变化环境下城市水文学的发展与挑战——Ⅱ.城市雨洪模拟与管理

全球气候变化和快速城市化改变了城市水循环过程,加剧了城市暴雨洪涝问题。从城市雨洪模型构建的角度,回顾了降雨观测与预报技术、城市雨洪产汇流计算方法以及城市雨洪模型的发展历程,总结了各种技术的特点、适用性和局限性,指出城市雨洪模型在机理认识和数据管理方面的不足,提出了城市雨洪模型的概念性框架与基本流程。从雨洪资源化的角度,介绍了城市雨洪管理基本理念和策略,分析了城市雨洪管理的主要技术方案。阐明了城市雨洪模拟与管理的发展趋势及前景,未来应该强化高精度降雨观测和临近定量降雨预报能力,探索城市化流域的产汇流机理和响应机制,开发有效的城市雨洪模型系统,发展多源信息耦合技术,开展城市雨洪模拟预报及资源化利用研究,实现城市可持续发展以及保障城市水安全。     

考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模拟模型——Ⅰ.模型原理与模型构建

为满足新形势下雨洪管理实践的需求, 揭示有效不透水下垫面对城市水文过程的影响, 需研发考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模拟模型。将不透水下垫面分为道路和屋顶, 综合运用地理信息系统、城市雨洪模型等技术手段, 基于不同分类属性分步确定有效不透水面积; 考虑模型复杂性、建模数据可用性和模型预测能力, 确定模型结构。区分有效不透水下垫面和非有效不透水下垫面产汇流过程, 将具有高度异质性的城市下垫面离散成具有均匀或准均匀特性的子汇水区, 考虑不同下垫面各子汇水区内部及子汇水区之间汇流路径, 采用不同的产汇流计算方法, 构建了精细模拟模型, 可为城市洪涝防治及海绵城市建设提供技术支撑。     

流域坡面汇流研究现状述评

对当前坡面汇流计算方法的研究进展进行了较为系统的总结与分析,并对坡面汇流的非线性效应以及城市低影响开发中的雨水入渗与蓄集对坡面汇流的控制作用进行了简要分析。从模型简单实用的角度出发,认为以流域时间-面积关系与线性水库相串联的ModClark法等为代表的概念性分布式坡面汇流模型具有良好的发展前景;考虑到基于等流时单元的变动等流时线法在反映雨强非线性影响中存在的问题,认为根据水文响应单元在不同雨强条件下汇流时间的变化,调整其汇流参数以反映坡面汇流的非线性效应,对于流域坡面汇流的分布式模拟更具有实际意义;针对目前低影响开发设施长时间序列大空间尺度的室外降雨径流监测资料普遍较为缺乏的现状,给出了后期应积极选择合适的技术以加强低影响开发性能监测工作的建议。     

城市洪涝模拟应用场景及相应技术策略

城市洪涝模拟是当前国内外城市防洪减灾领域研究的热点。现有城市洪涝模拟方面的评述, 主要依据城市洪涝过程或模拟计算方法进行分类讨论, 缺乏基于应用需求的视角。随着应用需求日益深入, 城市洪涝模拟应用场景日趋多样化和复杂化, 不同模拟应用场景下, 所关注的洪涝过程不同, 采用的技术策略及其重点和难点也不同, 脱离模拟应用场景很难辨析这些不同。依据模拟对象和关注变量, 归纳总结出城市洪涝模拟的3种典型应用场景, 即城市外洪模拟、城市雨洪模拟、城市内涝模拟; 针对这3种典型模拟应用场景, 分析相应的城市洪水演进模型、城市雨洪模型、半分布式暴雨内涝模型、全分布式暴雨内涝模型等4类模拟技术策略; 辨析在不同模拟应用场景和技术策略下, 不同模拟技术的组合方式及其特点与难点, 以期从应用需求的角度对城市洪涝模拟技术进行全面的梳理, 为城市洪涝模拟应用和研究提供一个新的视角。     

