基于WebGIS的流域级洪水管理系统集成与应用

流域级洪水管理系统指为流域机构服务的洪水管理系统,是基于计算机网络、地理信息系统、数据库技术,专业分析模型,采用人机交互方式,按照统一标准与规范建立的流域洪水管理平台。为洪水预报、预警、预案编制、应急调度、风险评价、洪水整治、决策会商提供先进技术手段。本文首先讨论了流域洪水管理系统的结构设计与数据库,然后,以松花江流域洪水管理系统为例,对系统功能与分析模型进行了讨论。功能模块包括基础信息管理、洪水监视预警、洪水预报调度、二维洪水仿真、灾情评估、防汛管理等功能模块;分析模型方面,建立了水文-水力学耦合模型、全流域洪水预报模型与洪水调度模型。该模型由基于MIKE NAM的全流域降雨径流模型与基于MIKE11 HD的嫩江、二松、松干河道一维水动力模型组成。此外,在哈尔滨等4个重点城市与两个蓄滞洪区构建了MIKE21的二维洪水模拟模型,在城市、蓄滞洪区与防洪重点保护区,建立了灾情影响分析模型等。最后,利用WebGIS技术对这些功能模块进行了集成,建立了功能齐全的松花江流域洪水管理系统。作为国内第一个流域级洪水管理系统,松花江流域洪水管理系统的设计与建设,对流域级洪水管理系统的研究进行了有益的探索。     

暴雨内涝危险性情景模拟方法研究——以上海中心城区为例

本文采用地理信息系统技术（GIS）与水文/水动力学相结合的方法,使用修正的SCS模型进行产流模拟,利用局部等体积法和水动力模型进行汇流模拟,建立了基于情景的城市暴雨内涝危险性模拟工具,并对相同雨强情景下不同汇流模型的模拟结果与精度进行了对比分析。结果表明：（1）局部等体积法计算简单,对降雨的时程分配较为敏感,峰前历时和雨强对结果影响显著,较适合于雨型确定的城市暴雨内涝危险性快速模拟;水动力模型计算复杂,与整个降雨历时存在明显关系,模拟精度较高。（2）利用台风“麦莎”带来强降雨导致的积水实测数据,对模拟结果进行对比和验证,表明本文建立的水动力模型法模拟结果与实测降雨积水更为接近,更适合上海中心城区暴雨内涝危险性情景模拟。     

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。     

流域水文模型研究的进展

流域水文模型是对流域上发生的水文过程进行模拟计算的数学模型 ,在水文过程模拟中 ,对流域内的产流 ,坡面汇流以及河道汇流过程的模拟是很重要的。坡面产汇流模型模拟从降水到流域产流和流域坡面汇流的水文子过程 ,河道演进模型模拟河网汇流水文子过程 ,现有的水文模型大多数是没有考虑水文变量和水文参数空间变化的概念性水文模型。随着地理信息技术的发展 ,考虑水文变量和水文参数空间变化的分布式水文模型得到了极大的重视与发展 ,而且 ,遥感技术的发展满足了分布式水文模型对空间信息的需求.     

青藏高原兹格塘错流域50年来湖泊水量对气候变化响应的模拟研究

运用数值模拟建立青藏高原兹格塘错流域土壤、植被、气候等的空间和属性数据库;接着,借助分布式流域尺度水文模型(SWAT模型),对兹格塘错1956—2006年间的流量进行模拟实验;最后,反演50年来兹格塘错流域水文过程,测试流域温度、降水和蒸发组合的敏感因子对湖泊水量变化的效应,探讨50年来湖泊水量对气候变化的响应。模拟实验的边界条件设置为自然地形、土壤、植被覆盖,其中土壤资料包括有机质含量、粒径等理化参数。模拟结果表明:兹格塘错的年平均流量为6.3m3/s,流量高峰集中在8月至10月,并且由于融雪补给的关系,3月出现另一个流量高峰;模拟结果与遥感解译所得到的结果吻合较好。敏感实验表明:兹格塘错流域内温度、降水和蒸发组合的敏感因子实验具有高原特征,即高原湖泊的水文过程和湖泊流量变化有着较为敏感的响应关系;兹格塘错流量受降水的影响最大,随着降水的增加,流量有所增加;在温度升高的情况下,流域蒸发量增加速度大,兹格塘错流量增加的效应不明显,而在冷湿模式下,流域蒸发量降低,兹格塘错流量增加显著。     

