基于GIS的城市内涝积水数值模拟

根据城市内涝产流、汇流过程及其原理,以GIS为分析和开发工具,模拟、分析内涝积水的空间分布。基于DEM数据完成水流方向提取、汇流量计算,以及汇水区域提取,实现产流、汇流模拟。利用降水产、汇流的模拟结果,结合水文计算方法,基于GIS实现对城市内涝积水的数值模拟。     

城区内涝淹没模拟算法

针对城区内涝淹没范围和水深模拟问题,该文提出了一种基于约束Delaunay不规则三角网与三棱柱的城区内涝淹没模拟算法。该算法以沿地面三角形的顶点垂直向上引垂线形成的三棱柱为计算单元,通过"等体积"的方法,建立时间序列切片下的淹没水深和积水量的关系,据此实现淹没范围和水深模拟。以北京师范大学(简称"北师大")主校区为例,对单汇水区的水面高程上升模拟结果与实际观测值进行对比,基本吻合;并与传统栅格DEM的淹没效果进行了对比,表明该算法正确有效。     

改进局部等体积算法下的城市内涝情景模拟

针对城市内涝问题,提出一种改进的局部等体积地表径流汇流模型。首先基于SCS模型获取地表产流;其次通过结合形态学重构方法对分水岭分割算法进行改进,获得相应的子汇水区,提升局部等体积汇流模型的精度;最后以武汉市中心城区为研究区,对模拟结果进行评价。结果显示：1)10 a、50 a重现期下的内涝模拟精度分别为78.1%和78.6%,模拟精度良好;2)最大积水深度、总积水面积、严重积水面积和总积水水量均与重现期呈正相关,并在降雨峰值处,各参数增长趋势均为最大;3)武汉城区2 h短历时降雨过程中,1 a重现期为城市内涝是否严重的分水岭;4)武汉城区暴雨内涝主要集中在江汉区和江岸区。     

西安市城市内涝模拟与损失灰色关联度研究

综合GIS技术与城市内涝基本原理，基于DEM、水文学原理、不透水面并考虑下渗、排水情况，模拟水流沿格网单元从高到低流动，按照坡度比例分配流量，形成不同降雨强度的城市内涝情景模拟，提取西安市几个典型的积水点淹没风险范围和分布特征等信息，并进行空间分析与数据验证，结果与实际相符。再叠加地表覆盖分类成果和统计年鉴数据，获取不同淹没风险范围内的人口、经济、交通、建筑物等数据，引入灰色关联理论对降雨量和损失因子的关联程度进行定量化，探讨综合影响因素中城市内涝损失的大小问题。结果表明：降雨量与经济损失因子的关联度最大，达到了0.823，与人口损失因子的关联度最小，为0.725，从大到小的顺序为：经济>建筑物>淹没面积>道路>人口。因此，提出充分考虑人为可控的城市内涝影响因子，合理控制城市用地扩展速度，提高土地利用效率的建议，旨在对城市内涝的管理、预测、决策等提供参考。     

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。     

水力建模与GIS量化表达的地下排水管线承载力评价

地下排水管线是城市重要的基础设施,地下排水管线承载能力研究与评价是城市能够平稳安全度过暴雨期、避免城市内涝的关键。本文基于SWMM模型,以昆明市主城区一个代表性关键节点为研究对象,通过城市地下排水管线汇流模型的设计与校准、城市降雨模型与地面径流模型的设计及构建,结合GIS量化表达模拟城市排水管线各要素承载力的时空分布状态及其承载能力。通过地表径流模拟分析、管线运行模拟分析、不同时刻节点水位动态模拟分析及排放口径流特征模拟分析,对研究区域内地下排水管线进行承载力判别,为在城市更新改造过程中提升城市地下排水管线承载能力提供参考。     

基于GIS的城市内涝灾害分析模型研究

根据气象、水文、水利等专业知识,利用GIS的空间分析技术,结合城市地理数据库和数学计算模型及城市暴雨强度经验公式,建立城市内涝灾害分析模型。该模型是城市内涝积水计算和模拟的基础,能够根据城市降雨分布情况,模拟和预测城市的内涝灾害有关特征数据,如内涝积水的空间分布、深度分布、淹没面积和淹没时间等,模拟结果可为防灾减灾部门制定防灾减灾措施提供依据。     

