降雨时空不确定性对小流域洪峰模拟的影响评估

山丘区小流域洪峰模拟结果与降雨时空分布密切相关。以河南省荥阳市王宗店流域“7·20”山洪灾害为例,构建了15种时空分布的10 min尺度降雨情景,综合采用中国山洪水文模型和方差分析理论评估降雨时空情景变化对洪峰模拟的影响。结果表明:中国山洪水文模型可以较好地模拟“7·20”暴雨洪水过程。不同时间情景下10 min降雨量均匀分布模拟得到的洪峰流量较小、峰现时间较晚;非均匀分布时最大10 min降雨量发生时间越晚,模拟得到的洪峰流量越大、峰现时间越晚。空间情景变化主要影响洪峰流量模拟,采用泰森多边形法模拟得到的洪峰流量最大。时间情景变化是洪峰流量和峰现时间模拟结果不确定性的最主要来源,空间情景变化和时空情景耦合变化仅影响洪峰流量模拟。

一维管网与二维地表双向耦合的城市暴雨内涝模拟

为快速、准确模拟城市暴雨内涝演化过程,提出一种排水管网与上覆地表动态水力交互方法,构建了一维管网模型(SWMM)与二维水动力(LISFLOOD-FP)双向耦合的模型,解决了一维管网和二维地表的双向流量交换和时间同步难题。以上海外高桥地区为例,采用两次短历时降雨过程对耦合模型进行校准和验证,比较分析了单向、双向耦合的淹没范围与水深变化。结果表明:双向耦合模拟精度较高,在研究区具有良好的适用性;对于占比80%以上的轻度(<0.2m)积水区,单向、双向耦合的模拟积水面积比为1.21;对于中等(0.2~0.3 m)和重度(>0.3 m)积水区,单向耦合模拟结果趋于严重,该比值分别增至1.88和2.1。所构建的双向耦合模型能够揭示城区内涝积水、扩散及消退的全过程,可用于城市暴雨内涝推演,为内涝治理和灾害防御提供科学依据。

城市化背景下合肥暴雨时空演变和水汽输送特征

[目的]研究城市化背景下合肥暴雨事件的演变、水汽输送来源,可以为当地暴雨预报和制定适应性防灾减灾政策提供科学依据。[方法]利用趋势分析、Mann-Kendall非平稳性检验、GIS空间插值等多种方法探究合肥暴雨事件的时空分布,在此基础上基于拉格朗日方法的后向轨迹HYSPLIT模式对暴雨水汽输送特征进行分析。[结果](1)合肥城市热岛强度呈上升趋势(0.266℃/10 a),不透水面持续增多,增幅达4.99%。城—郊暴雨月分布呈单峰型,大尺度年际变化具有不对称性,城市暴雨雨量和暴雨日数增多,暴雨强度减少,减少趋势1.7 mm/(10 a·d);郊区暴雨雨量和日数减少,暴雨强度增多,线性趋势1.1 mm/(10 a·d)。暴雨强度大值区空间分布从城区向郊区扩展。暴雨事件均发生由少到多的突变。(2)城市化对下风向区暴雨事件存在增加效应,暴雨雨量和日数分别增多26.84 mm/10 a和0.11 d/10 a,且快速发展阶段的城市化效应比缓慢阶段更显著,城市化影响对暴雨雨量、暴雨日数的正贡献度分别为41.2%和50.1%。(3)暴雨异常偏多年份,来自印度洋、孟加拉湾—中国南海和西太平洋的水汽输送贡献分别占总水汽的44%,64%和54%,且源自西南方向的水汽气团初始高度较低、比湿大,是暴雨过程的主要水汽来源。[结论]合肥城郊暴雨事件年际变化的不对性在城市化快速发展阶段更显著,未来应加强对城市化快速发展阶段暴雨事件变化机理的研究。

