城市雨洪模拟技术研究进展

从对水文过程描述的角度对城市雨洪模拟技术进行了回顾,认为管网汇流阶段算法较为成熟,而产流和坡面汇流阶段还有待深入研究.从模型构建思想的角度回顾其发展历程,阐明了经验性模型和分布式概念性模型的局限性以及分布式物理模型的良好发展前景.通过总结国内外几个具代表性城市雨洪模型的特点,从特定模型的角度进一步分析城市雨洪模型的现状,并指出中国与国外模型研究的差距.对与城市雨洪模拟精度密切相关的基础数据收集与管理技术进行了讨论,并提出了城市雨洪模拟技术的发展方向.     

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。     

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。     

基于太湖流域模型的城市内涝过程高效模拟

城市内涝的高效模拟对于降低内涝灾害影响、制定防灾减灾措施具有极其重要的意义。本文提出了基于雨篦子耦合地表与管网的城市降雨-产汇流-内涝全过程高效模拟方法,结合常州市双桥浜城市产汇流与内涝试验基地监测数据,分别构建了基于高效模拟算法和二维水动力算法的城市内涝模型。根据监测数据对所构建的模型进行了率定与验证,并分析对比了2种算法在不同降雨事件中的精度与可靠性。结果表明：太湖流域模型中基于雨篦子的城市水文特征单元高效模拟方法能够较为真实地反映城市内涝的具体特征,且在模型参数一致的前提下,其计算效率约为二维水动力算法的780～1 275倍,能够对城市内涝情况进行快速模拟。     

基于SWMM-CCHE2D耦合模型的海绵城市内涝管控效果评价

为了解决暴雨导致的城市内涝,为应急管理提供技术支撑,考虑城市暴雨过程及海绵地表特性,结合城市水文学及水力学原理和芝加哥雨型,建立了SWMM-CCHE2D耦合模型。结合高精度地形数据和降雨、径流实时监测数据,采用SWMM雨洪模型模拟暴雨条件下海绵城市的产流,耦合高精度的二维水动力模型CCHE2D模拟相应的内涝情况。结果表明：暴雨条件下通州海绵区的产汇流具有缓慢下渗和汇流的特性,主要海绵措施的加入对径流削减率会有9.0%~40.6%不同程度的提高,从而减缓内涝,其中,对5年一遇暴雨的效果最显著;在100年一遇暴雨下设计的各种海绵措施中,生物滞留带对径流削减率的提高程度最明显,高达28.4%,透水铺装和绿地也具有较好的效果。     

城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响研究综述

快速城市化显著改变了城市下垫面空间特征,对地表产汇流过程产生了重要影响。综述城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响研究进展,以下垫面空间特征对产汇流过程的影响为主线,聚焦不透水面和微地形两类空间特征,总结城市下垫面空间特征及其表征方法;从不透水率与不透水面空间变化、数值模拟与物理实验等方面,分别梳理不透水面和微地形等空间特征对地表产汇流过程的影响研究成果。展望未来城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响研究重点和发展方向,主要包括影响机理解析、主控空间特征参数识别与敏感性分析、城市水文效应适应性应对等,以期为快速城市化下城市水文效应解析和城市洪涝灾害防治提供一定参考。     

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。     

半干旱半湿润地区洪水预报模型适用性研究

针对半干旱半湿润地区的流域特性和产汇流特点,比较了河北雨洪模型和新安江模型的模型原理和模型特性,以滦河支流老牛河流域为例,开展了洪水预报适用性研究。结果表明,河北雨洪模型的预报精度较高,更适用于半干旱半湿润地区的洪水预报。     

