洪涝过程模拟及三维实景展示方法研究

针对变化环境下洪涝灾害频发以及洪涝模拟结果二维展示的自身局限性等问题,将高分辨率数值模型与三维可视化技术耦合,以陕西沣西新城、英国莫帕斯镇洪涝灾害过程为例,采用基于GPU加速技术的高分辨数值模型对城镇及江河洪涝灾害过程进行数值模拟,以较为准确获取洪灾淹没时间、淹没面积等信息;后处理展示方面实现数值模型与Unity 3D平台耦合,对洪涝过程模拟结果进行三维可视化展示,实现场景漫游等功能;应用快门式3D技术进行三维浏览,初步实现基于3D立体成像的洪水模拟展示。结果表明,计算结果与实测数据吻合度较高,积水面积平均相对误差分别为6.235%,1.505%,并真正实现了三维环境下的水灾害过程信息交互展示。可作为一种有效的协同平台来增强相关人员之间的沟通与协作,为决策人员提供准确有效的科学依据,在水利领域具有较好应用前景。

建筑小区尺度下LID措施前期条件对径流调控效果影响模拟

以西咸新区天福和园住宅小区为研究对象,采用暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model,SWMM)构建含低影响开发(LID)措施调控作用的城市雨洪过程数值模型,模拟分析了不同重现期降雨下LID措施和传统开发情况在不同前期条件下的径流控制及峰值削减效果。结果表明:①LID措施自然状态、半饱和与饱和状态在不同重现期降雨下径流控制率分别为64. 3%～83. 2%、56. 3%～76. 5%和48. 7～68. 1%,与自然状态相比,半饱和与饱和情况径流控制率分别减少了6. 7%～9. 1%和15. 1%～15. 8%,且皆随重现期增大径流控制率减少值先增大后减小。②径流峰值分别为23. 3～189. 4 L/s、25. 9～198. 4 L/s和28. 8～290. 7 L/s,与自然状态相比,半饱和与饱和状态径流峰值分别增加了4. 5%～20. 9%和22. 9%～53. 4%,表明LID措施在饱和状态下的调控效果远不如自然状态。③相较于传统开发,LID条件下自然状态和半饱和状态对径流峰值削减显著,但饱和情况在降雨重现期20年时径流峰值反而升高,表明LID措施饱和状态在大暴雨情况对下游管网造成更大压力。④在相同前期条件下有LID措施对径流控制率有明显提升。

多孔透水砖下渗衰减规律试验研究

为了研究透水砖下渗率随使用时间的变化,分析其透水性能衰减率和衰减原因,本研究选取道路A和住宅小区B两个透水砖铺设区域,结合实际调研和试验进行分析。结果表明,道路上使用2年的透水砖透水性能衰减率为20%~68%,其中主要受机动车粉尘干扰的衰减率为68%,受人为踩踏影响的为20%~50%;住宅小区使用两年透水砖的透水性能衰减率为16%~84%,其中受主要施工扰动影响的衰减率为84%,受自然衰减影响的为16%;人为踩踏以及自然衰减对透水砖的透水性能影响较小,机动车和施工扰动的影响较大。对在海绵城市建设中更合理铺设透水砖,以及对透水铺装的运行维护具有指导意义。