郑州市暴雨强度公式计算与对比分析

为真实客观地反映郑州市近年来暴雨特征变化,进一步优化郑州市暴雨强度公式,选取2000~2022年11个降雨历时的年最大暴雨量,采用最小二乘法、遗传算法、拟牛顿法优化了郑州市暴雨强度公式参数,并与郑州市2002年暴雨强度公式以及2023年暴雨强度公式进行对比分析。结果表明,郑州市暴雨强度公式在指数分布中采用拟牛顿法拟合误差最小,最终确定的优化参数A1为11.312、C为2.968、b为19.8、n为0.900;在不同重现期暴雨条件下,优化公式相对于2002年公式呈现出完全不同的极值分布情况,即“大的更大、小的更小”,而与2023年公式的雨强相差较小;在不同降雨情景管网水力运行特征中,优化公式与2023年公式的模拟结果高度一致,两者在预测郑州市内涝情况整体上具有相似的准确性和可靠性,对城市排水防涝具有一定的指导作用。

基于MIKE FLOOD模型的平原水网地区内涝治理效果模拟研究

为科学评估平原水网地区内涝治理效果,以昆山市淀山湖镇为研究对象,基于MIKE FLOOD模型,耦合一维河网、二维地形和一维管网模拟了平原水网地区城镇内涝情况。采用实测降雨数据对模型进行了率定和验证,并模拟了2年一遇、5年一遇、10年一遇和20年一遇4种重现期降雨条件下现状和治理后的最大淹没水深。模拟结果表明:20年一遇降雨条件下内涝范围变化明显,其余3种重现期降雨条件下内涝范围变化不明显;对于降雨重现期较小条件下的城市内涝治理,应优先考虑管网改造,而针对短历时的强暴雨事件,应优先考虑海绵城市设施建设改造;为了应对不同重现期、短历时降雨造成的城市内涝风险,应在管网改造的基础上配合海绵城市设施建设改造。

推求暴雨强度公式时的年限选择方法——以景德镇为例

在城市化发展影响下,各地降雨资料不断增多,大部分站点都满足城市暴雨强度公式编制的最低年限要求,很多站点有40、50 a或者60 a以上资料。因此在编制暴雨强度公式实际工作中,年限要如何进行选取,对推求科学的暴雨强度公式意义重大。以景德镇为例,依据1961—2015年分钟降雨资料,采用年最大值法提取样本。从样本均值及变差系数2个方面,比较分析得到合适年限范围。采用耿贝尔分布曲线对3种不同年限样本进行拟合,最小二乘法求得参数,获得不同年限编制的3个暴雨强度公式,并进行比较。结果表明:在编制城市暴雨强度公式时,可以按照一定方法进行年限资料选择,统计所有不同年限均值以及变差系数,分析数值大小及离散程度,根据当地降水特征,规避均值低值区域及变差系数高值区域,通过百分位数法确认具体范围,综合交叉得到年限区域。合理处理好样本年限均值大小与样本年限变差系数之间的关系,得到科学的编制年限,是暴雨强度公式工作编制的基础,决定了所推求暴雨强度公式的准确性和科学性。

基于GIS和SWMM的城市道路暴雨积水模拟

针对暴雨导致的城市道路积水模拟问题,采用GIS(Geographic Information System,地理信息系统)技术耦合SWMM(Storm Water Management Model,暴雨洪水管理)模型,提出积水扩散算法,以实现对城市道路积水范围和积水深度的模拟。首先利用GIS技术耦合SWMM构建城市雨洪模型;然后提出积水扩散算法,解决了特殊地形的积水扩散处理问题,并提出确定积水区范围问题的算法,解决搜索过程中因重复遍历而进入死循环的问题;最后以成都市某区域为例,进行不同重现期降雨情景下的模型计算。结果表明,积水扩散算法设计合理,计算结果准确,能直观表示城市道路积水范围,且计算速度较其他算法更快,在城市道路雨洪管理和灾后损失评估等方面具有一定的应用价值。

