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从7·20郑州特大暴雨思考提升城市韧性 利用CIM技术构建城市洪涝监测预警体系

中国房地产网

2021-08-08 10:38

深度挖掘CIM数据在洪涝预警方面的应用。

深度挖掘CIM数据在洪涝预警方面的应用。

从7·20郑州特大暴雨思考提升城市韧性 利用CIM技术构建城市洪涝监测预警体系

图片来源:中房报图库

广联达研究院 刘刚 齐安文

2021年7月16日18时至21日0时,郑州出现罕见持续强降水天气过程。截至8月2日12时,全省共有150个县(市、区)、1663个乡镇、1453.16万人受灾。倒塌房屋30106户、89001间;农作物成灾面积872万亩,绝收面积380万亩,直接经济损失1142.69亿元。此次特大洪涝灾害共造成302人死亡,50人失踪。

面对如此灾情,我们一方面要全力以赴抗灾救灾,另一方面也要积极反思,防灾减灾。本文重点通过7·20郑州特大暴雨灾害探讨如何提升城市洪涝韧性治理能力。

一、城市洪涝韧性治理体系的智慧化转型与实现路径

近年来城市洪涝灾害频发,增强城市洪涝灾害的韧性应对能力成为当前学术界关注的热点之一。我国提出的海绵城市理念是提升城市洪涝韧性治理能力的典型代表,通过对雨水进行吸纳、蓄渗、缓释,实现城市对暴雨、洪涝等多种极端气候灾害的韧性。

城市洪涝的韧性治理与应对在我国尚属前沿研究,研究视角多聚焦于海绵城市的工程建设层面,缺乏对城市洪涝韧性的管理体系研究。与此同时,城市洪涝韧性建设管理体系构建中的各类问题严峻:一是提升洪涝韧性的相关海绵建设项目分散、基层的洪涝治理目标模糊等服务管理体系问题突出;二是政府责权不明晰、管理模式落后等制度运营体系问题严重,现有的建设实施保障体系也有待完善;三是城市洪涝治理的制度建设体系亟待进行思维转型,洪涝治理的服务体系亟待进行方法突破,洪涝治理工作路径也亟待进行效率提升。

(一)城市洪涝韧性治理的建设现状与核心困境

1.城市洪涝韧性建设现状与问题概述

我国当前城市洪涝韧性建设以海绵城市为主要方法手段,通过推行海绵城市试点建设以推进城市对暴雨、洪涝等极端气候灾害的韧性应对能力。财政部、住建部和水利部等部委先后颁布《海绵城市建设技术指南》《海绵城市建设绩效评价与考核办法》等政策制度。各试点城市也纷纷出台各自辖区内的政策,发布了关于海绵城市建设的财政补助方法、PPP实施方案、考核指标体系、技术规范导则,进一步完善了城市洪涝韧性治理体系。目前各试点城市的洪涝韧性建设项目均已初步落实,不少地区洪涝问题也开始逐步缓解。但不可忽视的是,当下我国城市洪涝灾害的韧性治理仍存在各类现实问题:一是新兴技术应用浅、洪涝治理设施维护困难等技术工程问题;二是全局治理观念薄弱、洪涝治理项目分布碎片化等规划设计问题;三是保障制度欠缺、部门协作困难、服务水平不足等管理服务问题;四是评估标准不统一、建设指标不完善等标准建设问题。

这四大问题相互影响,共同导致了城市洪涝灾害的韧性治理效率低下的困境。技术工程的欠缺是相关洪涝治理项目建设缓慢的表象因素,管理服务的落后才是城市洪涝韧性建设推进困难的根源,其中最大的问题是政府的智慧化运营实现、服务体系完善与管理路径落实的问题。

2.从管理运营与政府服务体系看城市洪涝韧性治理的核心困境

政府作为城市洪涝韧性建设的协调者、督察者和服务者,同时担负着规划指导、组织管理、监督检查、协调控制和社会服务等多重职能。当前政府的管理运营仍然存在明显欠缺,主要体现在管理方法的不协同不统筹、服务机制的不健全不兼顾,以及运营体系的不科学不高效,这些因素共同造成当前城市洪涝韧性建设效率低下、成效不显的窘境。(见图1)

