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。     

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。     

极端降水下的城市地表-地下空间洪涝过程模拟

极端降水引起的城市内涝问题日益严峻,大量地表积水甚至衍生出部分地下空间的淹没受灾。针对目前水文水动力模型地下空间研究应用不足的现状,以郑州市某片区2021年“7·20”特大暴雨下的内涝过程为例,构建基于InfoWorks ICM的区域地表-地下空间联合模拟模型,对地下空间采用概化蓄水池法和水力连通法2种方式建模,分析局地内涝的成因、发展和影响。结果表明：地下空间内涝对地表积水的削减作用有限;概化蓄水池法简洁易行,水力连通法详细还原地下淹没过程;累积雨量和强降水时段对地下空间洪涝均有重要影响。地表-地下空间洪涝模拟丰富了城市暴雨洪水预警预报的内容,为防灾减灾提供支撑依据和参考。     

基于改进垂向流量交换的城市内涝模拟方法

针对内涝一维、二维耦合模型垂向流量交换计算过程复杂、计算稳定性差等问题,采用节点水量平衡原则对垂向流量交换方法进行改进。将节点分为超载节点及未超载节点,对于超载节点利用节点水量平衡原则进行垂向交换流量计算,将垂向交换流量计算与一维模型水力计算相融合,实现节点垂向交换流量与管段流量同时求解;对于未超载节点采用变水头孔口出流公式进行垂向交换流量计算,实现考虑地表水深变化的节点回流计算。采用Infoworks ICM模型作为对照,对比分析不同案例模拟结果,研究表明,改进方法与对照模型模拟结果吻合度高(纳什效率系数超过0.8),在内涝模拟过程中能准确模拟垂向流量交换,并保证系统水量平衡,对城市内涝模拟分析具有较好的应用价值。     

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。     

空间尺度转换与跨尺度信息链接:区域生态水文模拟研究空间尺度转换方法综述

空间尺度转换是近年来区域生态水文研究领域的一个基本研究问题。其需要主要是源于模型的输入数据与所能提供的数据空间尺度不一致以及模型所代表的地表过程空间尺度与所观测的地表过程空间尺度不吻合。综述了目前区域生态水文模拟研究中常用的空间尺度转换研究方法,包括向上尺度转换和向下尺度转换。详细论述了2种向下尺度转换方法: 统计学经验模型和动态模型。前者是通过将GCM大尺度数据与长期的历史观测数据比较从而建立统计学相关模型, 然后利用这个统计学经验模型进行向下的空间尺度转换. 然而动态模型并不直接对GCM数据进行向下尺度的转换,而是对与GCM进行动态耦合的区域气候模型(RCM) 的输出数据进行空间尺度转换. 通常后者所获得的数据精度要比前者高,但是一个主要缺点就是并不是全球所有的研究区域都有对应的RCM。还详细论述了2种向上尺度转换方法: 统计学经验模型和斑块模型。前者是建立一个能代表小尺度信息在大尺度上分布的密度分布概率函数, 然后利用这个函数在所需的大尺度上进行积分而求得大尺度所需的信息。而后者是根据相似性最大化原则将大尺度划分为若干个可操作的小尺度斑块,然后将计算的每个小尺度斑块的信息平均化得到大尺度所需的信息。通常在计算这种斑块化的小尺度信息的时候,对每个小尺度也会采用统计学经验模型来计算代表整个斑块小尺度的信息。建议用斑块模型与统计学经验模型相集合的方法来实现向上的空间尺度转换     

辽河流域径流过程模拟的空间尺度效应分析

针对分布式水文模型的尺度问题,在辽河流域,采用SWAT模型,研究不同DEM分辨率及不同子流域大小导致模拟结果的不确定性。研究结果表明:①DEM分辨率对流域平均高程、流域面积和子流域数量影响较小,而对流域平均坡度有显著的影响,因此径流模拟时需要进行坡度订正。对于河网提取,DEM分辨率为500m时提取的河网与基准河网吻合程度较高。②子流域面积过大,数量过少时,模拟结果与基准结果偏差较大,而在划分一定阈值波动范围内径流对子流域数量敏感性较低。     

