城市暴雨内涝模拟模型优化与精度验证

本文采用“Vegetation-Impervious Surface-Soil”模型和线性光谱混合分解方法,获取像元中不透水面、植被、土壤覆盖信息,用于计算SCS模型产流参数综合CN（Curve Number）值;基于土地利用类型,采用经验值与数值实验逐步求精相结合的方法,确定水动力汇流模型参数曼宁系数,并用实测积水数据验证两次参数修正的模拟效果。以上海中心城区为例进行验证,研究结果表明：①将采用V-I-S模型得到的不透水面、植被、土壤信息设定CN值,能够降低积水分布的极值化现象,提高SCS产流模型产流量和产流分布精度;②采用经验法和数值模拟逐步求精法,按土地利用类型设定曼宁系数,使各时段最大积水深度高于原模型,说明曼宁系数是汇流模型的敏感参数。     

顾及地表汇水分析的城市DEM构建

城市暴雨内涝是城市最普遍的自然灾害之一。受城市复杂下垫面环境的影响,城市暴雨积水具有响应时间短、淹没速度快的特点。数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）是城市地表汇水分析的关键,是暴雨积水分析的基础,而传统方法构建的DEM不能满足复杂下垫面环境下城市暴雨积水淹没分析的需求。本文以构建顾及地表汇水分析的城市DEM为目的,提出基于多源数据融合思想和地形修正思想的DEM构建方法,即将数字摄影测量技术构建的大范围DEM与车载激光扫描技术构建的城市道路高精度DEM相融合,再利用影响雨水汇流路径的建筑物、水系等要素对DEM进行修正的构建方法。本文以北京市海淀区公主坟地区为例进行研究,结果表明该方法构建的DEM在道路区域高程精度可达厘米级,实现了对城市道路易积水区域的重点表达,基于该DEM的汇水分析结果基本符合城市下垫面汇水特点,因此,本文构建的DEM适用于城市道路、桥区汇水路径分析和积水淹没分析。     

基于元胞自动机模型的河道汇流过程模拟

对河道汇流过程进行模拟可为洪水灾害预警预报提供参考。利用水力水文学方法能很好地模拟河道汇流过程,但需要输入的参数多,运算过程复杂,对数据精度要求高,而且在无资料区流域无法确定河道上断面流量情况下,该方法具有一定局限性。本文将元胞自动机模型与水文模型相结合,构建了河道汇流过程中的元胞自动机模型和产流汇流规则。通过建立河道坡面拓扑关系,利用SCS-CN（Soil Conservation Service-Curve Number）模型逐个计算河道元胞上的坡面入流,并利用曼宁方程模拟河道汇流过程,最后在ArcEngine平台下进行二次开发,实现了河道汇流可视化。本文以厦门市茂林溪流域为研究区,对1997年5月6日至7日的一场降雨进行了模拟。将本文模拟结果与该流域其他学者的研究进行了对比分析,结果表明在输入数据与水文模型参数相同的情况下,本文不仅模拟出每次降雨间隔产生的较小洪峰,并且整场降雨产生的最大洪峰流量精度与时间精度均提高了5倍,可以更准确地模拟河道汇流过程,适用于河道汇流可视化,该模拟可以为洪水灾害预警预报提供一定参考。     

小流域山洪灾害危险性分析之降雨指标选取的初步研究

降雨是诱发山洪灾害的直接动力和激发条件,是山洪灾害危险性分析中不可或缺的重要指标。对于不同的研究区,不同频次和历时的降雨对山洪灾害的影响不同,危险性分析所选取的降雨指标也可能不同。本文基于1:5万小流域数据、历史山洪灾害空间分布数据和暴雨图集资料,以江西省婺源县小流域为例,采用相关分析法对初步选取的24个降雨指标进行相关性分析,筛选出相关性不强的降雨指标;利用GIS技术和基于局部Getis-Ord Gi*算法的优化热点分析工具对历史山洪灾害点进行空间聚类分析,获得研究区每个小流域山洪灾害危险度的估值,该值能够较好地反映小流域山洪灾害危险性的空间分布;通过地理探测器模型中的因子探测器和交互探测器对已筛选出的降雨指标和小流域山洪灾害危险度进行综合探测分析,从而获取对该研究区小流域山洪灾害危险性影响较大的降雨指标,即100年一遇最大6 h降雨和100年一遇最大24 h降雨。本文研究对小流域山洪灾害危险性分析降雨指标的定量选取具有参考和指导意义。     

