长三角地区典型海绵设施水文效益试验研究

开展不同海绵设施在中国长三角气候模式下的水文效益研究, 对增强城市应对内涝能力从而提高城市对变化环境的适应性具有重要科学意义。选择国家首批海绵试点城市镇江海绵基地4种典型海绵设施作为研究案例, 采用径流系数、削减率、削峰率及洪峰流量等指标, 评估场次降雨与海绵设施出流相关性, 分析海绵设施在不同降水量级和降雨雨型下的水文性能, 以及运行时间对海绵设施水文效益的影响。结果表明: ①透水铺装类海绵设施的降雨—径流关系呈单一式; 而绿植类则表现为分段式, 即在场次降水量超过一定临界暴雨量之后关系线发生转折, 其中平均径流系数增加了8.4~38.5倍, 平均削峰率和削减率分别减少了50.4%和44.6%。②暴雨条件下不同海绵设施的产流能力和洪峰流量最大, 对径流总量消减能力及洪峰流量削减能力最弱, 且从暴雨到大雨变化规律比大雨到中雨变化规律更显著。③海绵设施的水文性能受到降雨雨型、平均降雨强度和最大单位降雨强度等因子多重复合影响。除雨水花园外, 其他海绵设施的径流系数对上述影响因子变化最为敏感, 洪峰流量次之, 削减率第3, 削峰率的敏感性显著低于前面三者。④车行透水砖运行1 a后, 其产流能力与洪峰流量分别显著增加1.7~2.1倍和1.9~2.5倍; 径流控制能力显著减弱, 其中消减能力降低了16%。     

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。     

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。     

大尺度无管流数据城区SWMM构建及模拟——Ⅱ.模型参数校验及暴雨径流模拟分析

目前,中国城区大多缺乏实测管道流量数据,给城市水文模型构建及精细化模拟带来了挑战。在北京亦庄经济开发核心区下垫面精细数字化的基础上,以典型点的最大径流深为验证要素,以实地踏勘为主、经验率定为辅,分别选取2012年"7·21"和2011年"6·23"两场典型大暴雨径流过程,完成了区域SWMM(Storm Water Management Model)模型的参数率定和验证;并就不同重现期设计暴雨下,不同典型用地子汇水区的产汇流响应特征及内涝交通拥堵风险进行了分析及评估。结果表明:随着重现期的增加,道路与交通设施用地对暴雨增幅的响应速率远高于公园绿地的响应速率,前者的内涝交通拥堵风险亦远高于后者;间接反映了不同下垫面条件造成产汇流响应的差异程度。相关成果可为区域城市洪涝管理与预警提供决策参考。     

在可能最大降水条件下的流域产流汇流计算问题

一、导言在可能最大降水条件下,笼罩设计流域的暴雨,其雨率及总雨量比之常遇的暴雨大而集中,这对下垫面的产流与河网汇流特性将发生什么变化?是从事水文计算的同志关心的问题。实质问题是研究如何扣除实测资料范围以外的降雨损失及如何对待汇流计算中的非线性影响。在一般流域都找不到与可能最大暴雨相近量级的实测的暴雨洪水资料,所以本文将借助理论上的推导,结合用河南省“75.8”特大     

建筑小区尺度下LID措施前期条件对径流调控效果影响模拟

以西咸新区天福和园住宅小区为研究对象,采用暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model,SWMM）构建含低影响开发（LID）措施调控作用的城市雨洪过程数值模型,模拟分析了不同重现期降雨下LID措施和传统开发情况在不同前期条件下的径流控制及峰值削减效果。结果表明:① LID措施自然状态、半饱和与饱和状态在不同重现期降雨下径流控制率分别为64.3%~83.2%、56.3%~76.5%和48.7~68.1%,与自然状态相比,半饱和与饱和情况径流控制率分别减少了6.7%~9.1%和15.1%~15.8%,且皆随重现期增大径流控制率减少值先增大后减小。②径流峰值分别为23.3~189.4 L/s、25.9~198.4 L/s和28.8~290.7 L/s,与自然状态相比,半饱和与饱和状态径流峰值分别增加了4.5%~20.9%和22.9%~53.4%,表明LID措施在饱和状态下的调控效果远不如自然状态。③相较于传统开发,LID条件下自然状态和半饱和状态对径流峰值削减显著,但饱和情况在降雨重现期20年时径流峰值反而升高,表明LID措施饱和状态在大暴雨情况对下游管网造成更大压力。④在相同前期条件下有LID措施对径流控制率有明显提升。     

抚顺市内涝风险评估

结合抚顺市水安全特点,将抚顺市当前的排水系统利用耦合的综合评价模型进行分析,并对研究区遭遇20 a、10 a和5 a一遇暴雨的城市内涝情况进行预测分析。研究表明:在抚顺市内涝风险评估中耦合两种方法的综合模型具有较好的实用性,研究区存在较高的内涝风险,可为防洪治理规划和防汛调度安全提供科学的依据。     

变化环境下城市水文学的发展与挑战——Ⅱ.城市雨洪模拟与管理

全球气候变化和快速城市化改变了城市水循环过程,加剧了城市暴雨洪涝问题。从城市雨洪模型构建的角度,回顾了降雨观测与预报技术、城市雨洪产汇流计算方法以及城市雨洪模型的发展历程,总结了各种技术的特点、适用性和局限性,指出城市雨洪模型在机理认识和数据管理方面的不足,提出了城市雨洪模型的概念性框架与基本流程。从雨洪资源化的角度,介绍了城市雨洪管理基本理念和策略,分析了城市雨洪管理的主要技术方案。阐明了城市雨洪模拟与管理的发展趋势及前景,未来应该强化高精度降雨观测和临近定量降雨预报能力,探索城市化流域的产汇流机理和响应机制,开发有效的城市雨洪模型系统,发展多源信息耦合技术,开展城市雨洪模拟预报及资源化利用研究,实现城市可持续发展以及保障城市水安全。     

