城市水库溃坝耦合极端降雨前后模拟对比分析

以探究城市上游水库溃坝耦合极端降雨及仅溃坝两种工况下洪水灾害程度的变化为目标,确定郑州市二七区、中原区、金水区及惠济区为研究区域,结合芝加哥雨型公式及长历时暴雨强度公式推求设计暴雨,依托“7·20郑州特大暴雨”实测数据推求研究区域产汇流特征,建立极端降雨与洪水过程的响应关系。在此基础上,以郑州市二七区尖岗水库为研究对象,构建两种工况下二维溃坝洪水演进模型,对水情信息进行对比分析。结果表明:相比于仅溃坝,降雨耦合溃坝工况下淹没范围更大,其中增加的淹没范围内各点的最大水深、流速、洪水严重性程度均处于较低等级。在河道两侧,两种工况下各等级水深、流速及洪水严重性淹没范围大致相同;地势较低的区域降雨耦合溃坝工况下淹没水深和流速增大较多,易涝点水深增加约0.6 m,选取断面水面线升高约1 m。

极端降雨与强人类活动复合作用下山洪灾害研究构想和成果展望

全球气候变暖导致山丘区极端降雨事件多发,降雨强度与量级不断突破区域历史极值,同时叠加区域脆弱环境和强人类活动影响,致使山洪形成及演进致灾成因复杂多变,由此加重了暴雨山洪引发的人员伤亡和财产损失。山洪灾害具有显著的自然和社会双重属性,其形成发展是山丘区环境孕灾承灾因子复合作用的结果。中国山丘区局地气候独特,地质地貌类型众多,溪河水系复杂,人类活动影响突出。大量重大山洪灾害事件表明,极端降雨诱发的山洪过程及致灾特征各异,给山洪灾害预报预警防御造成极大困扰,山洪灾害研究仍是当前重大自然灾害防控的重点和难点。长期以来,中国山洪灾害研究多偏重于雨水情时空变化规律,着重研究降雨影响的山洪洪水淹没特征,据此推算山洪灾害防治区的临界雨量与水位阈值,在山洪灾害防治实践应用中取得了较为显著的成效,山洪灾害事件导致的人员伤亡数总体显著下降。然而,受山丘区降雨特征、下垫面组成、溪河形态及人类活动等多因素影响,山洪洪水形成演进时挟带大量泥沙,从而表现为山洪水沙、山洪泥石流等物理过程,导致的局地冲毁、淤埋、淹没等致灾成因及阈值与山洪洪水致灾也存在本质差异,这也是近年来中国重大山洪灾害事件多发的主要原因。针对极端降雨诱发多类型山洪形成演进与强人类活动复合作用致灾防御难题,亟需利用气象学、水文学及河流动力学等多学科知识,采用现场调查、物理试验、数值模拟及理论分析相结合的方法,从传统单一的山洪洪水灾害研究扩展为全类型山洪灾害(山洪洪水灾害、山洪水沙灾害、山洪泥石流灾害)研究,开展全类型山洪引发的冲毁—淤埋—淹没等复合致灾研究,系统探究中国重灾省区重大山洪灾害事件的强降水时空演变规律,剖析极端降雨与强人类活动复合作用下多类型山洪形成及其演进致灾范围、规模特征,揭示气象水文溪河响应与强人类活动影响的不同类型山洪灾害致灾成因,建立气象水文水沙动力过程模拟方法,辨识山丘区流域全类型山洪冲毁—淤埋—淹没风险,提出不同类型山洪灾害易发区识别方法,构建山洪洪水灾害、山洪水沙灾害及山洪泥石流灾害分区分级多指标预警防御方法。该研究有利于提升中国山洪灾害理论技术研究水平,进一步完善中国山洪灾害防治对策。

基于优化随机森林模型的降雨群发滑坡易发性评价——以西秦岭极端降雨事件为例

随机森林模型(RF)是在滑坡易发性评价中广泛应用的机器学习模型之一。针对制约随机森林模型评价应用质量的难点问题,以西秦岭山区娘娘坝镇极端降雨诱发的2万余处群发滑坡为例,从滑坡-非滑坡样本筛选方法、影响因子选取、联结方法应用和超参数优化4个方面开展了模型优化及与常规模型评价的对比研究。通过区域滑坡易发性评价和有效性比较可知,2种情形评价均取得理想结果,优化随机森林评价结果AUC(精度曲线下的面积)可达0.877,对比常规评价结果更优,表明该优化方法可以明显提升随机森林模型在区域降雨滑坡评价中的效果和学习效率,可为气候变化背景下极端降雨群发滑坡灾害易发性评估提供参考。

