城市洪涝过程:半分布式水箱模型与河道洪水模拟

为解析城市上游流域降雨径流与河道洪水演进的2个子过程,采用半分布式水文模型FLOWS-Tank并结合机制驱动与数据驱动的方法,以福州八一水库与斗顶水库所在小流域及晋安河主干道为例,分析了FLOWS-Tank模型参数敏感性与河道洪水模拟效果.结果表明:1)FLOWS-Tank大部分参数具有较低敏感性;2)对纳什效率系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,NSEC)和均方根误差(root mean squared error,RMSE),模型参数侧孔高度7和汇流参数(非线性水库2)在一阶敏感度和总敏感度下呈现较强的敏感性;3)五四站水位模拟得到均方误差(mean squared error,MSE)为0.001,平均绝对误差(mean absolute error,MAE)为0.012,均方对数误差(mean squared log error,MSLE)为0.0007,RMSE为0.033.FLOWS-Tank模型对于八一水库和斗顶水库2个流域模拟效果较好,总径流量随重现期增大而逐渐增加;耦合长短期记忆神经网络与生成对抗网络(generative advevsarial nets,GANs)对河道洪水模拟具有较好的适用性.

晋城市不同区域洪涝驱动要素分析

兼顾城市不同空间特征的内涝问题,是提升城市防洪排涝能力的关键.本文以晋城市主城区为例,针对不同开发程度的管网密集区与管网稀疏区2类下垫面,构建SWMM-ICM-WCA2D模型,模拟不同降雨情景下管网排水与地表淹没状态,分析城市内涝驱动要素.结果表明:管网密集区的内涝积水主要受降雨强度、管网排水能力和地形特征的影响,主城区现状管网设计标准较低,5 a一遇降雨条件下排水容量已趋于饱和;管网稀疏区高程≤751 m的淹没区水深较大,其余高程大的区域积水深度较小而流速较大;不同降雨情景下,管网指标与淹没要素间均表现出较强的相关性,特别在高水深(>1 m)时的联系更为密切,相关系数>0.78.

济南市主城区城市洪涝风险分析

随着经济社会的高速发展和城市化进程的不断推进,我国多数大中城市面临着严峻的城市洪涝问题,构建科学合理的洪涝风险评价体系对政府制定防洪减灾政策至关重要。以济南市主城区为例,构建元胞自动机CAflood模型,基于模拟结果,耦合指标体系法和数值模拟法,结合层次分析法和熵权法计算的组合权重,构建新的洪涝风险评价体系,评估主城区不同暴雨情景下洪涝风险。结果表明,综合熵权法与层次分析法的组合赋权法能够结合各方法的主客观优势,较单一赋权方法更加科学合理;区划结果表明,高风险区与济南市历史洪涝灾害伤亡地点高度吻合,新评价体系在济南市洪涝风险区划中具有较高的适用性;随着重现期增大,中风险及以上风险等级面积不断增加。其中,高风险面积变化对重现期为5~10年降雨变化最为敏感,建议济南市在遭遇这一重现期暴雨时,防汛部门重点关注高风险区受灾情况,及时做好灾害预警及减灾措施。

考虑空间异质性特征的城市洪涝动态风险分析

城市洪涝问题给社会稳定和经济发展带来了严峻挑战,准确评估洪涝风险对于提高城市防洪排涝能力至关重要.本文以山西晋城市主城区为例,针对城市空间异质性构建SWICA模型,实现城市洪涝联合模拟,结合多源数据构建风险评估框架,采用主客观综合赋权法,进行不同降雨重现期下洪涝动态风险分析,主要结论如下:1)地下管网排水能力在20 a一遇重现期降雨时接近饱和,重现期>20 a时管网系统排水能力不足;随着降雨重现期的增大,主城区内危险性区域逐渐增加,多集中于道路、十字路口和开发程度较高的区域.2)主城区东南部区域,降雨量在1~5 a重现期下区域危险性等级的提升较为显著;洪涝高风险范围随重现期的增大而增加,100 a比1 a增加224.614 hm^(2).3)同一降雨重现期下,高风险和较高风险区域大多集中在主城区中部开发程度较高的区域;主城区东北部植被覆盖较好,高程相对较高,属于低风险区域.

