基于DRIVE-Urban模型的长沙市区暴雨内涝灾害研究

以城市内涝模型DRIVE-Urban为基础,对长沙市区内的两次典型内涝事件进了街道尺度(10 m分辨率)和6个不同重现期(5年、10年、20年、30年、50年和100年)下的模拟,并根据模拟结果确定了内涝风险等级和风险区划。结果显示DRIVE-Urban模型能够很好地反映市区内街道积水的淹没情况,两次内涝点命中率(POD)分别达到了64%和67%,且随着重现期增大,积水面积也逐渐增大,积水面积最高占比甚至达到了市区总面积的8.2%,约96.51 km~2。内涝的风险等级分为低风险、中风险、较高风险和高风险。高风险和较高风险区域主要集中在岳麓区东部、天心区北部、芙蓉区、开福区南部、雨花区北部以及高新区南部,而高新区北部、岳麓区西部和雨花区南部风险等级较低。

地表径流与地下管流耦合的城市暴雨洪涝动力学模型

为准确模拟城市暴雨洪涝过程,建立了地表径流与地下管流耦合的城市暴雨洪涝动力学模型,该模型主要包括二维地表径流模块、一维地下管流模块、地表径流与地下管流交互模块以及重点基础设施受淹模块。二维地表径流模块采用二维浅水方程和Horton下渗公式模拟地表产汇流过程,地下管流模块采用TPA法与Godunov格式有限体积法求解一维管流方程模拟城市排水管网内复杂流态的水流运动,两模块采用基于雨水口泄流及溢流能力的交互模块进行耦合。将模型应用于武汉市青山区港西排水片区,利用港西排水片区5年一遇降雨渍水风险图验证了模型的精度,同时模拟了100年一遇降雨条件下的城市暴雨洪涝过程。结果表明:该模型计算精度良好,超过88.8%的渍水点模拟水深与官方发布成果一致;100年一遇降雨条件下港西排水片区中度积水和重度积水的面积分别占研究区面积的12.52%和1.16%。

深圳市2023年“9·7”极端特大暴雨洪涝复盘模拟分析——以深圳龙华区观澜河流域为例

2023年9月7—8日,深圳市出现超历史纪录的特大暴雨,龙岗河、深圳河、观澜河等流域遭受严重洪涝灾害。以龙华区观澜河流域为例,采用洪水分析软件HydroMPM构建城市暴雨洪涝模型,对龙华区观澜河流域2023年“9·7”极端特大暴雨洪涝情况进行了模拟,分析了河道漫溢水淹及城区积水情况,为揭示洪涝灾害成因和提出防治对策提供依据。

城市暴雨内涝数学模型的研究与应用

以城市地表与明渠、河道水流运动为主要模拟对象,研制了模拟城市暴雨内涝积水的数学模型。模型以平面二维非恒定流的基本方程和无结构不规则网格划分技术为骨架,同时,针对小于离散网格尺度的河道或明渠,应用了一维非恒定流方程的算法。采用分类简化处理的方法,将通道分为河道型、路面型、特殊通道型(城市内的二级河道),根据不同类型简化动量方程,求任意网格各个通道上的单宽流量。采用一维非恒定流方程模拟地下排水管网内的水流,并给出泵站、闸门、淹没出流管道等排水系统的处理方法。根据无结构不规则网格的设计思路,按照天津、南京、南昌三市的地形地貌特征分别设计多边形的计算网格。介绍了城市面雨量的计算方法以及数学模型在天津市、南京市、南昌市的应用情况和误差分析。

基于高精度DEM的城市道路积水淹没计算方法研究

针对河南省郑州市城区道路微尺度场景的暴雨内涝积水计算问题,以车载LiDAR技术建立的积水路段高精度格网DEM为基础,按照有源淹没方式,采用种子蔓延法计算积水淹没范围;通过构建郑州市暴雨洪水模型获取暴雨时积水点溢流水量,运用二分法实现淹没水位与溢流水量间的快速逼近求解。以郑州市某积水路段进行实例应用,对比分析计算结果与电子水尺实测水深数据可知,Nash-Sutcliff确定性系数为0.94,RMSE为0.05,相对误差为10.3%,表明淹没计算结果具有较高精度,模拟淹没过程符合该积水区实际淹没过程,研究方法适用于城市街道区域的暴雨积水淹没范围和水深计算。