城市内涝灾害模拟与灾情风险评估研究进展

随着我国城市化建设进程的加快,城市水系和绿地面积不断缩减,地表硬质化现象持续加重,城市扩张所带来的问题正日益凸显,尤其是汛期强降雨导致的内涝灾害日渐成为亟需解决的城市顽疾。城市内涝灾害模拟及风险评估是推进城市内涝灾害管理,减少内涝灾害损失的有效途径。本文在综合近年来国内外相关研究的基础上,从城市内涝产生机理、模型及风险评估的角度对城市内涝的研究进行了详细阐述。在模型方面重点介绍了两种应用广泛的雨洪模拟模型:SCS和SWMM模型,对两者的优缺点进行了分析,同时简单归纳了其他雨洪模型。在灾情风险评估方法方面,重点介绍了基于历史灾情数理统计、遥感图像和GIS技术耦合分析和基于指标体系评估等的风险评估方法,并对比分析了各自的优缺点及适用范围。最后对城市内涝模型及风险评估的未来发展方向进行了展望,提出集成多模型耦合的城市雨洪模拟模型以及多学科联合的灾害风险评估研究将成为今后的发展趋势。     

降雨数据空间分辨率在城市流域洪峰变化分析中的影响

在气候变化和城市化背景下,城市暴雨的局部特征愈发明显,而降雨监测和预报数据空间分辨率难以满足空间分布描述要求,造成城市洪涝模拟和预测结果存在不确定性。本文选择深圳市城区的3个流域,基于118场实测降雨数据,通过逐步增大网格尺寸以达到降低降雨空间分辨率的效果,同时以流域边界作为限制,保证流域内面平均雨量不变,然后将不同空间分辨率的降雨数据分别作为城市洪涝模型的输入条件,对流域出口断面的洪水过程进行模拟计算,每场降雨得到6种不同空间分辨率下的洪峰流量。结合降雨中心、流域几何中心等空间特征参数,分析降雨空间分辨率对流域洪峰的影响。研究结果表明,针对118场实测降雨,随着降雨数据空间分辨率逐渐降低,3个流域的出口断面的洪峰变化幅度逐渐增大;如果忽略了流域内部降雨数据的空间分布差异,洪峰变化幅度和方向与降雨中心和流域几何中心的空间关系具有相关性,降雨中心在流域几何中心上游方向的距离越大,洪峰降低的幅度越大。本文基于3个城市流域得到了相似的研究结论,研究方法可为城市流域洪涝模拟提供借鉴,研究结果可为河道洪水风险评价提供参考。     

降雨径流与洪水淹没模型耦合的应用研究

洪水研究包括径流与淹没两种模式。为了探究流域降雨产汇流与淹没情况、提高洪水预报精度,本研究在传统流域水文模型的基础上耦合二维水动力学模型,建立水文-水动力耦合模型。以我国吉林温德河流域为研究实例,模拟了2017年“7·13”洪水在下游口前镇所处子流域洪水淹没过程。首先对基础数据进行预处理,建立HEC-HMS水文模型并进行参数优化后,最终获得流量过程水文结果作为水动力学模型边界条件,之后建立HEC-RAS二维水动力学模型对重要子流域进行淹没模拟。耦合模型计算结果显示,水文模型经多参数优化流量模拟的NSE系数为0.988,水动力计算最大淹没水深达9.3 m相对误差为-5.2%。从泛洪模拟结果来看,子流域上游部分的农田大量被淹,淹没水深范围在0.5~2.0 m,平均流速基本在1 m/s以下。下游口前镇内最大淹没水深接近1 m,水流速度0.2 m/s至1.5 m/s,与实际的淹没情况相吻合。研究表明,所建水文水动力耦合模型模拟计算的结果准确率较高,对具有复杂水文、水力条件的流域的洪水预报具有重要的指导意义。     