从7·20郑州特大暴雨思考提升城市韧性 利用CIM技术构建城市洪涝监测预警体系

(二)从传统到智慧的运营优化——城市洪涝韧性治理转型

1.城市洪涝韧性的智慧化治理目标

智慧化的城市洪涝韧性治理就是要解决传统城市雨洪管理低效与碎化问题,以资源全民共享、治理全局覆盖、政务全网通办、全域泄洪安全、产业全面提质、设施全城连接作为基本目标需求,以动态监控、智能分析、精准预测作为基本特征,全面提升城市雨洪检测、水资源调度、雨水应急反应与安全保障水平,实现政府管理与服务的智慧化转型。(见表1)

从7·20郑州特大暴雨思考提升城市韧性 利用CIM技术构建城市洪涝监测预警体系

2.困境突破与转型思路

当前城市洪涝韧性的建设低效问题和管理粗放问题十分严峻。相较于传统的城市洪涝韧性建设,智慧化城市洪涝韧性治理作为当下的新技术与新理论的集成,不论是治理方式与技术手段,还是思维理念与管理方式上都具有独特优势。

城市洪涝韧性治理的智慧化就是将韧性城市的自控性、自组织和自适应思维与海绵城市的生态治理理念、智慧城市的智慧服务技术相结合。借助大数据技术、物联网和CIM(城市信息模型)等高新技术手段,连接城市洪涝韧性建设的信息孤岛,联合防涝工程的布局碎片,达成城市洪涝韧性项目从规划设计、施工维护到政府运营的全生命周期智能化管理,使城市雨水资源管控走向全域化、网格化、精细化和动态化;同时,在统一的地理空间框架下,整合多要素、多时段的城市洪涝时空数据,并通过空间要素关联整合各类动态变化的信息数据,形成统一的城市洪涝灾害应急管理时空信息数据库,实现覆盖全面、数据精准的城市洪涝韧性规划“一张图”管理,满足快速化、智能化的城市决策需求。(见图2)

从7·20郑州特大暴雨思考提升城市韧性 利用CIM技术构建城市洪涝监测预警体系

韧性城市、海绵城市与智慧城市都是前沿的城市管理理念,规划领域已逐步尝试这方面的探索,全国两会提案也在积极倡导智慧城市、规划信息化、多图合一与海绵城市理念的结合,智慧化的城市洪涝韧性建设必然是未来解决城市洪涝问题最有效的路径选择,也是当前城市洪涝治理困境的核心突破思路。

3.智慧化管理的制度完善

城市管理制度和政策机制是影响城市洪涝韧性建设质量的根源因素。从法规体系来看,城市洪涝韧性治理的相关法律法规体系远不能满足城市洪涝韧性治理的管控引导要求;从责任制度来看,城市洪涝韧性建设的管理绩效考核制度极不完善,部门职责亟待明晰;从引导系统来看,城市洪涝韧性治理的标准规范体系存在空白,相关技术规范和图集导则亟待完善;从准入机制来看,当下建设门槛存在“高资质、大规模”的要求,大量技术达标的中小企业难以参与其中。

城市洪涝韧性建设的管理制度完善当以法律法规体系、绩效责任制度、政策引导系统和建设准入机制四个方面为主要突破口,以“强法律、明责任、定标准、降门槛”作为管理制度改革的基本纲领,提出智慧化的改进措施与办法,整体改善城市洪涝韧性建设效果。

4.智慧化运营的优化策略

除了在管理制度上树立智慧化、精细化的治理理念外,还需把政府的服务运营策略优化作为提升城市洪涝韧性建设能力的重要手段。从当前实践来看,“统筹性、便捷性、协同性、时效性和工程性不足”是城市洪涝韧性治理体系长效运营的最大阻碍,具体而言即城市洪涝韧性建设工程的运营粗放无序、政务通畅性弱、设施布局混乱、监管时效不足和建设部门联动不足,这也是城市洪涝韧性智慧化运营的策略优化基础。

第一,治理项目全域协同是城市洪涝韧性治理体系长效运营的必要前提。要建立“市域---城市---街区”的全域协同治理体系,统筹全城自然绿色设施与人工治理工程设施,包括大江大湖等大型防洪资源跨域协同治理、公园水道等基础防洪设施全城统筹治理、社区道路等微型洪涝韧性工程的协同对接,共同实现雨水全域循环。

