極端暴雨頻發，我國是洪澇災害最為(wèi)頻發的地區(qū)之一，每年汛期暴雨及其引發的洪澇災害給社會(huì)經濟發展和(hé)人(rén)民生(shēng)命财産安全造成了嚴重的損失。2021年的河(hé)南7.20特大(dà)暴雨由于降雨強度大(dà)、曆時(shí)長、洪災多(duō)發引起了廣泛關注，特大(dà)暴雨導緻鄭州、新鄉等多(duō)個(gè)城市出現嚴重內(nèi)澇。
4月1日，住房(fáng)和(hé)城鄉建設部召開(kāi)2022年城市排水(shuǐ)防澇工作(zuò)部署暨城市內(nèi)澇治理(lǐ)培訓視(shì)頻會(huì)議。會(huì)議強調，城市內(nèi)澇治理(lǐ)是個(gè)綜合問題，各級黨委、政府要高(gāo)度重視(shì)。一方面，要深刻汲取鄭州“7·20”特大(dà)暴雨災害教訓，始終對城市內(nèi)澇災害保持高(gāo)度的警惕性；另一方面，要充分借鑒武漢等地經驗做(zuò)法，主動适應和(hé)把握排水(shuǐ)防澇的新特點、新規律，提高(gāo)防災減災救災和(hé)防範化解風險挑戰的能力和(hé)水(shuǐ)平。抓早抓實城市防汛應對各項準備工作(zuò)，切實擔負起保護人(rén)民群衆生(shēng)命财産安全的整治責任，為(wèi)黨的二十大(dà)勝利召開(kāi)營造安全穩定環境。
基于實景三維的城市內(nèi)澇治理(lǐ)研究方法
随着我國人(rén)口的大(dà)幅增長、城鎮規模的不斷擴大(dà)、不透水(shuǐ)面積的大(dà)幅增加以及人(rén)類對自然資源的過度開(kāi)采，伴随而來(lái)的是一系列諸如城市內(nèi)澇、水(shuǐ)環境污染和(hé)山(shān)洪等城市和(hé)流域水(shuǐ)問題，水(shuǐ)安全形式十分嚴峻，這就需要利用高(gāo)效高(gāo)精度的雨洪模型研究洪災産生(shēng)、演進及消退過程，為(wèi)政府部門(mén)及時(shí)決策提供行(xíng)之有(yǒu)效的科學依據，從而最大(dà)程度減少(shǎo)洪災造成的損失。
随着計(jì)算(suàn)機技(jì)術(shù)的發展及GIS數(shù)據的豐富，雨洪模型也都在向精細化發展，而高(gāo)精度的雨洪模型研究對于三維場(chǎng)景的精細程度有(yǒu)很(hěn)高(gāo)的要求。城市洪澇模拟方面的水(shuǐ)文學方法、流域洪水(shuǐ)演進方面的水(shuǐ)動力方法對洪水(shuǐ)進行(xíng)模拟計(jì)算(suàn)，對于區(qū)域高(gāo)分辨率真實地形的模拟，穩定性、精度有(yǒu)很(hěn)高(gāo)的要求。
此外，在洪水(shuǐ)風險管理(lǐ)中，降低(dī)風險的主要瓶頸一般不是缺乏信息，而是如何溝通(tōng)和(hé)感知信息。高(gāo)精度洪水(shuǐ)災害模拟的同時(shí)應該促進受影(yǐng)響區(qū)域的決策人(rén)員、相關專業人(rén)員等積極參與到防洪決策之中，從而減少(shǎo)洪災造成的損失。而實景三維可(kě)視(shì)化技(jì)術(shù)能動态逼真地展示各類場(chǎng)景，實時(shí)展示各種信息，是解決這一問題的有(yǒu)效技(jì)術(shù)手段。而且實景三維技(jì)術(shù)在應用于城市內(nèi)澇及洪水(shuǐ)演進等自然災害模拟的後期展示也有(yǒu)較廣泛的使用場(chǎng)景。
實景三維中國建設把現實世界的山(shān)、水(shuǐ)、林、田、湖(hú)、草、沙等自然環境，城市的建築、道(dào)路、場(chǎng)地設施、地下管道(dào)等城市基礎設施，以及城市運管服的各項信息以數(shù)字化的形式映射到數(shù)字空(kōng)間(jiān)結合地理(lǐ)實體(tǐ)進行(xíng)表達，構建對人(rén)類生(shēng)産、生(shēng)活和(hé)生(shēng)态空(kōng)間(jiān)進行(xíng)真實、立體(tǐ)、時(shí)序化反映和(hé)表達的三維數(shù)字虛拟空(kōng)間(jiān)。這個(gè)三維數(shù)字虛拟空(kōng)間(jiān)是具有(yǒu)可(kě)視(shì)性、分析性、智能性的分級全量三維信息視(shì)圖。通(tōng)過三維數(shù)字虛拟空(kōng)間(jiān)，能夠實現城市全面透徹的動态感知、信息互聯和(hé)智能融合。