基于两种建模方式的嵌套式城市雨洪模型研究与应用

全球气候变化和快速城镇化打破了城市水循环平衡,造成近些年来我国城市暴雨洪涝事件频繁发生。城市暴雨洪涝(雨洪)模型是应对城市洪涝事件的重要技术保障。然而,对于城市暴雨洪涝模拟,模拟精度和计算效率往往是一对矛盾体。本文总结了目前两种应用比较广泛的建模方式,即基于部分物理机制的水文单向驱动水动力模拟方式和基于完整物理机制的全过程双向耦合模拟方式。在此基础上,为了提高防汛应急处置工作的前瞻性和准确性,本文提出基于上述两种建模方式的嵌套式模拟方法。针对昆明主城区及其局部汇水区的模拟应用研究表明,嵌套式模拟方法在一定程度上缓解了城市雨洪模型在“整体”和“局部”、“精度”和“效率”之间的矛盾,具有较好的实用价值。

基于WCA2D与SWMM模型的城市暴雨洪涝快速模拟

为探讨计算高效的元胞自动机模型(WCA2D)与传统一维管网模型耦合的机制以及计算效果,尝试将WCA2D与SWMM模型耦合(SWMM/WCA2D),以广州市长湴片区为例探究一种暴雨洪涝快速二维模拟技术,对比实测积水数据以及SWMM/LISFLOOD-FP模拟,结果表明:SWMM/WCA2D模拟结果与"20180607"实测积水数据相近,表明模型精度良好;根据多指标评估结果,综合考虑主干渠道淤积以及建筑物阻挡情景的RTPR、RPPV、F1值分别达到0.8、0.6、0.7,模拟精度最高,最能反映区域实际情况;通过与SWMM耦合,WCA2D和LISFLOOD-FP的模拟结果差异小(最大水深差值基本低于0.1 m)、相关性强(相关系数基本超过0.7),但前者计算效率是后者的3~5倍,表明WCA2D能够耦合SWMM且计算效率更高,为复杂城市化地区暴雨洪涝快速模拟提供了一种新方法。

基于SWMM模型的城市洪涝过程模拟及风险评估

以SWMM模型作为研究基础,建立了西安市沣西新城区洪涝过程模型,对由暴雨强度公式和芝加哥降雨过程线合成的不同重现期、历时120 min、雨峰系数为0.4的降雨情景开展洪涝过程及其风险评估研究。计算结果表明:该区域设计的排水管网可抵御3年一遇暴雨,但高于此重现期的暴雨会出现不同程度的内涝;溢流最严重的节点在重现期为T=10年暴雨中最大积水深约0.20 m,对城市影响程度不大,但在T=20年暴雨中最大积水深可达0.56 m,可引起严重灾情。根据积水深度模拟结果,可初步判断出在T=20年暴雨过程的特定时段(75~105 min)内,积水会导致以溢流节点为中心10 m范围内的行人和车辆失稳。

芝加哥雨型与城市灾害性降水的比较研究

目前城市洪涝研究中较多采用以芝加哥雨型为主的设计降水作为输入,该方法存在一定概化,实际防洪排涝应用和水文过程研究中需要进一步探索芝加哥雨型法表征灾害性降水存在的相关问题和缺陷。以郑州市城区2011~2018年发生的致灾降水事件为研究对象,总结了致灾降水的年内演变趋势;比较了芝加哥雨型设计降水与致灾降水峰值分布、强度等过程信息;基于雨洪模型(SWMM)分析了研究区不同成因的城市洪涝过程发生发展的差异,并与芝加哥雨型法输入的雨洪过程进行比照。结果表明:(1)郑州市城区年内致灾降水存在从雨强致灾发展为双致灾,再过渡到雨量致灾的趋势;(2)研究区2 a一遇芝加哥雨型洪涝过程与雨量致灾降水近似,5 a一遇及更高标准的芝加哥雨型具有双致灾降水的洪涝特征;(3)雨强致灾所致的洪涝过程积水历时短、程度小,雨量致灾洪涝过程持续时间长,双致灾洪涝过程兼具雨强、雨量致灾机理,影响范围更广。研究结果对城市内涝防治、海绵城市建设和地区防涝减灾具有一定意义和参考价值。

基于城市暴雨洪水模型的市政排水设计

为提高城市排水工程设计水平,文章分析了SWMM雨洪模型的特点及雨水产汇流、地表下渗等模拟方法,并以某城市为研究对象,阐述了SWMM模型的建立流程及其在排水管网能力和内涝评估中的具体应用,同时,提出城市LID排水设施的布置方法,研究成果可为市政排水设计提供理论指导。