城市地表雨水汇流运动波计算方法研究

从以圣维南方程为基础的坡面流角度出发,引入运动波描述城市地表汇流过程,同时考虑全面汇流和部分汇流,利用分级叠加法,对净雨强度随时间变化的城市地表雨水径流过程用坡面流运动波方程进行模拟计算,并将地表划分成多个子集水单元,按照各子集水单元的地表属性分别得到相应的流量过程,最后汇总得到区域出口处的流量过程。最后用实测资料对模拟计算结果进行了验证,结果表明模拟结果与实测资料拟合度较高,该方法得出的模拟结果基本合理,可在城市降雨径流计算等方面作为参考。     

基于GPU加速技术的非结构流域雨洪数值模型

为高效高精度地模拟流域雨洪过程,应用动力波法求解二维圣维南方程,并耦合水文过程,建立了包含流域降雨产流、汇流、下渗以及洪水演进等过程的高性能流域雨洪数值模型。该模型的优势在于使用非结构网格,可较好地处理不规则边界,准确贴合复杂地形表面,使得模型能精确计算模拟流域雨洪过程,同时引入GPU技术加速计算,使得大尺度流域雨洪计算成为可能。最后,将模型应用于V型经典算例及2个实际流域雨洪算例,所得结果与实测吻合较好,计算所用时间较短,表明该模型可以快速且精确模拟流域雨洪过程。研究结果有助于实现对实际流域雨洪灾害进行合理高效的预测,为应急抢险工作提供有力支撑。     

基于地块概化和路网精细模拟理念的城市雨洪过程分区自适应模型

为解决城市尺度雨洪模拟过程中常见的地块区域地形及管网资料不足、道路区域行洪与积水严重以及现有雨洪模型计算精度差或计算效率低等问题,提出基于地块概化模拟和路网精细模拟理念的城市雨洪过程分区自适应模型。对于资料不足的地块划分子汇水区单元,采用水文学概化方法计算产汇流过程;对道路区域划分精细网格,采用二维水动力学方法模拟水流运动过程;两者均与管网模型耦合连接,共同驱动管网模型进行汇流计算。以西咸新区沣西新城核心示范区为研究对象,搭建研究区域分区模型,对比分析整体区域均采用精细网格的全分布模型和整体划分子汇水区的半分布模型的模拟结果。结果表明：(1)分区模型综合考虑了地块管网排水与道路径流过程,可模拟出道路低洼区域在地表产汇流和管网溢流综合作用下的致涝过程,整体径流路径符合实际降雨水流运动规律;(2)相较半分布模型,分区模型在道路区域采用精细网格进行计算,可较好模拟道路区域的积水过程;(3)相较全分布模型,分区模型显著减少了计算量,在不同设计降雨下减少了28.2%～73.5%的计算耗时。该耦合模型有效地克服了数据条件和计算能力的限制,可为城市洪涝模拟提供一种新的耦合模拟思路。     

基于通用计算的涪江中段径流模拟研究

为了提高传统径流汇流模拟的时效性,提出了一种基于通用计算的径流汇流模型。模型采用纳维-斯托克斯作为基础方程。首先,文章探讨了利用通用计算进行径流汇流模拟的实现方法并设计了模拟计算流程。然后,以涪江流域中段为研究区域,将流域内25个常规站和区域站的实况降水数据为数据源,分别利用本文径流汇流模型和FloodArea模型对流域进行径流模拟,并将两种模型模拟结果与水文站实测数据进行对比分析。结果发现,基于通用计算的径流汇流模型不仅在模拟效率上相对于FloodArea模型有很大程度的提高,而且模拟结果具有更小的水位变化误差,与水文站实测水文数据具有更好拟合效果。模拟时效性和结果准确性的同时提升表明本文的径流汇流模型对暴雨洪涝预警预报具有重要的意义。     

