北京城区典型内涝积水原因诊断研究——以上清桥区域为例

近年来城市暴雨频发导致内涝灾害广受关注,系统分析城市内涝原因是当前城市水文研究的热点和难点。论文以北京市典型积水点上清桥易积水区为例,基于排水管网、地形、下垫面、河道边界等数据构建研究区精细化洪涝模型,并以2012年“7·21”和2016年“7·20”两场典型暴雨的实测积水深度验证模型的适用性。结果表明,上清桥区域管网现状排水能力小于1 a一遇,当发生1 a一遇及以上设计降雨时上清桥有发生积水的风险。引起研究区积水频发主要有四方面因素,按主次关系排列：局部地势因素>管网因素>下垫面因素>河道顶托,最后基于分析结果系统提出解决上清桥区域积水的改造方案。     

客水汇入对城区内涝风险的影响及优化方案

为评估建成区外客水汇入对山东省某市城区管网排水压力的影响,基于InfoWorks ICM构建一维、二维耦合雨洪模型,在不同模拟条件下分析城区管网排水能力及内涝积水情况,并基于模型结果提出优化方案。结果表明：建成区外客水汇入是导致该市主城区管网超负荷、节点溢流及内涝积水的主要原因;在2 a、3 a一遇2 h设计降雨下,客水汇入时超过1/2管道超负荷运行,溢流节点分别占1.38%和3.1%;在20 a、30 a一遇24 h设计降雨下,淹水面积占城区研究区域面积的35.9%及38.7%,其中9.60%及9.94%为高风险积水区;综合考虑经济性及有效性,采用建设地表方涵、排洪沟的方式截流地表径流客水的方式以缓解城区管网排水压力。经验证,优化方案能有效削减客水汇入对城区内涝积水的影响,对高风险积水区面积削减最明显。在20 a、30 a一遇24 h设计降雨下,研究区域高风险积水区面积优化后比优化前削减了75%、71%,最大积水深度下降至1 m以下。     

基于SWMM模型的城市已建区排水防涝提标改造途径探讨

随着城镇化建设高质量发展,城市排水防涝标准也在逐渐提高,因此,如何实施已建区排水系统的提标改造,是城市有机更新重要建设内容之一。以北京某已建区域为研究对象,提出了针对排水系统的排水能力和内涝防治标准GB 50014—2021《室外排水设计标准》统筹提标改造的方案,并借助于SWMM模型进行了方案优化评估。结果表明:通过海绵城市建设,在80%年径流总量控制率条件下,现状管网的排水能力可由1年一遇提标至2年一遇。在上述方案基础上,通过模拟评估内涝防治重现期(P=20 a)条件下雨水管网的过载情况,进一步提出并比较了调蓄池集中布置和分散布置2种方案,模拟结果表明:调蓄池末端集中布置无法解决上游区域管网的冒溢问题,而调蓄池分散式布置,可有效消除现状冒溢点,实现现状区域的内涝防治标准提高至20年一遇目标。因此,在已建区排水防涝提标改造过程中,根据场地空间条件,可优先考虑采用海绵城市建设与调蓄池分散式布置相结合的方式实现排水防涝提标改造目标。     

上海城市化进程中河网水系演化及其对城市排水的影响

百年以前上海地区河网密布，但随着城市区域不断扩展，河流数量锐减，水质明显恶化，暴雨积水严重增加，从而给城市建设和管理带来严峻挑战。本利用遥感和GIS技术，剖析近50年来城市化过程中上海市河网水系演化特征及其与土地利用变化之间的耦合关系，探讨河网水系演化过程对城市排水的影响，即河流自然排水功能下降，径河系数增大等；最后提出尽量保留现有城市河道、完善泵站－管网系统等建议。为今后城市发展过程中水环境管理提供科学依据。     

基于事故树的城市洪水灾害原因分析与应对策略

近年来频繁发生的城市洪水灾害,造成了巨大损失和严重影响。利用事故树分析法,以北京市"7·21"洪水事故为例,对城市洪水灾害成因进行了分析,构建了事故树、确定了最小割集,并对结构重要度进行了分析。结果表明:极端天气和城市雨岛效应是重要性最强的基本事件,排水不畅、人为因素是洪水灾害造成重大损失的重要症结。从增强预警、改善排水管网、减少硬化地面、疏浚河道等方面对解决城市洪水灾害的对策提出了建议。     