不同降水驱动的SWAT模型参数不确定性研究

以抚河流域与黑河流域为研究区,应用4种降水产品(CMORPH CMA、CMFD、CMADS、MSWEP)驱动SWAT模型模拟日流量,评估4种降水产品在湿润区与干旱区的适用性;使用自适应降维评估法选出流域的敏感参数,并进行一致性检验。结果表明:抚河流域4种降水产品的纳什效率系数(NSE)均在0.70以上,其中CMORPH CMA和CMADS的NSE均能达到0.82;黑河流域CMORPH CMA和CMADS的NSE大于等于0.76,而CMFD和MSWEP的NSE分别为0.72和0.74。抚河流域4种降水产品具有相同的敏感参数;黑河流域CMORPH CMA和CMADS有相同的6个敏感参数,而CMFD和MSWEP则分别有5个和8个敏感参数。4种降水产品在湿润流域和干旱流域都能得到较好的应用效果,但是CMORPH CMA和CMADS的模拟效果要优于CMFD和MSWEP。不同的降水输入也会对模型参数敏感性分析的结果产生影响,当降水表现越接近时,所筛选的敏感性参数也越相似。

基于精细化数据的广州市番禺区内涝淹没风险研究

[目的]利用精细化测绘调查数据开展城市降雨径流过程模拟,旨在盘活国土资源数据资产和促进城市内涝风险精准管控。[方法]以广东省广州市番禺区为研究区,基于高精度的地形和建筑数据,采用SCS-CN径流模型和GIS技术,模拟不同强度暴雨情境下的城市内涝淹没深度,定量分析研究区内涝淹没风险空间分布特征,同时结合承灾体灾损经验模型,对洪灾损失风险进行评估,识别高发易损规划管理单元。[结果]①番禺区内涝淹没风险区空间上呈现河涌与城市低洼地区聚集状态,临近市桥—沙湾水道、三枝香—大石水道的街镇存在着较高的淹没风险。②随着暴雨强度增加,农业用地和建设用地将受到最严重的影响。③在100a一遇暴雨情形下,番禺区4个规划管理单元处于高损失风险,损失主要来自住宅建筑,而处于中等损失风险的单元主要面临农业耕地淹没损失。[结论]通过精细化的测绘数据建模,从地块级别成功识别了番禺区潜在易淹没高损失区域,与实际情况较为符合,提高了风险研判的精细度,能够为城市内涝治理和海绵城市规划建设高质量发展提供技术支持。

沿海城市台风暴雨时空变化致涝特征模拟

为探明台风暴雨时空变化对中国沿海城市内涝过程的影响,应用地表水及其伴随输移过程数值模型,以中国沿海城市宁波中心商贸商务区为研究对象,进行多种移动台风降雨情景和静止台风降雨情景下的城市内涝研究。结果表明:(1)不同移动方向下的降雨会导致内涝监测点积水时间滞后,向正西方向及西北方向移动时,积水时间滞后0~0.5 h;向正北方向移动时,积水时间滞后1.5 h;向北偏东30°方向移动时,积水时间滞后1.5~2 h。(2)在92%的模拟工况下降雨的移动会削减积水量和积水深度,水深峰值最大削减率达4.46%;降雨重现期从5 a增大到50 a时,积水水深峰值削减率从0.49%下降到0.10%。(3)双峰型降雨与单峰型降雨对城市内涝积水的影响规律相似,但前者的影响作用更小。因此,在受台风暴雨侵袭的城市区域,防灾减灾部门应考虑台风暴雨的时空移动特征,进一步提高城市抗洪能力,减少灾害损失。