基于SWMM和InfoWorks ICM的城市街区洪涝模拟与分析

针对我国城市日益突出的洪涝问题,以福州市主城区某街区为例,基于SWMM与InfoWorks ICM构建了城市街区尺度洪涝模拟模型,基于差分进化算法率定SWMM关键参数,并在不同的降雨情景下,模拟了城市街区地表内涝淹没与危险性分布,并对比评估了模拟结果的可靠性。结果表明:基于差分进化算法率定得到的SWMM参数具有较好的效果,两次洪峰的模拟水位和实测水位误差均在1%以内;10 a、20 a、50 a和100 a 4种重现期降雨驱动下,研究区淹没面积分别为3.14 hm^(2)、3.37 hm^(2)、3.61 hm^(2)和3.72 hm^(2),重现期从10 a到100 a,总淹没面积占比由27.40%上升到32.46%;基于SWMM与ICM耦合的模拟方式在研究区具有较好的适用性。

福州晋安河片区海绵改造对城市内涝的影响

为研究海绵改造对城市洪涝的影响,有效提高城市对洪涝问题的韧性,对福州市晋安河片区海绵改造效果进行分析。基于InfoWorks ICM模型对片区管网、地表、河道进行耦合模拟,设计了7种海绵改造方案,对各方案计算结果进行评估,并进一步选择琴亭湖附近典型排水片区,量化分析了海绵城市建设与湖库联合调度协同措施下片区的内涝响应。结果表明:构建的洪涝模拟模型能有效模拟晋安河片区暴雨内涝过程,不同的海绵改造措施对最大淹没面积、溢流节点数、超载管道数以及主河道不同断面水位的影响有所不同;全域海绵改造与管网优化组合的方案作用下,模拟得到的海绵改造综合效益最优。苏迪罗台风降雨驱动下,典型排水片区在无海绵改造措施下的总淹没面积为22.87 hm^(2),采用可持续的城市排水系统(SUDS)措施后,淹没面积减小为22.48 hm^(2),进一步加入调度规则,总淹没面积减小为9.83 hm^(2),仅采用源头海绵改造措施在面对极端降雨时效果有限,结合SUDS与湖库调度可以有效减缓内涝问题。

基于InfoWorks的城市水系水文水动力过程耦合模拟——以福州市江北城区及东北部山区为例

以沿海城市福州市江北城区及其东北部山区为研究区,基于InfoWorks ICM模型软件,建立了山区和平原汇水区产汇流的江北城区一维河网模型.对山区产汇流过程利用PDM水文模型、平原汇水区利用Wallingford径流模型及SWMM汇流模型分别进行计算,建立城区河网水系一维河网模型,并将水文模块与水动力模块进行了耦合.在模型中,考虑城区水闸、水泵、坝等水工建筑物,并在河网模型中加入水库和湖泊.利用河道断面监测水位对河网糙率进行率定,利用2019年5月18日降雨-水位数据进行模型的验证,通过设置RTC规则,实现水库与闸泵的调度.结果表明:晋安河水位峰值约为5.35m,峰现时间约在22:55,实测数据显示水位峰值约为5.43m,峰现时间约在22:40.本文通过在城市尺度下建立水文水动力学耦合模型,给出了一种系统考虑各种水工建筑物以及调度规则下的综合的城市暴雨内涝模拟方法,对相关研究具有一定的借鉴意义.

城市社区尺度降雨径流快速模拟——以福州市一排水小区为例

随着城市化进程的不断加快,我国城市正面临着越来越严峻的洪涝问题。本文在社区尺度上构建雨洪管理模型(SWMM),使用遗传算法率定SWMM模型参数;在对研究区降雨分析的基础上,采用模糊识别法筛选出最具代表性的两种雨型;基于不同的降雨情景与SWMM模拟值组成的数据集,建立长短期记忆神经网络(LSTM)模型模拟研究区降雨径流关系,并使用不同工况评估了LSTM模型效果。结果表明,LSTM模型对降雨径流的模拟与SWMM模型基本吻合,而其对洪峰流量的拟合略有偏差。在较小降雨下,LSTM模型模拟洪峰流量较SWMM输出结果偏小;在较大降雨下,模拟结果偏大;在中等降雨时,模拟效果最好。此外,50个隐含层单元的拟合效果更好,但同时更多的隐含层单元对洪峰流量拟合效果更好。

