城市暴雨内涝综述：特征、机理、数据与方法

建成环境的高空间异质性与致灾过程的复杂性给城市暴雨内涝研究带来巨大的挑战,具体表现为模型代表性不够、计算效率低、基础数据和验证数据匮乏。以机器学习为代表的人工智能技术、高分遥感和互联网大数据的快速发展则为城市暴雨内涝研究提供了新的契机。论文结合人工智能、高分遥感和互联网大数据等新技术发展,从特征、机理、数据与方法4个维度对暴雨内涝的研究现状和发展趋势进行了系统总结,主要结论包括：① 暴雨内涝具有短历时性、空间散布性、连锁性和突变性,其热点呈现空间上的动态迁移特征。② 降雨时空特征和城市化程度决定暴雨内涝灾害的量级,地形条件尤其是微地形则决定发生位置和内涝频率。地形控制作用指数(topographic control index, TCI)对暴雨内涝发生位置具有良好的指示能力。③ 排水管网、高精度地形和不透水面分布是暴雨内涝模拟的关键基础数据;降雨过程的高时空变异性是暴雨内涝近实时预报预警的主要瓶颈,需要充分利用天气雷达观测提高其精准度;互联网众包大数据是获取高空间覆盖度暴雨内涝灾情信息的新途径,但也面临不同类型信息融合、提炼和质量控制的挑战。④ 结合水动力模拟与机器学习可建立兼具物理基础和计算效率的暴雨内涝模拟方法,是实现近实时模拟与快速预报预警的有效途径。     

公路积水阻断与降雨关系的探讨

利用2011—2013年全国公路积水阻断资料,分析了公路积水阻断的时空分布特征,并对公路积水阻断与不同时效降雨的关系进行了探讨。结果表明,公路积水阻断事件发生时间主要集中在5—9月,其中7月最为频繁,公路积水阻断事件以07:00—14:00为第一多发时段,16:00—20:00为次多发时段。公路积水阻断与前24h内的降水关系更为密切。区域不同,公路积水阻断随各强度降水变化的特点也不尽相同。经过开立方根处理后的降水因子与公路积水阻断发生的频次服从于高斯分布。其中,区域1公路积水阻断与处理后的1h最大降水因子关系密切,相关系数大于0.91;区域2和3公路积水阻断与处理后的6h最大降水因子关系密切,相关系数均在0.8以上;区域4公路积水阻断则与处理后的24h最大降水因子关系密切,相关系数在0.75左右。对于任何一个区域,诱发公路积水阻断的不同时效降水都处于一个较大的空间。对于给定的降水量只能判断公路积水阻断发生的可能性大小。     

城市暴雨积涝水量动态分配有源积水扩散算法研究

传统暴雨淹没分析算法中,给定水位下的积水淹没分析算法需要已知积涝水位,但是在实际降雨中积涝水位获取存在一定难度;已知洪水体积的积涝扩散算法虽然算法简单、计算速度快,但是未突破汇水区边界限制。针对传统淹没分析算法存在的不足,从有源扩散的角度出发,提出了一种水量动态分配的有源积水扩散算法,从而提高了暴雨积水模拟的准确性。以漳州市龙文区为例,选取了2016年6月15日的降雨进行验证,结果与实测结果基本一致。     

基于智能物联网技术的天津城市积水监测预警系统

通过智能物联网技术实时获取积水监测实况数据,利用天津市气象精细化格点预报产品和城市自动雨量观测站实况数据,以机器学习、神经网络模型和天津市城市内涝风险等级划分原理为基础,研究基于用户实时位置的城市内涝预报预警技术,研发天津市城市自动化积水监测预警系统。结果表明,该系统具备一定的城市内涝风险监测预警预报能力,并在2018—2020年多次重大天气过程中应用,积水深度预报结果与监测结果基本一致,应用数据表明验证结果良好,系统可以为政府防灾减灾决策、指挥调度提供精准、及时的气象数据支撑。     

浅论河北煤矿区水环境问题与水资源保护

本义就煤炭资源的开发利用中,煤矿区产生的水资源浪费、水资源污染、含水层疏于和区域地下水水位下降,以及矿井突水等环境水文地质问题进行了论述,提出加强水资源的综合规划和管理,进行污水处理与重复利用,实行水资源有偿使用等水资源保护和开发利用措施,并提出了开发采空积水的建议。     

济南城市防汛GIS研究

首先对济南城市防汛GIS系统进行了总体设计,给出了系统的数据库设计,并重点介绍积水模拟模型的输入输出设计,然后对组件技术、积水模拟模型等系统实现的关键技术进行了阐述,最后介绍了济南城市防汛GIS的特色功能模块。系统运行良好,为济南的城市防汛提供了科学决策的依据。     

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。     

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。     

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。     

瞬变电磁法探测复杂地形不积水采空区的应用

针对高密度电法在探测煤矿不积水采空区对地形有严格要求的实际情况下,在煤田地表条件较为复杂的地区,采用受地形影响较小的瞬变电磁法反映地下不积水采空区的电性特征的研究与应用就有了重要的实际意义。为此首先从瞬变电磁法的基本原理出发,介绍瞬变电磁法的基本公式和正演方法;其次,结合不积水采空区的地球物理特征,设计正演模型,根据计算结果提出在地形条件复杂,不适合高密度电法施工的地方,采用小线框、配合高发射频率和大发射电流的瞬变电磁方法,探测地下高阻目标体的电性特征,推断不积水采空区的分布;最后,结合实际工程进行瞬变电磁法探测煤矿不积水采空区的实践,得到结论与实际钻探结果相符。应用效果表明,瞬变电磁法在一定程度上能够完成煤矿不积水采空区的探测,对煤矿安全生产起到了的参考作用。