海绵城市内涝防治系统的功能解析

为加强海绵城市内涝防治基础研究，提出了包括源头控制系统、雨水管渠系统、超标雨水蓄排系统等海绵城市内涝防治系统的构建方法，分析其防涝功能及其对应的雨洪量级。以北京通州试点为例，在50年一遇24 h降水339.85 mm的情景下，源头控制系统、雨水管渠系统、超标雨水蓄排系统承接的降水量分别为34.00 mm、130.70 mm、175.15 mm。引入GAUSS函数进行非线性拟合，研究了海绵城市内涝防治系统的防涝机理，将防涝功能评估过程转化为对GAUSS函数参数估计的过程。在成本效益分析法基础上，以内涝防治效果、全生命周期成本、占地面积作为决策指标，以不同方案情景下单位面积上的"效益/成本比值"最大化作为目标函数，提出海绵城市内涝防治系统的功能优化思路。     

海绵城市内涝防治系统的功能解析

为加强海绵城市内涝防治基础研究，提出了包括源头控制系统、雨水管渠系统、超标雨水蓄排系统等海绵城市内涝防治系统的构建方法，分析其防涝功能及其对应的雨洪量级。以北京通州试点为例，在50年一遇24 h降水339.85 mm的情景下，源头控制系统、雨水管渠系统、超标雨水蓄排系统承接的降水量分别为34.00 mm、130.70 mm、175.15 mm。引入GAUSS函数进行非线性拟合，研究了海绵城市内涝防治系统的防涝机理，将防涝功能评估过程转化为对GAUSS函数参数估计的过程。在成本效益分析法基础上，以内涝防治效果、全生命周期成本、占地面积作为决策指标，以不同方案情景下单位面积上的"效益/成本比值"最大化作为目标函数，提出海绵城市内涝防治系统的功能优化思路。     

基于改进填洼模型的城市洪涝灾害计算方法

城市水文模型广泛应用于城市雨洪管理研究中,但由于它无法直接给出流域的淹没情况,制约了其在城市洪涝灾害评价中的应用,因此,有必要对其进行改进。本研究开发了考虑下游影响的填洼模型,并将其与较为成熟的城市水文模型相耦合,使改进后的模型可以模拟流域的淹没状况,并在北京市天堂河流域进行了试验研究。结果表明:改进后的模型可以快速模拟流域的淹没水深及淹没范围,其淹没水深结果与相关水动力学方法模拟结果较为一致。天堂河流域河道行洪能力低于20年一遇设计标准,流域洪水风险较大的区域集中在天堂河下游区域和田营沟与永北干渠的交汇处。若在下游区域进行开发,洪水风险还可能会继续增加。     

数值模拟技术在聚合物驱油过程中跟踪调整应用

利用Eclipse数值模拟软件研究大庆油田北一区断西主力油层沉积特征、开发状况、剩余油分布规律,并对该区块在注入超高分子量聚合物过程中改注抗盐聚合物的特征变化进行借助计算机数值模拟技术进行研究,提前掌握区块运行规律,结合区块生产状况,提出相应的措施调整方案,进一步提高聚合物驱油开发效果。     

含水层渗透系数空间变异性对地下水数值模拟的影响

地下水数值模拟是目前定量研究地下水水量和水质的重要手段。使用基于随机理论的MonteCarlo方法来进行地下水数值模拟。这种方法能较好地考虑水文地质参数的空间变异性。主要将MonteCarlo方法和确定性模型模拟方法的模拟结果在渗透系数场、水头场、速度场和浓度场等方面进行了比较。结果表明:在模拟三维非均质含水层中的溶质运移问题时,充分考虑了含水层渗透系数空间变异性的MonteCarlo法比确定性方法更为有效,模拟精度提高了很多,且对模拟误差及误差来源有合理的数学解释。     

浅层包气带水汽昼夜运移规律及其数值模拟研究

西北干旱、半干旱地区,浅层包气带水分通量主要由水汽组成,而水汽在运移过程中产生的能量转换和质量迁移是地表质能平衡计算不可缺少的重要源汇项。在野外进行一个沙坑实验,发现土壤水在中午(12:00—15:00)达到最大值(10cm深度,5.9~6.1cm3/cm3;30cm深度,11.9~13.1cm3/cm3),而在凌晨(02:00—05:00)出现最小值(10cm深度,4.4~4.5cm3/cm3;30cm深度,10.4~10.8cm3/cm3)。为进一步验证该实验条件下的土壤水运移及分布规律,考虑了土壤水、汽、热耦合运移的HYDRUS-1D模型被用来对实验过程进行模拟,模拟结果与实测结果吻合较好。为描述土壤水分昼夜运移模式,笔者将土壤水耦合运移的时间信息和空间信息进行同步分析;并根据土壤水运移的不同驱动力,分别对温度梯度、基质势梯度作用下的液态水及汽态水通量进行了分析。     

