城市地区场次降雨时空展布方法研究

受气候变化和城市规模不断扩张等因素影响,城市地区降雨过程的时空动态性愈发明显,通常采用的点、面雨量等表达方式难以体现这种时空动态性。随着降雨观测技术的进步,大多城市积累了长序列降雨观测数据,其中蕴含了丰富的降雨时空过程信息,为预报降雨或设计降雨的时空展布提供了可能。设计了一套降雨时空展布方法,包括数据收集、标准化处理、降雨场次划分、时空模式提取、标准网格插值、时空展布等环节,并提出每个环节的处理步骤和关键问题。以北京市为例,对该技术方法进行了验证,选择了12 h、24 h、72 h 3个历时的场次降雨,提取的时空模式和展布结果表达出了场次降雨的时空动态性,并与历史的降雨过程表现出很好的匹配性。表明该方法可用于城市地区降雨典型模式提取,以及降雨过程的时空展布。该方法利用历史降雨数据提取降雨展布模板,输入场次降雨(或预报降雨)的总雨量,得到该场次降雨的时空分布过程,展布结果可为洪水预报提供更为准确的降雨输入条件。

沿江城市降雨特性及雨洪关系分析——以四川泸州市为例

沿江城市气候多变,外洪和内涝之间关系复杂,相互影响、相互制约,洪涝统筹是沿江城市面临的最主要问题。分析掌握沿江城市的暴雨、洪水特征,可提前预测不同降雨条件下河道洪水的特性及其对城区排涝的影响,对于城市防洪系统和排涝系统统筹兼顾、合理规划、洪涝预报预警,都具有重要意义。以四川泸州市为例,对暴雨时空分布特征、洪水特征规律等进行了分析探讨,以期为新形势下沿江城市防洪减灾体系建设提供参考。

基于流形学习算法的降雨数据时空分布特征提取及重构

【目的】掌握精细化的降雨时空分布特征,对于城市洪涝风险管理水平的提高具有重要的意义。我国近十几年降雨监测站网密集且数据精细程度高,但时间序列较短;历史降雨资料时间序列长,但是精细程度低。【方法】为了更有效地利用历史降雨资料,将流形学习算法引入到历史降雨资料重构中,从高分辨率降雨资料中,提取降雨的时空分别特征,基于该特征,将历史逐6 h的降雨空间数据重构为逐1 h的降雨数据,以满足城市洪涝风险分析的要求。【结果】结果表明,该方法重构数据高值区与实测值的平均误差在15%以内,低值区在20%以内,比传统插值处理的数据高值区误差降低了45%~85%,低值区降低了10%~40%。【结论】利用流形学习算法重构的历史空间降雨数据符合各地区降雨时空分布特征,可提高降雨空间数据颗粒度,实现降雨时空分布精细化特征的有效、合理的提取和总结。

基于机器学习降雨动态时空特征识别山丘区小流域洪水预报方法研究

山丘区洪水产汇流速度快,破坏力强,预报难度大。如何进一步提高山丘区洪水预报的准确性和预见期,是当前亟待解决的主要问题。针对该问题,本文基于机器学习技术,创新性地提出了一种洪水预报的新方法。该方法通过识别与当前降雨动态时空特征最相似的历史降雨洪水过程,“借古喻今”进行洪水预报。结果表明,在人为影响小、流域面积在600 km^(2)左右的山丘区小流域,该方法预报洪峰流量平均误差为8.33%,洪量平均误差为14.27%,峰现时间平均误差1 h,均达到了洪水预报精度要求。区别于传统的洪水预报方法,该方法从整场降雨发展趋势的角度上预报山洪,更有针对性,为山丘区小流域洪水预报提供了新思路,为“三道防线”数据深度挖掘,防洪“四预”智能化水平提升提供有力技术支撑。

数字孪生淠河建设实践与思考

数字孪生淠河根据淠河流域特征,以流域防洪需求为牵引,提出技术解决方案。在共享安徽省现有数据感知、网络传输、算力环境等基础上,建设内容包括流域数据底板、水利模型平台、水利知识平台等支撑平台,以及在上述支撑平台基础上建立防洪预报、预警、预演、预案“四预”应用。防洪“四预”应用以精细化洪水预报为预警、调度提供基础,洪水预警为下游圩区等保护对象提供多阶段预警,情景化洪水预演以实景化方式分析洪水影响,智能化方案实现防洪预案的快速、自动化生成。通过总结数字孪生淠河建设内容,进一步探讨数字孪生流域建设中存在的难点问题,为相关数字孪生流域建设提供借鉴。

