基于SWMM与LISFLOOD-FP模型的城市暴雨内涝模拟——以济南市为例

将开源的SWMM一维管网模型与半开源的LISFLOOD-FP二维水动力模型耦合,对济南市黄台桥流域进行暴雨内涝模拟,基于实测场次降水、流量及淹没情况对模型进行率定与验证。统计分析20130723实测场次降水和不同重现期设计降水下研究区溢流节点分布和地表淹没情况,并分析其原因,得出以下结论：20130723实测场次暴雨模拟结果表明耦合模型在研究区具有较好的适用性,可以用于城市流域暴雨内涝的模拟;随着降水重现期的增加,溢流节点数目及各个淹没水深范围的面积均呈增加趋势,总淹没面积从8.18 km2增加到21.92 km2,其中水深范围在0.1~1.0 m的淹没面积占比最大。研究探索城市流域尺度的暴雨内涝模拟,相关结果可为研究区防洪减灾工作提供一定的科技支撑。     

基于FLOW3D的梅溪洪濑段桥梁雍水三维数值模拟

为探究桥梁雍水与桥洞堵塞对洪泛区淹没情况的贡献,以山区河道梅溪洪濑段上的8座桥梁为例,借助FLOW3D模型构建精细化三维河道与桥梁模型。模型经过验证,模拟值的绝对误差平均值小于0.05 m, Nash系数大于0.77,表明模拟结果良好。分别计算各桥不同重现期下的雍水值,模拟桥洞堵塞程度的影响。结果表明:从整体来看,上游桥梁雍水值大部分大于下游桥梁点位;七号桥的雍水影响最大,在20 a、50 a和100 a重现期,对桥前洪泛区最大淹没水深的贡献比分别达到15.1%、18.5%与22.7%;桥孔堵塞程度增加的比例与桥前水位增量基本呈线性关系;相对于50 a无堵塞的情况,七号桥堵塞20%对桥前洪泛区最大淹没水深的贡献比又增加了21%,桥前平均水位甚至大于100 a无堵塞的洪水水位。本研究可以为梅溪洪濑段实际桥梁安全防护与河道沿岸洪泛区防洪减灾提供参考。     

梅溪流域城镇化进程对山前平原区洪涝过程的影响

为探究城镇化进程引起土地利用类型变化对山前平原区洪涝过程的影响,以梅溪流域下游平原区的洪濑镇为例,分析了2002—2018年梅溪流域上游山区和下游平原区的土地利用类型变化,并基于多情景数值模拟,研究了流域尺度内土地利用类型变化对山前平原区洪涝过程和地表淹没状况的影响。结果表明：随着梅溪流域耕地和林地面积减少、城镇建设用地增加,上游山区的径流系数和峰值流量均增大,下游山前平原区的淹没状况更加严重;上游山区的城镇建设用地增加使山区骤发洪水峰值流量增大、峰现时间提前,主要影响地表平均最大淹没水深和平均峰现时间;下游平原区的城镇建设用地增加使内涝发生的时间提前,主要影响地表平均淹没历时。     

基于流域洪水危险分析的社工坑整治方案

为优化位于广州市白云新机场配套综合开发区范围内的社工坑整治方案,采用MIKEFLOOD耦合一维MIKE11和二维MIKE21水动力模型对铁山河流域进行洪水危险分析,模拟流域遭遇不同重现期洪水时的淹没状况。洪水危险分析结果表明,当遭遇20年一遇设计洪水时,社工坑流域淹没面积达4.03 km2,最大淹没水深达0. 93 m,淹没区域主要位于开发强度较大的中下游地区,而干流铁山河下游段尚有一定行洪能力;提出新建两条支涌将社工坑中下游洪水引入铁山河下游的整治方案。     

基于USRAMS的城市雨水管网排水能力分析

现行《室外排水设计规范》(GB 50014-2006,2014年版)指出应用推理公式法计算雨水设计流量适用于小尺度排水流域,排水流域大于2km2的宜采用数学模型法。为了分析城市雨水管网排水能力,采用USRAMS模型软件构建雨水管网模型,应用芝加哥降雨生成模块计算不同重现期的芝加哥降雨雨型,通过USRAMS管网运行模块选用等流时线法和动力波法进行不同重现期情景的地表产汇流和管网汇流模拟计算,可以统计各重现期情景下的管段最大充满度结果,并以管段最大充满度为依据将雨水管段划分为不同的排水能力标准区间,评估管网的排水能力。以哈尔滨市五道街流域为例介绍了该方法的具体应用情况。     

