1.引言
城市内涝是由于短时强降水或连续性降水超过城市排水能力引起的积水灾害现象。近年来受极端气候、城市扩张与城市群形成的影响，再加上排涝能力低下、城市预警手段和应对措施不完善，我国城市内涝灾害频发，城市洪涝已成为制约城市高质量发展的突出生态环境与安全问题。
内涝预警是在暴雨到来之前，提前预测下垫面的内涝积水分布情况，并根据内涝积水分布情况，及时发布风险预警信息，从而使防灾减灾救灾措施更具针对性。这就需要对下垫面的内涝积水情况进行精细分析和预测，以满足城市防洪精细化管理的需求。
本文将以香港九龙半岛一地为例，介绍地下管网一维、地表二维城市内涝耦合模拟技术。
2.研究区域概况
该区域地势平坦低洼，且包含大面积填海造陆形成的陆域。高密度的建筑布局与人口集聚特征，叠加低洼易涝的地形条件，使得九龙成为受洪涝风险影响显著的脆弱区域。本文研究流域内的土地利用类型分类如图1所示。其中流域内透水区域（如林地、灌丛及草地）仅占总面积的 3%。受香港土地资源稀缺、开发成本高昂的现实约束，区域地表以高度不透水为主，致使流域径流调控与管理面临显著压力。
图1 研究区域及土地利用情况
3.降雨条件
对城市内涝致灾的降雨条件采用两种：人工模拟降雨和气象预报降雨。人工模拟降雨采用暴雨强度公式+雨型得到雨量过程线。气象预报降雨对研究区域范围较大的情况采用栅格预报降雨数据，本文由于研究区面积不大，降雨空间异质性较小，故假设降雨分布均匀。
香港常用的暴雨强度公式（强度-历时-频率）采用以下形式：
I：降雨强度 (毫米/小时, (mm/h))
t：降雨历时 (分钟, (min))
a, b, c：不同重现期（如 50年、100年、200年一遇）的经验参数
按照暴雨强度公式+芝加哥雨型得到的典型雨量过程线如下图所示：
图2 典型设计暴雨雨量过程线
4.地下管网
研究区域地下管网由667段管段、660个雨水井、2个排水口组成。系统中可用鼠标动态拾取对象进行对象属性信息的展示，如下图所示。其中管段根据直径/宽度进行了线宽条件渲染。
图3 加载管段数据
图4 加载雨水井数据
5.地表二维网格
地表二维网格采用正交四边形和三角形混合网格，对管段及管井周边区域进行单元尺寸局部加密以捕捉地表雍水、漫溢等精细化水力特征，有效提高地表积水径流演进的模拟精度。计算网格如下图所示。
图5 地表二维网格
图6 地表二维网格（放大局部）
6.预演场景库
对人工模拟降雨场景通过手动保存场景，对滚动预报降雨模拟结果可自动实时的保存入库，模拟降雨场景如下图所示。
图7 模拟降雨场景
对滚动预报降雨模拟结果可以以预报时间作为过滤条件进行数据库查询，如下图所示。
图8 预报降雨场景
对不同的场景方案可添加进对比列表，如下图所示。
图9 场景方案对比
7.结果查看
对实时计算和存档的内涝预演场景的结果查看过程描述如下。
7.1预演结论
预演结论如下图所示，包括整体的降雨总量，降雨历时，积水面积，积水总量，积水点数，最大积水深度，以及整个降雨历时中管段的最大排水负荷分布。
图10 预演结论
7.2地表水深
勾选目录树地表水深节点，拖动时间轴播放以地表水深着色的积水演进动画，点选点采样按钮随着鼠标移动动态显示拾取点的水深、水位、流速。
图11 地表水深
7.3管井瞬时溢流流量
勾选管井瞬时溢流流量，将在地球中绘制出现溢流的雨水井，鼠标靠近雨水井在弹出的对话框中绘制溢流流量随时间变化的折线。
图12 管井瞬时溢流流量
7.4管井随时间累计溢流量
勾选管井随时间累计溢流量，将在地球中雨水井位置绘制圆柱体，圆柱体高度表征溢流量，并注写溢流量数值，拖动时间轴可进行更新显示。
图13 管井随时间累计溢流量
7.5管井总累计溢流量
此项与上文对比为管井总累计溢流量的静态数据展示，如下图所示。
图14 管井总累计溢流量
7.6管段瞬时排水负荷
勾选目录树节点管段瞬时排水负荷，根据管段的排水能力以不同的颜色进行绘制，并随时间轴更新，可分析管网的运行负荷情况，评估管网的排水能力。
图15 管段瞬时排水负荷
7.7管段最大排水负荷
此项与上文对比为整个历时中管段最大排水排水负荷的静态数据展示，如下图所示。
图16 管段最大排水负荷
7.8管段纵断面图
管网纵断面图采用广度优先搜索算法找到从用户拾取的雨水井起点到终点的最短路径，沿程绘制雨水井和管段，并绘制地面高程线、管道底高程线、管道顶高程线、井水深和管段水深。在管段详细信息表格中注写：管段ID、长度、管径/宽度、坡度、曼宁系数、上下游节点、水深、负荷、流量，其中水深、负荷、流量可随时间轴更新，分别如下图所示。
图17 寻找最短管段路径
图18 管网纵断面图
7.9下载淹没范围
对存档的场景和实时计算的情况，提供了下载淹没范围的功能，点击按钮下载wgs84投影按照水深过滤的淹没范围，元素类型为multiPolygon，写入了最大淹没历时、最大淹没水深属性字段，在qgis中打开如下图所示，可使用桌面GIS工具进行更多场景的应用。
图19 桌面软件加载淹没范围
8.实时计算
对预报降雨可在后台设置定时任务进行滚动模拟预报，对人工模拟降雨可在下面的面板中输入降雨历时、重现期、雨峰位置计算降雨序列，在得到降雨序列后点击开始计算按钮执行地下管网及地表二维网格耦合计算。
图20 实时计算输入面板
按芝加哥雨型计算得到的降雨序列如下图所示。
图21 计算设计降雨过程线
提交计算后弹出计算进度对话框，展示服务器实时回传的前处理、模型计算及后处理的进度，如下图所示。
图22 计算进度及后处理进度对话框
对人工降雨模拟结果可点击保存场景按钮进行持久化保存，如下图所示。
图23 保存场景
9.结语
本文通过构建一维管网与二维地表耦合模拟系统，可精准适配高密度城区、高不透水区域的内涝模拟需求，能够直观、高效地再现城市暴雨内涝的演进全过程，可为区域洪涝风险评估、排水管网效能校核、内涝预警防控及海绵城市运维管理提供可靠的技术支撑。
同时本研究采用的物理耦合模拟方法在进行有效参数率定的情况下精度可靠，但存在计算耗时较长、实时推演与超长预见期预警能力受限的问题。可引入数据驱动方法，依托验证过的海量的物理模拟场景数据集，构建机器学习、深度学习等智能预测模型，以高精度物理模拟结果为训练样本，弥补传统物理模型迭代计算耗时、推演效率低的短板。通过数据驱动模型实现内涝积水深度、溢流风险、管网负荷状态的快速预测，大幅提升模拟推演效率，有效延长洪涝预报预见期，实现高精度、快响应、长预见的城市内涝智能预警，进一步完善城市洪涝防灾减灾技术体系。
城市内涝模型