产流模式空间分布对城市雨洪过程模拟的影响

通过耦合网格产流计算模型(GRGM)和暴雨洪水管理模型(SWMM)汇流计算模块构建了GRGM-SWMM模型。以贾鲁河中牟水文站控制流域(包括郑州市中心城区)为研究区,基于18场实测暴雨洪水资料探究了产流模式空间分布对洪水过程模拟精度的影响。结果表明:研究区超渗产流模式空间分布面积占比高达72%,城市下垫面仍以超渗产流模式为主;相较于仅考虑超渗产流计算的SWMM,考虑超渗、蓄满和混合等不同产流模式空间分布的GRGM-SWMM模型场次洪水产流量、流量过程模拟精度明显提高,产流量模拟相对误差平均降低33.26%、决定系数平均提高0.089,流量过程模拟均方根误差平均降低5.13 m^(3)/s、纳什效率系数和决定系数分别平均提高0.227、0.207。

基于流溪河模型的任河流域城口段暴雨洪水模拟

为准确、有效地预报任河流域城口段暴雨洪水,以DEM、土地利用和土壤类型数据为基础,利用流溪河模型构建任河流域3级河道模型,选取20190627暴雨洪水手动优选模型参数,借助20170923、20180919暴雨洪水验证模型适用性;考虑降雨移动方向,利用优选模型模拟12 h降雨量为30、60、90、120、150 mm等5种情景洪水流量,分析各情景模拟特征。结果表明,参数优选后,20190627暴雨洪水洪峰误差减至2.79%,峰现时间提前5 h,模型模拟效果显著提升。20170923、20180919两次暴雨洪水洪峰误差小于20%、峰现误差小于3 h,满足模拟精度要求,流溪河模型可用于研究区暴雨洪水模拟。多情景下,30、60 mm降雨洪峰流量均小于150 m3/s;从90 mm降雨开始,洪峰流量急剧增加,增长率高达94.17%;降雨由上游往下游移动时洪水曲线至少出现1次峰值,反之洪水曲线仅有1次峰值,降雨量每增加30 mm,峰现时间提前1 h。流溪河模型在任河流域具有较好适用性,多情景模拟结果可为城口县设置暴雨洪水防治措施提供多视角支持。

有效不透水面分布对城市雨水径流的影响

城市区域不透水面分布错综复杂,汇流路径多样,不透水面有效性及其产流机制成为城市水文学的热点问题。研究以北京市主城区为对象,构建了基于汇水路径的有效不透水面的识别方法,拟合出总不透水面与有效不透水面的经验公式,定量识别了不透水面有效性对北京市主城区雨水径流的影响。结果表明:考虑不透水面有效性能显著提升模型模拟精度,针对不同城市化阶段,在各种重现期降雨情景下设置不同有效不透水面比例并进行模拟,发现有效不透水面对低重现期降雨产流过程的影响远大于高重现期降雨产流过程,且城市化前期有效不透水面增加会导致较大洪峰增长率,而城市化后期影响减小。研究可为优化城市地面格局,减缓城市洪涝灾害损失提供科学参考。

考虑Copula-LM-HMS耦联的台风情境下大坝洪水漫顶风险率计算

气候变化下台风风暴潮出现频次增加,形成的暴雨洪水对水库大坝安全产生极大威胁。由于部分地区实测流量资料缺少,基于雨量资料的随机模型与水文模型耦合模拟洪水过程线的研究亟待发展。针对现有小流域流量资料缺少问题,研究了基于降雨随机模型与水文模型的Copula-LM-HMS耦联模型,来模拟入库洪水并计算水库大坝洪水漫顶风险率。该模型通过Copula函数与拉丁超立方-蒙特卡罗抽样(Latin Hypercube-Monte Carlo Simulation)生成流域多组7日降雨数据,并通过变倍比放大法缩放处理得到相应降雨序列,利用HEC-HMS水文模型模拟洪水过程线并结合调洪演算得到坝前最高水位,同时考虑风浪作用来模拟台风情景下的库水位变化情况,计算大坝洪水漫顶风险率,并分析不同组合条件对洪水漫顶风险率的影响。余姚市四明湖水库实例分析表明,构建的Copula-LM-HMS耦合模型计算得到的拦河坝在未来台风情境下无漫顶风险,自溃坝最小漫顶风险为0.22%,最大漫顶风险达到2.68%;洪水漫顶风险与降雨分布及起调水位有关,同时风浪作用对洪水漫顶风险影响较大。基于耦合模型进行中小流域洪水漫顶风险率计算,不仅能考虑降雨系列之间的相关性、流域地形特征与实际调洪规则,还可延长无流量资料地区水库大坝应对台风情境下洪水风险的预报期,为保证水库大坝应对未来气候变化影响下的运行安全提供参考。

