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。     

设计暴雨雨型对城市内涝影响数值模拟

为分析设计暴雨雨型对城市内涝的影响,应用耦合了水文和水动力过程的数值模型,以陕西省西咸新区为研究区域,对不同重现期及峰值比例设计暴雨条件下的内涝过程进行模拟,并对内涝积水总量、不同积水深度内涝面积等量值进行对比分析。结果表明:设计暴雨重现期短于20年时,峰值比例较小的设计暴雨内涝积水总量较大,而重现期长于20年时,规律相反;除2年一遇设计暴雨外,峰值比例较大的设计暴雨致涝总面积较大,但其中影响严重的Ⅳ级致涝面积较小;设计暴雨峰值比例越小,重现期越长,积水总量峰值时刻相对于暴雨峰值时刻的迟滞时间越长。揭示了暴雨雨型与内涝积水程度的量化规律,对更合理地开展城市雨洪管理工作具有指导意义。     

降雨数据时空精度对城市暴雨变异性及频率分析的影响

提升城市暴雨内涝防治精细化水平是解决城市洪涝问题的关键。采用16种不同时空分辨率的降雨产品,利用暴雨时空异质性评估指标和随机暴雨移置法,在上海地区定量评估降雨数据精度对暴雨事件时空变异性诊断和频率分析的影响。研究发现利用低精度降雨数据得到的年最大暴雨序列发生时间延迟、降水量低估,暴雨过程不均匀性提升、空间不均匀性降低;在不同重现期下,降雨数据精度对频率分析结果影响有显著差异,重现期越大,低精度数据带来的低估程度越大;时间精度的影响占主导地位,可达空间精度的5倍。在城市暴雨洪涝研究中有必要采用更高精度的降雨数据,建议与研究区域类似的小型城市地区在防洪设计中使用精度达(12 h、0.05°)或以上的降雨数据。     

广州东濠涌流域城市洪涝灾害情景模拟与风险评估

绘制直观与可靠的城市洪涝灾害风险区划图,为城市防洪排涝相关部门决策提供参考依据。以广州市东濠涌流域为研究区域,综合考虑城市降雨、径流、地形和排水系统特性,构建基于InfoWorks ICM的一维-二维耦合城市洪涝仿真模型,模拟暴雨重现期为1年、5年、50年情景下的洪涝过程并获取致灾因子数据。调研分析区域的孕灾环境、承灾体和防灾减灾能力概况,结合层次分析法、评价等级和阈值划分等进行洪涝灾害风险评估。结果表明:城市洪涝仿真模型在一维排水系统和二维地面淹没模拟上均有较好的精度和可靠性,保证了致灾因子数据的可靠性;风险区划图能较好地反映流域的风险分布;随着重现期增大,较高、高风险区的面积显著增加,为防洪排涝重点关注区域。     

大尺度无管流数据城区SWMM构建及模拟——I.复杂下垫面城区数字精细化关键技术

为提高城市区域的雨洪径流模拟精度以及城区复杂下垫面数字化的精细化程度,以北京亦庄经济开发区核心区为研究区域,结合当地的自然地理条件、区域内涝特征,基于DEM、排水管道（网）数据和建设用地空间分布情况,提出了针对10 km2以上大尺度复杂下垫面城区具有普适性的子汇水区划分、排水系统概化、集流点雨水井确定的精细化处理方法。为中国城市管道流量监测数据普遍缺乏情势下城市区域雨洪径流过程模拟及洪涝灾害预警等相关研究提供了一定的技术支持。     

基于随机暴雨移置方法的城市设计暴雨分析

城市地区暴雨洪灾发生频繁，合理计算设计暴雨是解决城市洪涝的重要前提。采用随机暴雨移置方法（Stochastic Storm Transposition，SST），设定暴雨移置区并提取出暴雨目录，通过区域性概率重采样与暴雨空间变换相结合的方式进行降雨频率分析，估计本地化的极端暴雨频率。以上海地区为例，研究发现暴雨移置区内暴雨分布具有空间异质性，暴雨随机移置概率不均，计算得到的设计暴雨方案包含了降雨时空分布信息，在不同重现期下设计暴雨的时空结构存在变异性，说明传统方法中采用的简化雨型和均一化空间分布假设会增加设计暴雨的不确定性。     

基于泰森多边形法的地下水平均水位计算

以河北太行山区某水文地质单元为例,在地下水位的监测过程中,为更加精确的求得地下水位的平均变幅,进而进行地下水资源均衡分析,在计算机软件进行人工网格划分的基础上,采用地下水水位监测井权重的泰森多边形法进行地下水平均水位计算,并与各监测井传统的地下水平均水位算术平均法进行比较,最后分析了监测井对计算结果的影响、人为划分网格的主观性因素、泰森多边形法的精度问题等。最终表明,与传统算术平均法相比,基于泰森多边形法的计算机网格划分下的地下水平均水位计算结果更加准确,从而为地下水资源均衡分析计算精度的评价提供了更为合理的方法。     