FLUS-UGB多情景模拟的珠江三角洲城市增长边界划定

城市增长边界（UGBs）能够控制城市空间的无序蔓延并引导城市合理增长,多发展情景下的UGBs是对不同规划条件下城市未来发展空间范围进行界定的常用方法。元胞自动机（CA）模型能对未来城市发展进行动态的预测,并已广泛的应用于UGBs的划定中。然而,目前的方法和模型大多只针对单一的城市发展情景进行UGBs的划定,较少能对未来多种发展情景下的UGBs进行准确划定。因此,针对这个问题本文提出了一种基于未来用地模拟（FLUS）模型和膨胀与腐蚀的算法的多情景UGBs划定模型（FLUS-UGB）。本文选取珠江三角洲地区为研究区,在对2000-2013年珠江三角洲地区城市土地利用进行模拟和验证的基础上（Kappa系数为0.715,总体精度为94.539%）,预测了2013-2050年基准、耕地保护及生态控制3种情景下珠江三角洲地区的城市扩张,并根据预测结果对该地区UGBs进行划定。结果显示,该方法能够针对不同的城市发展情景进行相应UGBs的划定,具有较好的可靠性及适用性。     

全球温升1.5℃和2.0℃情景下中国降雨诱发地质灾害危险性和人口暴露度评估研究

气候变化情景下极端降水事件的频次和强度预估呈增加趋势,这会导致全球部分地区极端降雨诱发地质灾害风险的增加。本文基于中国降雨诱发地质灾害易发性模型和不同地貌分区的累积事件降雨量-降雨历时阈值曲线,采用最新的CMIP6全球气候模式多模式集合结果,基于全球温升目标情景的视角,从地质灾害空间易发性和发生频次两方面,探讨温升情景下中国地质灾害危险性的可能变化及其对暴露人口的潜在影响。结果表明,CMIP6多模式集合预估的多年平均降水在温升1.5℃和2.0℃情景下相比基准时期可能增加5.4%～9.5%,导致中等至极高地质灾害易发区范围预估增加0.33%～0.74%,由于预估的极端降水事件增加,地质灾害发生频次预估增加7.0%～11.2%,进一步综合未来人口空间分布,潜在地质灾害暴露人口可能增加6.20亿人次（18.90%）和4.26亿人次（12.97%）。各地貌分区未来情景下地质灾害危险性预估增加且存在显著的空间异质性,温升2.0℃情景下中等至极高易发性范围相比基准时期增加0.71%～1.28%,地质灾害发生频次预估增加1.2%～15.6%,其中,青藏高原区地质灾害危险性增加最明显。综合考虑未来人口...     

超标暴雨下城市雨水管网排水效果——以西安市沣西新城为例

雨水管网是城市降雨径流的重要通道,其排水效果直接关系到城市排水防涝的安全,探明不同降雨下城市管网的排水效果对缓解城市内涝至关重要。采用GAST-SWMM耦合模型,以西安市沣西新城某区域为研究对象,设置1、2、5、10、30年一遇5个常规降雨以及50年一遇和100年一遇两种超标暴雨下区域2 h设计降雨过程,模拟研究区域不同重现期降雨下的管网排水情况,计算管道超载率和管网排水量,对管网排水效果进行量化评估。结果表明：常规降雨下管道超载率为0.00%～51.22%,100年一遇超标暴雨下达到64.63%,在降雨重现期达到30年一遇时管道超载率高于50%;1年一遇至100年一遇降雨条件下管网排水量占区域总降雨量的3.55%～22.25%,且随着重现期增长,排水量增加呈减缓趋势。大部分排水管网在超标暴雨甚至30年一遇常规降雨下处于超载状态,但在排水口畅通情况下依然具有排水能力,在城市排水除涝过程中作用显著。本研究为城市雨水管网规划、设计和运维提供参考。     