遥感和GIS支持下的分布式融雪径流过程模拟研究

基于遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术,设计和构建了一个分布式融雪径流模型,整个分布式融雪径流过程的模拟计算基于能量平衡和水量平衡,由分布式栅格融雪过程、分布式栅格产流过程以及分布式栅格汇流过程组成,融雪以及产汇流过程全部基于栅格尺度,全面实现了融雪过程的分布式模拟.分布式栅格融雪过程中对"度日法"加以改进,引入了"单元时段"的概念,从而得到了"度分融雪模型";针对融雪过程中颇为复杂的冻融反复性难题,提出了旨在解释积雪冻融反复性物理机制的"冻融系数"的重要概念,对于准确把握融雪过程的物理机制具有重要意义.同时基于GIS开发了分布式融雪径流模拟系统,为分布式融雪径流模型的运行提供了平台和技术支持,二者均为融雪洪水预警决策支持系统的核心模块部分.基于由MODlS等遥感数据得到的积雪信息、地表温度等下垫面信息,基础地理信息数据如DEM及其空间分析数据和大量野外同步观测数据(积雪信息、气象数据),对典型研究区新疆军塘湖流域2006年春季典型融雪期(2006-03-06,11:00-2006-03-10,11:00)内的洪水过程进行了模拟,模拟结果精度较高,平均精度0.82,达到了融雪洪水预警预报的业务需求标准.     

基于空间分布式汇流时间方法的流域洪水模拟模型及应用研究

基于空间分布式汇流时间方法的流域洪水模拟模型采用SCS模型,进行空间分布净雨强度计算。格网单元的流向用流域的DEM来确定,出口的直接径流就是在各个汇流时间段内到达出口的所有格网单元的体积流之和。模型结构简单、参数物理意义明确。基于对该模型的原理和运行流程的描述,以浙江皎口水库流域为例,对该流域的1979~2001年中的6场洪水的径流过程进行模拟。结果显示,皎口水库流域小时径流模拟值与实测值曲线拟合度较好,水量拟合指数平均值为1.04,平均模型效率系数为0.68。     

基于流域GIS空间建模的雨洪模拟方法

基于多层次GIS空间分析模型技术,系统地建立了从流域雨洪过程相关影响因子栅格化处理到产汇流过程模型的集成化模拟方法,首次实现了对流域内任意栅格单元内河道断面的径流过程线的可视化测算。同时还对于模型中单元水流长度与河道单元流速率定方法进行了优化改进。实例分析结果表明:模型结构更为严谨、参数设置更为科学,改进的技术方法对于福建汀江十年一遇洪水场次的模拟结果精度有明显提高,能够满足相关海绵城市规划应用需求。     

构建城市地表产流和汇流模型探讨

本文基于空间离散化理论与方法和DEM技术,将城市地表划分成一系列网格单元,从水平方向和垂直方向研究城市地表空间位置和综合因素的空间离散化描述、表达以及参数模型化处理机制,创新构建出一个特定的以DEM空间离散化解析函数式表达的、综合顾及城市地表地形特征、下垫面物质形态和人工建筑物等因素的地表产流和汇流模型,实施城市地表产流和汇流的路径以及水流累积量的分析计算。     

基于球面QTM的大范围有源淹没算法研究

面对海平面上升后沿海区域大范围淹没模拟的应用需求,提出了一种基于球面QTM的大范围有源淹没算法,首先构建了研究区域的QTM三角格网集,并利用海陆分离的思想确定了初始淹没单元;然后基于QTM的12邻近搜索设计了面向多目标三角格网的淹没范围扩张方法,将初始淹没单元递归扩张得到最终的淹没范围;最后应用Visual C#语言及Microsoft DirectX三维图形接口设计开发了相应的试验原型系统,并利用天地图高分辨率影像和SRTM地形数据对试验区域进行了海平面上升后的大范围淹没模拟试验。结果表明,该算法具有较好的实用性,可以有效地对海平面上升后的大区域范围进行动态地淹没模拟,对辅助防灾减灾具有一定意义。     

基于ArcGIS三维建模技术的水灾模拟系统

洪水灾害严重影响着国民经济发展,危害人民生命财产安全,破坏生态环境。本文以福州市为背景,首先简要分析了台风对福州市的影响和引发的灾害;其次运用MATLAB对降雨量的大小进行预测分析并得出地表保水能力的强弱,确定淹没范围;最后应用分析得到的降雨数据,实现洪水淹没状态和周边场景的模拟。     

基于数字水深模型的水深浅点快速提取

针对目前手工作业选取水深浅点效率低、易发生遗漏等不足,本文以数字水深模型为基础对其进行地貌翻转,将水深浅点转化为洼点,利用水文流域模拟原理计算出相应区域的汇流累积量,结合邻域窗口最大值扫描获得汇水量极大值点,从而实现了水深浅点的快速、自动提取。汇流累积量夸大了局部地形变化,可更有效地提取潜在水深浅点,确保舰船安全。     

基于DEM汇流模拟的鞍部点提取改进方法

鞍部点是重要的地形控制点之一,由于其特殊的形态特征,基于DEM的鞍部点提取算法较山顶点、山谷点提取更为困难.本文提出一种基于DEM汇流模拟的鞍部点快速提取改进算法.该算法利用DEM地表汇流模拟的方法提取山脊线,利用地形倒置得到的反地形地表汇流模拟提取反地形流域边界线,获得能自动实现地形部分的原始地形汇水线,进而通过特征...     