基于水文水动力耦合模型的洪水淹没模拟

中国中小流域地区洪水灾害频发,探究新型城市雨洪模型是当下的研究热点。通过耦合水文模型与二维水动力模型的方法,使得在模拟城市下垫面洪水淹没情况的同时,又能使模拟达到较快的运算速度。以泉州市梅溪流域为例,探究耦合模型在中国中小流域范围应用的可行性。结果表明,耦合模型模拟水量平衡误差极小,淹没水深结果与验证值吻合较好。根据对淹没水深图与达最大水深时间图的分析,得到区域范围洪水的空间分布及时间分布,可为中小流域洪水治理提供决策支持。但中小流域水文数据匮乏一定程度上限制了模型的可靠性。     

社区尺度居民楼内涝淹没过程精细化模拟及室内财产损失评估

以西安一小区居民楼为研究对象,构建了高精度城市雨洪模型,并通过实测暴雨内涝监测数据验证了模型的可靠性;利用构建的模型模拟了6种设计降雨重现期下的居民楼室内动态淹没过程,并以西安市中等收入家庭的房屋配置为计算单元,分析了各类居民室内财产的淹没水深阈值,依此拟合得到了室内财产淹没水深-损失率关系曲线,结合居民楼在不同降雨重现期下的淹没水深,计算得到了各居民楼在不同降雨重现期下的内涝淹没财产损失数据。结果表明：不同降雨重现期下,同一居民楼一层居民房屋室内进水淹没水深随降雨重现期的增大而增大;同一降雨重现期下,各栋居民楼因高程不一致导致内涝淹没过程及最大淹没水深不一样。     

地表及管网互馈联合的城市内涝模拟模型——以江苏省响水县中心城区为例

针对江苏省盐城市响水县中心城区短时强降雨导致的城区内涝问题,联合二维水动力学模型与SWMM模型,构建了地表及管网双向互馈的响水县城内涝模拟模型。使用该联合模型对区域内1,5,10 a一遇暴雨重现期下的内涝淹没范围、淹没水深、淹没历时进行模拟分析,并采用当地2012年"8·10"大暴雨导致的内涝过程来验证模型精度;综合考虑多项指标构建内涝风险评估体系,并绘制成内涝风险图辅助进行防灾预警。结果表明:5个易涝点实地调查水深与模拟水深差距范围在0.04～0.23 m之间,平均水深相对误差为19.3%,模拟所得值基本能够反映易涝点的淹没情况。该模型可初步应用于响水县城的内涝过程模拟,在防内涝设计、城市内涝预测及治理等方面具有一定的实用价值。     

极端暴雨下黄土高原小流域洪水特征及风险分析

为研究极端暴雨下小流域的洪水特性,采用二维全水动力数值模型模拟流域洪水演进过程,计算不同重现期下典型断面的水力要素,并进行流域洪水风险分析。结果表明：500 a重现期对应洪峰流量增长速率最大,高达51.38%;而1 000 a重现期对应洪峰流量增长速率降低至7.61%,洪峰流量增长速率随降雨重现期的增大呈现先上升后降低规律。各断面的最大水深增幅小于其对应的洪峰流量增幅。流域洪水淹没面积随重现期增加变化较小。为使社会经济效益达到最大化,建议该小流域使用500 a重现期下洪峰流量推算新建公路和铁路桥涵孔径尺寸,研究成果可为小流域应对极端暴雨和进行防洪评价提供必要参考。     

常州市主城区暴雨内涝风险分析

为分析和预测常州市暴雨内涝风险,构建常州市主城区水文-水动力-河网-管网耦合的精细化数学模型,以2017年现场原型观测数据对数学模型进行率定和验证,并将2015年洪水模拟情况与实际淹没范围、淹没水深进行对比。验证结果表明:计算水位和实测水位最大绝对误差均小于7 cm,计算水位曲线形状与实测水位序列匹配较好;城区70%的暴雨积水点与实际相符,模型能较好地模拟洪水演进及淹没情况。采用常州市主城区精细化数学模型模拟分析50 a、100 a、200 a一遇最大24 h设计暴雨工况时的洪水淹没情况和管道运行负荷状况,统计各水深等级下的淹没面积并绘制洪水风险图,为常州市城市防洪管理、城市发展规划等提供决策依据和技术支持。     