珠江河口区复合洪水事件多要素非一致性的时变遭遇分析

利用1988—2017年珠江河口三灶站潮位、澳门风速、上游流量日极值数据,基于广义可加模型(GAMLSS)的非一致性频率计算方法与时变Copula函数,对上游洪水、台风和天文潮的复合洪水事件重现期及其主控因子展开研究,结果表明:1)珠江河口区潮位、风速、流量均为非一致性序列,构建的时变Copula模型相比传统恒定参数的Copula更符合实际情况。2)1988—2017年珠江河口区典型复合洪水事件发生周期随时间不断缩短,发生概率增大,未来极端复合洪水事件发生概率增强。“黑格比”台风引发的复合洪水事件重现期从1988年的13.06 a一遇减小到2017年的10.80 a一遇,“韦森特”“天兔”引发的复合洪水事件在1988—2017年重现期缩短了1.06和0.97 a;3)当3种因子重现期为5 a一遇时,珠江河口区复合洪水事件主要受台风风速影响较大;重现期为10、20、50 a一遇时,复合洪水事件主要受天文潮潮位影响较大。

考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型

为准确模拟城市洪涝过程,以地表二维流动模型和SWMM一维管流模型为基础,同时考虑地表径流与地下管流交换的3种模式,构建了城市地表与地下管流双向耦合的水动力学模型。采用水槽试验算例和理论算例对耦合模型进行验证,并将耦合模型应用到英国Glasgow城市街区,分析排水管网和不同地表地下水流交换模式对城市洪涝过程的影响。结果表明:模型在试验算例和理论算例的模拟中均具有较好的精度和可靠性,模型能够准确地模拟具有排水管网的城市洪涝演进过程;与无排水系统相比,检查井简化法、雨水口法和雨水口-检查井法3种水流交换模式下Glasgow城市街区模拟的最大淹没面积分别减少9.3%、23.2%和24.5%,其中对重度积水的消减作用更显著,淹没面积分别减少43.6%、79.9%和80.9%;检查井简化法的消减作用要远小于雨水口法和雨水口-检查井法,后两者差异较小。雨水口法和雨水口-检查井法比较符合实际情况,且雨水口-检查井法的计算效率更高更简单,因此,在城市洪涝模拟中采用雨水口-检查井法考虑地表径流与地下管流交换过程更符合实际。

基于场次洪涝灾害的损失函数构建方法

构建洪涝灾害损失函数对于认识洪涝灾害损失的发展规律、提高灾害损失的评估时效性具有重要意义。提出了耦合洪涝致灾因子空间分布的动态模拟、社会经济数据空间化处理、灾害直接和间接损失计算以及曲线拟合的场次洪涝灾害损失函数构建方法,构建了洪涝灾害损失—时间函数,并建立了函数参数的调整策略,在上海市开展了实例研究。研究结果表明:场次洪涝灾害直接经济损失的发展过程呈“S型”曲线的变化特征,可将weibull分布函数作为其损失函数;减停产损失的日变化过程呈“L型”曲线的变化特征,可将双曲递减函数作为其损失函数;产业关联损失的日变化过程呈“倒U型”曲线的变化特征,可将Hoerl函数作为其损失函数;累计产业关联损失约为停产或减产损失的1.77倍,间接经济损失约为直接经济损失的1.29倍;损失函数参数与灾害发生概率多呈非线性的单调递增或递减关系,基于拟合参数的洪涝灾害损失评估相对误差在5%以内。本研究的方法被证实具有较高的模拟精度,为认识洪涝灾害损失的发展规律和提高洪涝灾害损失评估时效性提供了新途径。

基于多源数据融合的城市洪涝模拟高精度地形构建方法

为了解决城市洪涝模拟精细地形数据难以获取的问题,提出了一种考虑管网数据、道路数据和建筑物数据等多源数据融合的城市洪涝模拟高精度地形构建方法。以唐山市龙王庙河周边区域作为实例验证研究区域,基于该方法构建的DEM建立了研究区城市雨洪模型(GAST-SWMM耦合模型),并对两场降雨条件下的雨洪过程进行了模拟,模拟得到的积水位置与实际积水位置相吻合,其中一场降雨条件下两处水位的纳什效率系数分别达到0.92和0.87,水位峰值相对误差为3.35%和3.63%,验证了方法的有效性,表明采用该方法构建的DEM能够较好地反映研究区域的地形特征,可满足城市洪涝模拟的精度要求。