北京市不同流域典型降雨时空格局分析与应用

随着城市建设的发展,降水频率和空间分布不断变化,传统的基于单站或代表站推求的设计雨型难以体现降雨过程的时空综合特征,不能满足精确识别降雨时空分布的要求。以20年(1999—2018年)的雨量监测数据为基础,以北京市山丘区及平原区不同流域为研究范围,利用机器学习方法提取各流域范围内的典型降雨特征,并对不同流域的降雨特征进行分析。总体来说,平原区降雨时空分布特征复杂,和山丘区降雨相比,平原区各历时降雨时空分布特征区别较大,降雨特征和下垫面地形相关。研究成果整合应用于北京市暴雨设计成果查询系统,可为北京市城市水资源合理配置规划和精细化管理及防洪规划提供基础技术支持。

全国河流光污染指数月度数据集

本数据集以公开的HydroSHEDS数据集和NPP-VIIRS夜间灯光月度合成数据为基础,生成了2012年4月至2021年10月逐月的全国河流逐月光污染指数数据。首先,以HydroSHEDS中的河段数据为基础,提取了全国河段数据,并根据全国水系图修正了其中的不合理的河段;其次,将水系数据与NPP-VIIRS栅格叠加,识别出水系流经的像元,从逐月数据中提取出每个像元的灰度值;然后,以10×10 km的格网为单元,综合考虑逐条河段的流量、夜光亮度值、网格内的河流长度,设计了河流光污染指数,并计算了每个格网的逐月的河流光污染指数;最后,形成了一套10×10 km分辨率的全国河流光污染月度数据集。本数h据集作为第一个全国河流光污染时空分布数据,反映了全国河流光污染的时空分布和演变格局,可为河流开发度和干扰度评价、光污染分析等相关研究提供参考。

数字孪生南四湖防洪调度模型研究及应用

南四湖具有独特的水系特征,洪水预报调度难度大。为提升数字孪生流域智能化水平,设计开发了南四湖防洪调度模型集,实现了洪水预报、流场计算、工程调度等功能。介绍了南四湖防洪调度模型布局,以及概念性水文预报模型、水库调度模型、分布式时空变源模型、河道演进模型、湖区洪水演进模型、洪水调度模型等主要内容的研发情况和成果,从防洪演练、洪水预报、流场仿真、工程调度典型应用等方面,介绍了模型集对防洪调度工作的支撑。相关成果为沂沭泗流域防洪调度模型提供了基础和标准框架,为数字孪生流域模型研发提供借鉴和参考。

面向防洪“四预”的数字孪生流域知识平台建设探索

知识平台是数字孪生流域建设框架中提出的内容,以水利知识驱动数字孪生流域智慧化,但如何构建适应行业需求的水利知识平台,缺少经验和成熟案例参考。针对流域防洪“四预”项目建设需求,结合具体建设经验,探索了面向防洪“四预”的数字孪生流域知识平台建设,从知识平台框架、知识库、知识引擎、知识平台软件等方面阐述了建设内容,总结分析了关键技术特点,探索了防洪四预具体应用场景,最后总结探讨了面临的问题及未来可能的发展方向,以期为相关需求提供借鉴。

山地城市防洪标准评估及防洪能力提升的探讨——以南平为例

山地城市气候多变,区域内降雨时空变化大,地形复杂,同时受外洪、内涝、山洪的威胁,灾害叠加,复杂多样,城市的防洪能力迫切需要提升,然而单一通过提高防洪工程标准的做法并不能解决城市复杂的洪涝问题。本文以福建省南平市为例,利用水动力学模型,在科学评估山地城市防洪标准的基础上,通过上游蓄洪、下游分洪等综合工程措施,将受淹状态调控在可承受的范围之内,降低城区内河道水位0.38~0.97 m,有效提升了城市防洪能力。