生物滞留池的产流规律模拟研究

根据生物滞留池降雨径流观测试验数据,应用HYDRUS-1D对生物滞留池在24h不同降雨频率和不同填料层的产流规律进行模拟分析。结果表明,率定和验证后的HYDRUS-1D可用于模拟生物滞留池的产流过程;在1年一遇(P=100%)到百年一遇(P=1%)的不同频率下,传统填料的生物滞留池通过下渗的排水量占入流总量的百分比从90.7%下降到25.8%,而添加大粒径颗粒填料从88.9%下降到64.7%,说明添加大粒径填料能够显著增加下渗量,并减少溢流和积水时间,但是从延缓产流时间和洪峰削减效果(不发生溢流)方面,传统填料要优于添加大粒径颗粒的填料。     

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。     

北京“7·20”特大暴雨的时空多要素分析

基于高站点密度的场次降雨数据对2016年7月20日发生在北京地区的特大暴雨过程进行分析,明晰其时空演变过程。主要结论如下:(1)暴雨中心降雨总量在350mm以上,大致呈带状分布,主要位于海拔高度在200~400m范围内的山麓平原,说明地形抬升作用对暴雨的形成有明显的促进作用;(2)暴雨中心处发生的是长历时、高强度的降雨过程,而位于怀柔区和密云区交界处的暴雨副中心处发生的是短历时、高强度的降雨过程;(3)暴雨过程为一小一大的双峰雨型,第二阶段是整个降雨过程的主过程,降雨总量达到184.7mm,与北京"7·21"暴雨的降雨总量基本持平,超过20年一遇标准;(4)随着降雨总量的增加,各站点最大1h雨强呈线性增加的趋势,且最大雨强出现时刻有所提前,随着统计时段的增加,最大降雨总量增加的速率逐渐变缓,可由对数函数进行拟合。     

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。     

基于暴雨衰减特性的上海市长历时综合暴雨公式

编制适用于不同历时的综合暴雨公式是协调城市管网排水与区域防洪治涝的重要基础。选用上海市代表雨量站徐家汇站65 a实测雨量资料,建立不同重现期暴雨强度与历时关系,解析暴雨衰减规律,编制单一重现期暴雨公式,结合雨力公式推求适用不同重现期的长历时综合暴雨公式,并推导出暴雨重现期公式。结果表明:不同重现期1~24 h历时暴雨强度均以0.74的衰减指数衰减,据此推求的长历时综合暴雨公式可计算1~24 h任意历时、2~100 a任意重现期的设计暴雨,且平均相对和平均绝对均方根误差分别为1.9%和0.009 mm/min,符合规范要求;暴雨重现期公式可估算1~24 h历时内任意场次暴雨的重现期,高效地服务于城市洪涝防治决策。成果已纳入上海市治涝地方标准,对其他城市具有参考价值。     

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。     

植草沟滞蓄城市道路雨水的试验及模拟

为定量分析植草沟的水文性能,优化其设计参数取值,通过植草沟滞蓄城市道路雨水的试验设施开展模拟径流试验,验证了SWMM （storm water management model）模型模拟植草沟滞蓄效果的可行性,通过模型情景分析提出了设施的优化设计参数,评估了设施对提高道路排水标准和长期径流削减的影响。研究结果表明:SWMM模型对模拟植草沟水文性能具有较好的精度,对较小的降雨重现期和边坡比,较大的滞蓄深度、植被覆盖率和面积负荷比,植草沟的滞蓄能力更强,建议其设计降雨重现期不超过10年,滞蓄深度为10 cm以上,边坡比至少为3,植被覆盖率为0.5以上,面积负荷比为5%以上。模拟北京某城市道路采用植草沟设施后,可将3年、5年、10年的排水标准分别提高到15年、20年、30年,在长达64年的运行中,植草沟几乎可消纳自身及汇水区域内所有径流,可为道路植草沟的设计和应用提供参考。     

Exposure assessment of rainstorm waterlogging on old-style residences in Shanghai based on scenario simulation

Waterlogging is one of the most serious hazards in China. Old-style residences in cities are prone to be damaged by waterlogging hazards. This paper describes our exposure assessment of old-style residences in Shanghai during rainstorm waterlogging. Two rainstorm scenarios of 20-year and 50-year return periods were simulated with the rainstorm simulation model from Shanghai Flood Risk Information Center. Each old-style residence was ranked according to its degree of exposure indicated by the inundation depth of that residence. An exposure assessment model was then built to integrate three ranks of exposure in order to reflect the total exposure features of a district and to compare disaster situation among different districts. Our research results reveal that Hongkou District and Huangpu District are the regions most necessary for the government to carry out safety defense in old-style residences, while rainstorms bring little effect on old-style residences in the districts of Putuo, Luwan, Changning, Zhabei, and Jing’an. These results provide important information for Shanghai Municipal Government to improve waterlogging management, and the method of exposure assessment can also be applied in other cities to provide guidance regarding flood risk control.     