基于长短时记忆网络的顶托影响下干支流洪水模拟研究

干支流交汇河段易发生洪水相互顶托现象,造成河段持续处于高水位,极大地增加了洪水模拟的难度。以三岔河口上游受顶托影响显著的嫩江大赉站为研究对象,首先分析识别大赉站历史洪水的顶托关系,并根据洪水顶托关系划分洪水类型;在此基础上采用长短时记忆(LSTM)网络建立洪水模拟模型,评估模型的模拟效果。结果表明,采用流量、水位变化率可以较为有效地识别洪水顶托关系,历史上嫩江受到洪水顶托影响的年份较多;LSTM模型输入中仅考虑上游来水对大赉站流量模拟精度影响相对较小,而对水位模拟精度影响显著;考虑顶托影响的LSTM模型对大赉站的流量、水位模拟精度均较高。可见,所构建的LSTM模型能较准确地模拟出顶托影响下的大赉站洪水过程,为类似流域或站点的洪水模拟提供参考。

农田排涝模数计算方法比较研究

【目的】探究径流深与排涝模数计算方法的差异性,确定合理的农田排水工程规模。【方法】基于历史降水资料、排涝泵站运行数据和土地利用类型数据,计算三江平原绥滨县蜿蜒河涝区实际径流深(RO),采用综合加权法和SCS-CN方法计算了涝区理论径流深(R_(GM)、R_(SCS)),在此基础上,用经验公式法和平均排除法计算区域排涝模数(Q_(E)、Q_(A)),比较分析径流深与排涝模数计算方法的适用性。【结果】在同一年份同一重现期下,降水历时越长实际径流深越大;同一降水历时同一重现期下,实际径流深随着年份的推移而减小;实际径流深和排涝模数与理论径流深和排涝模数存在偏差。大降水情况时,R_(GM)>R_(SCS)>R_(O);小降水情况时,R_(SCS)<R_(GM)<R_(O)。根据实际和理论径流深计算出的排涝模数规律与径流深规律相同;大降水情况下,1日降水历时Q_(A)>Q_(E);3日降水历时Q_(A)<Q_(E)。【结论】考虑了前期土壤状况的SCS-CN方法更适宜平原涝区径流深计算,但需要选择适宜的CN值。引入迟缓-槽蓄系数的平均排除法更能反映出大流域的调蓄作用。在经济发展水平较低且经济增速缓慢的地区,对于大面积滞蓄条件较好的平原涝区选择更长的排涝历时时,采用加入槽蓄-迟缓系数的平均排除法计算排涝模数更适宜。

基于BP和LSSVM的径流分频预测模型构建

针对径流序列具有较强的随机性和波动性特征,提出一种短期月径流预测混合模型CEEMDAN-VMD-(BP,LSSVM)-LSSVM。首先利用自适应白噪声完整集成经验模态分解(CEEMDAN,complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise)将径流序列分解为高频、中频和低频分量,再利用变分模态分解(VMD,variational mode decomposition)方法进一步分解高频分量,并根据样本熵对两次分解得到的子序列进行整合,采用麻雀搜索算法优化的反向传播神经网络(BP,back-propagation neural network)和最小二乘支持向量机(LSSVM,least square support vector machine)分别预测高频分量和中低频分量,最后将不同频率分量训练期的拟合值作为LSSVM的输入,进行二次预测得到最终的径流预测结果。将提出的模型应用于黑河流域莺落峡站和祁连站的月径流预测,验证期相关系数和纳什效率系数均达到0.99以上,对比其他8组对照模型,该模型具有更高的预测精度,可以应用于实际的短期月径流预测。

