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。

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。

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。

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。

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。

BP神经网络和数值模型相结合的城市内涝预测方法研究

洪涝数值模型是当前城市内涝风险分析和预报预警的主要技术手段,然而数值模型的计算速度较慢,难以满足日常防汛应急的需求。如何将人工智能技术,引入到训练样本及标注数据较少的城市积水内涝快速预测中,是个重点关注且亟待解决的问题。针对这个问题,本文将具有良好计算精度数值模型与具有较高计算效率的BP人工神经网络模型相结合,提出了一种快速预测城市内涝风险的新方法。本方法以城市洪涝模型的模拟结果作为数据驱动,构建各积水点的BP神经网络预测模型。结果表明,该方法预测精度高,计算速度快,可以满足日常防汛应急的需要,为人工智能技术在防洪减灾方向的应用提供了新的思路。

一种改进人口数据空间化的方法:农村居住地重分类

人口(统计)数据空间化是解决统计数据与自然要素数据融合分析的有效途径。本文在论述已有人口空间化方法的基础上,认为遥感影像得到的居民地数据是表达人口分布的最好指标。为了使居民地数据更好地应用于人口空间化的研究,论文在分析各种与人口居住密度相关指标的基础上,确定了用农村居民地面积所占百分比对农村居民地进行重新分级,然后应用于人口空间化的计算。结果检验表明,人口空间分布数据的误差从分级前的17.4%降到分级后的12%,尤其是误差高于30%的乡镇个数从8个减少到1个,该方法有效地提高了人口空间数据的精度。

基于多变量LSTM神经网络模型的风暴潮临近预报

台风的风暴潮是台风引发的一种重要次生灾害,对沿海城市带来的威胁是多方面的。及时准确地预报风暴潮,对沿海地区采取合理措施减少人员伤亡和经济损失具有重要意义。本文利用长短期记忆神经网络(LSTM)模型,综合考虑风速、风向、气压等气象因素和前时序的潮位数据,建立了风暴潮的临近预报模型。结果表明,基于LSTM的临近预报模型具有相当的预报技巧,利用前时序的风速和风向数据以及潮位数据建立的模型可对风暴潮潮位进行准确地预测。研究还表明,仅考虑前时序潮位的预测模型误差最大,考虑气压后的模型预测能力有一定进步,而考虑风的要素以后,预测的效果提升更为明显。

基于机器学习短历时暴雨时空分布规律研究

城市内涝风险的精细化管理和防洪排涝市政工程的科学设计,需要对当地降雨的时空分布特征有深入的了解。而传统以单站雨型代表整个区域降雨特征的分析方法,不能满足这一要求。本文尝试将机器算法引入到暴雨时空分布特征研究中,以北京城区2004-2016年降雨资料为研究样本,利用动态聚类算法,提取北京城区短历时暴雨时空分布的动态特征。经分析,北京汛期的短历时暴雨时空分布特征,可以分为3种类型:(1)降雨自西北部山区移动到城中心区,逐渐扩散到城区;(2)降雨集中在城区西南部地区,逐渐向北部和城中心区扩散;(3)降雨集中在城区中心区和东部地区,基本不发生移动。研究结果表明,基于机器学习算法提取的暴雨时空分布特征,与实际暴雨时空动态发展趋势相符,并且有各自对应的降雨形成的不同物理机制,可为城区降雨设计、城市内涝风险管理等工作提供借鉴与参考。

人口区划及其在人口空间化中的GIS分析应用——以山东省为例

对基于土地利用/土地覆盖类型的人口空间化方法,进行人口区划的GIS分析应用是一有效技术途径。本文在全国一级区划基础上,通过数理统计分析提取二级区划各影响因子,建立二级区划指标,进而利用空间分析技术进行人口空间化的二级分区。同时以农村居民地、城镇居民地和耕地数据建立人口空间化模型,在GIS的支持下实现山东省2000年人口统计数据空间化。并通过对比基于一级人口区划和二级人口区划的人口空间化数据,选取郯城县进行结果精度检验。验证结果表明二级人口区划后的人口空间化数据在数值精度和空间精度上都有明显提高。