暴雨洪涝灾情快速监测评估技术框架体系与应用:以2022年6月北江流域洪水灾情分析为例

【目的】暴雨洪涝灾情快速评估在洪灾应急救援和灾后恢复重建中发挥着重要作用,但仍面临诸多挑战。为快速监测和评估洪涝灾情,建立一套集成天空地网多源信息与多种技术的暴雨洪涝灾情快速监测评估技术框架体系,【方法】以2022年6月北江暴雨洪灾为例,综合利用雨量、河道水位、网络淹没图片和视频、卫星遥感影像、地面调研测绘和无人机低空航测等多源数据、水文模型和地理空间分析技术,通过实地调研测绘和无人机航测,结合遥感影像、水力学模型和地理空间分析技术,快速识别本次洪水淹没深度范围、分析淹没区内的受灾人口、房屋、农田等基本灾情,在洪水灾情分析的实战中检验集成天空地网多源信息的暴雨洪涝灾情快速监测评估技术。【结果】结果显示:清远市新增的淹没面积为478 km^(2),其中淹没农田307 km^(2)(64%),淹没区内有74119栋房屋和167306人;韶关市新增的淹没面积为90 km^(2),其中淹没农田46 km^(2)(51%),淹没区内有15629栋房屋和78037人。【结论】结果表明:无人机航测结合地面RTK高程和洪痕测绘,将在洪涝灾情快速调查评估中发挥越来越重要的作用;卫星影像可快速揭示洪水淹没区的总体格局,但受云层遮档和过境时间的影响,难以获取最大淹没范围;洪涝淹没区公众提供的各类网络众包信息是最直接和现时的洪涝灾情信息,需要认真核实和充分利用;结合河道等各类实测水位,HAND模型可以快速估算出淹没深度范围,有很大的推广应用价值。通过对本次北江洪涝灾情的快速模拟和初步分析,充分展示了各类前沿技术在洪涝灾情快速识别中的独特作用,可为洪涝灾情应急监测方案设计和技术准备提供参考。

基于GIS构建邯郸市某区SWMM雨洪模型的方法研究

以河北省邯郸市某区雨水管网为例,通过建立GIS管网、划分子汇水区、构建地面高程图、绘制土地利用类型图及计算模型参数,借助GIS空间数据及融合理论和SWMM产流、汇流理论搭建雨洪模型,模拟4种不同重现期的降雨情境,验证模型的准确性,分析模型运行后雨水管网排水能力。结果表明,该方法建立模型的准确性高、适用性强,连续性误差均在5%以内,可直观反映雨洪情况。

深圳河流域城市洪涝风险分析

日益严峻的城市洪涝灾害严重威胁着城市安全和可持续发展,准确评估城市洪涝风险对于保护人民群众生命财产安全至关重要。本研究基于元胞自动机洪水模拟模型构建深圳河流域洪涝仿真模型,采用综合主观层次分析法和客观权重赋权法的博弈论组合赋权法对各指标赋权,评估和预测不同降雨情景下深圳河流域城市洪涝风险。结果表明:深圳河流域城市洪涝高风险区存在典型的时空差异,随着暴雨重现期的增加,面积占比从2年一遇的0.20%增加到100年一遇的0.82%;中低风险区面积占比从2年一遇的67.4%减少到100年一遇的64.7%。研究结果可有效识别深圳河流域洪涝风险分布,为完善深圳河流域洪涝综合防治体系,提升城市洪涝防御能力和韧性提供借鉴与参考。

华南中小流域设计暴雨洪水同频率检验与重现水平推算

暴雨洪水同频率假定是否成立和暴雨洪水遭遇概率分布是中小流域设计洪水计算的依据,为检验其合理性,采用鉴江上游曹江流域典型强降水流域1967—2013年逐时暴雨洪水观测资料,分析了华南中小流域最大面雨量R和对应场次最大洪峰流量Q的边缘分布和联合分布的遭遇概率,并推算其设计重现水平。研究结果表明:暴雨和洪水同频遭遇概率较小;对于特定设计频率,洪峰流量与流域面雨量的遭遇概率随流域面雨量增大而增大;流域面雨量和洪峰流量的遭遇条件概率显示存在着多种防洪风险管理选择;相对于“或”联合重现期和“且”重现期,二次重现期更准确地反映R-Q组合的风险率。