地理图斑智能计算及模式挖掘方法研究

在大数据时代,高分辨率对地观测技术实现了对地球表层地理现象和地理过程最为真实、量化、全面覆盖又快速更新的数据化记录,可为地理空间认知研究的新发展奠定时空信息聚合与挖掘计算的基准。地理图斑是影像空间映射到地理空间中对于地理实体的抽象化表达,是构建地理场景和承载地理空间各类信息进而开展模式挖掘的最小单元。本文以地理图斑为基本对象,通过分析其中视觉模拟、符号推测等几类机器学习的协同计算机制,从空间、时间与属性等维度构建了集“分区分层感知”、“时空协同反演”、“多粒度决策”三者于一体的地理图斑智能计算模型,并以在贵州息烽县、广西江州区开展的农业种植结构制图与规划决策为应用案例,探索了地理图斑分布、生长以及功能3种模式的挖掘方法,并进一步设计了动态视角下开展图斑动力模式挖掘的研究思路。     

青岛市大沽河流域防汛信息系统

随着计算机信息技术在水利学科中应用的深入,以及数字水利、数字流域概念的提出,水利信息化已经成为这一行业领域的主要发展方向,各种流域模型在与地理信息系统平台结合后在数据的收集、存储,提取与处理的基础上都有了很大的发展,在水利工程的规划设计、防洪减灾、水量分配等方面有更为广泛的应用。青岛市大沽河流域内洪水有来势猛、峰高量大和暴涨暴落的特性,为满足防汛管理部门对洪水预测及相关信息快速浏览查询的需求,建立了青岛市大沽河流域防汛信息系统。该系统在MAPX地理信息系统开发软件、数据库存储技术和水流数学模型的支持下,实现了大沽河流域的地理信息、水文信息以及其他信息的综合管理,同时通过水流数学模型对一维和二维洪水进行预测预报,并根据用户的需要完成所需的查询与分析功能,以最直观简洁的方式向用户展示系统的输出结果。系统数据库的开发在满足系统要求的基础上完成了与青岛市雨情水情自动监测系统的对接,保证了水文数据的实时性、完整性和准确性。系统集成了一维非恒定流模型与平面二维非恒定流水流模型,可以根据大沽河流域降雨量计算干流的水位变化以及发生溃堤后洪水的淹没过程。应用表明,该系统界面友好、功能完善、性能良好,具有很强的实用性。     

SWAT模型在土地利用/覆被变化剧烈地区的改进与应用

人口增长、气候变化、制度变迁、城市化等均会导致土地利用/覆被的变化,进而引起流域水文过程（截留、入渗、蒸散发和地下水补给等）和水循环过程的改变。当前,由于逐年土地利用/覆被数据获取困难、水文模型本身计算缺陷等问题,所有在流域尺度上开展的借助水文模型进行的土地利用/覆被变化影响下的水文模拟研究都存在一个共同缺点,就是采用的水文模型并不能逐年调用土地利用/覆被数据,即水文模型无法真实体现或模拟土地利用/覆被的时空变化。SWAT作为一个广泛应用的分布式水文模型,在其模拟期内,不能逐年调用土地利用/覆被数据,即在进行水文模拟时忽略了土地利用/覆被时间上的变化,这可能会影响其在土地利用/覆被变化剧烈地区（如黑河中游）的应用。黑河流域是典型的内陆河流域,也是中国西北地区第二大内陆河流域。黑河中游是黑河流域的径流耗散区。本文针对SWAT模型在考虑土地利用/覆被变化时的缺点,对其进行了改进并开发出能够逐年调用土地利用/覆被数据的LU-SWAT模型。在土地利用/覆被变化剧烈的黑河中游对SWAT和LU-SWAT模型的径流模拟效果进行比较,发现LU-SWAT模型更适用于黑河中游水循环模拟。     

双超产流模型在册田水库的应用

根据干旱与半干旱地区降水时空分布变化大、洪水暴涨暴落及该地区流域产流具有的特殊性,提出干旱与半干旱地区的主要产流方式为蓄满和超渗两者兼而有之的混合产流方式,用超渗和超持的双超产流模型对册田水库的历史洪水进行模拟预报,从而检验模型评定的精度.同时建议加强雨量观测站网规划和建设工作,增加计算模拟单元,以提高模拟的合理性和准确性.     

