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。     

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R_TPR、R_PPV、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。     

考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型

为准确模拟城市洪涝过程,以地表二维流动模型和SWMM一维管流模型为基础,同时考虑地表径流与地下管流交换的3种模式,构建了城市地表与地下管流双向耦合的水动力学模型。采用水槽试验算例和理论算例对耦合模型进行验证,并将耦合模型应用到英国Glasgow城市街区,分析排水管网和不同地表地下水流交换模式对城市洪涝过程的影响。结果表明：模型在试验算例和理论算例的模拟中均具有较好的精度和可靠性,模型能够准确地模拟具有排水管网的城市洪涝演进过程;与无排水系统相比,检查井简化法、雨水口法和雨水口-检查井法3种水流交换模式下Glasgow城市街区模拟的最大淹没面积分别减少9.3%、23.2%和24.5%,其中对重度积水的消减作用更显著,淹没面积分别减少43.6%、79.9%和80.9%;检查井简化法的消减作用要远小于雨水口法和雨水口-检查井法,后两者差异较小。雨水口法和雨水口-检查井法比较符合实际情况,且雨水口-检查井法的计算效率更高更简单,因此,在城市洪涝模拟中采用雨水口-检查井法考虑地表径流与地下管流交换过程更符合实际。     

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GLUE方法的城市雨洪模型参数不确定性分析

以北京市大红门排水片为例,构建基于SWMM(Storm Water Management Model)的城市雨洪模型,并基于GLUE方法(Generalized Likelihood Uncertainty Estimation)对模型参数的不确定性进行了分析。结果表明,所建城市雨洪模型能够较好的模拟区域的雨洪过程。在模型参数中,管道曼宁系数、不透水区洼蓄量以及河道曼宁系数的不确定性对模型结果的影响较为显著。GLUE方法能够在分析模型结果不确定性的同时给出敏感性参数,为城市雨洪模型的参数率定和进一步研制提供了有效工具。     

平原河网地区汇水区的划分方法——以上海市为例

借助DEM提取汇水区是分布式水文模型计算和面源污染计算的前提条件.在平坦地区直接使用DEM提取出的水系、汇水区边界与现实情况差异很大.针对现有汇水区提取方法存在的问题,在RIDEM模型的基础上提出了一种平原河网地区汇水区划分的方法,该方法通过将道路、建筑物、水系、沟渠、坑塘等影响径流途径的地物要素融合进DEM,达到细化...     

北京城市洪涝问题与成因分析

利用社会经济统计数据和水文气象资料,探讨城市化背景下北京城市洪涝特征、形成机制及影响因素。近50年来城市内涝逐渐成为北京洪涝灾害的主要类型,随着城市化迅猛发展,城市内涝积水点数量在时间上表现为显著增加趋势,在空间上呈现出由内环逐步向外环扩张趋势,与城市化发展空间格局关系密切。从水循环的角度分析城市洪涝形成机制,指出区域气候变化和城市化发展改变了城市降水格局,汛期降水量和极端降水事件呈现下降趋势,但城区短历时强降水事件呈现增加态势;城市化发展改变了区域下垫面条件、城市流域产汇流特性和城市排水格局,进而影响了区域水循环过程和水量分配,在一定程度上增加了城市洪涝灾害风险;同时城市基础设施建设水平不足、排水排涝标准偏低、应急管理能力不足等因素,导致城市洪涝发生风险增加,降低了城市洪涝综合应对能力。     

基于改进垂向流量交换的城市内涝模拟方法

针对内涝一维、二维耦合模型垂向流量交换计算过程复杂、计算稳定性差等问题,采用节点水量平衡原则对垂向流量交换方法进行改进。将节点分为超载节点及未超载节点,对于超载节点利用节点水量平衡原则进行垂向交换流量计算,将垂向交换流量计算与一维模型水力计算相融合,实现节点垂向交换流量与管段流量同时求解;对于未超载节点采用变水头孔口出流公式进行垂向交换流量计算,实现考虑地表水深变化的节点回流计算。采用Infoworks ICM模型作为对照,对比分析不同案例模拟结果,研究表明,改进方法与对照模型模拟结果吻合度高(纳什效率系数超过0.8),在内涝模拟过程中能准确模拟垂向流量交换,并保证系统水量平衡,对城市内涝模拟分析具有较好的应用价值。     

中国城市洪涝问题及成因分析

随着经济社会的发展,中国步入城镇化快速发展的阶段,城镇化率已由2000年的36.22%增加到2014年的54.77%。在全球气候变化与快速城镇化背景下,中国城市洪涝灾害日益严重。阐述了全球气候变化及城镇化对城市降水和极端暴雨的影响机制,并从流域产汇流角度分析了城镇化对洪水过程的影响,系统剖析了中国城市洪涝频发的主要原因。在成因分析的基础上,进一步提出了中国城市洪涝防治的应对策略,主要包括:①以低影响开发理念为指导,加强城市基础设施建设,建设海绵城市;②建立城市洪涝立体监测、预报预警和实时调度系统,强化城市洪涝科学决策能力;③健全和完善城市洪涝应急预案,强化应急管理能力,完善灾害救助和恢复机制。     