城市雨洪内涝三维实景动态模拟表达方法研究

受全球气候变暖、城市化进程加快的共同影响,近年来城市极端降雨事件频发导致内涝灾害发生。基于水文、水动力模型得到的城市雨洪数值模拟结果难以展示降雨、内涝渐变过程等问题。提出雨洪内涝过程三维实景动态模拟表达方法,首先采用GAST(GPU Accelerated Surface Water Flow and Transport Model)水动力模型对雨洪内涝过程数值模拟,通过Godunov类型有限体积法进行数值离散,采用GPU并行技术加速计算获取不同输出时间下的数值模拟结果,创新设计了GAST模型数值模拟结果与数字高程模型数据耦合方法,构建了数字淹没网格模型(Digital Inundation Grid Model,DIGM),基于WebGL和三维地理信息系统(3D Geographic Information System,3D GIS)技术开发三维实景动态可视化引擎,构建雨洪内涝过程三维实景动态渲染机制,对雨洪内涝过程三维实景动态模拟进行表达。最后,采用本方法实现了西安2020年7月10日2次强降雨致涝过程三维实景动态模拟表达,结果生动直观准确,与实测结果吻合度高,表明该方法可有效弥补现有城市雨洪内涝数值模拟表达方法的不足,具有良好的应用价值。

面向可能最大洪水-风暴潮复合情景的热带气旋强度-降水参数设定方法研究

为开展可能最大洪水(PMF)-风暴潮灾害情景设定,在已有可能最大热带气旋(PMTC)参数设定研究的基础上,引入热带气旋降水气象参数,并探索了热带气旋强度-降水参数设定的方法框架.基于中国气象局的热带气旋最佳路径-强度、美国联合台风预警中心的最大风速半径,以及中国自动站与CMORPH融合降水等数据,统计分析了热带气旋最大风速、中心最低气压、最大风速半径、每小时降水量等参数间的定量关系,并构建了PMTC关键参数设定的方法.结果表明:1)基于已有PMTC参数设定方法,引入降水参数后,能够设定不同等级热带气旋登陆时的关键参数,为PMF-风暴潮复合情景模拟提供输入数据;2)通过线性拟合以及多倍标准差,能够确定参数可能的最大上限,MSW与最低气压、最大风速半径呈负相关关系,与每小时降水的最大值、第99百分位值,以及总和存在明显的负相关外包络线;3)若样本分布较分散,可通过分段研究与极值函数拟合相结合的方法,探索数据分布的不确定性及参数间相关关系,在此基础上,探索不同概率水平的每小时降水总量以及外包络线.研究结果可为沿海地区热带气旋防灾减灾救灾和风险管理提供决策依据.

城市化下产汇流参数不确定性分析及洪涝模拟--以晋城市金村区为例

识别敏感参数,降低模型不确定性,是提高城市雨洪模拟结果科学性与准确性的重要步骤之一。本文以晋城市金村区为例,构建城市洪涝模拟模型,分别采用局部和全局方法识别敏感性参数,同时分析不同下垫面特征的参数敏感性。基于敏感性分析,模拟不同降雨情景和城市化进程中不同下垫面的洪涝特征值。结果表明:不透水区洼蓄量较敏感;降雨重现期增大,最大下渗率局部敏感性增强而全局敏感性减弱;硬化地面较多区域,不透水面相关参数较为敏感;不同区域洪涝特征值均随重现期的增大而增大;同一重现期下,特征指标值随城市化进程分布更加集中。本研究可以为城市分布式雨洪模型参数不确定性分析与洪涝特征响应分析,以及城市韧性提升提供一定的参考。