漓江峰丛片区高位岩溶洼地洪涝水文过程及有效治理

漓江峰丛片区高位岩溶洼地洪涝频发,严重影响该地区农村经济发展和自然景观资源开发与保护。本研究选择在漓江峰丛片区暗嵅高位洼地开展洪涝水循环过程研究,对洼地内主要消水口(A01、A03落水洞)进行扩宽和疏通,加大过水能力,使洪涝水害得到有效治理。结果表明:洼地积水成涝对降雨响应迅速,降雨结束后,12~24 h内洼地积水深度就能达到最大,日降雨量超过50 mm或72 h累计降雨量超过90 mm,洼地就容易积水成涝。2023年4-7月共造成了8次洪涝灾害,洪涝总时长达417.5 h(18.6 d)。鱼嵅地下河出口排泄量达到大气降雨补给量的77.77%和87.32%,为暗嵅洼地地下水总排泄口,主要通过中部A01、A02、A03、A044个消水洞排水,4个消水洞不同的消水速度造成了出口流量的4个峰值。A01消水洞水力坡度小,下部管道受方解石矿渣堵塞,消水速度较慢,现仅对A01洞口进行整治,未能有效解决洼地洪涝问题。A03、A04消水洞位于方解石脉矿的南侧,未受到方解石尾矿渣的影响,岩溶管道过水通畅。通过疏通A04消水洞,并将南侧古蚕洼地的洪流引至A03消水洞,缩短洪涝时间66.71 h(2.8 d)。因此,修建好南部排水沟系统,使南部古蚕洼地的水全部通过A03、A04消水洞快速向鱼嵅地下河出口排泄,是进一步减轻暗嵅洼地洪涝受灾程度的重要措施。

基于Vine Copula的鄱阳湖流域近70年洪水空间分异规律

量化流域的洪水空间分异规律,对防洪减灾具有重要意义。采用鄱阳湖流域不同支流7个水文站近70 a日径流量资料,利用自动峰值超阈值模型、主衰退曲线分析法确定总洪量、洪峰流量和持续时间3个洪水特征,基于Vine Copula模型建立三维联合分布,计算联合、同现和2种条件重现期来对比研究各支流的洪水演化规律。结果显示:洪峰流量最优边缘分布为对数正态分布,总洪量以伽马分布为主;Gaussian Copula模型对洪峰流量和总洪量的相关性结构拟合效果良好,Gaussian Copula模型和Student t Copula模型适合建立总洪量条件下洪峰流量和持续时间的相关性结构;鄱阳湖流域西部会形成总洪量、洪峰流量和持续时间均较大的灾难性大洪水;流域东部容易在短期内积累较大的洪量,而不会形成持续性洪水;在洪量一定的情况下,流域南部洪水的洪峰流量最大。研究结果可为鄱阳湖流域改进洪水预警方法和制定洪水分级管理策略提供参考。

塔里木河“四源”洪水演变规律及成因分析

基于1981—2020年塔里木河流域“四源”5个水文站的日径流数据及格网温度、降水和雪深等数据,采用最大值及POT采样法,分析洪水发生量级、频率和峰现时间等特征,同时采用相关性分析揭示不同洪水指标与影响因素之间的关系并识别关键影响因子。结果表明:(1)1981—2020年塔里木河“四源”各站点洪峰流量大小依次为:卡群>协和拉>同古孜洛克>沙里桂兰克>大山口,年及季节尺度洪峰流量普遍呈增加趋势,冬季洪峰发生时间均呈提前状态,其中沙里桂兰克年均提前最多为2.61 d,卡群站提前仅0.67 d。(2)研究时段内塔里木河流域共有2个洪水高发期,为1994—2002年和2006—2011年,流域内大量级洪水集中发生在1990年之后。(3)洪水发生前不同时间内最小温度、降水和雪深以增加趋势为主;而最大温度以减少趋势为主。春季洪水指标与最大3 d降水的相关性最高,而秋季洪水指标与最大7 d降水的相关性最高。相比于单日降水,多日降水与洪水指标的相关性更高。在雪深相关因子中,最大15 d雪深与各站点的春季洪水指标相关性最高。研究结果对区域水资源管理以及洪水灾害预测提供理论依据。