从水文学产汇流角度分析碱坪沟“8·13”泥石流特征

本研究以四川省都江堰市龙池镇碱坪沟泥石流流域对象,基于HEC-HMS流域分布式水文模型,利用RS和GIS技术提取流域产汇流参数,模拟分析碱坪沟8·13泥石流的暴雨汇流过程,结合流域内土地利用类型分布,模拟降雨-径流关系,并综合考虑泥石流的相关特征参数,利用情景分析法探讨泥石流流域内的土地利用类型变化对泥石流汇流过程的影响关系。     

分布式水文模型的GPU并行化及快速模拟技术

分布式水文模型对流域水文过程的应用深度及广度不断加深,常与数值天气及气候预报相结合,面临巨大的计算量。近年来GPU技术的进步使普通电脑能够实现高效而又廉价的并行计算。提出了资料插值、单元产流以及单元汇流采用GPU并行计算,马斯京根法河道汇流采用一种非并行的递归方法。基于笔记本电脑和NVIDIA GPU/CUDA结合C#语言,由分布式新安江模型在沂河流域的模拟应用表明,降水量空间插值及新安江产流的并行执行效率为普通CPU上C#的8~9倍。使用直接递归法实现马斯京根汇流演算比以往采用汇流次序表的执行效率提升0.5~0.9倍。     

基于GIS和RS的喀斯特流域枯水资源影响因素识别――以贵州省为例

喀斯特流域是由独特的地貌、水系结构及水文动态过程组成的地域综合体。因此,影响喀斯特流域枯水资源的因素复杂多样,除气候等条件外,流域的植被类型、土地利用类型、岩组类型、地貌类型等也是影响喀斯特流域枯水资源的重要因素。本文选取了19个典型喀斯特流域为研究对象,以1991至1995年水文数据和遥感数据为基础,通过实地调查,制定基于GIS和RS为基础的喀斯特流域枯水资源影响因素信息提取方法,提取各个喀斯特流域单元中枯水水资源影响因素,通过关联度分析,得出不同的自然因素对枯水资源的贡献率,即岩组类型因素> 土地利用类型因素> 地貌类型因素> 植被类型因素。在各自然因素中,白云岩、半喀斯特低中山、草地与枯水资源的关系最为密切。      

滇中地区产汇流分析探讨

依据云南省滇中地区16个水文站共31年(1980~2010年)实测水文资料,应用二水源新安江模型进行降雨径流分析,用推理过程线法进行汇流分析,研究滇中地区产汇流参数地理变化规律,为无水文资料的中小河流开展水文计算和站网规划提供参考。研究结果表明:分析得出的参数具有一定的代表性,分析成果取得较好的效果。     

遥感地质可视化解译知识库建设

利用地理信息系统强大的空间分析功能,通过可视化技术,建立了遥感地质解译知识库模型。按专家解译方法的思想构建了知识库数据结构。并详细地描述了以影像特征库和解译标志库为核心的知识库体系,辅以解译示例库和可视化解译,介绍了知识库模型结构及建设的关键技术,为遥感地质自动可视化解译提供了数据模型基础。     

含沙量对草地坡面径流泥沙沉积和水力特性的影响

通过室内模拟试验,在坡度为3°和9°、流量为20和60L/min条件下研究了不同浓度(0～350kg/m3)含沙水流流经草地的泥沙沉积过程及其水力学特性。结果表明,坡面泥沙沉积量随含沙量的增加而增大,3°时泥沙沉积率与含沙量呈正相关,而9°时沉积率与含沙量呈反势。坡度对泥沙沉积影响显著,而在相同坡度条件下,两种流量试验的泥沙沉积量无明显差异。相同坡面坡上部位流速小于坡下部位,且含沙量对坡面流速影响较小。在相同坡度和流量条件下,水流雷诺数随含沙量的增大而减小。3°时水流阻力系数和曼宁糙率均随含沙量的增加而增大,而9°时含沙量对阻力影响不明显,因此在土壤侵蚀较严重地区进行坡面水文过程演算时需考虑含沙量对缓坡糙率的影响。     