城市洪涝水文水动力耦合模型构建与评估

为降低暴雨洪涝灾害损失,利用数值模拟方法研究城市洪涝过程,提前获取可靠的洪涝水情信息,具有重要的现实意义。根据城市洪涝过程的水文水动力学原理和方法,以SWMM模型与自主研发的二维模型为基础,提出一、二维模型耦合的具体方法,通过水平和垂直方向的连接构建水文水动力耦合模型。研究提出基于DLL的一、二维模型耦合策略,以垂向连接问题为理论案例,将模拟结果与InfoWorks ICM软件结果进行对比分析,阐明该垂向连接方式的合理性。以广州市东濠涌流域为实际案例,构建了东濠涌流域城市洪涝水文水动力耦合模型,选用2场实测降雨对模型进行模拟分析,发现模型在一维排水系统排水能力和二维地表积水的模拟均具有较好的精度和可靠性。结果表明所提出的连接算法合理可行,所构建的水文水动力耦合模型具有一定的可靠性,对城市洪涝模拟分析具有较好的应用价值。     

A methodology for simple 2-D inundation analysis in urban area using SWMM and GIS

Natural Hazards - Urban waterlogging occurred frequently in recent years, causing serious social harms and huge economic losses. Accurate waterlogging warning is important for disaster prevention...     

Rapid forecasting of urban flood inundation using multiple machine learning models

Natural Hazards - Urban flood inundation is worsening as the number of short-duration rainstorms increases, and it is difficult to accurately predict urban flood inundation over a long lead time;...     

Fully coupled hydraulic fracture simulation using the improved element partition method

The improved element partition method (IEPM) is a newly developed fracture simulation approach. IEPM allows a fracture to run across an element without introducing extra degrees of freedom. It can also simulate any number of fractures in a prescribed mesh without remeshing. In this study, the IEPM is extended to hydraulic fracture simulation. First, the seepage and volumetric storage matrix of a cracked element are derived using virtual nodes (the intersection points of a crack with element edges). Subsequently, the fully coupled hydromechanical equation is derived for this cracked element. To eliminate the extra degrees of freedom (virtual nodal quantities), the water pressure and displacement of the virtual nodes are associated with their adjacent nodes through least squares interpolation. Finally, the fully coupled equation in terms of nodal quantities is obtained. The verification cases validate the method. By using this method, the field-scale hydraulic fracturing process is well simulated. The proposed approach is simple and efficient for field-scale hydraulic fracture simulation.     

基于分级加权法的城镇垃圾填埋场选址评价

城镇垃圾填埋场场址选择受经济、交通、气候、自然地理、环境保护、水文工程地质等诸多因素影响,是一项十分复杂的工程。结合环巢湖地区的实际情况,筛选各影响因子,最终确定符合该地区的评价体系。利用分级加权法进行垃圾填埋场选址评价,将研究区依次划分为适宜区、较适宜区、适宜性差区。根据已有规范对填埋场分区结果的验证,评估方法可行,评价结果合理,为安徽环巢湖地区垃圾填埋场选址提供了可靠的地学依据。     

基于RS/GIS的城市财产保险洪灾损失评估研究

如何快速,有效地进行投保户洪涝灾害损失评估是保险行业急需解决的一个重要课题.从洪涝灾害的成灾机理出发,针对保险公司对具体受灾体理赔需求,提出了计算每个投保户洪灾损失率方法,建立基于遥感(RS)和地理信息系统(GIS)的城市财产保险洪涝灾害损失评估模型.建模时较全面地考虑了与投保物性质有关的承灾体易损度和与投保物所处环境有关的地基承载力等因素,并使用RS/GIS将其定量化提取.最后使用广东省深圳市洪灾数据进行模型检验.验证结果表明,模型对于各个投保户均能得到较好的精度.     

A physically based spatiotemporal method of analyzing flood impacts on urban road networks

Natural Hazards - A landslide susceptibility map (LSM) is an imperative element in the planning of sustainable development practices and geo-environmental conservations in mountainous terrains. In...     

Modelling flash flood propagation in urban areas using a two-dimensional numerical model

This paper reports on the numerical modelling of flash flood propagation in urban areas after an excessive rainfall event or dam/dyke break wave. A two-dimensional (2-D) depth-averaged shallow-water model is used, with a refined grid of quadrilaterals and triangles for representing the urban area topography. The 2-D shallow-water equations are solved using the explicit second-order scheme that is adapted from MUSCL approach. Four applications are described to demonstrate the potential benefits and limits of 2-D modelling: (i) laboratory experimental dam-break wave in the presence of an isolated building; (ii) flash flood over a physical model of the urbanized Toce river valley in Italy; (iii) flash flood in October 1988 at the city of Nîmes (France) and (iv) dam-break flood in October 1982 at the town of Sumacárcel (Spain). Computed flow depths and velocities compare well with recorded data, although for the experimental study on dam-break wave some discrepancies are observed around buildings, where the flow is strongly 3-D in character. The numerical simulations show that the flow depths and flood wave celerity are significantly affected by the presence of buildings in comparison with the original floodplain. Further, this study confirms the importance of topography and roughness coefficient for flood propagation simulation.