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。     

考虑风场影响的城市建筑区产流计算方法

风场作用下城市建筑物的遮挡作用直接影响区域产流过程,为提高城市雨洪模拟精度,需揭示风场作用下建筑区的独特产流机理并构建相应的计算方法。将建筑区的产流面划分为水平面和竖直面,基于计算流体力学理论求解降雨倾角,结合几何关系确定降雨在水平面和竖直面上的分布,通过产流理论分别计算2类产流面的产流,提出建筑区的产流计算方法,并将其耦合入SWMM模型在试验流域进行了验证。结果表明：(1)改动模型所模拟的径流的纳什效率系数整体高于原始SWMM模型,且洪峰模拟效果更好;(2)改动模型的土壤饱和导水率等关键参数取值更为合理;(3)改动模型对不同气象条件下建筑区产流模拟的稳定性更好。该方法可提高建筑区产流模拟精度。     

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。     

城市水文单元雨洪监测与模拟研究——以清华大学校园为例

城市内涝问题进一步突显了城市水文循环研究的重要性。基于地表建筑、地下管道、雨水工程等资料,基于SWMM建立了清华大学校园雨洪模拟模型,根据2015年5月10日和2012年7月21日两场降雨事件的实测资料,进行了清华大学校园水文过程精细模拟,用道路积水深度率定验证模型。模拟结果表明:(1)集水区下垫面透水性强弱不同时,产流过程仍十分相似,最大洪峰发生时间相同;(2)绿化带削减洪量的作用显著,不透水面积越大的地方越容易发生街道积水;(3)道路水深对降雨强度响应敏感,低强度降雨事件中,道路积水表现出0.5~1h的滞后。     

城市地下排水网雨水入流预测模型研究

引入水箱模型进行城市地下排水设施降雨一侵入水的模拟，探讨了初期蓄流值对模拟结果的影响并提出了相应的解决办法；由于模型参数多、非线性，参数的率定采用通用优化分析计算平台PowerFit，并获得了满意的结果，表明：①水箱模型适用于地下排水设施雨洪模拟和预测，可为市政规划设计和城市灾害预报提供可靠依据；②PowerFit全局优化能力强、简单易用，可广泛应用于水利水电等工程领域中的优化计算。     

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。     

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。     

降雨和地形地貌对水文模型模拟结果的影响分析

概念性水文模型数量众多,判断模型是否适合研究流域可以通过模拟结果来体现,但是熟悉流域的产汇流特性可以筛选模型,从根源上大量减少工作量,也可以解决相似流域无资料的问题。选取6种概念性水文模型,以马渡王、板桥和志丹这3个半湿润与半干旱流域为研究区域,探讨流域特性与模型结构之间的关系,并通过降雨和地形地貌分析其对模型模拟结果的影响。研究结果表明,流域地形及植被对产汇流过程有重要影响,由于局部产流现象严重,河道坡度影响大于流域平均坡度,当区域气候条件相差不大时,地形地貌比降雨对流域产汇流特性影响更大。因此对于水文模型的选择,可以在熟悉流域产汇流特性的基础上因地制宜,必要时可以增加适合研究流域的模块来获得更好的预报,在半干旱与半湿润流域,同时具有蓄满和超渗机制的模型能得到更好的应用。     

城市雨水在地下水回灌中的利用分析

通过分析城市雨水回灌利用的发展和现状,指出了城市雨洪产生速度快和渗透回灌缓慢、降雨间隙性和雨水资源利用持续性之间的矛盾是城市雨水回灌利用中存在的主要问题。从城市整体规划出发,以生态城市建设为导引,提出点线面相结合的雨水回灌方式,并结合石家庄市的实际情况,说明城市雨水回灌利用在城市水资源发展中存在的巨大效益。     

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。     

基于分布式水文模拟的三峡区间洪水预报(Ⅱ)——雷达测雨应用

降雨时空分布信息缺失是影响洪水预报精度的一个重要因素,尤其是雨量站点稀疏的山区,站点观测的降雨信息难以充分地表征山区降雨的空间差异.本文针对长江三峡区间,利用雨量站点观测值来校准雷达测雨数据,并作为分布式水文模型的降雨输入,借助水文模拟结果综合评价雷达测雨数据的适用性.两个示例小流域的研究结果表明:相对于雨量站而言,雷达估测的降雨信息更能体现降雨的空间变化,它与分布式水文模型相结合,是提高洪水预报精度的有效途径.