绿色屋顶在城市雨洪管理中的应用研究综述

由于快速的城市化、土地利用变化等将自然透水表面改变为坚硬、不透水的表面,改变了雨水径流量和径流速率,影响自然水文循环,导致中国许多城市一遇到暴雨天气就会出现比较严重的城市内涝问题。绿色屋顶作为城市绿色基础设施在城市雨洪管理中发挥重要作用,根据分析,在不同降雨事件中,绿色屋顶的径流截留率为50%～80%。广泛绿色空间的应用不仅有效缓解城市地区的内涝问题,也为在城市环境中生活和工作的人提供更美观的空间。当前,海绵城市建设也面临一系列挑战,例如,建设成本高昂、管理机构复杂等,因此,在海绵城市建设过程中,每个城市要按照自身能力分阶段分步骤地建设完成。     

耦合蚁群算法和SCS-CN水文模型的城市不透水面空间格局优化

近年来,中国城市暴雨内涝频繁发生,已经发展成为一类严重的“城市病”。城市不透水面密度及其空间格局是形成暴雨内涝的一个重要影响因素。本文提出一种耦合蚁群算法和SCS-CN水文模型优化不透水面空间格局的方法,从而实现通过增加地面雨水渗透量达到减缓城市内涝发生的目的。首先应用Williams公式计算基于坡度修正的CN值,在此基础上计算地表径流量;然后设定径流系数最小化目标,耦合水文模型和蚁群算法对径流小区尺度的不透水面空间格局进行优化配置;最后应用景观格局指数对不透水面空间格局进行分析。研究结果表明：面对1年、5年、10年、20年、50年以及100年一遇重现期的1 h持续降雨事件,研究区优化后的不透水面空间格局可以分别减少径流系数21.19%、19.58%、19.38%、18.93%、18.41%和17.25%,在一定程度上缓解城市暴雨内涝的发生。在此基础上,提出面向暴雨内涝防治的城市更新优化措施建议：① 通过增加草地、花园、树木等植被绿化减少高不透水面类型的面积,并划分成更多中高不透水面类型的斑块;② 集聚低、中低等不透水面类型,从而加大连通性,形成更多的中高不透水面类型;③ 增加每个径流小区内斑块数量,增大斑块密度,减少其蔓延度和聚集度。     

Waterlogging risk assessment based on self-organizing map (SOM) artificial neural networks: a case study of an urban storm in Beijing

Due to rapid urbanization, waterlogging induced by torrential rainfall has become a global concern and a potential risk affecting urban habitant’s safety. Widespread waterlogging disasters have occurred almost annually in the urban area of Beijing, the capital of China. Based on a self-organizing map (SOM) artificial neural network (ANN), a graded waterlogging risk assessment was conducted on 56 low-lying points in Beijing, China. Social risk factors, such as Gross domestic product (GDP), population density, and traffic congestion, were utilized as input datasets in this study. The results indicate that SOM-ANN is suitable for automatically and quantitatively assessing risks associated with waterlogging. The greatest advantage of SOM-ANN in the assessment of waterlogging risk is that a priori knowledge about classification categories and assessment indicator weights is not needed. As a result, SOM-ANN can effectively overcome interference from subjective factors, producing classification results that are more objective and accurate. In this paper, the risk level of waterlogging in Beijing was divided into five grades. The points that were assigned risk grades of IV or V were located mainly in the districts of Chaoyang, Haidian, Xicheng, and Dongcheng.     

PRIMARY ANALYSIS OF DROUGHT AND WATERLOGGING LAW IN NORTH CHINA

According to the drought and waterlogging disaster statistics over the last 30 years (1950-1979), the annual average area suffering from drought was about 300 million mu (1 mu= 1/ 15 ha) in the whole country, among which about 100 million mu were disastrous areas where the output reduced more than 30%. and the annual lost grains totalled about 5 billion kg. The waterlogging disaster was less than drought disaster. The area suffering from waterlogging was about 100 million mu, among which 60 million mu were disastrous. Drought and waterlogging disasters affect directly the development of the national economy. So it is important to study drought and waterlogging variations, especially the drought and waterlogging variation laws of the areas where the disasters frequently occur.The historical literatures and recent observation data reveal the fact that there existed drought and waterlogging variations. For example, the occurrence frequency of the outstanding and severe drought years in north China is highe     