设计降雨特征对城市内涝模拟结果的影响分析

降雨是城市内涝的主要诱因之一,不同降雨特征对于城市内涝风险的影响也有所区别。为了进一步挖掘降雨特征对城市内涝风险的影响,采用综合流域排水模型（InfoWorks ICM）构建了我国南方某城市的内涝模型,系统分析了设计降雨的雨型和历时特征对城市内涝模拟结果的影响。在4个重现期的3种降雨雨型和3个降雨历时条件下,共计36个不同降雨情景对研究区的内涝情况进行模拟。通过对比不同模拟情景下的积水深度、积水面积以及积水量等结果发现：在相同降雨雨型和重现期条件下,降雨历时对积水深度的影响有一定的差别;在不同降雨雨型和降雨历时模拟情景中,积水点的位置基本保持一致,而积水面积受降雨雨型和降雨历时的双重影响;峰值积水量受降雨雨型影响较大,受降雨历时影响较小,而积水总量受降雨历时影响较大,受降雨雨型影响较小。研究中量化分析了不同设计降雨特征对城市内涝模拟结果的影响,旨在为合理地开展城市内涝预警以及应急管理等工作提供依据。     

基于SWMM模型的南京典型易涝区暴雨内涝模拟

选取南京市易涝区—鼓楼区广州路段为研究区,构建基于SWMM的一维雨洪模型,利用南京市2011年"7·18"暴雨资料,模拟暴雨形成的内涝情况,拟合地表积水量与最大积水深度的函数关系,计算得到易涝区积水开始时间、积水持续时间、最大积水深度,并与南京市100年一遇设计暴雨形成的积水过程进行比较。结果表明:提出的快速推算最大积水深度的方法能够较高精度地实时动态计算研究区"7·18"暴雨形成的积水过程,及时有效支撑防洪除涝应急决策;相较于"7·18"暴雨,100年一遇设计暴雨形成的易涝区最大积水深度更深,积水持续时间更长。     

Uncertainty Estimation in Flood Inundation Mapping: An Application of Non‐parametric Bootstrapping

Disaster prevention planning is affected in a significant way by a lack of in‐depth understanding of the numerous uncertainties involved with flood delineation and related estimations. Currently, flood inundation extent is represented as a deterministic map without in‐depth consideration of the inherent uncertainties associated with variables such as precipitation, streamflow, topographic representation, modelling parameters and techniques, and geospatial operations. The motivation of this study is to estimate uncertainties in flood inundation mapping based on a non‐parametric bootstrapping method. The uncertainty is addressed through the application of non‐parametric bootstrap sampling to the hydrodynamic modelling software, HEC‐RAS, integrated with Geographic Information System (GIS). This approach was used to simulate different water levels and flow rates corresponding to different return periods from the available database. The study area was the Langat River Basin in Malaysia. The results revealed that the inundated land and infrastructure are subject to a flooding hazard of high‐frequency events and that the flood damage potential is increasing significantly for residential areas and valuable land‐use classes with higher return periods. The proposed methodology, as well as the study outcomes, of this paper could be beneficial to policymakers, water resources managers, insurance companies and other flood‐related stakeholders. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

溃堤山洪淹没风险评估水动力耦合模型及应用

建立山洪沟道溃堤洪水演进一、二维水动力耦合数值模拟模型,分析评估溃堤山洪淹没风险。针对阻水道路和灌渠渠堤等特殊边界,将其概化处理为宽顶堰并利用非结构化网格加密剖分技术耦联特殊边界,同时采用干湿水深理论提高模型计算效率,使溃堤山洪耦合模型能够准确反映计算区真实地形以及水流的动态演进过程。将模型应用于宁夏大武口沟城区段100年一遇溃堤山洪演进计算,模拟了沟道与溃口分流洪水运动以及两者动态交互传递过程,并分析了洪水淹没风险分布特征及影响情况,研究成果可为山洪沟道溃堤洪水风险评价及防洪规划等提供技术支持。     

