨洪水分析模型

　　研发了城市地表-河网-地下管网系统联动的水文-水动力耦合暴雨洪水分析模型，具有模拟暴雨内涝、外洪泛滥、潮位顶托及组合遭遇的功能。考虑阻水与导水建筑物、堤防溃决与漫溢、闸泵等工程调度作用，实现了地面淹没、地下排水、道路行洪和地下空间进水模拟计算。

　　（2）动态洪水风险图系统与气象精细化预报降雨的耦合技术

　　研发了基于气象预报大尺度格网和实测雨量站降雨数据的“雨量站点-气象格网-水力网格”降雨二级空间融合技术，和以最小化预报雨量时段为基础的气象预报降雨时间序列滚动覆盖预处理技术，实现了动态洪水风险图系统模型与气象精细化预报降雨的耦合。

　　（3）离散网格化洪水风险数据挖掘和专报自动生成技术

　　在传统的以离散网格展现的洪水风险信息基础上，结合上海市防汛应用实际需求，充分挖掘数据内涵，利用数据挖掘提取和GIS空间分析技术首创性研发了包含11项洪水风险要素要点的城市内涝预报专报自动生成技术，包括实测和预报雨情、区域平均积水深度、积水集中区域、最大水深出现区域、可能积水道路数量、道路水深范围、积水集中路段、不同水深区间的积水路段、网格积水分布图和道路积水分布图，实现了对内涝风险的快速一站式概览。

图2 城市内涝预报专报示例

　　4.实施情况和主要特点

　　（1）实施情况

　　上海市实时动态洪水风险图应用系统是在2013~2015年全国重点地区洪水风险图编制项目实施后期，根据国家防办要求，选择以上海市中心城区和浦东新区作为实时动态洪水风险图系统应用试点，系统具有水雨情信息查询、洪水分析计算、风险信息查询、风险图绘制、风险图管理和系统设置六项功能。系统通过与气象精细化暴雨定量预报数据库相关联，快速开展暴雨内涝的实时预报计算，并在系统中快速生成暴雨内涝分析简报和绘制洪水风险图，实现了对暴雨洪水风险的实时动态分析。

　　系统于2016年汛期投入运行，从2017年至2019年，每年均根据上海市最新变化情况，进行基础底层数据和模型参数的更新调整，模型范围扩展至覆盖嘉定和宝山区，并不断完善系统各项功能模块，提升系统与气象常规和精细化定量预报数据的结合度、暴雨内涝预报专报生成的智能化和模型模拟精度。

　　（2）主要特点

　　1）对不同类型气象预报降雨信息的适应性强

　　系统提供了3种类型预报降雨来源选择，即6小时短临预报降雨、72小时预报降雨及手工设定方式。其中，手工设定方式可任意指定总雨量、雨型、雨强及雨量在不同区县的空间分布，有效满足了沿海城市在应对梅雨、台风暴雨、局地强降雨等不同气象条件下开展暴雨内涝实时预报分析的需求。

　　2）暴雨内涝预报分析计算速度快

　　系统能在5分钟内完成24小时降雨过程的模拟分析、前后处理及结果展示，大大满足了防汛应急期间对洪水风险分析时效性的要求。

　　3）洪水风险信息的呈现方式多样且贴合实际需求

　　系统以专报文档、专题图、数据表、动画渲染、统计值等多种方式展现研究区域内网格、道路水深的时空分布特点和风险程度大小。尤其是专报文档中全面涵盖水雨情信息、内涝分析结果和积水分布图，成为上海市防汛部门汛期收到气象暴雨预警信息后，及时在其水务公共信息平台发布的专业防汛专报之一，向市级和各区县灾害防御和应急调度决策部门公布。

　　（二）案例创新性

　　1.基于气象精细化定量降雨预报的城市实时动态暴雨洪涝快速分析流程

　　以城市水文-水动力暴雨洪水分析模型为核心，以外部的不同历时气象精细化定量降雨预报数据库、实测水雨情数据库和闸泵工程运行数据为基础，研究提出了一套实时快速分析城市暴雨洪涝风险的流程，该流程包括降雨预热期和预见期设定、水雨工情数据加载、模型运行计算、风险信息后处理和内涝预报专报自动生成共5个关键环节，实现了对城市洪涝灾害的快速“先知先觉”。

　　2. 离散网格化洪水风险数据挖掘和专报自动生成技术

　　基于数据挖掘提取和GIS空间分析技术，在传统的以离散网格或道路线要素展现的洪水风险信息基础上，首创性研发了包含11项洪水风险要素要点的城市内涝预报专报自动生成技术，实现了对内涝风险的快速一站式概览。

　　（三）案例应用成效

　　系统运行至今已累积计算了350多个实时预报暴雨方案，汛期平均每3天使用一次。2018年，上海首次将洪水风险图动态实时分析作为汛期防汛应急保障演练的重要组成部分，是防汛应急保障演练的第一环节。2019年，系统共计算了实时预报暴雨方案126个，比2018年增加60个，在汛期（6~9月）计算的共101个。系统已成为上海市防汛部门常态化使用的业务系统之一，在应对包括“摩羯”、“温比亚”、“利奇马”、“米娜”等在内的汛期台风暴雨或局地强降雨引起的内涝灾害时，能提前基于气象预报信息开展模拟分析，及时发布内涝分析专报，在提高城市对洪涝灾害的“先知先觉”实践中取得了良好的效果，为防汛科学调度决策提供了有力支撑，取得了显著的经济和社会效益。

　　（四）案例可推广性

　　本案例对于面临洪涝灾害威胁的其他城市开展实时、快速和智能化的洪涝风险分析具有较高的推广价值，通过推广应用可以实现对城市洪涝风险的快速、智慧和高效预报预警，为灾害防御部门科学决策与有效响应提供及时有效的决策支持和赢得更充足的准备时间。