基于汇水区分级划分的城市洪涝模拟

为了有效提高城市暴雨洪涝模拟的精度, 针对城区复杂下垫面和雨水井数据缺失情况, 分别提出雨水井节点数据的确定方法和基于空间信息的汇水区分级划分方法。以武汉市青山区为研究区域, 选取2场典型降水过程, 开展SWMM模型的参数率定和验证工作, 并将基于不同方法划分的汇水区模拟结果与实际渍水数据进行对比。结果表明: ①提出的雨水井节点数据确定方法, 在雨水井实测数据缺失的城市洪涝模拟中具有一定的可靠性和适用性。②基于空间信息分级划分法、水文分析结合泰森多边形法和泰森多边形法所划分的汇水区, 模拟的最大积水深度中分别有100%、63%和75%的典型验证点与实际渍水程度相符, 模拟的溢流点中分别有80.0%、76.4%和77.4%的溢流点位置与5年一遇降雨渍水风险图相符。基于空间信息分级划分法所得的汇水区比较符合真实汇水情况, 且模拟结果比其他2种方法更加准确。③ 5年一遇降雨重现期下, 3种方法划分的汇水区所模拟的积水对研究区域影响程度相对较小, 但遇到高于此重现期的暴雨会出现不同程度的内涝。本研究可为城市暴雨洪涝模拟中雨水井节点数据确定与地表空间离散化提供新方法, 模拟结果可为城市防洪减灾提供参考。     

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。     

Rainstorm waterlogging risk assessment in central urban area of Shanghai based on multiple scenario simulation

With the acceleration of the urbanization process, waterlogging problems in coastal cities are becoming more and more serious due to climate change. However, up until now, the common procedures and programs for rainstorm waterlogging risk assessment in coastal cities still have not formed. Considering a series of impact factors of rainstorm waterlogging in coastal city, the present study established a paradigm for rainstorm waterlogging risk assessment through the combination of hydrological modeling and GIS spatial analysis, and took the residence in central urban area of Shanghai as an example. First, the simplified urban waterlogging model was applied to simulate the depth and extent of rainstorm waterlogging under six hypothetic scenarios. Second, the residence exposed to rainstorm waterlogging was extracted and analyzed supported by spatial analysis module of ArcGIS. Then, stage-damage curves were applied to analyze the loss rate of structure and contents of residential building. Finally, the waterlogging loss maps of residence in different scenarios, the annual average loss, and the risk curve were taken as the expression of waterlogging risk. The results show that the inundated water depth, vulnerability, and losses of residence all increase as the intensity of rainstorm increases. The old-style residence is most vulnerable to rainstorm waterlogging, followed by the new-style residence, and villa is less vulnerable to rainstorm waterlogging. The annual average loss of residence in Shanghai central urban area was about CNY 22.25 million. The results also indicate high risk in Yangpu and Putuo districts, Xuhui, Hongkou, Changning and Zhabei districts come under medium-risk zone, and Jing’an, Luwan and Huangpu districts come under low-risk zone. These results provide important information for the local government, and the methodology can be applied in other cities to provide guidance on waterlogging risk governance.     

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。     

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。     

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.     

基于水动力学模型的沿海城市洪水实时演进模拟

为了准确分析洪涝灾害对防洪体系现状的影响，做出相应的防洪减灾措施，以浙江省台州市灵江下游流域为研究区域，构建了基于Saint-Venant方程的水动力学耦合模型，对河道溃决洪水过程进行实时仿真模拟。综合考虑研究区域地形、气象、水文资料、水利工程、下垫面条件等因素，在一维河网模型和二维水动力学模型耦合衔接中，最大程度还原真实地形中河槽内外的水流交互淹没，借助研究区域内典型台风暴雨资料，率定验证本文建立的一维-二维耦合水动力学模型，检验后的模型可实现灵江下游沿岸城市不同量级设计洪水及历史洪水的实时淹没过程模拟。模型计算结果表明，该模型模拟复杂地形条件情况下流域洪水实时演进过程达到了较高精度，在水系沿程典型断面水位计算值与实测值误差不超过0.1 m。     

Waterlogging risk assessment based on land use/cover change: a case study in Pudong New Area,Shanghai

Waterlogging induced by torrential rain or typhoon in urban areas due to rapid urban development and land cover changes has been a global hotspot and a potential risk affecting urban habitant lifelines and safety. This paper analyzed the impact of land use/cover change on the surface runoff and evaluated the waterlogging risk caused by precipitation with different intensities in Pudong New Area, Shanghai. A simplified urban waterlogging model has been built for the inundated water depth simulation through the combination of both SCS model and GIS spatial analysis with the consideration of underlying surface characters in urban area. Based on the simulated depth results, waterlogging risk ranks were further established to evaluate waterlogging risk of Pudong New Area under different conditions considering social survey results. The results show that the land use structure and pattern change increases surface runoff depth. Under the assumption of a daily maximum precipitation at 200 mm, the surface runoff depth increased by 13.19 mm from 1994 to 2006 due to urbanization. On the whole, Heqing, Huaxia tourism area, Chuansha, Tangzhen and Jichang Town have high waterlogging risk rank, Gaoqiao, Donggou, urban district, Jinqiao, Caolu, Sanlin and Beicai Town have medium waterlogging risk rank, and Zhangjiang, Gaodong and Huamu Town have low waterlogging risk rank. These results provide important information for the local government, and the method of waterlogging risk assessment can also be applied in other cities to provide guidance on waterlogging risk control.