基于元胞自动机的低影响开发对城市内涝削减效果模拟

低影响开发措施是解决城市内涝问题的重要途径。为评估其对城市内涝的防控效果,论文以福建省长汀县县城为研究案例,提出适宜在研究区开展的透水铺装、下凹式绿地、雨水罐等低影响开发措施方案,利用基于元胞自动机模型的城市内涝模型进行模拟,并通过验证发现元胞自动机模型可有效模拟城市内涝过程。对比低影响开发改造前后的内涝情况,结果显示：1）低影响开发措施能使内涝积水总量削减超过50%,暴雨重现期越长对内涝现象的削弱效果越低;2）通过分析改造前后内涝积水区的空间格局及变化特征,可见大部分内涝积水区在改造后积水削减幅度较大,卧龙山北部及汀江干流左岸的积水区内涝情况改善幅度较小;3）低影响开发改造削减效果最好的为积水深度低于0.2 m的区域,其次为积水深度高于0.5 m的区域,对积水深度处于0.2~0.5 m的区域削减效果并不明显。研究表明低影响开发措施可有效控制城市的内涝灾害。     

基于统计-FloodArea模型的平原水网区致灾临界雨量研究

论文基于江苏老濉河流域降水、水位和流量观测数据,利用统计-FloodArea模型相结合的方法计算了平原水网区致灾临界雨量。从水位变幅角度构建了流域不同时段累计面雨量-洪水涨幅统计模型,并计算出致灾临界雨量。在修订河道高程的基础上,利用FloodArea模型模拟典型暴雨洪涝事件的动态淹没过程,建立不同时段累计面雨量与模拟水位涨幅之间的幂函数关系,计算出另一组致灾临界雨量。对比发现两组致灾临界雨量基本一致,24 h三个等级致灾临界雨量对应泗洪气象站167 a、17 a和2 a一遇降水量。统计模型能较好地捕捉短时降水与洪水涨幅的关系,FloodArea模型则更好地反映了长历时暴雨洪涝事件的雨洪关系,整合两种方法,可得到更科学的平原水网区暴雨洪涝致灾临界雨量。     

太湖流域暴雨时空特征研究

暴雨灾害是一种主要的气象灾害,论文选择经济发达的太湖流域为研究区域,运用小波、线性趋势模拟、P-Ⅲ型概率密度函数、Mann-Kendall法等方法对太湖流域暴雨的时空变化特征及趋势进行分析研究。研究结果显示:①太湖流域55 a平均年暴雨日数有2.9个,年际变化幅度比较剧烈。1991—2000年是暴雨日数多发期, 1959、1968和1978年暴雨日数较少,呈弱"倒U"型。暴雨频次平均值的空间分布呈现南多北少、西多东少的分布格局。暴雨量与暴雨日数的空间分布并不一致,出现北多南少、东多西少的分布。②研究显示P-Ⅲ曲线方法在区域降水极值的研究方面具有较好的效果,太湖流域年最大日降水量趋势呈现"U"型,与太湖流域年暴雨日数的演变特征呈现不一致的趋势。55 a来,太湖地区发生的最大暴雨在250 mm内,即200 a一遇的暴雨洪水为该地区暴雨灾害的近代极值。③典型站点年暴雨降水量均有不同程度的增加趋势,以太湖中部以南的三个站点东山、杭州、慈溪最为显著,各点均存在不同程度的突变,但突变时间存在差异。④太湖流域夏季暴雨呈现2 a、9 a、13 a、25 a等多尺度的周期变化,各波动周期稳定性和显著性不同。     

廊坊市城区暴雨积涝灾害成因及防御措施

根据河北省廊坊城市暴雨积涝灾害历史案例,结合廊坊市城区地形地貌、市政工程、排水设施现状等,详细分析后发现:城市化的影响、城市暴雨积涝灾害气象服务体系不完善是廊坊市主城区发生积涝的重要原因。同时,根据廊坊城市暴雨积涝成因,有针对性的提出了城市积涝灾害防御的改进措施和建议,希望能够为廊坊城市排水管网规划建设、城市积涝防御设施建设及城市防洪减灾等提供科学决策依据。     

基于SUSTAIN模拟技术的低影响开发雨水设施规划应用研究

模拟技术是城市低影响开发雨水设施规划设计和研究的重要方法,采用城市暴雨处理及分析集成模型系统(SUSTAIN)对某市A地块的低影响开发雨水设施规划进行研究,分析了低影响开发雨水设施在不同降雨重现期条件下的峰值径流量、径流总量及径流系数的削减效果。结果表明,按照一定比例设置的绿色屋顶、透水铺装、下凹绿地、雨水花园、干草沟等低影响开发雨水设施可以通过下渗和滞蓄作用削减降雨峰值径流量和径流总量,降低了地面径流系数,其中1~5年一遇降雨的径流量和峰值流量基本达到100%削减,10~100年一遇的降雨则有不同程度削减,可显著减少下游渠道和市政管网的外排水量,缓解城市排水系统和河道泄洪的负荷,为城市低影响开发雨水设施的有效利用提供参考。     