第二,治理项目精细组织和系统管理是城市洪涝韧性建设策略优化的核心内容。借助大数据、CIM等智慧技术,以洪涝治理设施编号入库、雨洪模拟预警等措施实现城市洪涝韧性建设的精细组织;依托城市洪涝韧性治理信息管理平台,构建城市洪涝韧性治理政务办理专线,公开城市洪涝韧性建设项目信息,实现城市洪涝韧性治理政务的高效性与畅通性;通过明晰部门职责分工、强化城市洪涝韧性工程的设计审核、鼓励社会资金投入、细化公众参与渠道等方面实现综合全面的系统管理。

第三,治理项目的有效管控是城市洪涝韧性智慧化运营的重要手段。以无人机、遥感和大数据等技术方法,完成大到整个城市的城市洪涝韧性建设项目的动态管控。此外,以具体部门监管城市洪涝韧性建设进度,以群众监督管理部门的职权落实,也是城市洪涝韧性治理监管的重要内容。

5.实施保障与反馈机制

洪涝治理项目相关的建设范围广,涉及城市地下管道、城市生态空间规划等众多领域,这就决定了城市洪涝韧性建设需要详实的实施保障机制以协调各方利益主体意见。总体而言,智慧化城市洪涝韧性建设的实施保障和反馈机制重点关注三个维度的内容:

一是完善数字化信息服务机制。按照智慧城市建设要求,通过建立在线监测网络,对典型城市洪涝治理项目实施动态监测,建立信息收集与共享机制,以集中反映城市洪涝韧性建设、运营和管理的全过程信息,逐步实现雨水动态监控和综合调度,为政府部门的城市洪涝韧性建设决策提供科学化的现实依据。

二是建立精准监测与实时反馈机制。智慧化的城市洪涝韧性建设利用互联网、卫星等科技手段,依托遥感技术的监测能力、大数据的数据分析能力以及云计算高效的处理能力,对城市地表水污染总体情况进行实时监测,及时反馈城市各路段积水状况,实现城市水系统智能调控和精细化管理,使城市快捷、智慧、弹性地应对洪涝问题。

三是确定城市洪涝韧性建设循环调节机制。城市洪涝韧性建设各环节的循环调节机制是其智慧化的集中体现。智慧化的城市洪涝韧性建设需依托大数据、遥感等监测技术准确把握各项洪涝治理设施的变化动态,借助信息服务平台的综合处理能力,有针对性、有根据地对城市洪涝韧性建设各环节进行实时调整,确保城市洪涝韧性建设稳定持续开展。

二、基于CIM的城市洪涝自动化监测预警平台

基于洪涝风险预警技术,研发城市洪涝自动化监测预警服务平台。平台基于物联网、CIM技术实时显示各积水监测站点的积水监测实况、精细化格点化预报、气象监测自动站实况、卫星云图、雷达图等实况数据。

1.天地空一体化监测体系

前端通过构建天地空一体化的监测体系,为系统提供全天候、实时数据资源。其中:“天”指将北斗卫星系统应用到城市洪涝监测中,基于北斗卫星导航系统的定位和短报文等功能开展洪涝监测。“地”指根据城市易涝点分布情况,科学布设雨量、流量和水位等信息的自动监测设备,数据传输采取无线和北斗短报文两种形式;“空”指综合应用多种卫星遥感影像数据,并进行动态更新,局部区域可采用无人机航拍等方式采集数据,将采集的数据进行再分析,筛选城市易涝点,采用瓦片金字塔等技术将遥感和航拍影像进行瓦片化处理,在此基础上构建城市可视化集成环境。

系统采用北斗一体机将“地”端监测站点自动采集的降雨、流量和水位等信息通过北斗短报文的方式进行传输,从而提高监测信息传输的时效性和可靠性。此外,采用北斗卫星导航系统的高精度定位技术动态掌握城市洪涝应急管理中物资调配、应急指挥、车辆调度和通信保障等设备位置信息和运行轨迹,为城市洪涝应急管理部门科学调配应急车辆、物质和抢险人员等提供技术支撑,实现科学调配、快速响应、灾损最小化。