基于非均匀网格的高效高精度洪涝过程模拟

随着计算机技术的发展,网格划分技术日趋成熟。针对变化环境下洪涝灾害频发以及实际地形范围广泛,且通常存在狭长沟道与广阔泛洪区等问题,本文建立了一套具有层次拓扑关系的结构化非均匀网格划分模型,并与基于GPU加速的高分辨率数值模型相结合模拟地表水流动过程。高质量网格影响着模型计算精度与计算效率,非均匀网格划分技术以地形高程的梯度变化为基础设计网格划分原则,在需要高分辨率网格的计算域中检测关键地形特征以可靠地求解浅水方程,并对局部区域网格静态加密,从而在较准确捕获水位计算敏感区的同时减少计算网格数量,降低计算成本。数值模型采用Godunov格式有限体积法进行空间离散,利用TVD–MUSCL格式将模型时间与空间精度提高至2阶,通过GPU并行技术在不降低计算精度基础上大幅提高模型运行速度。使用理想和实际案例来演示基于GPU加速的高分辨率模型在非均匀网格上的流量模拟性能,以较为准确获取洪水淹没时间及淹没面积等信息。结果表明,基于非均匀网格的高分辨率数值模型具有良好的稳定性,与均匀网格相比,在保证模拟精度的前提下,其运行速度约为均匀网格的2~3倍,计算效率在GPU加速基础上进一步提高。新模型适用于模拟复杂区域的大规模洪水演进及城市内涝过程,在实际大尺度洪水模拟中具有一定潜力。

西咸新区降雨空间非一致性对内涝过程影响模拟研究

为分析降雨空间分布非一致性对城市内涝的影响,应用耦合了水文和水动力过程的数值模型,以陕西省西咸新区海绵城市部分核心试点区为研究区域,对不同重现期设计暴雨及离差系数Cv条件下的内涝过程进行模拟,并对内涝积水总量峰值、重度内涝积水总量峰值及其与均匀降雨情况下的内涝积水削减进行对比分析。结果表明:相比于空间均匀降雨,各重现期下空间分布不均匀的内涝积水量均会减少。各重现期下,Cv值越大,即降雨越不均匀,相比于均匀情况内涝积水削减量越大。当Cv值为0.07、0.11、0.15及0.2时,积水总量削减率分别为1.94%~2.05%,3.00%~3.17%,4.08%~4.23%,4.86%~5.15%。重度内涝情况下,同一Cv值,相比于均匀情况内涝积水削减量随设计降雨重现期变长而增多,当Cv=0.07、Cv=0.11、Cv=0.15、Cv=0.20时,削减率的范围分别为2.00%~2.51%、2.60%~3.82%、3.66%~4.98%、3.80%~5.83%。研究结果揭示了降雨空间分布非一致性对内涝的影响规律,为城市内涝防治工作提供了理论依据。

非连续降雨条件下径流控制效果数值模拟研究

为研究低影响开发设施径流控制效果对降雨时间间隔的响应规律,以西咸新区沣西新城天福和园LID小区为例,构建了SWMM计算模型。以不同时间间隔的两场独立的设计降雨作为非连续降雨事件,研究其径流控制的影响因素。研究结果表明随着降雨间隔从2h增至48h,非连续降雨径流控制率从81.46%增加到84.23%,且降雨事件中后场降雨有滞峰及峰值削减效果;随着降雨强度的增加,非连续降雨的径流控制率在降低。重现期为1年比重现期5年的非连续降雨的径流控制率高约为14%左右,且在降雨总量一样的情况下,降雨的时间分配也会影响径流控制效果,先小雨后大雨比先大雨后小雨的降雨过程的径流控制率高4%左右;重现期一定时,随着降雨历时从1h增加到2h、5h,非连续降雨的径流控制率分别降低1.2%、2.6%。

植草沟径流调控效果对关键设计参数的响应规律模拟

为分析道路低影响设施植草沟主要设计参数对地表径流调控作用的影响规律,应用一套耦合了水文和水动力过程的数值模型,研究各设计参数对植草沟径流控制作用的调控效果,经验证模型模拟精度可满足研究要求。模拟结果表明:植草沟具有削减洪峰洪量、推迟峰现时间的作用。且溢流井位于入水口上游侧,横、纵坡坡度越缓时,植草沟径流控制效果越显著。溢流井位置改变时径流控制效果差值达2%~10%,峰值削减差异为13%~28%;横坡坡度从1/3~1/7变化时,径流控制率提高4%~13%,峰值削减效果提升6%~23%;纵坡坡度从0.5%~0.3%变化时,径流控制率提高7%~16%,峰值削减效果提升12%~29%。数值模拟得出各设计参数的影响规律,可用于指导植草沟的规划设计,为其推广应用提供参考。

