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摘要：城市内涝因其受灾范围之广、财产损失之重、伤亡人数之多已经成为城市居民最为关注的问题之一[1]，本文从城市内涝成因分析，提出基于智慧水尺的实时传感、模型模拟和数据同化的融合应对城市内涝风险管理体系，首先对城市排水设施安全运行在线监测与预警预报，其次通过模型模拟与数据同化，最后实现城市内涝风险预报预警的实时化，提高城市内涝防治管理水平，保障城市的安全运行与居民的正常生产生活。
关键词：城市内涝风险管理;智慧水尺;实时传感;模型模拟;数据同化
中图分类号：TP 文献标识码：A
0 前言
由于受灾范围广泛、会导致较为严重财产损失、极易导致重大人员伤亡，使得城市内涝成为了城市居民的一种重点关注问题[1]。除此之外，城市内涝所导致的溢流污染等问题也严重影响了城市的供水安全。所以积极提升城市内涝风险管理能力具有十分重要的意义，能够有效降低城市内涝灾害损失，保障城市居民用水安全是当前我国亟待解决的问题。同时由于气候突发性变化加剧，城市“热岛效应”显著，暴雨重现期提前，强降雨和连续性降雨等极端天气事件日益增多，许多城市一到雨季就频发大暴雨、特大暴雨，导致城市内涝灾害越演越烈。
1 城市内涝成因分析
城市内涝主要是由于强降雨或连续性降雨引起溢流、涨潮以及风暴潮等自然现象导致的情况[2]，同时会导致水量超过城市现有排水能力，最终导致发生积水灾害。具体内容主要可分为以下几个方面：
1.1 地表积水内涝
城市中，高密度开发、大规模扩展以及下垫面硬化率（屋面、城市道路）是导致地表积水内涝的主要原因，继而导致自然环境 持续缩减，比如渠、洼地、池塘、河流等，继而诱发雨水径流的大幅度增长。若降雨量超过下垫面渗透量和截留的情况下，则会诱发地表积水内涝，尤其是新建、扩建和改建城区，因为排水管渠与旧排水管渠的局部区域相连接，则极易发生积水问题，雨水口周围将开始积水，雨水管内将变为雨水口积水水位下的压力流，出现顶水现象[3];当路面坡度沿管道流向下降，沿途的部分径流雨水将沿路面坡降流往低洼处，同时由于下游管道输水能力的限制，在低洼处干管内雨水会从检查井处反冒溢出，出现“涌泉”现象;同时又抑制阻碍了当地周围路面径流的泄入，这三种现象单一或组合出现就产生了地表积水内涝。
1.2 河流积水灾害
当城市内、外河流或湖泊中的水位上升并溢出到周围的河岸和邻近土地时，就会发生河流积水灾害。城市内外河流、湖泊水位上升可能是由于过多的降雨或融雪，溢流会影响下游的小河，因此河流积水灾害造成的破坏比较广泛，很可能导致大坝和堤坝破裂并淹没附近城市。
2 城市内涝防治
了解城市内涝灾害形成原因后，必须结合我国城市发展现状，借助现代信息技术和手段，聚焦城市内涝的预防和治理，建立完善的城市内涝风险管理体系，降低内涝灾害造成的各种损失，提升城市污水处理厂的运行效率，保障城市居民的用水安全。
城市内涝风险管理系统涉及的技术广、专业性强，是一个庞大而复杂的现代化系统。河海大学娄保东教授带领的智慧水务研究团队提出了一套基于智慧感知传感器实时传感、系统模型模拟和数据同化相融合，对城市排水设施安全运行在线监测與预警预报的整套实用解决方案，通过模型模拟与数据同化（Data assimilation），实现城市内涝风险预报预警的实时化，提高城市内涝防治管理水平，保障城市的安全运行与居民的正常生产生活。
2.1 实时传感—智慧水尺、智慧雨量计、智慧水球
易涝区域、河流水位、水质在线监测数据是城市内涝风险管理系统的基础支撑，因此在线监测与实时传感至关重要。河海大学与南京管科智能科技有限公司合作开发的智慧感知传感器系列产品可用于实时监测城市排水管网、河流等易涝区域的水位、水质情况，智慧感知传感器系列产品包括智慧水尺、智慧雨量计、智慧水球，其性价比高、功能强大、安全稳定，目前已经在南京、扬州等地进行了实际工程应用，应用效果得到了客户的一致肯定。
1 智慧水尺
智慧水尺是适用于城市排水管道、城市积水区、水库、湖泊、河流等场合水位测量仪器，安装维护方便。测量时，智慧水尺可以在数毫秒左右分批扫描其所有的探测电极，通过内置算法模型计算出水尺测量处到水面的距离。智慧水尺采集相关监测数据，将及时传输存储在云端服务器并与指定方之间实现数据共享。