冰盖下冰花浓度分布的数值模拟

封冻河道内的冰花分布规律对冰期水文及环境分析有着重要的意义. 视冰花为连续介质, 基于多相流理论和欧拉-欧拉模型方法, 建立了河渠垂向二维标准k-ε紊流数值模型. 在不同的水流流速、 冰花颗粒尺寸、 上游来冰量条件下, 对冰盖下冰花浓度场进行了模拟分析, 得到了冰盖下冰花分布特征. 结果表明: 水流流速越大, 冰花沿垂向分布范围越大, 冰花浓度分布曲线斜率越大, 冰花浓度沿垂向的均匀性越大, 同时浓度最大值越小; 冰花颗粒尺寸越大, 冰花沿垂向分布范围越大, 冰花浓度分布曲线斜率越大; 上游来冰量越大, 冰花沿垂向分布范围越大, 在同一水深其浓度值也越大, 冰花浓度沿垂向分布的均匀性越大.     

基于地貌学和水文学的流域汇流模型

流域汇流是一个三维水文学问题，主要依赖于流域的河网地貌和河槽动力特征。本文在地貌学和水文学研究基顾上建立了概念性的流域模型，模型参数可由地貌参数和河槽动力特征值推求，该模型是非线性模型，概念清楚，求解地较简便，且可用于缺乏水文资料地区的流域汇流计算。     

二维水流数学模型区产流、汇流问题的探讨

目前,二维水流数学模型已得到普遍应用,但模型区的产流、汇流问题考虑较少。通过南水北调中线工程总干渠左岸串流区二维水流模拟计算,针对水面区和陆面区不同情况对模型区的产流、汇流问题进行了分析研究,在二维水动力学数学模型的基础上建立了串流区水文、水力学模型,提出了处理模型区产流、汇流问题的一套行之有效的方法。     

仅依据汇流系统出流资料确定Nash模型参数的研究

从理论上建立缺乏水文资料或水文资料不配套情况下的流域汇流计算方法是水文学家长期追求的目标.在分析半个世纪以来这方面主要研究成就的基础上,认为确定流域汇流模型参数的途径可划分为三类.对其中仅根据汇流系统出流资料确定Nash模型参数的理论公式和实施步骤作了详细探索,取得了初步成果,指出了进一步研究的方向.建议的方法对我国干旱、半干旱内陆边远不易布设足够雨量站点的地区的水文计算和预报工作具有实际意义.     

流域汇流的概率论体系探讨

基于统计物理学观点,给出了净雨过程和流域出口断面流量过程的概率论解释。在此基础上,应用概率论中随机变数函数分布的理论导出了卷积公式,获得了不同于Rodriguez-Iturbe等对流域瞬时单位线所作的概率解释,且前提条件更为明确。证明了流域瞬时单位线的一阶原点矩、流域滞时和平均流域汇流时间是完全等价的,从而为计算平均流域汇流时间提供了一个概念明晰、操作简便的计算方法。给出了两个应用概率论方法确定流域瞬时单位线的方法,其中之一是笔者提出的。     

植被措施与路面汇水对三峡库区土质道路边坡侵蚀影响

研究土质道路边坡在自然恢复、草本、草灌结合及植生带等4种不同植被恢复模式下的降雨侵蚀特征,同时将模拟降雨试验和冲刷试验相结合,研究路面汇水的介入对路堤边坡侵蚀的影响。研究结果表明,在模拟降雨试验下,草灌结合控制路堑边坡侵蚀效果最佳,产流量和产沙量显著低于其他植被模式;草本和草灌结合在路堤边坡降雨和冲刷下,都有显著的截流拦沙能力,且两种措施防护效果相当;路面来水的介入对路堤边坡侵蚀有显著促进作用,加速产流,增加产流量和产沙量。山区道路侵蚀的治理,不但要因地制宜地选择适宜的防护措施,更应该对路面产流和路面汇流进行科学合理的规划,减少其对路面及路堤的冲刷侵蚀。