基于遥感信息的新安江水文模型参数推求方法——以老灌河流域为例

我国水文气象站少且空间分布不均衡,水文模型参数难以获取极大限制了其在防洪预警中的应用。针对新安江水文模型在无水文资料地区应用的局限性,本文提出了一种基于遥感信息的新安江模型参数推求方法,实现了可率定的模型参数的推求:利用土壤特性与土地覆被遥感信息推求流域张力水蓄水容量;基于流域土地覆被遥感信息提取不透水面积比;利用流域土壤特性及叶面积指数遥感影像间接推算流域自由水蓄水容量。利用本文方法推求了老灌河流域新安江水文模型参数并进行了日径流模拟,实验结果表明,流域水文模拟中利用遥感信息推求出的模型参数的准确性可以达到80%以上。     

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。     

基于格网数据的洪水灾害风险评估方法——以日本新川洪灾为例

本文对日本格网统计数据的历史、体系以及结构进行了介绍 ,并应用地理信息技术给出了各级格网的自动生成方法。同时以 2 0 0 0年日本新川洪水灾害为案例 ,建立了二维洪水演进水动力学模型 ,并采用地理信息系统与水动力学模型结合的方法对新川破堤洪水泛滥进行了模拟 ,同时对洪泛区灾害损失进行了评估 ,得到的结果为进一步评估洪水灾害风险以及确定合理的洪灾保险费率奠定了基础 ,对于格网统计数据在城市规划以及城市减灾等领域的应用也有一定的借鉴意义。     

一种采用SRTM DEM重构河床数字地形的方法

数字高程模型（DEM）包含的信息常作为重要的水文水动力研究基础数据,但是由于公共源DEM数据精度不能完整表达河床地形,所以无法应用于河流泛洪分析等研究工作。因此,本研究开展了基于DEM数据构建数字河床的工作,首先对提取的纵向河网高程数据引入了强局部加权回归算法进行平滑处理以消除畸点;然后以河面要素文件为掩膜,采用反距离加权方法进行横向的空间插值得到3D数字化河面;最后结合河面高程与河深数据完成河床的整体构建。本研究以SRTM DEM为数据地形基础,以位于我国吉林省永吉县境内的温德河为研究实例,对其下游局部区域内的河段重构了矩形、梯形和V型 3种河床断面数字地形。为评价重构数据的合理性,分别对所得到的数字河面进行等值线分析;对河床构建前后DEM水文分析提取的河网进行河道偏移量计算;对构建的地形数据进行河流水动力模拟应用分析,结果表明：① 应用反距离加权插值可以很好地实现河网高程向河面高程的横向延展;② 基于河床重构DEM数据的水文分析误差得到了很好地消除;③ 本研究的重构数据在河流分析中具有较好地应用性和可靠性。     

Prediction of debris-flow danger area by combining hydrological and inundation simulation methods

Debris flows have caused serious human casualties and economic losses in the regions strongly affected by the Ms8.0 Wenchuan earthquake of 2008. Debris flow mitigation and risk assessment is a key issue for reconstruction.The existing methods of inundation simulation are based on historical disasters and have no power of prediction.The rain-flood method can not yield detailed flow hydrograph and does not meet the need of inundation simulation. In this paper,the process of water flow was studied by using the Arc-SCS model combined with hydraulic method,and then the debris flow runoff process was calculated using the empirical formula combining the result from Arc-SCS.The peak discharge and runoff duration served as input of inundation simulation. Then,the dangerous area is predicted using kinematic wave method and Manning equation.Taking the debris flow in Huashiban gully in Beichuan County,Sichuan Province,China on 24 Sep.2008 as example,the peak discharge of water flow and debris flow were calculated as 35.52 m3·s-1 and 215.66 m3·s-,with error of 4.15%compared to the measured values.The simulated area of debris-flow deposition was 161,500 m2,vs.the measured area of 144,097 m2,in error of 81.75%.The simulated maximum depth was 12.3 m,consistent with the real maximum depth between 10 and 15 m according to the field survey.The minor error is mainly due to the flow impact on buildings and variations in cross-section configuration.The present methodology can be applied to predict debris flow magnitude and evaluate its risk in other watersheds inthe earthquake area.     