2 智慧雨量计
智慧雨量计可在多个领域中应用，比如水库、大坝安检、农业、林业、港口、气象检测站等。智慧雨量计内置物联网通讯模组，可将监测数据传输存储在云端服务器并与指定方之间实现数据共享，独特的太阳能充电技术，可保证其长期工作。
3 智慧水球
智慧水球是适用于一定水域内的现代化水质监测仪器。智慧水球通过搭载不同的检测装置、传感器组，可用于监测水体内的不同成分，如：PH、溶解氧、SS、氨氮、BOD、COD等。智慧水球可全天候、连续、定点地监测一定水域内水质，并及时将监测数据传输存储在云端服务器并与指定方之间实现数据共享。
2.2 模型模拟和数据同化
模型模拟和数据同化是城市内涝风险管理系统的技术核心及最终目的，可以辅助相关部门实现城市内涝的有效防治。河海大学与南京管科智能科技有限公司合作开发的城市内涝风险管理系统是基于SWMM模型和数据同化开发的，系统预测精度高，满足实际应用需求。
在系统的SWMM模型中，根据地表透水性及地形、地貌的不同，将城市汇水区划分为三个主要类型，包括透水区域、有洼蓄不透水区域、无洼蓄不透水区域，每一个汇水区对应一个独立的出水口，与城市排水管网相连接[3];划分好汇水区域后以概化的排水系统来表征整个城市的汇流区，并以管道相关特征参数（管网的空间坐标、埋深、管长、管径、流向、坡度等属性数据）来展现各个元素的水力特性，通过对以上基础数据的分析与概化处理，将各子汇水区域参数作为参数率定结果输入模型中，模拟预测城市易涝区域、河流的水位、水质变化趋势，最后通过数据同化方法，每间隔15-30分钟对比智慧感知传感器在线监测数据与系统模型模拟数据，如果出现偏差，便用实际在线监测数据的数据来代替模拟数据，修正调整后进行接下来的模拟，这样系统就可以精准地模拟出城市最大积水区域出现的时间，从而实现预警预报。 3 城市内涝风险管理建设方案
3.1 提高城市排水管网系统使用效率
通过构建大排水系统、完善小排水系统与微排水系统，全面提高城市管网系统建设标准，保留天然水系，以此充分发挥排水管道作用，有效缩短排水管网系统干管长度，节省管网造价与维护管理成本[9]。另外，对城市排水管网雨水排放口、合流智溢流口等关键点安装物联网传感器，实际监测排水管网水位、水质情况，保证排水管网的及时清洁疏通，以此保障排水管网系统效果，尽可能减少内涝造成的损失。
3.2 源头减排
目前，在规划改建、新建以及扩建城市内涝防治设施的期间，需对《城镇内涝防治技术规范》及《室外排水设计规范》等规范予以详细理解[4-5]，在确保城市排水防涝安全的前提下，借鉴国外先进的“可持续排水系统”经验，通过自然途径和人工措施（如修建地下蓄水池），具体可通过净化、滞蓄以及渗透等多种方式避免雨水形成径流，缓解雨水径流污染，对利用雨水和削减峰值流量的效果予以收集，做到从源头实现减排。
3.3 加强城市内外河网水系梳理
科学规划河网水系，以此为流域行洪以及无语排涝等工作创造有效的载体，充分发挥湖泊与直流等水体库容作用;全面做好河道疏通、增加河网密度，通过堤岸以及洪泛湿度实现蓄水功能[6]，缓解洪水汇流速度，且降低洪峰流量，最大程度发挥城市防治内涝目标。
3.4 充分利用绿地
在生态环境改善中，绿地发挥着十分重要的作用，不仅可发挥休闲娱乐的作用，而且可有效防治城市内涝和处理雨水。第一，利用点状绿地有效控制雨洪源头。尽管独立个体发挥的作用有限，但积少成多就可发生质的变化，有效吸收雨水资源加强控制雨水径流量，接纳周边不透水地面积水，为控制雨水汇流速度提供保障，提高内涝问题处理效率[7]。第二，适当地改造现有公园绿地，更好地接纳雨水资源，从根本上实现雨水不外排、缓解城市管网压力，同时将外源雨水用于公园景观用水，提高水资源使用效率。第三，城市低洼区建设公园，便于绿色蓄存雨水，充分发挥条形绿地作用。
4 结论
通过基于智慧感知传感器实时传感、系统模型模拟和数据同化融合的城市内涝风险管理系统可以为城市内涝风险管理体系提供更加快速与准确的科学依据，而且城市内涝风险管理系统基于物联网传感器和云端的集中解决方案，非常适用于我国相关部门进行城市内涝风险管理。
参 考 文 献
[1]周宏，刘俊，高成，欧淑芳.我国城市内涝防治现状及问题分析[J].灾害学，2018，33（03）：147-151.