极端降雨条件下城市关键基础设施网络韧性的影响研究

引言近年来,全球变暖引发的极端天气事件频繁发生,尤其是极端降雨导致的城市内涝、地面坍塌、泥石流等次生灾害事件,给城市生命和财产安全带来严重危害。城市由多种关键基础设施系统构成,主要包括电力、供水、交通等。这些基础设施不仅在功能上相互关联,而且在结构上密切耦合,形成了复杂的城市生命线系统网络。

极端降雨条件下郑州市地表径流特征分析

为分析郑州市不同极端降雨事件、不同土地利用类型及不同坡度下的地表径流量,以2020年8月7日、2021年7月20日、2022年7月22日极端降雨事件,2000~2020年土地利用类型以及相同降雨情景为基础,依据SCS-CN模型分析研究区地表径流量特征。结果表明,在三次极端降雨事件中,主城区的地表径流量均相对较大。受不透水面的影响,在主城区降雨量小于周边城区降雨量的情况下,主城区的地表径流量依然大于周边区域地表径流量。从地形坡度上讲,在三次极端降雨事件中,均以微坡(<5°)区域的平均地表径流量最大,且整体呈坡度越大平均地表径流量越小的趋势。在相同降雨条件下,2000~2020年郑州市平均地表径流量呈现逐渐增大的趋势,且主城区平均地表径流量增大趋势较明显;而随着降雨量的增加,郑州市地表径流量增加显著,且主城区地表径流量比周边城区增加更快。可见,在极端降雨条件下,郑州市主城区及微坡区域地表径流量一般相对较大,需要合理调节土地利用,增大林草覆盖比率。

极端降雨事件下三峡库区中部多尺度嵌套小流域径流泥沙特征分析

为研究三峡库区中部泥沙来源及类型分布,本文基于中国科学院成都山地灾害与环境研究所万州典型区水土保持监测站多尺度嵌套小流域2003—2022年降雨极值与泥沙特征数据,利用Mann-Kendall秩相关检验,深入分析了库区流域内输沙量趋势变化及其与降雨极值之间的关系。结果表明:(1)三峡库区中部典型区小流域降雨天数和中雨、大雨以及暴雨天数有明显增加趋势;(2)支沟向出口汇聚过程中,部分推移质泥沙沉积,但在极端降雨时,沉积泥沙再次启动汇入下游,且极端降雨事件下流域坡面泥沙主要以悬移质形式流失;(3)由于人为活动的影响,嵌套小流域内各支沟和集水区的侵蚀模数存在显著差异,最大侵蚀模数与最小侵蚀模数之间的比值高达10.71。同时,小流域及其嵌套支沟的年侵蚀模数呈现不同程度增加的趋势,并在极端降水事件频繁发生的2020年达到最大值。(4)虽然三峡库区中部典型区小流域降雨整体上有降低趋势,但极端性的降雨频发仍是水土流失防治的重点区域。因此,针对频发的极端性降雨侵蚀特征及其小流域内泥沙迁移规律,加强小流域推移质与悬移质源头生态风险排除与治理,稳固河道沉积泥沙将有效降低小流域把口站泥沙的输出。

极端降雨对黄土沟壑区隧洞施工力学效应影响分析

黄土地区输水隧洞的建设中,降雨入渗极大影响着输水隧洞围岩稳定性。利用非饱和渗流理论和数值模拟方法研究了极端降雨条件入渗与黄土沟壑区隧洞的开挖扰动耦合影响下围岩的变形和渗流场演变规律,通过Plaxis3D模型对降雨入渗下新奥法施工过程中围岩力学特性、初期支护过程进行流固耦合分析。结果显示,降雨等级越高,围岩孔隙水压力变化幅度越大,对围岩的稳定性越不利;降雨入渗与开挖扰动会加速土层中渗流场和应力场的重分布过程;基于沟道的汇水特性,隧洞围岩含水率在最初5~10 d呈台阶式增长,拱顶、拱腰和拱趾处的最大变形为17.8、28.2、24.6 mm,最大剪切应力为150.6、182.5、175.3 kPa,降雨结束约15~20 d围岩变形速率逐渐减小收敛至特定值,但围岩的应力持续增加,为避免围岩发生塑性变形,故可在15~20 d进行二次衬砌支护。本次研究结果可对极端降雨期黄土沟壑地区隧洞施工安全控制提供参考。

基于北斗三号和风云四号A星的大通“817”极端降雨特征分析

充足的水汽和云相态变化是降雨发生的两个必要条件.北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3)可以反演水汽,具有时间分辨率高、精度高的优点;风云四号A星(FY-4A)可提供分辨率为15 min的云相态参数.本文使用BDS-3和FY-4A数据分析了2022-08-17大通降水发生前后的大气可降水和云相态的时空变化规律,通过对比得到了大通“817”极端降雨三个特征:一是降雨前1 h大气可降水量(perceptible water vapor,PWV)快速上升,速率达到3.17 mm/h,显著超过同期一般降雨水平;二是降雨前云类型存在多层云与不透明冰云的多次变换,最后以不透明冰云形式发生极端降雨;三是极端降雨云顶高度通常大于10000 m.