基于主体建模的城市暴雨洪涝灾害预警策略仿真研究

灾害预警通过提前发布灾害信息,引导居民及时采取避灾行动,从而有效降低灾害损失和伤亡,在减灾管理中发挥重要作用。面对自然与社会耦合下的复杂洪涝灾害系统,如何考虑居民的预警响应行为,评估不同洪涝灾害预警策略有效性是当前亟待解决的问题。本文提出了基于主体建模的城市暴雨洪涝灾害预警策略仿真方法,设定基于降雨预报、基于洪涝淹没、基于人群暴露性的3种预警策略,并以深圳市福田区为例,分析不同预警策略下城市洪涝灾害风险的变化。结果表明:(1)考虑洪涝灾害风险感知与个体出行决策概率的城市暴雨洪涝灾害预警策略ABM仿真模型,能够准确模拟不同洪涝灾害预警策略下居民出行响应行为及洪涝灾害风险的变化,科学、全面评估城市洪涝灾害预警策略的有效性;(2)不同洪涝灾害预警策略下人群出行响应行为差异显著,导致城市暴雨洪涝灾害风险降低效果不同。面对20 a一遇的降雨情景,基于洪涝淹没和人群暴露性预警能够帮助研究区居民快速识别高危险区,从而显著降低建筑物和道路的风险;(3)不同暴雨情景下不同洪涝灾害预警策略效果不同。面对较小的降雨情景,基于洪涝淹没和基于人群暴露性的精细化预警策略下城市洪涝灾害风险降低效果更好;而面对极端暴雨情景,采用基于降雨预报的统一预警策略效果优于精细化预警策略。

利用洪涝模型进行城市内涝风险快速识别与预警

中国越来越多的城市面临暴雨内涝问题,如能提前发布内涝预警,可防患于未然。基于水力学的精细化洪涝模型可对城区暴雨、洪水在河道、地表、管网的流动过程进行全程模拟,获得地表内涝积水过程、范围、水深等信息,为实现内涝识别和预警提供数据支撑。在利用精细化洪涝模型构建暴雨-内涝情景库的基础上,提出了利用情景匹配模式针对预报降雨发布城市内涝预警的方法。城市地表复杂,排水设施数据质量参差不齐,采用多模式概化方法尽可能详细地刻画决定内涝模拟效果的局部微地形,地表模型与管网模型采用多种耦合方式,实现了城区内涝的精细化模拟,能够进行内涝风险的精准化快速识别。以中国北京市城区为例,通过城区精细化洪涝模型对多种降雨条件下的暴雨情景进行模拟与分析,构建了北京城区的暴雨-内涝情景库。以道路和桥区为重点关注对象,在暴雨预报之际,结合暴雨与情景库特征参数快速识别有内涝风险的道路、桥区及其他区域并依此进行内涝风险预警,可指导相关部门合理安排交通管制、有效部署排涝力量。

基于GIS空间分析建模技术的内涝风险评估

以Arc GIS地理处理中的空间分析模块为主,利用"Model builder"及空间建模技术创建了城市暴雨内涝灾害风险指标评估模型。在风险综合评估与区划的研究中,用层次分析法确定了每个风险指标的评价权重,并将模糊评价应用于GIS风险指标栅格数据,从而实现了有关风险指标的数据管理、空间分析模型和空间制图表达技术的结合。模型建成后可以高效完成各指标的计算、中间文件的管理、数据的更新和评估结果的空间制图表达,实现城市暴雨风险指标评估过程的流程化操作。将GIS空间分析建模技术应用于工程实例中,得到了风险评估分级与区划成果,可为城市内涝这种突发性自然灾害的救灾、减灾等提供信息保障和决策支持。

基于GIS淹没模型的城市道路内涝灾害风险区划研究

在求取襄阳中心城区重现期雨量与可抽排雨量的基础上,采用基于GIS暴雨洪涝淹没模型计算不同重现期致灾雨量的淹没水深和范围;依据城市内涝对道路的实际影响,制作城市道路内涝灾害风险区划图。结果表明,该方法能够直观表达研究区域内不同雨量阈值的内涝灾害淹没风险分布,定量评估淹没水深、淹没范围。同时给出了城市道路内涝灾害风险区划图,结合城市道路信息,准确定位高风险易涝街区,为政府部门决策提供科学依据。

平原集水区城镇化对暴雨洪水影响研究——以常州市双桥浜为例

城镇化下土地利用变化影响了流域洪水过程,并可能导致设计洪水发生变化。为进一步辅助城镇化流域防洪设计研究,以常州市双桥浜集水区为例,针对城镇化地区管网资料不全、区域管网河(渠)道排水过程复杂的问题,利用城市河道、道路、集水井等的汇水路径对高度城镇化小区进行子汇水区划分,基于HEC-HMS(Hydrologic Engineering Center-Hydrologic Modeling System)模型建立了适合高度城镇化下平原集水区的降雨-径流模拟模型,以模拟分析城镇化下土地利用转变对暴雨洪水的影响。结果表明,城市绿地向城镇化转变的过程较未利用地向城镇化转变使洪水增加得更大更快,且洪峰的增加幅度小于洪量的增加幅度。同时,随着土地利用转换程度的增大,对洪水影响的差异性也在增大,且低重现期洪水所表现的差异性更为明显。研究结果可为平原河网地区防洪减灾提供一定参考依据。