[2]岳青华，文铖，杨娟，赵建锋.芜湖市中心城区内涝风险模拟分析[J].水资源研究，2019，8（06）：631-644.
[3]阳宇恒，蔡展航，周勤.基于SWMM与ArcGIS的城市内涝灾害风险评估研究——以南浦岛为例[J].环境科学与管理，2016，41（12）：178-182.
[4]蒋国民，于询鹏，李克.城市内涝的成因及对策[J].工程建设与设计，2020（05）：85-86+89.
[5]孙波. 基于海绵城市理念的南方沿海城市内涝防治策略研究[D].南华大学，2020.
[6]李俊奇，闫霄雯，王耀堂，王文亮，赵丰昌.基于雨水蓄排结合的城市公园绿地规划设计方法及案例分析[J].給水排水，2020，56（04）：92-98.
[7]王诗婧.全过程内涝防治体系对缓解城市内涝的效果分析[J].环境工程，2020，38（04）：108-113.
作者简介：张峰，男，1986年出生，硕士研究生，工程师。主要研究方向 城市智慧水务监测技术系统集成与应用。
南京管科智能科技有限公司 南京 211100）
关键词：城市内涝风险管理;智慧水尺;实时传感;模型模拟;数据同化
中图分类号：TP 文献标识码：A
0 前言
由于受灾范围广泛、会导致较为严重财产损失、极易导致重大人员伤亡，使得城市内涝成为了城市居民的一种重点关注问题[1]。除此之外，城市内涝所导致的溢流污染等问题也严重影响了城市的供水安全。所以积极提升城市内涝风险管理能力具有十分重要的意义，能够有效降低城市内涝灾害损失，保障城市居民用水安全是当前我国亟待解决的问题。同时由于气候突发性变化加剧，城市“热岛效应”显著，暴雨重现期提前，强降雨和连续性降雨等极端天气事件日益增多，许多城市一到雨季就频发大暴雨、特大暴雨，导致城市内涝灾害越演越烈。
1 城市内涝成因分析
城市内涝主要是由于强降雨或连续性降雨引起溢流、涨潮以及风暴潮等自然现象导致的情况[2]，同时会导致水量超过城市现有排水能力，最终导致发生积水灾害。具体内容主要可分为以下几个方面：
1.1 地表积水内涝
城市中，高密度开发、大规模扩展以及下垫面硬化率（屋面、城市道路）是导致地表积水内涝的主要原因，继而导致自然环境 持续缩减，比如渠、洼地、池塘、河流等，继而诱发雨水径流的大幅度增长。若降雨量超过下垫面渗透量和截留的情况下，则会诱发地表积水内涝，尤其是新建、扩建和改建城区，因为排水管渠与旧排水管渠的局部区域相连接，则极易发生积水问题，雨水口周围将开始积水，雨水管内将变为雨水口积水水位下的压力流，出现顶水现象[3];当路面坡度沿管道流向下降，沿途的部分径流雨水将沿路面坡降流往低洼处，同时由于下游管道输水能力的限制，在低洼处干管内雨水会从检查井处反冒溢出，出现“涌泉”现象;同时又抑制阻碍了当地周围路面径流的泄入，这三种现象单一或组合出现就产生了地表积水内涝。
1.2 河流积水灾害
当城市内、外河流或湖泊中的水位上升并溢出到周围的河岸和邻近土地时，就会发生河流积水灾害。城市内外河流、湖泊水位上升可能是由于过多的降雨或融雪，溢流会影响下游的小河，因此河流积水灾害造成的破坏比较广泛，很可能导致大坝和堤坝破裂并淹没附近城市。
2 城市内涝防治
了解城市内涝灾害形成原因后，必须结合我国城市发展现状，借助现代信息技术和手段，聚焦城市内涝的预防和治理，建立完善的城市内涝风险管理体系，降低内涝灾害造成的各种损失，提升城市污水处理厂的运行效率，保障城市居民的用水安全。