基于改进logistic-CA的城市形态多情景模拟预测分析——以天津滨海地区为例

logistic-CA模型在城市分析应用中,发挥了重要作用,但该模型仅能模拟历史演化趋势下的城市形态演化,无法准确模拟既定年份的城市面积,更无法模拟预测多情景城市形态演化。因此,本文对logistic-CA模型进行了改进:一是嵌入了灰色不等时距预测模型;二是增加不同情景中驱动力的logistic回归系数计算方法。改进后的logistic-CA模型,具备了模拟多情景城市形态演化的能力,模拟预测了天津市滨海地区2011-2020年3种情景的城市形态的演化空间过程特征,即历史外推、内生发展、外生发展3种情景。从而掌握城市形态扩展的必然性、可能性、特定区域的空间扩展影响因素,实现对城市发展过程的有效控制。     

Using modified Soil Conservation Service curve number method to simulate the role of forest in flood control in the upper reach of the Tingjiang River in China

To improve flood control efficiency and increase urban resilience to flooding, the impacts of forest type change on flood control in the upper reach of the Tingjiang River (URTR) were evaluated by a modified model based on the Soil Conservation Service curve number (SCS-CN) method. Parameters of the model were selected and determined according to the comprehensive analysis of model evaluation indexes. The first simulation of forest reconstruction scenario, namely a coniferous forest covering 59.35 km² is replaced by a broad-leaved forest showed no significant impact on the flood reduction in the URTR. The second simulation was added with 61.75 km² bamboo forest replaced by broad-leaved forest, the reduction of flood peak discharge and flood volume could be improved significantly. Specifically, flood peak discharge of 10-year return period event was reduced to 7-year event, and the reduction rate of small flood was 21%-28%. Moreover, the flood volume was reduced by 9%-14% and 18%-35% for moderate floods and small floods, respectively. The results suggest that the bamboo forest reconstruction is an effective control solution for small to moderate flood in the URTR, the effect of forest conversion on flood volume is increasingly reduced as the rainfall amount increases to more extreme magnitude. Using a hydrological model with scenarios analysis is an effective simulation approach in investigating the relationship between forest type change and flood control. This method would provide reliable support for flood control and disaster mitigation in mountainous cities.     

Effect of storm pattern on soil erosion in damaged rangeland; field rainfall simulation approach

Raindrop size,rainfall intensity and runoff discharge affect the detachment and transportation of soil particles.Among these three factors,the rainfall intensity seems to be more important because it can change other two factors.Storm patterns can be determined by changing the rainfall intensity during the storm.Therefore,the objective of this research is to test the influence of storm pattern on runoff,soil erosion and sediment concentration on a rangeland soil slope under field rainfall simulation.Four storm rainfall intensity patterns were selected for examining the effects of variations in storm event characteristics on soil erosion processes.The selected storm patterns were:I(45,55 and 70 mm h-1);II(45,70 and 55 mm h-1);III:(70,55 and 45 mm h-1);and IV(55,45 and 70 mm h1).The last pattern is a new one instead of the uniform pattern which has been sufficiently studied in previous researches.The experiments were conducted in field plots(in Kojour watershed,Mazandaran Province,Iran)with an area of one square meter and an constant slope gradient of 18%,surrounded by galvanised sheets.Following the nonuniform prioritization of the storm patterns for the studied variables,time to runoff(I>II>IV>III),runoff volume(III>IV>II>I),sediment concentration(IV>III>I>II)and soil erosion(III>IV>II>I)),it can be generally inferred that each pattern has specific effect on soil erosion processes during a storm.The results of the general linear model(GLM)test indicated that the effects of storm pattern on time to runoff,total runoff volume,runoff coefficient and soil erosion were significant at a level of 99%.The Duncan test showed that the storm patterns can be divided into three groups of III,IV;II;I(for time to runoff),I,II;IV,III(for runoff coefficient),and I;II;IV,III(for runoff volume and soil erosion).