2.数据传输与加工

积水传感器具备数据实时回传和GPS定位功能。当短时强降水引发城市洪涝时,积水传感器按照每2分钟采集1次的频率将积水实况回传到预警平台,存入积水监测数据库中。

平台中嵌人的神经网络模型将气象自动站实况、卫星资料、城市气象一体化平台气象格点化降水预报等相关数据融合处理,反复训练后,预报出未来l小时积水深度初值。随后,平台利用人工智能中的机器自学习算法将历史积水训练的经验与值预报数据进行对比修正,最终训练出未来l小时积水深度预报数据终值。

3.基于CIM的洪涝风险预警推送服务

积水服务平台读取积水监测实况数据,并转化为适用于移动端的数据格式。平台将获取的数据和以经过经纬度计算的精确的街道和社区进行匹配。将各个隐患站点积水深度预报数据插值到3DGIS地图上。据此生产覆盖社区的网格化区域,提供社区洪涝数据,完成积水预报预警数据的业务化生产,基于移动端展现,实现基于位置的城市积水监测及洪涝风险预警。同时,通过微信公众号积水模块向公众提供基于居住社区位置和基于请求位置的洪涝风险信息,提醒公众规避积水路段或延时出行。

三、城市洪涝解决措施

首先,确定管理部门、明确管理职责。着手协调整合相关部门成立城市防涝排洪专职管理部门。管理部门前期主持或协调排水防涝专项规划、城市防洪专项规划等各个相关规划。旱期对城市排水小系统、排水大系统进行维护管理,并积极宣传洪涝自救、排水排洪基础设备保护知识。雨季对城市雨洪进行科学管理及应急预警,防涝救援。将防洪排涝的重要性逐步等同于城市消防,充分借鉴消防安全管理方式。

其次,加强市政基础设施管理、完善监测系统。一方面完善市政基础设施,加强基础设施管理。城市发展遵循自然规律,针对洪涝问题处理时,应在尊重自然的基础上合理制定发展规划,根据所在城市水文条件合理建设城市排水系统,针对排水系统及时改造,从整体上提高排水系统质量。同时,定期维护配水设施,必要时提供资金、政策支持,尽最大可能提高相关部门洪涝处理能力。

另一方面,完善监测系统。借助先进技术完善城市洪涝监测预警系统,通过动态监测城区低洼路段积水情况、河道水位实现自动报警,从而有计划地安排排水调度工作。

第三,建立雨洪管理体系,适时推进防洪保险。根据城市自然条件、土地利用、基础设施、排水系统等条件及其他各方面因素,对洪涝风险发生的概率、情景、危害和损失程度等进行全面分析和评估,在此基础上制定出相应的防治措施。

第四,积极推动新技术、新理念研发及应用。根据管网普查情况建立CIM排水数据库,利用CIM排水数据库结合地面高程、水面线、降雨资料、下垫面系数等一系列数据进行流域雨水排水系统模拟和评估,从宏观上为科学规划和实施排水系统提供依据,为建设“智慧城市”增加亮点。积极推进暴雨强度公式修编、新型管材研发、管道修复技术、新型防堵塞雨水口研发、新型雨水调蓄措施研究。

四、结论

城市洪涝作为城市病,涉及气候、历史、规划、管理等多方面原因,因此建议城市洪涝防治应由专职管理部分协调各个方面进行高效管理,加强城市防涝意识,完善基础设施管理及监测监控,积极推动基于CIM的城市洪涝管理系统建立,促进新技术,新理念的研究与开发,适时推进防洪保险,才能有效地管理城市雨洪,控制城市洪涝。

结合城市洪涝灾害的实际需求,根据城市地质灾害防治部门提出的对洪水及早预防及时掌握的基本要求,以实现洪水实时预警为主要任务,以城市CIM数据以及水文资料数据为基础,分析河堤淹没条件,模拟水位上涨情况,构建基于CIM的城市洪涝预警平台。平台充分利用了城市的历史水位数据,深度挖掘CIM数据在洪涝预警方面的应用,可以辅助城市地质灾害防治工作,大量节约灾害巡查的人力物力,更有针对性地对重点区域重点监控,为抗洪、防洪相关部门提供更为科学、快速的服务。

(本文作者刘刚为广联达科技股份有限公司副总裁、广联达研究院院长;齐安文为广联达研究院高级研究员)

参考文献

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编辑:刘亚

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标签:城市洪涝监测预警体系 升城市韧性
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