基于管道流量监测数据的城市雨洪模型实用性研究

在总结过去多年管道流量监测经验教训的基础上,创新使用多声道多普勒流量计,成功获取了5min频次的雨水管网流量过程,提升了监测的稳定性和监测结果的可靠性,使得利用多场次资料进行城市内涝模型参数率定以及验证成为可能。选取城市典型区域,分别建立了MIKE、SWMM、InfoWorks一维管网模型,并按照有关规范要求,在对降雨资料和水位、流量资料进行科学分析后,利用经过筛选的有效数据进行模型的参数校核和率定,经过验证符合《内涝防治系统数学模型应用技术规程》要求。通过误差分析,率定后的模型,对典型区域的管网汇流模拟较好,在内涝分析预测预报中精度较高,其流量峰值预测值与实测值的误差在10%以内。     

区间暴雨和外江洪水位遭遇组合的风险

流域区间的治涝方案以及排涝设施的规模都与区间暴雨和外江洪水位的遭遇息息相关,因此需要研究区间暴雨与外江洪水位遭遇的风险规律.采用copula函数建立区间暴雨和外江洪水位的联合分布,用联合概率密度来描述两者遭遇的机率,提出了以遭遇为设计组合的排涝风险率和重现期的分析方法.实例研究表明,copula函数能够较好地模拟广东省阳山县区间暴雨与外江洪水位的联合分布;联合概率密度曲线表现为明显的正偏态分布,对于不超过10年一遇的暴雨,遭遇同频率的外江水位的机率最大;但对10年一遇以上的暴雨,最大遭遇机率的外江水位的重现期低于暴雨重现期;对任一排涝重现期,则有成反相关的区间最大暴雨和外江洪水位重现期的多种组合方案,且任一组合方案的暴雨重现期都大于排涝重现期.     

基于动态聚类分析和模糊模式识别法的北京城区汛期降雨时空分布规律研究

以北京城区近十几年汛期50场暴雨过程为样本,利用动态聚类分析和模糊模式识别方法对单站雨型和降雨整体空间分布特征进行了研究,得到北京城区汛期最容易发生的雨型以及时空分布规律。结果表明,北京城区汛期主要发生前单峰型雨,峰值集中且极值雨量大,容易造成内涝积水。发生双峰型雨的次数较少,且极值雨量较小,对内涝积水影响相对较小。     

长江流域安徽段2016年暴雨洪水成因分析

2016年6月18日7月21日,长江流域安徽段发生暴雨洪水,最大3d、7d雨量位居历史第一,重现期大于50年一遇,最大15d雨量位居历史第二,重现期接近50年一遇,至7月5日长江安徽段全线超警戒水位,给长江流域安徽段造成较为严重的洪涝灾害。收集、整理了本次暴雨洪水的资料,对暴雨的过程和成因进行了分析,并结合历史特征年资料进行了比较。结果表明:强降雨、降雨的空间分布以及前期长江底水高是2016年洪水总体水平位居历史第二的主要因素。     

Evaluation of drainage networks under moving storms utilizing the equivalent stationary storms

This paper investigates the effect of rainstorm movement on the peak discharge response (PDR) of drainage networks by comparing it with the corresponding equivalent stationary and uniform rainfall. A synthetic circular watershed is introduced to avoid biases from interaction between catchment geometry and storm orientation. The drainage network of the watershed is simulated by the Gibbsian model to examine the effect of network configuration on the peak response depending on the storm kinematics. This study utilizes two types of the equivalent stationary storm (ESS): the average rainfall intensity over the entire catchment (ESSAV) and the point stationary rainfall intensity (ESSQ) to evaluate the effect of moving rainstorms in terms of the PDR. The results show that there exists an interval in which the same rainfall duration produces higher peak responses for moving storms compared with ESSQ. The augmentation of the peak response by moving rainstorm is dependent on the relative rainstorm speed, size, and direction as well as drainage network configuration of the catchment; especially, the results show that a less efficient network tends to mitigate the effect of rainstorm movement on peak response. In contrast, a more efficient network is more sensitive to storm kinematics and the peak response increases compared with ESS. Therefore, the results in this study imply a potential improvement in urban drainage networks in terms of efficiency as well as safety to moving rainstorms. Also, this study suggests the range of variation in peak flows due to storm kinematics compared with the ESS, which can be a reference to the current design practices.