基于大气-水动力集成模型的城市内涝模拟预报研究

城市内涝预报是降低内涝灾害风险、保障人身财产安全的重要措施。针对传统城市内涝预报方法空间分辨率低、预见期短,无法准确、及时预测出内涝过程的问题,本文通过集成大气数值预报模型和水动力模型,构建高分辨率长预见期内涝预报模型。集成预报模型采用中尺度数值预报模型(GRAPES_MESO)生成预报降雨数据,通过水动力模型将降雨转换成地表径流以模拟内涝演变过程,并提出了一种预报降雨数据重构方法,进一步提高了预报结果的可靠性。沣西新城城市内涝过程预测结果表明,该集成模型具有较高的预报精度和较长的预见期,预报面积和水深的纳什效率系数(NSE)分别为0.89、0.94。模型能较好地预测城市内涝淹没过程,可为城市防涝减灾提供决策依据。

西咸新区海绵城市建设对沣河洪水特性影响模拟研究

为评估海绵化改造对城市内河洪水特性的影响,基于模型GAST(GPU accelerated surface water flow and transport model),定量研究了理想流域和沣河流域西咸新区沣西新城段海绵城市建设前后在3种入流条件(2.75、7.69、17.06 m^(3)/s)和3种降雨重现期(2、10、50 a)组合工况条件下的洪水流量过程。结果表明:设计降雨重现期为2、10、50 a时,理想流域的峰值流量削减率在6.64%~67.34%之间,实际流域的峰值流量削减率在2.66%~43.57%之间,两者差别不大。海绵化改造在一定程度上削减了内河的峰值流量,峰值削减率与上游来流量呈反比,与区间汇流量成正比。但峰现时间有延迟有提前,无明显规律。

局部时间步长与GPU加速的非均匀网格模型在内涝模拟中的应用

近年来,受极端暴雨影响导致城市内涝等自然灾害频发,洪涝模型在预测地表水流动及相关过程中起着重要作用。为了进一步提高数值模型的计算效率,该文将GPU并行技术、非均匀网格划分技术及局部时间步长(LTS)算法耦合,开发了一套基于GPU加速与局部时间步长算法的非均匀网格模型。模型根据不同的土地利用类型,制定不同的网格优化准则来划分网格,从而较精确地描述复杂的城市地形特征。模型在水力要素敏感区加密网格以进行高分辨率计算,利用HLLC近似黎曼求解器计算界面通量,将模型分别应用到理想与实际算例中,结果表明:模型可有效捕捉干湿边界情况,具有一定的稳定性,模拟结果与均匀网格模型及解析解接近,可有效模拟降雨-地表产汇流过程;在沣西新城的城市内涝模拟中,模拟结果与实测及均匀网格模型相比,积水面积平均误差分别为4.1%和10.2%,计算效率较常规均匀网格模型和整体时间步长非均匀模型可分别提高4.5倍与2.3倍。综上所述,模型在非均匀网格、GPU加速和局部时间步长算法三者基础上大幅提高模型的计算效率,为解决实际复杂地形的大尺度城市内涝模拟遇到的计算效率较低等问题提供了相关参考。

反调节库下高含沙水库水沙调度方式研究——以亭口水库为例

以亭口水库为例,在明晰反调节库与亭口水库互馈过程基础上,考虑修建新集-盘口水库对亭口水库的影响,并结合水库初期实际供水情况和入库水沙条件的丰枯特性,利用亭口水库水沙调度模型,对运用初期不同最高蓄水位下水库冲淤及供水过程进行模拟.通过多方案优化比较,绘制出可供水量与最高蓄水位之间的关系曲线,据此得出水库运行初期合理的水沙调度方式,即依据实际供水需求确定最优蓄水位.该成果不仅为亭口水库投运后运用管理提供技术支撑,也为多沙及高含沙河流类似水库的理论探索、规划设计及运用管理提供参考.

