城市防洪排澇智能調度系統的應用

喻 青,潘 清,徐維發,戴雄奇

(1.深圳市寶安排水有限公司,廣東深圳 518102;2.深圳市深水寶安水務集團有限公司,廣東深圳 518133)

近年來,極端天氣成為全球性氣候問題。在我國,極端強降雨頻發,一些城市的降雨量紀錄屢屢刷新,且來勢猛、速度快、歷時短,造成了嚴重的城市內澇,給城市的防洪排澇工作帶來了很大壓力。在信息化建設快速發展的背景下,為確保城市防汛安全,提高對暴雨洪水、防汛突發公共事件的快速反應和應急處置能力,如何將信息化技術最新科技成果應用到城市防洪排澇行業,是信息化及城市排澇行業科技工作者面臨的一個迫切需要解決的問題。本文通過對南方某城市防洪排澇信息化建設案例的介紹,對城市防洪排澇信息化系統的總體結構、建設內容、主要創新點及實際應用情況作了分析總結,以供參考。

1 概述

目前,我國城市防洪排澇面臨的主要問題如下。

(1)部分城市地勢低洼,下泄洪水遇到河道高水位時,受高水位頂托,水位抬升,區域排水不暢,低洼地帶容易形成內澇。

(2)城市現狀排水系統標準低,多數已建成的城市雨水管網系統的設計暴雨重現期僅為1年,部分老舊城區甚至只有0.3～0.5年,一旦暴雨強度超過城市雨水管網系統的設計標準,就會出現低洼地區嚴重積水的現象。

(3)由于高速的城鎮化,城區硬化地面的占比大幅度提高,地表的蓄水能力不斷下降。同時,一些天然蓄水池的消失,在一定程度上降低了城市的排澇功能,增加了地表徑流量。因此,每逢強降雨,低洼地區積水嚴重。

城市洪澇災害嚴重影響了居民的生產生活及城市運轉,為科學、合理地對防洪排澇進行管控,迫切需要開展防洪排澇信息化建設工作。目的就是利用數字化、互聯網、物聯網等技術手段,充分開發和利用相關信息資源,提高城市防洪排澇體系,為城市經濟和社會發展提供服務的水平與能力。

2 系統總體結構

城市排澇體系主要由排澇泵站、管網、水系(水塘湖泊、內河明渠等)以及管理機構4部分組成。城市排澇信息化應是涵蓋城市排澇體系全部內容的綜合信息化,包含靜態屬性數據和動態運行數據的全面信息化。通過信息化技術手段,構建事前預測、事中調度、事后總結“三段式”防洪排澇調度體系,系統整合各種感知設備,實現實時智能化感知預警,如河道水庫水位超限、易澇點積水等動態報警,預警報警信息自動推送至相關責任人、調度員和一線搶險人員關注處理。同時,結合監測設備的現場感知、排澇設施的實時視頻、氣象站的精準降雨監測、泵閘站的實時開泵開閘監控,輔助調度中心實時掌握搶險現場的實況,進行高效精準的應急指揮等。系統全過程采集防洪排澇過程中的物聯監測信息,為后續內澇點整治、問題分析提供支撐數據,也結合在預警過程中采集的降雨、管網水位、水庫和河道水位、一線上報和調度員指揮調度等信息,以時間為序列進行澇情回顧,復盤整體搶險過程中的調度情況、人員響應情況及內澇點處置情況等,進行分析總結以提升防澇應急調度水平?？傮w框架如圖1所示。

圖1 總體框架

3 系統建設內容

根據總體框架,系統建立了全程在線可視化的防洪排澇調度平臺,可實時掌握搶險隊伍現場最新情況,隨時查看現場實況,及時優化布防力量和路徑。系統建設實現了信息采集、指揮、調度、決策一體化,達到了城市防汛“快速響應、科學調度、精準處置”的目標。主要建設內容如下。

(1)建立綜合數據庫,接入氣象格點數據。調度平臺通過數據接口將氣象部門在本轄區的357個降雨格點數據(包含歷史降雨量、未來3 h雨強預測值)全部接入系統,格點精度范圍為1.0 km2,數據更新頻率為6.0 min。系統還實現了與衛星云圖、氣象雷達圖的對接。