联安围防洪保护区洪水演进模拟分析EI北大核心CSCD

针对联安围防洪保护区地形多变,水系复杂的特点,以水力学方法为理论基础,构建了一维水流模型与二维非恒定流模型水动力耦合的洪水模拟模型,综合考虑研究区丘陵地形、不同重现期洪水、防洪系统薄弱堤段等组合情景,进行基于情景方案的河道溃决洪水演进模拟及风险分析,模拟不同情景下保护区内的淹没面积、水深、溃口流量过程和洪水演进过程。结果表明,该模型能综合反映溃堤洪水造成的影响,可为洪水灾害的预警提供技术支持。     

大型人工输水渠道高填方段溃决洪水情景

为防范大型人工输水渠道的高填方段在超常外力下一旦溃决无法用概率表征的潜在风险, 需建立适宜的情景分析手段, 以模拟与评估不同溃口规模下多种调控手段联合运用在应急处置中的有效性。利用中国水利水电科学研究院自主研发的洪涝仿真模型, 通过改进立交河道计算单元的拓扑关系和退水闸模拟方式, 建立了渠道一维、溃口流量及两岸二维同步耦合计算的溃堤洪水淹没模型。以某大型人工输水渠道典型高填方段为例, 分类对比分析了不同溃口宽度、关闸时间和退水闸是否启用等共 12 种情景下的洪水淹没特征变化。结果表明: 溃口宽度的增加对溃决洪水淹没范围和程度的影响较小; 关闸时间越早, 越可以有效减少淹没区的面积和水深, 且在 3 h 内效果更明显; 当地形和构筑物条件有利于洪水扩散时, 及早关闸对淹没范围的减小幅度更大; 在洪水不容易扩散的区域, 及早关闸对淹没水深的减小幅度更大; 退水闸启用后对淹没的减轻作用与退水闸和溃口之间的相对位置和 距离有关, 位于溃口上游且距离越近时越有效。研究可为大型人工输水渠道制定或完善相应应急预案提供基本的手段和依据。     

DEM分辨率对山洪淹没模拟影响

DEM是表征地形状况的重要指标,在山洪淹没模拟中起着重要作用。以2016年7月19日发生在河北省石家庄市井陉县西部山区的特大暴雨山洪事件为研究对象,利用HEC-HMS水文模型和FLO-2D水动力模型,设置5种DEM分辨率方案(30、20、15、10、5 m),从淹没范围和淹没水深两方面分析了DEM分辨率对山洪淹没模拟的影响,并从模型运行时间角度对其运行效率进行了评估。研究表明:DEM分辨率越高,则淹没范围越小,平均淹没水深越大,即模型模拟精度越高,山洪事件的淹没范围及水深越接近于实际调查情况(DEM分辨率为30和5 m时,淹没范围及淹没深度的模拟精度分别为0.56和0.41、0.76和0.79);随着DEM分辨率的提高,尤其从10 m提高至5 m时,模拟结果差异减少,模拟精度的增幅也减小,淹没范围和水深的精度增幅分别为2.70%和3.94%;DEM分辨率越高,则模型运行时间越长,模型运行效率越低,5 m DEM方案下的运行时间为30 m DEM方案的700倍。综合考虑模拟精度及模拟时间,10 m分辨率的DEM对山洪淹没模拟、风险评估及预警预报等更为适用。     

A rapid forecasting method for mountain flood disaster based on machine learning algorithmsEI北大核心CSCD

基于高精度水动力模型与机器学习技术,运用极限随机树(ERT)及KNN算法,构建了高分辨率山洪灾害快速预报模型。利用确定系数、平均绝对误差和均方根误差3种指标评估模型的整体可靠性,同时,截取流域出口断面流量验证模型的预报性能。结果表明:所建模型预报结果与水动力模型模拟结果淹没范围基本一致,流域淹没范围平均相对误差低于5%,模型整体稳定可靠;流域出口断面流量平均相对误差低于10%,断面平均水深、流速平均相对误差低于5%,模型预报性能良好;模型可在10s内完成最大淹没情况计算并输出淹没范围图,能为紧急决策提供足够的前置时间,协助决策者更好地采取应对措施。