基于陆气耦合的城市雨洪模拟技术研究进展

对汇流时间短、暴雨时程集中且短期内降水强度大的城市区域而言,暴雨洪涝灾害预见期的延长可以为制定应急预案和实施防汛抢险争取更多的响应时间,降低城市暴雨洪涝事件带来的潜在危害.延长城市暴雨洪涝灾害预见期的有效措施之一,是采用基于数值天气预报技术和多源/高分辨率数据资料的陆气耦合城市雨洪模拟技术进行雨洪过程模拟和灾害预报.本文归纳总结了城市雨洪过程模拟和预报中常用的5类降水输入数据及各类降水数据的适用条件;总结了数值天气预报技术在区域强降水模拟方面的研究进展及存在的问题;梳理了城市雨洪过程模拟中采用的常见方法及优缺点;总结了数值降水预报技术应用于城市雨洪过程模拟和预报的最新研究进展.在此基础上,提出了基于陆气耦合的城市雨洪模拟技术需要解决的关键问题和应对之策,指出在当前城市雨洪模拟技术较为成熟的情况下,减小数值降水预报结果的不确定性和提高城市雨洪过程模拟的精细化程度是提高城市暴雨洪涝灾害预报准确性的主要手段.

基于SWMM的城市社区尺度管网排水模拟--以福州市某排水小区为例

基于福州市晋安区某典型居民区实测的管道液位数据,利用遗传算法对SWMM(storm water management model)参数进行优化率定,并利用Morris法对影响产汇流计算的主要参数敏感性进行分析。在此基础上,利用不同重现期的降雨驱动模型,比较分析在不同情景下小区排水管网的排水能力。结果表明:基于遗传算法对研究小区SWMM的参数率定取得了较好的效果,模型参数的拟合度较高;20180531场次降雨计算得到纳什效率系数0.82,20180620场次降雨计算得到纳什效率系数为0.81,实测最大水位、峰现时间等参数误差均在2%以内。通过对参数进行Morris敏感性分析,该居民小区SWMM的最大下渗率、最小下渗率、衰减系数以及管道糙率是比较敏感的模型参数。在不同重现期降雨情景下对排水管网排水能力分析可知,在降雨历时增加时,流量、节点平均超载时长、节点溢流数、满管时间等指标受降雨重现期的影响较大,节点超载数、满流管道数受降雨历时影响相对较小。研究结果可以为城市社区尺度下的管网排水系统模拟及评估提供一定的借鉴。

基于InfoWorks ICM的城市洪涝模拟及其风险分析——以福州市白马河片区为例

在气候变化与城市化的双重影响下,我国沿海城市面临日益严峻的洪涝形势.本文以沿海城市福州市中心城区白马河片区为例,基于InfoWorks ICM建立水文水动力耦合模型,并采用2021年2月10日实测降雨及检查井液位数据对模型参数进行了校验.利用了重现期分别为10、20、50和100 a这4种工况作为降雨驱动模型,其结果表明:在10 a一遇设计降雨时,模型在10:12时达到最大水深0.402 m;在20 a一遇设计降雨时,模型在10:07时达到最大水深0.419 m;在50 a一遇设计降雨时,模型在10:02时达到最大水深0.438 m;在100 a一遇设计降雨时,模型在10:00时达到最大水深0.450 m.本文在水文水动力学模型分析的基础上,基于地形数据构建二维水动力模型作为补充,并采用洪水风险率危险性分析法分别对片区洪水危险性进行了量化计算和空间分析,可以为典型城市洪涝情景模拟及风险量化分析提供一定的技术支撑.