城市供水管网模型参数自动识别方法研究

在分析城市供水管网模型建设和应用问题的基础上,针对管网模型参数识别这一核心问题进行了研究,提出了基于GIS和SCADA的管网模型参数自动识别的流程,分析了管网模型参数自动识别的核心算法,提出了基于RSA方法的灵敏参数自动识别和基于MCS方法进行参数识别的算法和技术路线,并完成了管网模型参数自动识别模块的编程实现.最后选择一个典型城市小区供水管网为案例,进行了管网水力模型参数自动识别的示例研究,并得到满足要求的模型参数.     

基于不确定性理论的排水管网多泵站启停液位筛选研究

基于暴雨管理模型(storm water management model,简称SWMM),构建实验管网模型,基于不确定性理论,采用拉丁超立方法采样,根据管网运行管理目标选择可行的泵站启动液位调控方案,并对多个泵站的运行控制参数进行统计分析,筛选合理的泵站启停液位区间。结果表明该方法可以有效分析控制参数的不确定性,为排水管网控制方案的科学制定提供有效分析途径。     

基于动态规划理论的MIKE21河网排水方案优化研究

针对南方平原河网面对汛期暴雨时段排水能力差而导致内涝的问题,选取太湖流域南浔区沈庄漾圩田河网作为研究对象,选取城市排涝相应防洪标准的暴雨强度,应用多目标动态规划理论,以河网水位与排涝时间为限制目标,结合圩区现有水利工程条件参数和调度规则,设定了3个水闸排水方案和5个水泵排水方案;基于河网地形、水文数据,构建MIKE21河网水动力模型,定量化模拟分析了闸泵联调联控工况下河网排水效果。结果表明：面临10年一遇及以下暴雨时,河网可采用水闸排水方案,且3个方案均能在24 h内将水位降至排涝下限水位;当面临20年以上及百年一遇暴雨时,河网需采用内外网联动的水泵排水方案,西部闸门至少开启2台水泵,才能保证在24 h内将水位下降至下限水位,其排水效果与水泵开启数量呈正相关。该研究成果可为南方平原河网的汛期排水调度与河网工程改造提供理论依据。     

基于MIKE URBAN的中心城区内涝预测与评估——以上海市霍山-惠民系统为例

频发的内涝事件给城市雨水管理带来了极大的挑战,科学的管理决策广泛借助于模型进行评估。MIKE URBAN具有所需数据少,建模与运行简单,精准等优点,在发达国家已经得到广泛的应用。然而我国中心城区(老城区)的地面硬质化率高,排水管网复杂、建模数据较少等情况突出,运用数学模型对内涝进行预测评估的经验相对欠缺。本文将MIKE URBAN应用于上海市中心城区的霍山-惠民排水系统,在多种降雨强度和降雨历时工况下,对系统管网改造方案中的瓶颈节点、管网超负荷运行以及内涝风险情况进行预测分析,指出在管网设计重现期内,扩增管径可作为缓解城市内涝的可行性措施。而解决城市内涝的根本途径是从源头控制径流产生量,恢复城市良性水文循环。研究结果为预测其他中心城区排水管网的改造评估提供了借鉴。     

复杂下垫面下不透水层的CO2通量足迹分析——以上海市奉贤大学城为例

城市是重要的二氧化碳排放源,研究城市区域CO_2通量与复杂城市下垫面之间的关系有助于深入了解城市碳循环特征.本文基于城市涡动相关系统的通量数据和气象数据,结合研究区CO_2通量信息和土地覆被信息,依据ART(Agroscope Reckenholz Tanikon)Footprint Tool模型(基于Kormann Meixner(KM)模型计算足迹),探讨了城市复杂下垫面尤其是不透水层对于CO_2通量足迹的影响.结果发现,研究区CO_2通量变化范围在2015年5—8月为-6.44~4.62μmol·m-2·s-1,其中,5月和6月均出现CO_2通量最大值(4.62μmol·m-2·s-1),8月出现CO_2通量最小值,为-6.44μmol·m-2·s-1.风向是影响CO_2通量足迹的主要要素,5—8月CO_2通量足迹的范围主要在距离观测塔600 m以内,集中于东南方向,这与此期间盛行东南风有关.研究表明,不透水层的类型会影响CO_2通量的贡献率,距离观测站600 m以内的不透水层的CO_2通量贡献率最大为46.9%,最小为1.5%;其中,建筑的CO_2通量贡献率最大为70%,最小为0.08%,道路的CO_2通量贡献率最大为23.7%,最小为2.92%;不透水层的面积也会影响CO_2通量贡献率,道路的CO_2通量贡献率会随着不透水层面积的增加而增加,呈正相关关系.     