(2)采用時間序列數據分析、相關因子關聯分析等技術搭建內澇風險預判經驗模型。為了更精準地獲取易澇點、敏感點附近的降雨情況,該系統基于網格化的氣象數據,將管轄區域均分為長、寬均為1.0 km的網格,基于城市內澇調度經驗與實時排水設施監測數據,結合未來短期高精度降雨預報數據,以網格為單位對管轄區域進行積水情況預測。通過對歷史數據的分析和建模,提供準確的積水內澇風險預測,輔助防澇應急人員判斷掌握雨情澇情,以便及時采取相應措施,支撐汛前精準運營管理與精準布防,降低水滯內澇災害風險[1]。

(3)選取轄區內核心區域有代表性的40個內澇點進行氣象精準預測。通過整合歷史降雨量、管網液位、河道湖庫水位等數據,以網格為單位將歷史積水數據與實測、預測降雨數據進行對比,計算出降雨強度與積水內澇關聯關系的降雨量報警閾值。通過氣象精準服務提供的預測數據,預測未來30～60 min的降雨情況,并與點位設置的累計降雨報警閾值相匹配。若預測的累計降雨情況超過設置的閾值,平臺通過短信方式通知到該布防點的防汛責任人。防汛責任人收到提醒后,將根據氣象情況、交通狀況、附近感知設備監測情況和視頻、現場人員反饋信息等,快速進行防洪搶險調度。

(4)設置應急預案與人員、設施、布防點管理模塊。系統可根據該城市度汛方案要求設置不同等級的響應預案,并根據預案要求,配置好應急搶險隊伍和相應的搶險車輛、設施、物資等防汛力量。防汛關注的重要點位可提前在系統布置,并配置好相應的責任隊伍。系統還提供了自動排班功能,實現了預警啟動時一鍵通知全體防汛人員,提高了防汛響應速度[2]。

(5)設置事中可視化調度管理模塊。通過事中調度功能,各搶險隊伍位置及現場搶險情況一目了然,結合排澇設施的實時運行數據,調度人員可快速精準地開展調度工作,實現了調度人員在防汛期間的實時可視化精細調度管理,大大提高了防汛物資的利用率和防洪排澇的工作效率。

(6)設置事后總結模塊。通過事后總結功能,系統根據防汛情況自動生成統計報告,極大地減少了每次搶險工作后花費大量時間進行資料匯總的工作量。系統還自動統計分析轄區積水內澇情況與隊伍搶險情況,為制定排水設施的日常維護管養工作方案提供數據支撐,可進一步指導應急隊伍的優化管理。

4 案例應用情況

南方某城市地處東南沿海,瀕臨珠江口,總面積為397 km2,境內海岸線長度為45 km,常住人口約為500萬人。該城市屬低山丘陵濱海區,背山面海,崗巒起伏,地勢東北高、西南低,地貌類型豐富。該城市有雨水泵站130余座,排水管網長度超1.6×104km,河道60余條,水閘60余座。

2023年9月上旬,受臺風、季風和弱冷空氣共同影響,該城市出現突發極端特大暴雨,具有“強度超強、持續時間超長、強降雨范圍超大”的特點。利用本防洪排澇信息化系統,事前對轄區內排水設施進行可視化隱患排查,依據氣象預測信息及外江潮位等實測數據,利用預判經驗模型,對可能出現險情的點位有針對性地進行了排澇應急布控。同時,采取了疏散交通、設置隔離區、撤離區域相關人員等措施。雨中按照預案提級至防汛Ⅰ級響應,在線調度指揮作戰,及時啟閉泵閘及處置澇區積水,搶修、恢復排水設施。雨后進行善后總結和數據分析。得益于對本次特大降雨周密成功的應對,轄區內未造成較大交通影響、未發生人員傷亡事故、未造成財產損失。相比以往同強度暴雨下該轄區的積水內澇數據分析可知,總積水點數由之前的60余處降至20余處,積水點的消退時長由之前的5～6 h降低為2～3 h,極大地提高了該城市防洪排澇的應急能力。