水工程调度与低影响开发协同作用下典型城市片区洪涝过程模拟--以福州市为例

城市水工程调度与低影响开发措施,在应对城市暴雨洪涝中发挥了重要作用。本文以沿海城市福州主城区晋安河片区为例,构建一套综合的水文水动力模拟框架,从全域视角分析实时控制调度下的洪涝响应特征,并选择典型社区,从社区尺度下分析低影响开发措施与水工程调度协同作用下的洪涝过程。结果表明,全域尺度下,通过上游水工程联合调度可以有效控制下游内河水位,距离琴亭湖更近的晋安河主河道断面相比于下游断面,其断面水位变化受实时调度方案影响更为明显。在未考虑河道漫溢时,联合调度对河道水位的影响明显大于对内涝淹没的影响。在社区尺度下考虑河道漫溢时,低影响开发措施与水工程调度对内涝淹没的协同作用明显。在重现期为100 a、历时为2 h降雨下,协同治理前后,淹没面积由7.57 hm^(2)减少至4.85 hm^(2);在苏迪罗台风降雨数据驱动时,协同治理前后,淹没面积由22.87 hm^(2)减少至9.83 hm^(2)。研究成果可以为城市防洪减灾应对措施提供一定的参考。

基于元胞自动机技术的城市洪涝过程模拟——以济南市主城区为例

以济南市主城区为研究区,构建元胞自动机CAflood模型,采用6场历史暴雨过程数据验证模型,并模拟6种不同重现期下主城区洪涝过程,评估受灾状况.结果表明:1)6场历史暴雨过程实测值与模拟值平均误差为0.044 m,表明本文构建的CAflood模型模拟效果良好,可用于济南市城市洪涝淹没模拟;2)随着重现期增大,最大淹没水深h≤0.5 m的安全区域面积占比始终最大,约70%,其他各受灾状态面积均有所增加,且增长趋势先快后缓.其中>1~2 m的中度受灾区面积增速相对最高,由遭遇1 a一遇降雨时的0.97 km^(2)增大至100 a一遇降雨时的6.15 km^(2),增加5.3倍;3)基于淹没深度进行洪涝风险区划,区划结果可为城市防灾减灾提供一定参考依据,但区划图中重灾区与历史洪涝灾害伤亡地点有明显差别.表明在洪涝灾害风险评估中,仅考虑洪涝模拟结果,不考虑社会因素,其结果存在一定的局限性.

城市洪涝数字孪生系统构建与应用:以福州市为例

针对城市日益严峻的暴雨洪涝问题,提出构建面向城市的数字孪生系统,集“实时感知-仿真模拟-预测预警-指挥决策”于一体,实现对城市全域“降水-径流-管网-河网-地表-闸泵”全要素实时动态监测和模拟。以水文水动力学模型为核心,借助人工智能、大数据、云计算等技术,实现城市尺度防洪排涝数字孪生治理体系。以福州为例,介绍城市洪涝数字孪生系统的模块组成以及其在防洪排涝中的作用。

从“城市看海”到“城市看江”:极端暴雨情景下福州市洪涝过程模拟与风险分析

受气候变化、快速城市化以及基础设施建设滞后的多重影响,我国城市面临的洪涝形势十分严峻。2021年7月17日开始,河南省遭遇持续性极端强降雨,特别是郑州市“2021.7.20”特大暴雨洪涝灾害,使得“城市看海”问题又一次出现在公众视野中,而且由于汹涌奔腾的洪水,城市街道变成了一条条水流湍急的江河,“城市看江”又成为城市洪涝灾害中新的威胁,大量的城市基础设施遭到毁灭性破坏,数千车辆化为废铁,经济损失惨重,“城市看江”的危害远远超过“城市看海”。对近年来我国城市极端暴雨洪涝事件进行了较为系统的梳理,并以沿海城市福州市江北城区为例,参考本次郑州市遭遇1000年一遇特大暴雨降雨过程,模拟计算了福州市城区管网、河道、地面在遭遇类似郑州市“2021.7.20”特大暴雨的500年一遇乃至1000年一遇强降雨下的洪涝过程。然后,基于最大淹没水深与最大流速评估城市洪涝风险。结果表明,在极端暴雨工况下,福州市江北城区淹没十分严重,“城市看江”不容小觑,应当未雨绸缪,提前做好应急防汛预案,工程措施与非工程措施并举,减少洪涝灾害对城市经济的影响,保障城市居民生命财产安全。本研究可以为城市遭遇极端暴雨时的防洪决策工作提供一定的参考。