城市内涝风险管理系统涉及的技术广、专业性强，是一个庞大而复杂的现代化系统。河海大学娄保东教授带领的智慧水务研究团队提出了一套基于智慧感知传感器实时传感、系统模型模拟和数据同化相融合，对城市排水设施安全运行在线监测與预警预报的整套实用解决方案，通过模型模拟与数据同化（Data assimilation），实现城市内涝风险预报预警的实时化，提高城市内涝防治管理水平，保障城市的安全运行与居民的正常生产生活。
2.1 实时传感—智慧水尺、智慧雨量计、智慧水球
易涝区域、河流水位、水质在线监测数据是城市内涝风险管理系统的基础支撑，因此在线监测与实时传感至关重要。河海大学与南京管科智能科技有限公司合作开发的智慧感知传感器系列产品可用于实时监测城市排水管网、河流等易涝区域的水位、水质情况，智慧感知传感器系列产品包括智慧水尺、智慧雨量计、智慧水球，其性价比高、功能强大、安全稳定，目前已经在南京、扬州等地进行了实际工程应用，应用效果得到了客户的一致肯定。
1 智慧水尺
智慧水尺是适用于城市排水管道、城市积水区、水库、湖泊、河流等场合水位测量仪器，安装维护方便。测量时，智慧水尺可以在数毫秒左右分批扫描其所有的探测电极，通过内置算法模型计算出水尺测量处到水面的距离。智慧水尺采集相关监测数据，将及时传输存储在云端服务器并与指定方之间实现数据共享。
2 智慧雨量计
智慧雨量计可在多个领域中应用，比如水库、大坝安检、农业、林业、港口、气象检测站等。智慧雨量计内置物联网通讯模组，可将监测数据传输存储在云端服务器并与指定方之间实现数据共享，独特的太阳能充电技术，可保证其长期工作。
3 智慧水球
智慧水球是适用于一定水域内的现代化水质监测仪器。智慧水球通过搭载不同的检测装置、传感器组，可用于监测水体内的不同成分，如：PH、溶解氧、SS、氨氮、BOD、COD等。智慧水球可全天候、连续、定点地监测一定水域内水质，并及时将监测数据传输存储在云端服务器并与指定方之间实现数据共享。
2.2 模型模拟和数据同化
模型模拟和数据同化是城市内涝风险管理系统的技术核心及最终目的，可以辅助相关部门实现城市内涝的有效防治。河海大学与南京管科智能科技有限公司合作开发的城市内涝风险管理系统是基于SWMM模型和数据同化开发的，系统预测精度高，满足实际应用需求。
在系统的SWMM模型中，根据地表透水性及地形、地貌的不同，将城市汇水区划分为三个主要类型，包括透水区域、有洼蓄不透水区域、无洼蓄不透水区域，每一个汇水区对应一个独立的出水口，与城市排水管网相连接[3];划分好汇水区域后以概化的排水系统来表征整个城市的汇流区，并以管道相关特征参数（管网的空间坐标、埋深、管长、管径、流向、坡度等属性数据）来展现各个元素的水力特性，通过对以上基础数据的分析与概化处理，将各子汇水区域参数作为参数率定结果输入模型中，模拟预测城市易涝区域、河流的水位、水质变化趋势，最后通过数据同化方法，每间隔15-30分钟对比智慧感知传感器在线监测数据与系统模型模拟数据，如果出现偏差，便用实际在线监测数据的数据来代替模拟数据，修正调整后进行接下来的模拟，这样系统就可以精准地模拟出城市最大积水区域出现的时间，从而实现预警预报。 3 城市内涝风险管理建设方案
3.1 提高城市排水管网系统使用效率