Quantitative simulation on the retrogradational sequence stratigraphic pattern in intra-cratonic basins using physical tank experiment and numerical simulation

A well studied intra-cratonic sedimentary sequence, the Lower Permian Shanxi Formation in the Ordos Basin, northern China, is characterized by a typical back-stepping or source-ward retrogradational stratigraphic stacking pattern and can be used to illustrate the conceptual sequence stratigraphic model developed for intra-cratonic siliciclastic sedimentary basins. Based on the basic geological parameters (initial topography, lake-level curve, and sediment supply) originated from the Lower Permian Shanxi Formation of the Ordos Basin, we simulated quantitatively and validated the source-ward retrogradational sequence stratigraphic pattern of intra-cartonic siliciclastic basin, and demonstrated the use of numerical simulation to replicate and extend a particular flume experiment. In Run 1 (SQ1) the result of numerical simulation was characterized by the fan-shaped distribution, Sequence SQ2 retrograded landwards and overlaid the deposits of Sequence SQ1 after Run 2, and Sequence SQ3 retrograded further landwards and overlaid the deposits of Sequence SQ2 after Run 3. The simulation results indicated that fan-shaped deposits of Sequences SQ1, SQ2, and SQ3 retrograded sequentially landwards. The sediment distribution of three sequences in the numerical simulation is in accordance with the deposits observed in the physical experiment. The simulated sequence stratigraphic pattern of three sequences also matches that from the geological model quite well. The proposed sequence stratigraphic pattern for the intra-cratonic basin should serve as a useful reference for the interpretation of sequence stratigraphic framework and stacking patterns, and the prediction of the distribution of potential reservoir sandbodies within such basins.     

地铁隧道施工引起地层位移规律的探讨

目前对城市隧道开挖所引起的地表以下地层的位移规律的认识还很不充分，长期以来只有定性地认识。英国学者Mair等人（1993年）根据在黏土中的有限实测资料，基于预测地表位移的Peck公式，考虑了沉降槽宽度随深度变化，从而提出了地表以下的位移计算公式。他们的研究成果被广泛引用，但是由于其仅适用于黏性土，且假定地表处沉降槽宽度参数为0.5，因此在应用上受到很大的限制。在Mair公式的基础上，着重讨论了沉降槽宽度参数随地层深度的变化趋势，并提出了修正计算公式，不仅可以考虑地表沉降槽宽度参数与0.5相差较大的情况，还适用于砂类土地层，因此比Mair公式具有更广泛的适用性。     

考虑溶质浓度影响的热-水-应力-迁移耦合模型及数值模拟

高放射性核废料地质处置库围岩中地下水的密度因溶质浓度不同而发生变化,这将影响到饱和-非饱和孔隙介质中近场和远场的热-水-应力耦合过程, 同时温度场、应力场也要对地下水中的核素及矿物质迁移产生作用。考虑这两个因素,建立和引入了相关的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和渗透迁移方程,并研制出了对应分析孔隙介质中热-水-应力-迁移耦合问题的二维有限元程序。通过对一个假定的核废料地下处置库在核素泄漏后多场耦合过程的数值计算,考察了近场围岩中的温度、应力、孔隙水压力、核素浓度的分布及随时间的变化。结果初步显示了所建模型及程序可模拟热-水-应力-迁移耦合现象,因而具有一定的实用性。     

地下热-水动力-力学耦合过程数值模拟:以CO_2地质储存为例

在地下流动系统问题的研究中,热-水动力-力学(THM)耦合过程是研究的热点问题。在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH2的框架内,基于Biot固结理论和摩尔-库仑破坏判定准则,建立了THM耦合模型;采用积分有限差和有限元联合的空间离散方法,开发了THM模拟器TOUGH2Biot。该模拟器中热和水动力过程是全耦合,力学过程是部分耦合。通过与解析解的对比,验证了其正确性。基于鄂尔多斯盆地CCS示范工程,采用TOUGH2Biot研究了CO2注入地层后的THM响应。结果显示CO2的注入引起流体压力急剧增加,地层有效应力减小,地表隆起,隆起大小在几十个厘米,同时孔渗增加,利于CO2注入引起的压力上升向外消散。CO2注入最有可能导致剪切破坏的位置位于最大速率注入点上部盖层,其次为靠近地表的位置。