基流分割对城市雨洪模拟不确定性分析的影响

为了探究基流分割对城市雨洪模拟的影响,以济南市主城区流域为例构建SWMM模型,采用2005—2010年7场基流分割前后的实测洪水资料校验模型,应用GLUE方法,以均方根误差为似然评判依据对模拟结果进行不确定性分析,探讨了基流分割前后流量数据对模拟结果不确定性的影响。结果表明:各场次暴雨基流占洪峰流量的比例均值为13.38%,对洪水模拟效果影响较大;GLUE方法能够有效提取高精度参数集,相比于原始流量序列,应用基流分割后流量作为校验模型依据,流量过程90%置信区间覆盖率增大100%,平均偏移幅度和平均对称度分别减小42.60%和87.19%。通过基流分割可有效降低流量数据作为模型校验数据导致的模拟结果不确定性,提升洪水预报性能,获取更精确对称的流量预报区间。

1970-2017年西江流域降水特性分析

基于西江流域37个气象站点1970—2017年逐日降水数据,采用滑动平均、Mann-Kendall趋势检验、Sen’s坡度、小波变换及经验正交分解等方法分析了流域降水时空演变特性。结果表明,西江流域年降水量呈不显著的减少趋势,以29年为主周期,空间分布呈现由东向西、由北向南递减的趋势。年内降水主要集中在夏季,冬季占比最小;春、秋降水量呈减少趋势,夏、冬呈增加趋势,只有春季降水量减少趋势较显著;6月降水量最大,12月—翌年2月各月降水量相近且较小。降水集中程度较高,降水集中度(PCD)与降水集中期(PCP)空间分布均呈由西向东递减的趋势,PCD与PCP第一、二模态空间分布均不具有一致性和方向分异性,可能与流域降水成因多样性有关。

晋城市片区洪涝过程响应分析与马路行洪模拟

以晋城市金村区为例,利用SWMM与ICM-2D模型进行多情景洪涝过程模拟,分析降雨雨型与下垫面对晋城市片区内涝的影响;构建双层SWMM模拟马路行洪,分析金村大道和珏山路的淹没特征,并与ICM-2D模型模拟结果进行对比验证。结果表明:随着雨峰系数与降雨重现期的增大,地表洪水总量、淹没范围与水深增大,危险性等级提高;同一降雨重现期下的雨峰与洪峰间的时间间隔随雨峰系数的增大而减小;当52.53%的下垫面转化为不透水面时,同一降雨重现期下的综合径流系数约增加0.5;金村大道市委党校路段与珏山路水西村路段是主要易涝区,淹没面积分别为0.50 hm^(2)和1.31 hm^(2);双层SWMM在识别易涝点与推求洪水淹没要素方面具有较好的适用性。

城市暴雨洪涝模拟:原理、模型与展望

在气候变化和人类活动的双重影响下,我国城市洪涝问题日趋严重。在对城市水循环规律深入研究的基础上,开发城市水文水动力模型模拟城市洪涝过程,是弄清城市洪涝致灾机理、减轻洪涝灾害和评估海绵城市减灾效果的重要工具。本文从我国城市洪涝现状和海绵城市建设出发,总结了城市洪涝模拟方法,对水文模型、水动力模型以及二者的耦合机理进行了较为深入的分析,并介绍了目前常用的城市洪涝模拟模型。在此基础上,梳理了当前与城市洪涝模拟相关的热点研究领域,并对其未来发展趋势进行了展望。

局部管道改造对内涝风险的影响--以晋城市金村区为例

城市洪涝灾害是社会经济可持续发展的制约性要素。针对城市雨水管网提标需求与改造空间受限的矛盾,论证局部管网改造可提升全域的内涝控制效果:构建水文水动力耦合模型,结合易涝区识别设计管网改造方案,在当地防洪排涝设计重现期下进行改造前后的内涝要素分析和融入多源数据的洪涝风险评价。改造结果显示,3a与30a一遇降雨下,重病态管线长度分别减少1990m与921.6m;节点溢流量分别削减73.61%与55.13%;洪水危险率“极高”等级区面积下降72.9%;洪涝极高风险区面积下降17%。研究结果为城市雨洪过程控制和降低区域内涝风险提供了优选方案,综合风险评价可为当地防灾减灾规划与防洪应急响应提供必要的参考依据。