通过构建大排水系统、完善小排水系统与微排水系统，全面提高城市管网系统建设标准，保留天然水系，以此充分发挥排水管道作用，有效缩短排水管网系统干管长度，节省管网造价与维护管理成本[9]。另外，对城市排水管网雨水排放口、合流智溢流口等关键点安装物联网传感器，实际监测排水管网水位、水质情况，保证排水管网的及时清洁疏通，以此保障排水管网系统效果，尽可能减少内涝造成的损失。
3.2 源头减排
目前，在规划改建、新建以及扩建城市内涝防治设施的期间，需对《城镇内涝防治技术规范》及《室外排水设计规范》等规范予以详细理解[4-5]，在确保城市排水防涝安全的前提下，借鉴国外先进的“可持续排水系统”经验，通过自然途径和人工措施（如修建地下蓄水池），具体可通过净化、滞蓄以及渗透等多种方式避免雨水形成径流，缓解雨水径流污染，对利用雨水和削减峰值流量的效果予以收集，做到从源头实现减排。
3.3 加强城市内外河网水系梳理
科学规划河网水系，以此为流域行洪以及无语排涝等工作创造有效的载体，充分发挥湖泊与直流等水体库容作用;全面做好河道疏通、增加河网密度，通过堤岸以及洪泛湿度实现蓄水功能[6]，缓解洪水汇流速度，且降低洪峰流量，最大程度发挥城市防治内涝目标。
3.4 充分利用绿地
在生态环境改善中，绿地发挥着十分重要的作用，不仅可发挥休闲娱乐的作用，而且可有效防治城市内涝和处理雨水。第一，利用点状绿地有效控制雨洪源头。尽管独立个体发挥的作用有限，但积少成多就可发生质的变化，有效吸收雨水资源加强控制雨水径流量，接纳周边不透水地面积水，为控制雨水汇流速度提供保障，提高内涝问题处理效率[7]。第二，适当地改造现有公园绿地，更好地接纳雨水资源，从根本上实现雨水不外排、缓解城市管网压力，同时将外源雨水用于公园景观用水，提高水资源使用效率。第三，城市低洼区建设公园，便于绿色蓄存雨水，充分发挥条形绿地作用。
4 结论
通过基于智慧感知传感器实时传感、系统模型模拟和数据同化融合的城市内涝风险管理系统可以为城市内涝风险管理体系提供更加快速与准确的科学依据，而且城市内涝风险管理系统基于物联网传感器和云端的集中解决方案，非常适用于我国相关部门进行城市内涝风险管理。
参 考 文 献
[1]周宏，刘俊，高成，欧淑芳.我国城市内涝防治现状及问题分析[J].灾害学，2018，33（03）：147-151.
[2]岳青华，文铖，杨娟，赵建锋.芜湖市中心城区内涝风险模拟分析[J].水资源研究，2019，8（06）：631-644.
[3]阳宇恒，蔡展航，周勤.基于SWMM与ArcGIS的城市内涝灾害风险评估研究——以南浦岛为例[J].环境科学与管理，2016，41（12）：178-182.
[4]蒋国民，于询鹏，李克.城市内涝的成因及对策[J].工程建设与设计，2020（05）：85-86+89.
[5]孙波. 基于海绵城市理念的南方沿海城市内涝防治策略研究[D].南华大学，2020.
[6]李俊奇，闫霄雯，王耀堂，王文亮，赵丰昌.基于雨水蓄排结合的城市公园绿地规划设计方法及案例分析[J].給水排水，2020，56（04）：92-98.
[7]王诗婧.全过程内涝防治体系对缓解城市内涝的效果分析[J].环境工程，2020，38（04）：108-113.
作者简介：张峰，男，1986年出生，硕士研究生，工程师。主要研究方向 城市智慧水务监测技术系统集成与应用。
南京管科智能科技有限公司 南京 211100）