溃坝洪水演进的光滑粒子流体动力学分析

传统GIS在实现溃坝洪水过程模拟时通常是采用无源淹没分析或有源淹没分析方法,这些方法忽略了洪水演进过程中的物理学与动力学因素,模拟结果的时效性、可靠性较差,表达效果也较为简单。针对此问题,该文提出结合光滑粒子流体动力学方法与GIS相关技术实现溃坝洪水演进的三维动态可视化及分析,以光滑粒子流体动力学生成的海量多维时空序列流体粒子数据为基础,研究了粒子数据的建模及时空数据的时空建模技术。最后在自主研发的系统中实现了溃坝洪水演进的三维动态可视化表达及分析,应用效果良好。     

不透水面与地表径流时空相关性研究——以杭州市主城区为例

城市化进程中不透水面的扩展对城市地表水文循环产生了显著影响。研究不透水面与地表径流时空相关性能缓解城市内涝灾害,可为"海绵城市"提供建设意见。本文以杭州市主城区为例,提出结合BCI指数(Biophysical Composition Index)的线性光谱分解方法提取不透水面、植被和土壤盖度,提高了传统的线性光谱分解方法的精度。进一步结合SCS-CN模型(Soil Conservation Service Curve Number Method)模拟1990年—2017年杭州市主城区地表径流,在此基础上计算景观格局指数,研究杭州市主城区不透水面与模拟地表径流的时空特征,探究不透水面与模拟地表径流的关系。结果表明:(1)研究区近30年不透水面聚集度较高且呈增长趋势,增长速率趋于平稳,上城区和下城区不透水面面积占比最高,江干区、西湖区和拱墅区增长速率和增长强度相对较大。(2)研究区近30年模拟地表径流不断增长,220—240 mm的径流由中心城区向四周辐射,上城区和下城区模拟地表径流最高,与不透水面的演变趋势总体一致。(3)不透水面的空间格局与模拟地表径流高度相关,不透水面的斑块数量和破碎度与地表径流呈负相关,斑块所占景观比例、斑块密度、斑块聚集等与模拟地表径流正相关,可通过合理控制相关景观指标、优化不透水面空间格局控制地表径流。在此基础上提出了防止城市内涝的建议:增加绿地、花园等用地类型;减少大面积不透水面斑块,划分成更多的小斑块等。     

三维GIS蓄滞洪区淹没分析与灾损评估

蓄滞洪区是江河防洪体系的重要组成部分.基于洪水淹没机理,通过对蓄滞洪区地表的连通性分析,构建淹没过程模型;用等量分析的思想建立了计算洪水淹没水深和淹没范围的淹没分析模型,并在三维GIS环境中实现淹没分析结果的三维动态可视化.将淹没分析结果与社会背景数据叠加,结合洪灾损失率,对淹没区内的各类资产进行洪灾损失评估,为蓄滞洪区的管理、防洪减灾决策提供快捷、直观形象的信息支持.     

三维GIS的城市暴雨积涝灾害模拟

针对传统基于二维GIS进行城市暴雨积涝模拟分析不能立体地展现积涝灾害动态演进过程、地物受灾情况的问题,该文提出了基于三维GIS进行城市暴雨积涝灾害模拟分析。该方法综合应用精细化建模与地物拉伸建模技术,通过区域DEM构建、地表路面建模、建筑物建模、地形匹配构建研究区三维模型;以改进的D8算法进行汇水区划分,应用径流系数法进行汇水区产流计算。研究结果表明,该方法能够有效实现三维场景中暴雨积涝积水深度、积水范围计算以及积水深度、受灾房屋、受灾道路可视化表达,为城市暴雨积涝灾害防灾减灾提供技术支撑。     

“白屋顶计划”对缓解城市热岛效应的有效性评价

为评价"白屋顶计划"对缓解城市热岛效应的有效性,以上海市城区为例进行了研究。首先,对研究区域TM图像进行大气校正获取地表反照率;然后,用Hottel模型模拟了晴天逐时太阳辐照度,并对城市屋顶在不同反射率下吸收太阳辐射过程进行了模拟;最后,经过回归建模估算出"白屋顶计划"在夏季午间高温时段能使热岛温度降低1.32℃,并估算出夏季白屋顶室内空调节能效率可达12.60%。