水利模型平台构建及南四湖水系应用探索

水利专业模型分析物理流域的要素变化、活动规律和相互关系,对水利治理管理活动进行智慧化模拟,为数字孪生流域提供算法服务,水利模型平台实现专业模型的软件化集成并为数字孪生流域提供核心支撑。从模型平台架构、功能设计、关键技术、主要特点等方面介绍了水利专业模型平台的设计,并结合南四湖水系实际应用案例,介绍了模型平台的实例化运行情况,对模型平台面临的问题和发展方向进行了探讨,供相关项目建设参考和借鉴。

冰川崩塌冰湖溃决引发的洪涝灾害调查及应对策略

我国冰川资源主要分布在青藏高原及周边地区,在全球变暖背景下,青藏高原及周边地区冰川整体上处于快速消融状态。冰川的快速变化降低冰川自身的稳定性,进而导致冰川灾害的发生风险增加,冰湖溃决洪水是冰川灾害中影响最大的自然灾害,21世纪以来冰湖溃决灾害发生频率明显上升。未来气温升高和降水的增加将加速冰川的退化,气温升高、冰川融水增加、降水量增加、极端天气条件增多,必将造成冰湖溃决风险增大。通过梳理典型历史灾害事件和气候变化下冰湖溃决洪水风险发展趋势,提出了冰川冰湖灾害应对建议,即部署排查普查,建立重点区域清单;建立多部门长效合作机制,做好协同协作;加强重点区域风险预警;研究冰湖溃决和漫溢溃坝洪水机理和风险;做好应急处置,指导地方编制预案。

南四湖防洪调度系统建设与应用研究

智能化是防洪调度系统发展主要方向,知识驱动是主要手段之一。根据“需求牵引,应用至上”原则,沂沭泗水利管理局在数字孪生南四湖二级坝先行先试项目中,构建了面向防洪调度的南四湖水系知识平台,利用知识驱动提升南四湖防洪“四预”功能,提高了防洪调度系统的智能化水平。从降雨、预报、预警、预演、预案、调度各环节,以知识推送提高防洪调度系统输入、计算、输出能力,替代了传统信息系统人工输入为主的系统模式,为洪水预报、防汛会商、调度决策等提供了有力的技术支撑。

南四湖二级坝泄量纠偏模型建设探讨

南四湖二级坝枢纽是分泄南四湖上级湖洪水入下级湖的控制工程,为了解决闸门开启过程中可能出现的实际下泄流量与调度指令泄量误差较大的问题,论述了泄量纠偏模型知识库的构建内容,泄量纠偏模型构建和训练过程,以及应用流程和应用实践结果。该模型具有较强的数值模拟能力,可广泛应用于其他流域大型水闸工程,为水旱灾害防御提供决策支持。

降雨移动对河道洪峰影响研究——以深圳为例

全球气候变化和快速城镇化加剧了城市降雨过程的不稳定性,进而影响城市河道洪水过程,加剧了城市洪涝防治难度。本文以深圳市河湾片区为研究区,利用数值模拟方法研究了降雨移动方向对城市河道洪峰的影响。基于雨强和移动方向的不同组合构建了1300个降雨方案,并利用城市洪涝模型分别模拟了各降雨方案条件下的河道洪水过程,从模拟结果中提取河道断面的洪峰流量以构建评价指标,在全区、河道、断面等不同尺度进行了统计和对比分析。结果表明:随着雨强增加,降雨移动方向对河道洪峰的影响会减小;河道下游断面受影响程度明显高于上游断面;单个断面的洪峰受影响程度与降雨过程的移动方向呈现出较强相关性。研究结果可为城市洪涝防治和洪水风险评估提供参考。