基于扩散波方法的管网排水过程数值模拟

基于扩散波方法,构建了一套排水管网水动力模型,并与已开发的高分辨率城市地表水文水动力模型进行了耦合。以理想排水管网和陕西省西咸新区沣西新城某小区实际排水管网的排涝过程验证模型,并模拟城市暴雨致涝过程。结果表明:理想算例中,该模型与SWMM模拟排水口流量过程高度吻合;实际算例中,与实测排水口流量过程对比,该模型的Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.74、0.72、0.93和0.71,大于SWMM模型的0.62、0.66、0.73与0.65。在模拟研究区内涝积水过程时,计算数据与实测数据吻合度高,内涝积水点均实现精确模拟。

基于代理模型辅助PSO算法的排水管网优化设计

近年来城市暴雨洪涝灾害日益严重,设计良好的排水管网则是缓解城市洪涝最为经济有效的方式之一。但目前排水管网一般采用经验方法进行设计,不仅设计成本较高,而且管网排水能力有限。基于此,利用程序将SWMM模型嵌入粒子群算法寻优过程,以管道溢流量最小为目标,并以经济成本和水力特性为约束条件建立优化模型;同时,为了克服粒子群算法最优解波动较大和计算效率较低问题,通过耦合Kriging模型,提出了一种基于在线代理模型辅助粒子群算法的排水管网优化设计方法。以西安市某排水分区为例进行验证,并与常规的设计方法进行对比,结果表明,所提出的方法可在满足约束条件下实现洪涝缓解效果的最大化,相比于规划设计方法,管道溢流量降低了33.35%。此外,与标准粒子群算法优化结果相比,平均计算时间减少了27.56%,且优化效果更为显著。

基于GPU加速的污染物输移高分辨率数值模型

为了高效准确地模拟水污染事件中污染物输移过程,该文引入了一套基于GPU加速的水动力及污染物输移的GAST(GPU Accelerated Surface Water Flow and Associated Transport)高分辨率数值模型,并对水污染事件中污染物的输移进行了模拟。模型采用Godunov格式的有限体积法求解二维浅水方程和污染物输移方程,利用HLLC(Harten-Lax-van Leer-Contact)近似黎曼求解器计算单元网格界面通量,应用MUSCL限坡线性重构和龙格-库塔时间积分法实现了时空二阶精度,有效地解决了输移方程中对流项产生的数值阻尼过大和剧烈的数值振荡等问题,可准确地模拟复杂地形上干湿界面变化。同时模型引入图形处理器GPU(Graphics Processing Unit)加速计算技术。算例结果表明:模型精度高且稳定性好,能有效抑制数值阻尼和数值振荡,大幅提升了计算效率;模型可用于水污染事故的预警和评估,以期为突发水污染事件的决策提供基础数据和科学支撑。

耦合地表水动力过程的管网排水模型研究

现今防洪排涝已成为城市发展亟需解决的重要问题之一,排水管网是支撑城市防洪排涝的重要基础设施,准确模拟其不同条件下的排水过程有助于检验管网排水能力。该文建立了地表水动力和排水管网的耦合模型,并采用了树状和环状两种典型管网结构作为验证算例,探明模型的计算效率及其适用性。模拟结果表明,所开发的模型对树状管网的流量过程模拟效果最好,环状管网次之。树状管网模拟结果与文献值的相关系数R^(2)为0.99,NSE为0.98,峰值流量计算误差小于1%;环状管网模拟的R^(2)为0.96,NSE大于0.9,环状管网模拟结果优于文献值。该文同时将模型应用于某小区排口流过程线的计算,模拟的三场降雨排口流量过程NSE值分别为0.79、0.92和0.72,表明该模型能够良好运用于城市管网排水过程的模拟。