利用多GNSS分析澳大利亚极端降雨水汽变化

利用澳洲153个全球卫星导航系统(GNSS)站提供的北斗卫星导航系统(BDS)、全球定位系统(GPS)、伽利略卫星导航系统(Galileo)的多系统观测数据与武汉大学发布的超快速轨道和钟差产品/最终产品,计算2017年澳洲一次极端降雨过程中测站上空的天顶对流层延迟(ZTD)和大气可降水含量(PWV)。结果表明:多系统GNSS联合解算的ZTD与国际GNSS服务(IGS)最终产品互差的平均偏差为-0.01 mm,较单一GPS系统解算偏差更小;准实时ZTD计算与事后计算精度相当。利用气象再分析资料ERA5提供的温压数据进行PWV反演和精度验证的结果表明:多系统GNSS反演PWV与ERA5互差RMS为2.71 mm,符合气象学研究要求。最后,结合ERA5陆面产品的逐时降水量数据分析PWV与本次降雨的关联。在时序上,PWV达到极大值后2~3 h内降水量达到最大值。在空间上,PWV高值地区与强降雨地区具有高度一致性。

基于应对极端降雨事件的绿色规划策略分析

极端降雨事件威胁着城市的正常运转。基于城市应对极端降雨事件角度,对城市的绿色规划策略从理念和实施两个层面进行分析。从理念层面分析韧性城市的概念,并提出绿色基础设施的韧性内涵,总结分析当前国内外的绿色规划理念;从实施层面总结国内外绿色规划理念在实施过程中遇到的诸多挑战,并归纳出国内外应对挑战的诸多措施。通过研究,为我国应对极端降雨事件的城市建设策略提供理论参考和依据。

湖北省历史极端降雨时空特征变化及未来趋势分析

基于湖北省26个站点的1960年—2019年日降雨数据,选择12个极端降雨指数进行统计,采用一元线性回归及Hurst指数法,分析湖北省内极端降雨时空变化特征及未来发展趋势。结果表明:湖北省内1960年—2019年各区域极端降雨指数变化幅度较大,且不同地区的极端降雨特征有明显区别。除连续干旱日数由北部往南部递减,其余极端降雨指数整体上都从南往北递减。湖北省中部地区大部分区域极端降雨事件是逐年增长的,且在未来将继续保持增长趋势。以武汉、孝感、咸宁为主的湖北中部城市需加强城市内涝防范,以恩施为主的湖北西南部城市需加强极端降雨下水土流失防范措施。对极端降雨事件将增加的地区,其范围内的工程项目应在施工计划中进一步完善相应的极端降雨防范措施,以保证施工安全。

极端降雨下抗滑桩局部失效成因研究——以吉林抚生村滑坡为例

受短时间内3次台风及强降雨的影响,采用抗滑桩加固的吉林抚生村滑坡再次出现新的变形破坏。抗滑桩发生较大变形,严重威胁滑坡下方交通及行人的安全。借助Geo-Studio有限元数值模拟方法,分析了极端降雨条件下滑坡的变形和应力变化过程,并且与天然状态进行对比分析,进一步探究了抗滑桩失效成因。结果表明:抗滑桩失效变形是由于多因素耦合作用的结果,降雨入渗导致孔隙水压力增大和有效应力降低是抗滑桩局部失效的主要原因。

极端降雨条件下的城市水安全景观建设

随着城市化进程的加快,我国越来越多的人口向城市聚集,城市建成区面积不断扩大。相应的,从城市水文的角度看,不透水下垫面的面积和比例也在不断提高。当城市发生降雨事件时,由于城市中存在着大量的硬化下垫面,短期内无法下渗的雨水将形成径流,城市发生洪涝的风险等级将不断提升。实际上,在欧洲等国家和地区,在场地尺度已有关于极端降雨景观的实践研究,这些设计理念将对极端降雨下我国的水安全景观设计具有较强的引导和启发作用。

美国洛杉矶海绵城市设施可有效吸纳极端降雨

2024年2月4~7日,美国洛杉矶遭遇历史性大暴雨,3天总降雨量达到约229mm,超过该城市年降雨量的一半。然而,这场降雨中,洛杉矶的海绵城市基础设施共收集了约3255万m3的雨水,可供超过10万户家庭使用1年。