實景三維中的場(chǎng)景效果更加逼真，可(kě)模拟陰、晴、雨、雪等自然天氣環境變化，實現地形地貌景觀的三維實景表達，便于建築物、樹(shù)木等場(chǎng)景元素的導入，實現模型與地形之間(jiān)的完美銜接。實景三維場(chǎng)景可(kě)以在保證準确度的基礎上(shàng)可(kě)更加直觀地反映該區(qū)域內(nèi)澇點分布位置及對應的積水(shuǐ)範圍等情況，即通(tōng)過視(shì)覺效果來(lái)直觀獲取及判斷研究區(qū)的內(nèi)澇情況，更具真實感，同時(shí)又具備易于機器(qì)識别的特點，便于進行(xíng)機器(qì)自動識别的智能化管理(lǐ)，從而提供更良好的用戶體(tǐ)驗。
模拟城市內(nèi)澇和(hé)洪水(shuǐ)演進等洪澇災害過程，模拟水(shuǐ)文與水(shuǐ)動力過程，對降水(shuǐ)彙聚産生(shēng)水(shuǐ)流的過程應用相關的水(shuǐ)流運動的相關數(shù)學模型及相關專業的研究方法，可(kě)深入研究洪水(shuǐ)演進過程中的演進時(shí)間(jiān)、淹沒範圍等水(shuǐ)力特性，得(de)到城市易澇點分布、淹沒面積及洪水(shuǐ)演進過程等信息，并與實測數(shù)據對比驗證，較準确評估城市中的內(nèi)澇易發區(qū)域及淹沒情況。為(wèi)使顯示效果更加直觀，将數(shù)值模拟結果通(tōng)過實景三維平台對洪澇災害過程進行(xíng)可(kě)視(shì)化展示。實現将高(gāo)分辨率數(shù)值模型與實景三維技(jì)術(shù)結合，通(tōng)過将數(shù)字化模拟結果在實景三維應用場(chǎng)景進行(xíng)三維表達實現洪澇災害三維模拟應用。
實景三維構建城市三維數(shù)字化研究場(chǎng)景
将實景三維技(jì)術(shù)應用到水(shuǐ)利領域的處理(lǐ)展示方面，關鍵在于将高(gāo)分辨率數(shù)值模型與三維場(chǎng)景準确耦合，從而在保證準确度的前提下，對洪澇災害過程進行(xíng)可(kě)視(shì)化分析展示。洪澇過程模拟是基于區(qū)域內(nèi)網格實現對洪澇過程中淹沒面積、積水(shuǐ)深度、演進時(shí)間(jiān)等因素的分析，基于共同的網格編号、網格上(shàng)的屬性信息及定位處理(lǐ)等理(lǐ)論上(shàng)可(kě)以實現三維可(kě)視(shì)化和(hé)高(gāo)分辨率數(shù)值模型之間(jiān)的耦合。因此，網格劃分的越詳細，屬性越豐富，城市內(nèi)澇模拟效果越好。圍繞不同時(shí)刻網格中心點水(shuǐ)面高(gāo)程不同，但(dàn)網格編号始終不變的特點，實時(shí)進行(xíng)洪水(shuǐ)過程模型數(shù)值模拟結果的三維可(kě)視(shì)化展示。這樣在真正的應用中，對于三維場(chǎng)景中的各項數(shù)據的三維計(jì)算(suàn)與表達，以及高(gāo)分辨率數(shù)值模型的計(jì)算(suàn)都有(yǒu)很(hěn)高(gāo)的要求。
采用高(gāo)分辨率數(shù)值模型對內(nèi)澇過程進行(xíng)精細化模拟，模型需要輸入條件包括地形數(shù)據、影(yǐng)像數(shù)據、降雨數(shù)據、土地利用數(shù)據、曼甯系數(shù)及下滲數(shù)據、城市管網排水(shuǐ)數(shù)據、物聯感知數(shù)據等多(duō)源、高(gāo)精度、時(shí)序化數(shù)據。這些(xiē)數(shù)據都可(kě)基于實景三維平台進行(xíng)三維一體(tǐ)化表達。
城市內(nèi)澇模型的模拟運行(xíng)與三維表達