珠江流域2022年暴雨洪水分析

2022年珠江流域暴雨洪水范围广、强度大、持续时间长。为了分析此次暴雨洪水成因,比较其与历史相似洪水的异同,从而进一步掌握珠江流域暴雨洪水规律并为流域防汛抗洪工作提供参考,分析了2022年珠江流域暴雨洪水特性,概述了致洪暴雨的天气背景、降雨过程,重点从洪水过程、洪水组成、水利工程作用、与历史暴雨洪水比较等方面进行了分析总结。结果表明:2022年5月下旬至7月上旬,珠江流域累计面降雨量较常年同期偏多5成,其中北江、韩江均为1961年以来同期最多;受其影响,珠江流域接连发生2次流域性较大洪水、8次编号洪水,其中北江发生1915年以来最大洪水;采用中国洪水预报系统进行洪水组成分析,西江干流洪水以红水河、柳江、郁江、桂江来水为主,不同场次洪水洪量占比不同,北江干流洪水以连江来水为主,其次为区间产流,韩江干流洪水主要来自于梅江和汀江;经与2005年、2008年历史大洪水对比,2022年珠江流域暴雨历时明显偏长,且暴雨中心位置偏西偏北,洪水过程次数也明显偏多,2022年北江洪水量级为特大洪水,大于2005年和2008年,但西江洪水量级明显小于2005年和2008年。在应对此次洪水过程中,流域防洪工程联合调度运用防洪效益十分明显,有效避免了西江、北江洪水恶劣遭遇,确保了重要地区防洪安全。

黄浦江河口建闸研究40年回顾与展望

在简要阐述黄浦江历史演变、水文特性和历年风暴潮灾害的基础上,回顾了黄浦江河口建闸研究历程及相关成果,并提出了下一步主要研究方向。前期研究结果表明:黄浦江河口建闸是黄浦江防洪能力提升总体方案的重要组成部分,是解决上海永久防洪(潮)问题的必然选择;挡潮闸的基本功能是挡风暴潮、适应通航,合理调度挡潮闸对洪、潮共同作用引起的流域超标准高水位具有较大控制作用;挡潮闸设防标准建议为100年使用期末可防御千年一遇潮位,且闸孔单孔总净宽超过300 m,对行洪、航运、河势影响较小且能控制闸室淤积。下一步研究重点为弯道建闸对河势、航运的影响,关闸时机和频次对挡潮效果、航运的影响,挡潮闸闸型对功能、关闸时长、河道淤积的适应性以及突破跨度对受力的影响等。鉴于河口建闸并不能完全解决中上游堤防的防洪能力提标,建议同步实施中上游堤防加高加固,并在两项工作完成前做好防汛应急预案。

无资料地区承接城区超标准坡面流的沟道洪水实例研究

针对无资料地区受地势影响从而承担城区超标准雨洪的支沟防洪问题,提出了超标准坡面流概化计算方法。该方法以设计暴雨为转算支点,通过分析水利行业依据暴雨洪水图集计算设计暴雨值,推演市政行业设计暴雨强度公式对应不同重现期标准下设计暴雨值,并比较两者差异,探索水利行业与市政行业的重现期标准衔接方法,并换算求得城区超标准坡面流洪峰流量。以甘肃省庆阳市小崆峒沟道设计洪峰流量为例,计算了三沟合流塬面洪水、城区坡面洪水、管网汇水流量,对于无资料地区涉及城区坡面流但目前完全依靠城市雨洪模型演化效果不好的案例,提供了一定的理论参考。

台风“烟花”和“黑格比”在浙江省平湖市形成的暴雨洪水分析及防洪对策研究

平湖市位于杭嘉湖平原东端,是浙江省接轨上海市的前沿高地,也是长三角区域一体化发展的核心区之一,地位十分重要,但其地势低洼,常受暴雨、洪水、高潮侵袭。依据实测资料和暴雨洪水调查成果,分析2021年“烟花”和2020年“黑格比”2次台风暴雨洪水对平湖市的影响及其成因和特性,在此基础上提出改进防御理念、优化工程布局、完善工程体系等措施,并基于MIKE11构建杭嘉湖平原河网一维水动力模型模拟分析工程实施效果,为沿海平原河网区域暴雨洪水灾害防御提供借鉴。

融合社会信息的城市暴雨内涝风险评估

针对现有城市暴雨内涝风险评估未充分考虑社会信息的问题,本文提出融合社会信息的城市暴雨内涝风险评估方法。基于城市雨洪模型获取内涝灾害自然信息,利用网络爬虫技术抓取社会信息,建立耦合自然与社会信息的城市暴雨内涝风险评估指标体系,通过指数模型综合评估研究区暴雨内涝风险。以大连市青泥寺儿沟区为实例,评估结果表明:仅考虑自然信息时,50、100年一遇暴雨对应的高风险区面积为0.53 km^(2)、1.24 km^(2);考虑社会信息后,研究区暴雨内涝风险增加,高风险区面积分别为1.12 km^(2)、1.50 km^(2);融合社会信息的风险评估模型会提高城市人口密集区、交通干线等重要地段的内涝风险等级,降低城市非重要地区内涝风险等级,内涝风险评估结果更合理。