极端降雨条件下青海省地质灾害发育分布特征

青海省2018年汛期(6—9月)降雨异常偏多,全省平均降雨量为484.2mm,较常年同期偏多三成,列历史第1位,诱发了大量地质灾害,造成了较为严重的人员伤亡和财产损失。为提高对极端降雨条件下地质灾害发灾规律的认识,支撑地质灾害趋势预测研判,本文通过对比近10年来青海省地质灾害发灾规律,结合野外实地调查,以2018年为例,对青海省极端降雨条件下地质灾害的发育特征与分布规律进行了总结分析。

基于优化深度学习的西南地区极端降雨事件预测模型构建

为构建西南地区极端降雨事件预测模型,本文以卷积神经网络模型(CNN)、长短期记忆神经网络模型(LSTM)为基础,构建CNN-LSTM组合模型,基于孔雀算法(POA)、粒子群算法(PSO)和遗传算法(GA)对CNN-LSTM模型进行优化,对区域中雨日数R10、大雨日数R20、湿日降雨量PRCPTOT、1日最大降雨量RX1 4项极端降雨事件进行了模拟。结果表明,POA-CNN-LSTM模型在所有模型中精度最高,同时具备较高的普适性,可用于预测区域极端降雨事件。

郑州“7·20”极端降雨的城市内涝模拟及风险评估

为科学认识和有效评估极端降雨对城市内涝风险的影响,构建了基于InfoWorks ICM的郑州市金水区老城区内涝模型,以郑州“7•20”极端降雨为例,评估了城市管道排水能力,模拟分析了城市内涝淹没情况,改进了英国基于行人安全的内涝风险评估公式中的部分参数。结果表明:郑州市金水区老城区58.54%的排水管道不能满足郑州市城市规划管理技术规定;在郑州“7•20”极端降雨中,排水能力较低的管道首先被充满,地面积水来时快、退时缓,最大满管率高达98.69%,发生时刻为当日18:00前后;由改进后的内涝风险等级评估方法计算可知,郑州市金水区老城区高风险以上区域占70.43%。该方法更适用于极端降雨下内涝风险等级的评估,可为城市极端降雨防控提供一定的技术参考。

极端降雨天气下地铁隧道施工安全评价

为准确预测极端降雨天气下地铁隧道施工安全等级,基于既有的研究成果和工程实际情况,建立多指标参数的地铁隧道施工安全评价指标体系,并运用博弈论和序关系分析法-反熵权法对各指标因素进行权重分析;同时考虑到极端降雨天气下地铁隧道安全评价指标的不确定性和评价等级划分的模糊性,提出了基于集对分析法和可变模糊理论(Set Pair Analysis-Variable Fuzzy Set,SPA-VFS)的极端降雨天气下地铁隧道施工安全等级评价方法。以某地铁隧道工程为研究对象进行评价,结果表明,施工段L_(1)、L_(2)、L_(3)通过SPA-VFS耦合评价方法和SPA方法计算的安全评价等级均为Ⅲ级,属于一般风险,评价结果与工程实际情况相吻合,为地铁隧道施工安全评价提供了一条新的思路。

考虑极端降雨的抽水蓄能电站施工导流系统风险分析

为研究极端降雨条件下抽水蓄能电站施工导流的风险,基于系统风险分析思想,考虑上下库来水之间的相关性,提出Copula-Monte Carlo导流风险预测方法,构建上库极端降雨量与下库洪量的联合分布,模拟极端降雨引发的施工洪水过程;根据上下库导流工程特点,构建了抽水蓄能电站导流系统风险模型,并考虑水文、水力不确定性随机模拟风险率;最后,以西南某在建抽水蓄能电站为例进行计算,结果表明极端降雨条件下Gumbel-Copula联合分布拟合施工洪水效果良好,考虑相关性的导流系统风险率更高,且更符合实际,为极端降雨下的抽水蓄能电站施工导流方案决策和度汛标准设计提供了参考。

基于改进的三层机器学习搜索法极端降雨区域频率估计

根据极端降雨形成的物理机制,结合机器学习技术如等距特征映射和影响区域,在基于三层搜索法的区域频率分析法基础上提出改进算法,降低了降雨强度-历时-频率(IDF)模型分位点值的不确定性。根据目标站点的气候和地形特征,现有的三层搜索方法运用特征选择法,选取最具代表性的地理或气象要素作为组建同质化群体的相似因子,进而得到具有较低不确定性的降雨强度分位点数值。考虑特征要素之间的非线性相关性,在现有的三层搜索法基础上加入特征抽取法和监督聚类法,减少同质群体聚类受特征要素间非线性相关性的影响,以及其对输入站点数据的依赖性。该方法在加拿大不列颠哥伦比亚省的降雨站点进行了试验,试验结果表明,该方法能进一步降低IDF估计结果的不确定性。