經過一年多的試運行,歷經一個汛期30多場強降雨的考驗,本系統目前已經形成了以綜合調度平臺為核心的城市防洪排澇綜合調度體系(圖2),取得了良好成效。

圖2 防洪排澇信息系統

(1)提高了防洪排澇工作效率

氣象部門一旦發布暴雨預警,系統將第一時間電話通知所有值班值守人員,一線搶險人員按照事前安排好的值守點、巡查點及配置好的車輛設備等第一時間到達點位進行應急搶險工作。通過調度平臺,工作人員利用視頻攝像頭、物聯網監測設備和一線班組實時上報的信息化手段進行直接調度和指揮搶險工作[3]。

同時,通過預案一鍵啟動預警,迅速通知各班組的出勤并自動統計出勤情況,目前已實現“5 min響應,30 min到位”的防汛工作標準,相比該系統使用之前應急隊伍的響應時間縮短30 min以上。平臺自動生成應急搶險報告,既大大減輕了工作人員整理報告的工作強度,又提高了上報的及時性。上級主管單位可以第一時間掌握暴雨情況和應急搶險情況,極大程度提高了該城市防洪排澇治理水平。

(2)規范化應急工作,提高應急人員與物資的利用率

通過內澇積水數據經驗模型進行內澇積水風險預測,指導事前準備、事中調度、事后總結“三段式”應急工作,通過可靠的數據規范化應急工作,指導每一步應急指揮策略,提高應急人員以及應急物資的利用率。在有限的人員和物資下,最大程度化提高了應急成效,節省應急物資的投入。

(3)減少積水內澇發生,提升城市形象

針對區域內試點的40個積水內澇風險點精準發送預警短信,應急搶險人員可以根據預警信息,提前對可能產生積水內澇的風險點進行布防,采取必要的應急措施,避免了積水內澇的產生或減輕積水內澇的程度。通過試行期間的實際案例可知,系統投入使用以來已收到200多條預警信息,根據預警信息提前安排應急搶險隊伍到達現場布防,部分需打開雨水篦子或用龍吸水進行抽排的積水內澇風險點在提前做好搶險準備的情況下,積水內澇情況遠比以往類似情況下輕微,避免了車輛泡水等重大安全事故的發生。

根據統計數據分析,試點的40余個內澇風險點,以往一旦發生暴雨必然產生內澇導致交通癱瘓。在根據預警信息提前布防的情況下,2023年26場橙色暴雨情況下,試點的40余個風險點均未產生交通癱瘓情況,4場紅色暴雨僅2場暴雨中有2個風險點發生了短暫的交通癱瘓情況,均在30 min內恢復了正常交通。

(4)快速定位外水入侵點,提高污水管網水質濃度

區域已進行雨污分流改造,建設有雨污水兩套管網,但錯接亂排情況依然較嚴重,導致大量外水進入污水管網,城市污水廠進水BOD5質量濃度為80～100 mg/L。本系統投入運營后,根據對污水管網液位雨量關聯分析數據,確保了工程師在復雜的管網體系中精準排查到雨污管網錯接點,大大提高了雨污分流管網查漏補缺及改造的效率。在本系統的協助下,目前已完成了大量錯接亂排點的整改,實現城市污水廠提質增效目標。如區域內某一污水廠40 km2服務范圍內,通過實施雨污分流改造、正本清源、全面消除黑臭及提質增效等水環境治理項目,完成了300余個錯接亂排點的改造,污水廠的進水量因客水入侵的減少而減少了15%～20%,BOD5質量濃度從80～100 mg/L提升到110～130 mg/L。

5 主要創新點

本案例建設的主要創新點如下。

(1)建設了可視化調度平臺,實現“河-站-網-戶”一張圖可視化管理

河與網一體化管理是繼地理信息系統建設、常態化養護維修、常態化運行監測后的優化管理階段,也是該城市排水管理信息化可達到的預期?；诘乩硇畔⑾到y,將河湖、泵站、管網、大型排水戶等排水設施的位置信息、屬性信息以及運行狀態等數據整合到城區地圖上,實現“河-站-網-戶”一張圖可視化管理,協助管理者及時地掌握排水管網、排澇泵站、河道湖庫水系等的運行狀態。同時,支持在運行圖上展示各類專題信息,如水質、水位報警提醒等,以協助管理者及時地掌握排水管網運行狀態。通過數據的可視化呈現,管理者可以直觀地發現管網、泵站中存在的問題,及時進行調整和處理,確保排水系統的正常運行,提升了排水系統的高效運營與管理。