降雨时空不确定性对城市河道洪水的影响

针对降雨时空不确定性严重制约洪涝模型模拟精度的问题,在深圳市布吉河流域研究降雨中心、降雨移动方向等时空特征对洪水过程的影响。利用2018—2020年的降雨监测数据,划分并筛选出116个大雨以上的降雨场次,进而对每个场次通过空间平均化处理和时间同步处理,分别构建空间平均和雨峰同步降雨过程;利用城市洪涝模型模拟116个降雨场次在实际降雨、空间平均、雨峰同步3种时空分布下的洪水过程;分析降雨中心和降雨移动方向对洪峰流量、洪水过程的影响。结果显示:经过空间平均化处理后,产生的洪峰流量较实际降雨模拟得到的洪峰流量变化范围为-43.9%~34.7%,而且当实际降雨中心位于流域几何中心下游时,模拟得到的洪峰倾向于偏高;经过雨峰同步处理的降雨较实际降雨模拟得到洪峰流量变化范围为-33.7%~20.0%,洪峰变化范围与降雨中心移动方向有较强的相关性;洪水过程与洪峰流量变化相对应,表现为洪峰增加、洪水持续时间缩短,或洪峰降低、洪峰持续时长增加。研究结论可为洪涝模型输入的降雨过程构建提供依据,为河道洪水风险评估、洪涝过程实时模拟提供借鉴。

面向防洪“四预”的数字孪生流域数据底板建设

加快构建具有“四预”(预报、预警、预演、预案)功能的智慧水利体系,是国家智慧水利建设的明确要求,数据底板是“四预”功能的必要支撑。全国多个智慧水利和数字孪生流域先行先试成功案例,发挥各自数据和技术优势,建设完成相应层级的数据底板,为数字孪生流域和防洪“四预”应用提供了支撑。在梳理数据底板相关技术基础上,结合试点工作经验,提出了面向防洪“四预”的数据底板建设框架和主要技术路线,从数据采集整编、多源异构数据汇聚、多维多尺度数据融合、业务信息资源库、底板专题图、专业模型数据标准化、数据资源共享管理平台和可视化技术等方面阐述了主要内容和关键技术路线,探讨了数据底板建设存在的不足和预期,以期为面向防洪“四预”的数字孪生流域数据底板建设提供参考。

我国防洪减灾三维数字流域应用综述

防洪减灾涉及的多专业、多尺度、多层面信息需要数字流域的支撑,随着倾斜摄影、虚拟仿真、BIM、数字孪生、智能感知等新技术的发展,数字流域的展现形式由二维地图升级到三维场景。首先回顾了主流三维基础平台在国内的应用发展历程,并结合文献检索结果对主流三维平台特点进行了对比和介绍;其次梳理了国内的防洪减灾三维数字流域相关实践应用,将其过程划分为发展期-平稳期-高峰期,指出目前尚存在标准规范不够、模型集成不足、仿真效果不佳等问题;最后,对防洪减灾三维数字流域的应用方向进行了展望,提出了三维数字孪生流域、水运动过程仿真模拟、智慧化/智能化3个应用方向。分析方法和研究结论可供相关专业、技术人员借鉴参考。

基于边界替代的人口数据空间化方法研究

首先将山东省各县市按级别分类,利用回归方法得到不同级别县市的城镇居住密度与农村居住密度,然后根据乡镇驻地位置,构造Voronoi图来替代乡镇边界。在此基础上利用各乡镇人口数据与居民点数据计算得到各 Voronoi图形的居住密度,并将该密度赋予每个图形的发生点(即乡镇驻地位置),而后利用反距离插值算法,并结合窗口移动平均处理,得到全省的居住密度分布图。使用居住密度分布图和居民点分布数据,计算人口分布数据。并根据每个县市的图上汇总人口和统计人口,计算得到各县市的调整系数,使用该系数对每个栅格的人口数进行调整,保证了各县市总人口不会出现误差。最终得到山东省1km×1km栅格的人口分布数据。最后选取某些样本县, 在样本县内对比每个乡镇图上的人口与实际统计人口,结果表明该人口分布数据有较高的精度。

近年国内防洪减灾信息技术应用综述

在科技创新的时代背景下,信息技术快速迭代,梳理当前信息技术在防洪减灾方面的最新应用进展,将有助于补齐“防洪工程”和“信息化工程”两大短板。介绍了信息技术发展趋势,然后重点梳理了近年来现代计算机技术、新一代信息技术、人工智能技术3类新技术在防洪减灾中的应用,针对其中13个细分技术方向,结合具体案例从技术特点、应用进展、不足和应用前景3个方面进行归纳,最后,分析了技术与业务的多维耦合关系,认为未来防洪减灾信息技术应用将呈现智能化、聚合化、安全性趋势。