Numerical Study of Storm Surge Inundation in the Southwestern Hangzhou Bay Region During Typhoon Chan-Hom in 2015

Storm surge inundation is a major concern in marine hazard risk assessment during extreme weather conditions.In this study,a high-resolution coupled model(the ADVanced CIRCulation model+the Simulating WAves Nearshore model)was used to investigate the storm surge inundation in the southwestern Hangzhou Bay region during Typhoon Chan-hom in 2015.The simulated hydrodynamic processes(sea surface wave and storm tide)were validated with measured data from wave buoys and tide gauges,indicating that the overall performance of the model was satisfactory.The storm surge inundation in the coastal area was simulated for several idealized control experiments,including different wave effects(wave-enhanced wind stress,wave-enhanced bottom stress,and wave radiation stress).Dike overflowing cases with different dike heights and dike breaking cases with different dike breach lengths were considered in the simulation.The results highlight the necessity of incorporating wave effects in the accurate simulation of storm surge inundation.Dike height significantly influences the magnitude and phase of the maximum inundation area in the dike overflowing cases,and dike breach length is an important factor impacting the magnitude of the maximum inundation area in the dike breaking cases.This study may serve as a useful reference for accurate coastal inundation simulation and risk assessment.     

基于高时相遥感影像的洪水演进模型参数优化方法

种子点蔓延算法是洪涝演进过程模拟仿真的主要方法之一,其中,洪水演进模型参数由于受到不同地理环境影响而发生改变,具有一定的不确定性,进而导致洪涝模拟结果可靠性不高。随着高分4号卫星的发射,其具有高时间分辨率特性的影像将成为洪涝模拟、灾情评估的第一手资料。本文在模拟仿真过程中,接入高时效卫星影像并提取淹没范围和洪水体积,通过与模拟仿真产生的淹没范围和洪水体积进行比对,迭代调整洪水演进模型参数μ值、速度V,进而提高模拟结果的准确性。选取云南华坪山洪为典型案例,验证了本文方法的可行性与可靠性,为快速灾情评估和预防决策服务提供更为科学的依据。     

Numerical simulation of an algal bloom in Dianshan Lake

A hydrodynamic model and an aquatic ecology model of Dianshan Lake,Shanghai,were built using a hydrodynamic simulation module and the water quality simulation module of Delft3D,which is an integrated modelling suite offered by Deltares. The simulated water elevation,current velocity,and direction were validated with observed data to ensure the reliability of hydrodynamic model. The seasonal growth of different algae was analyzed with consideration of observed and historical data,as well as simulated results. In 2008,the dominant algae in Dianshan Lake was Bacillariophyta from February to March,while it was Chlorophyta from April to May,and Cyanophyta from July to August. In summer,the biomass of Cyanophyta grew quickly,reaching levels much higher than the peaks of Bacillariophyta and Chlorophyta. Algae blooms primarily occurred in the stagnation regions. This phenomenon indicates that water residence time can influence algal growth significantly. A longer water residence time was associated with higher algal growth. Two conclusions were drawn from several simulations: reducing the nutrients inflow had little effect on algal blooms in Dianshan Lake; however,increasing the discharge into Dianshan Lake could change the flow field characteristic and narrow the range of stagnation regions,resulting in inhibition of algal aggregation and propagation and a subsequent reduction in areas of high concentration algae.     

毛乌素湖盆滩地湖水与地下水交互作用分析

湖水与地下水交互作用对于水资源合理开发与利用有着重要意义。基于温度示踪的原理，采用解析法、数值法2种方法，分析了湖床底部埋深0~0.4 m湖水与浅层地下水交互关系，并与水动力学方法进行了对比。结果表明，2018年5月20日至28日，湖水与地下水之间的垂向渗流速度为2×10-7~1×10-6 m/s，且在埋深0.4 m时大于埋深0.2 m处。降水会对解析法的结果造成一定影响，0.4 m处受到降雨影响表现为一定的滞后性。无降雨干扰情况下，数值法与水动力学方法估算结果较为吻合，且3种方法的计算结果处于同一数量级。同时，湖床沉积物体积热容和孔隙度2种参数对计算结果影响较大。在半干旱地区湖水与地下水交互研究中，数据较完备时，数值模拟法是更好的选择。