在一張圖可視化管理的基礎上,應急搶險指揮者可通過可視化調度平臺直接調看現場搶險和積水內澇實時情況,可通過平臺進行直接調度和指揮搶險工作,相比平臺建成前的微信和電話調度指揮工作,搶險工作效率大幅提高。

(2)以時間序列數據分析技術為手段,搭建積水內澇經驗模型

本系統應用時間序列數據分析技術對歷史內澇事件中的降雨數據、內澇積水等進行數據分析、統計,建立內澇經驗模型,提高內澇風險預測的準確性和可靠性。首先采集歷史內澇事件的時間序列數據,包括雨量、管網水位、河道水位等多種數據,然后利用時間序列分析技術,如ARIMA、SARIMA等模型,對數據進行分析和建模,得到內澇事件的預測模型,將預測模型應用到實際的內澇預測中,通過對實時數據的分析和預測,提前預警,避免或降低內澇帶來的災害和損失。

(3)采用輕量級大數據框架實現分布式計算,提高海量數據計算效率

本系統使用輕量級大數據框架實現分布式計算,旨在提高數據處理效率和處理能力。使用輕量級大數據框架的優點在于,可以將數據分散到多個節點上,通過并行計算方式進行處理,從而大幅提高數據處理的速度和效率。采用了Hadoop、Spark等輕量級大數據框架進行分布式計算。通過使用Hadoop Map Reduce的分布式計算模型,將數據切分成多個小塊,分配給不同的計算節點進行處理,最終將處理結果合并。同時,還使用了Spark的內存計算技術,將數據緩存到內存中,避免了頻繁的磁盤讀寫操作,大大提高了數據處理速度。

由于計算量巨大且需占用大量計算機硬件資源,原本的積水內澇調度數據主要通過業務人員直接人工進行分析、統計、核算等,耗費大量時間、人力成本。通過采用輕量級大數據框架實現分布式計算,能夠實現快速匹配河道和管網的監測數據,提高海量數據的計算效率;結合云原生容器,根據計算需求調用計算硬件資源,實現動態計算能力調整。經過統計,本系統完成以來,數據處理時間由原本的22.3 h減少為15 min,響應速度提升了約90倍,減少了約80%的機器成本、人工成本等。本系統成功解決了數據處理效率和處理能力的瓶頸問題,大幅提高了系統的性能和處理速度。

(4)“一點一方案”氣象精準預測

根據積水內澇經驗模型,結合歷史水浸數據、氣象部門降雨預測數據、易澇點水位監測數據等,精準發送積水內澇風險預警信息,對40個長期內澇嚴重點位形成“一點一方案”。當降雨達到預判降雨風險點的時候,根據應急調度預案、各應急隊伍當前處置任務情況、交通情況等,自動調配最優隊伍提前到達現場進行布防,實現精細化精準調度。

(5)管網液位雨量關聯分析

基于區域已安裝的污水管網在線監測液位計和氣象格點降雨量數據,建立關聯分析。通過管網液位、雨量關聯分析,可自動分析降雨期間污水管網液位相比旱季平均液位變化情況,篩選出液位漲幅大的點位,縮小外水進入污水管網侵入點排查范圍,供工作人員現場排查,提升排查效率,最終達到轄區污水收集系統提質增效的目的。

6 結語

防洪排澇已經成為我國各地待解決的難題,被列為國家和地方的重點工作,解決城市內澇積水問題刻不容緩。傳統的防洪排澇工作缺乏對暴雨洪水、防汛突發事件的應急快速反應和處置能力。本系統通過物聯網、云計算、大數據分析等技術手段建立了防洪排澇智能調度平臺,并建立氣象數據與易澇點的關聯關系,實現了短時間內積水內澇情況精準預測,支持提前識別內澇風險,輔助調度管理人員對調度方案進行決策,內澇防汛工作由“被動響應”向“主動布防”的轉變,從而提高防洪排澇工作效率,實現了內澇積水應急調度精細化管理。該系統為后續探索打造高質量立體防洪排澇體系,嘗試更科學、更高效的技術手段,提升精細化管理“軟件”水平,為城市內澇調度管理提供了更高效、更精準的管理手段和技術支持,實現了保障城市排澇安全的目標,確保了城市安全及高效、可持續發展。