采用經過驗證的高(gāo)分辨率城市內(nèi)澇模拟數(shù)值模型模拟研究區(qū)域從開(kāi)始降雨到結束的積水(shuǐ)過程，可(kě)以實時(shí)顯示每分鍾的城區(qū)積水(shuǐ)情況。模型輸出結果為(wèi)不同時(shí)刻下該區(qū)域所有(yǒu)網格的屬性信息包。模拟積水(shuǐ)程度與實際情況對比，包括坐(zuò)标信息、地形高(gāo)程、水(shuǐ)面高(gāo)程、水(shuǐ)深等，根據網格上(shàng)的屬性信息可(kě)獲取到該區(qū)域不同時(shí)刻的內(nèi)澇點位置分布、積水(shuǐ)面積、積水(shuǐ)深度等內(nèi)澇情況。由模拟結果可(kě)知，該區(qū)域內(nèi)澇積水(shuǐ)量，實時(shí)顯示标記出內(nèi)澇積水(shuǐ)量較大(dà)的積水(shuǐ)區(qū)，顯示內(nèi)澇影(yǐng)響的嚴重程度。
在實際降雨發生(shēng)時(shí)，利用實時(shí)氣象數(shù)據進行(xíng)模拟降水(shuǐ)過程，模拟積水(shuǐ)程度與實測情況對比，通(tōng)過模拟效果與實際降水(shuǐ)積水(shuǐ)情況的差距進行(xíng)相關系數(shù)的修正。相關模型與參數(shù)的模拟效果與實際降水(shuǐ)積水(shuǐ)情況對比的誤差在允許範圍內(nèi)就可(kě)以用來(lái)進行(xíng)城市內(nèi)澇管理(lǐ)分析。
城市三維場(chǎng)景下的排水(shuǐ)能力檢測與提升
應用測試好的城市內(nèi)澇模型進行(xíng)城市最大(dà)可(kě)接受降水(shuǐ)量模拟，預測城市排水(shuǐ)設施能承受的極限降水(shuǐ)量。
根據預測結果進行(xíng)下水(shuǐ)設施改造，提高(gāo)排水(shuǐ)系統可(kě)承受的極限降水(shuǐ)量。
改造後排水(shuǐ)設施的排水(shuǐ)能力已經改變，繼續根據利用實際降水(shuǐ)數(shù)據進行(xíng)進一步修正城市內(nèi)澇模型的參數(shù)。形成新的與城市下水(shuǐ)能力匹配的城市內(nèi)澇模型參數(shù)。
在實際的雨季到來(lái)時(shí)，根據實時(shí)的氣象水(shuǐ)文數(shù)據，進行(xíng)區(qū)域內(nèi)降水(shuǐ)監測和(hé)內(nèi)澇情況的預測，根據降水(shuǐ)發展預測的結果進行(xíng)內(nèi)澇災害的應急管理(lǐ)。城市氣象部門(mén)的能夠對于區(qū)域內(nèi)的氣象條件的變化進行(xíng)預測，城市內(nèi)澇模型根據氣象部門(mén)的數(shù)據對城市內(nèi)澇點的出現與內(nèi)澇區(qū)域發展的情況進行(xíng)預測，提供精确的內(nèi)澇點三維場(chǎng)景展示，提前有(yǒu)針對性布置防澇措施，組織防澇巡查人(rén)員，排查風險區(qū)域，及時(shí)疏散有(yǒu)內(nèi)澇風險區(qū)域居民，盡可(kě)能的減少(shǎo)內(nèi)澇的影(yǐng)響，對內(nèi)澇災害風險等級高(gāo)的區(qū)域，根據實時(shí)氣象水(shuǐ)文數(shù)據進行(xíng)災害風險評估，以及對于洪澇災害較嚴重區(qū)域進行(xíng)洩洪方案模拟。
在內(nèi)澇發生(shēng)時(shí)對于內(nèi)澇發生(shēng)的地點進行(xíng)實時(shí)監控分析，實景三維平台能夠提供城市內(nèi)澇發生(shēng)前後的地形場(chǎng)景，結合實時(shí)的內(nèi)澇數(shù)據能夠計(jì)算(suàn)內(nèi)澇區(qū)域的水(shuǐ)深，分析內(nèi)澇對于區(qū)域交通(tōng)的的影(yǐng)響範圍，及時(shí)進行(xíng)交通(tōng)管控。通(tōng)過物聯網數(shù)據進行(xíng)全市內(nèi)澇情況快速彙總，一屏展示，三維可(kě)視(shì)化表達，實時(shí)統計(jì)內(nèi)澇區(qū)域群衆數(shù)量統計(jì)，對于周邊醫(yī)療、公安、消防等救援力量的實時(shí)感知，實現救援力量的統一調配和(hé)救援方案的科學制(zhì)定與高(gāo)效實施。
實景三維在城市內(nèi)澇災害過去後的城市重建工作(zuò)中也有(yǒu)着巨大(dà)的應用場(chǎng)景，根據降雨過程的記錄，在實景三維場(chǎng)景中能夠全面的還(hái)原內(nèi)澇發生(shēng)的過程，為(wèi)城市面貌的複原，城市基礎設施的改造，內(nèi)澇災害帶來(lái)的損失評估、保險理(lǐ)賠等災後重建工作(zuò)提供有(yǒu)力的支持。