湖北省云溪水库设计洪水分析

为分析计算云溪水库的设计洪水,采用实测降雨资料和查图法计算设计暴雨,基于最不利原则选择暴雨结果,通过推理公式法和瞬时单位线法进行不同重现期设计洪水推算,并与原除险加固设计洪水成果作对比。结果表明:利用瞬时单位线法计算的0.1%~1%频率下的洪水设计成果与原除险加固成果差别在5%以内,相差不大,且千年一遇设计洪峰较原除险加固成果略小。因此,出于工程安全考虑,云溪水库除险加固工程最终采用原除险加固设计洪水成果。

高密度沿海地区洪涝风险评价与适应性规划策略——以深圳湾地区为例

气候变化背景下,高密度沿海城市受到风暴潮和极端降雨引起的洪涝灾害冲击。文章基于韧性理论构建城市空间洪涝风险指标体系,制定该评价框架的实施路径;基于水文软件Mike21、GIS平台及其空间网络分析插件sDNA,复合“天鸽”台风风暴潮与极端降雨情景,整合深圳湾地区的路网和土地利用进行危险性、暴露度、脆弱性和适应能力等多源数据;通过GIS栅格计算得到各要素层分析及洪涝风险评价可视化地图,结果显示,潮、洪、涝突破刚性标准加剧了危险性,高密度城市环境增大了危险区域的暴露度,路网和土地利用布局具有一定脆弱性,需完善应急疏散和避难场所规划以增强适应能力;根据评价地图识别高风险片区,从路网和土地利用等城市空间物质要素出发,提出应对洪涝灾害的适应性规划策略。

杭州主城区暴雨水淹灾害模拟与影响因子分析

【目的】近年中国多个大中城市突发极端暴雨灾害并导致严重内涝,探究城市暴雨水淹灾害的影响因子并对其进行模拟评估,以探讨城市对暴雨水淹灾害的承载能力。【方法】以杭州主城区为例,利用Arc GIS 10.2重分类中的手动分类法,结合地理探测器模型研究杭州主城区暴雨水淹灾害与高程、坡度、植被覆盖度、非渗透表面丰度、天然水体保持率和距河流距离6个影响因子的相关关系。通过地理加权回归预测6个影响因子作用下杭州主城区水淹灾害的空间分布。【结果】研究结果显示,杭州主城区水淹灾害与城市空间的高程、坡度、植被覆盖度、距河流距离呈负相关关系,与非渗透表面丰度呈正相关关系。杭州主城区暴雨水淹灾害的6个影响因子按影响程度排序为:植被覆盖度>坡度>高程>距河流距离>非渗透表面丰度>天然水体保持率。所有影响因子的交互作用均增强了单因子对水淹灾害的影响,并呈现出两两相互增强或非线性增强的关系。从空间分布上看,杭州主城区暴雨水淹灾害呈现多核心分布状态,整体上主城区中部主要为高风险和次高风险区域,其余区域主要为中风险、次低风险和低风险区域。【结论】结合模拟成果和实践应用发现,当城市空间的高程大于40 m,坡度大于10°,植被覆盖度大于60%,非渗透表面丰度小于40%,距河流距离大于500 m时,能够对高风险与次高风险区域严重的水淹灾害起到有效的缓解作用。

小流域水文水动力洪水预报研究

【目的】分别采用水文和水动力方法计算设计暴雨条件下田家湾流域洪水流量,在传统流域水文模型的基础上增加了二维水动力学模型计算,以晋中市田家湾水库上游流域为研究实例,模拟了不同历时降雨条件下小流域洪水水文水动力产汇流过程。【方法】水文计算中在该地区的长历时设计暴雨条件下分别采用综合瞬时单位线法和推理公式法进行设计洪水演算,同时在小范围流域水动力计算中,首先对基础数据进行预处理,之后采用芝加哥雨型设计流域短历时暴雨,通过地形资料建立HEC-RAS二维水动力学模型对上游汇水分区内的流域进行降雨径流模拟。【结果】长历时暴雨对田家湾水库上游形成洪水具有较大的影响,短历时暴雨下水库能够调节流域的洪水。【结论】本次计算模拟成果对有小流域地区的洪水预报有一定的意义。