南宁城市内涝分布特征及其监测预警系统应用分析

利用南宁市2009—2017年城市内涝资料及其自动气象站逐小时降雨资料,对城内104例内涝过程进行了时空特征分析,并对39个内涝点进行内涝等级划分;基于多普勒雷达产品、数值预报产品及城市密集自动雨量观测站数据,采用内涝积水模型及内涝风险等级划分资料,研发出精细化到街区的市内涝监测预警和风险评估系统,实现了城市内涝的实时监测、预警及风险预估。该系统运用于2015年5月4日短时强降雨造成的城市内涝过程,验证结果表明:(1)模拟结果与历史描述基本相符,最大积水深度和位置基本一致,表明该系统具备一定的暴雨内涝动态监测预报能力,对提高城市暴雨内涝灾害的监测预警和风险评估起到了一定作用;(2)由于标本数量过少以及缺乏城市最新实际管网数据等信息,对于个别点预警值与实测值存在偏差,在系统运行过程中,部分参数和致灾阀值需进一步调整,比如可以不断增加标本以及更新城市最新实际管网数据等信息;(3)文中使用的是自动气象观测点实况雨量模拟积水状况,积水过程存在一定滞后性,下一步考虑结合雷达估测降水QPE资料,预警时间将大大提前。     

城镇河流CO2及CH4排放与市政排水管网污水输入的关联影响

城镇污染河流日益剧增的碳排放是当前我国许多城市共同面临的环境问题.本研究以上海市市郊城镇河网R1与中心城区河流R2为研究对象,监测了其在旱天与雨天条件下的CO_2及CH_4排放特征,分析了城镇河流污染程度及类型与碳排放的关联影响,并同时解释了市政排水管网污水输入影响城镇河流CO_2及CH_4排放的机制过程.结果表明:①旱天时,中心城区河流的CO_2与CH_4平均排放通量为(2.48±1.02)mmol·(m~2·h)~(-1)与(1.21×10~(-2)±0.71×10~(-2)) mmol·(m~2·h)~(-1),市郊城镇河网的CO_2与CH_4的平均排放通量则为(1.53±0.39)mmol·(m~2·h)~(-1)与(9.26×10~(-3)±9.18×10~(-3)) mmol·(m~2·h)~(-1).雨天时,受市政排水管网污水影响,中心城区河流泵站下游的水体的CH_4通量大幅增加,可达旱天时的119倍;②本研究与全球其他河流碳排放统计数据进一步表明,城镇河流碳排放与本身污染水平存在关联性,总体上污染程度高的河流碳排放强度也高;③从PCA相关性分析结果来看,河流有机污染是影响碳排放的重要因素,这在中心城区河流与市郊城镇河网中都有体现;河流碳排放与氮污染的相关性随区域下垫面利用类型不同而有所不同;在污染较轻的城镇河流中,水体物理因子也是一个重要的影响因素;④排水管网污水输入对城镇河流碳排放的影响,体现在短期内向河流中输入的大量CH_4,以及长期上强化受纳河流碳物质赋存及循环,并进一步提高河流本身的CO_2与CH_4排放潜势.     

上海中心城区土地利用变化对区域降雨径流的影响研究

土地利用变化导致的城市下垫面改变对降雨径流关系有着重要影响。选择高度城市化的上海中心城区,利用初损和径流量修正方法并经实测数据验证后的SCS-CN修正模型,在城市集水区尺度上,初步探讨模拟了1947—2006年中心城区在0.5～10 a一遇设计暴雨重现期条件下持续1 h的降雨事件和丰、平、枯降雨年份下的径流系数,并分析了土地利用方式、前期土壤湿润程度(AMC)和降雨因素对中心城区60 a降雨径流关系的影响。结果表明:①60 a间,AMCⅠ和0.5～10 a一遇设计暴雨重现期条件下的径流系数相对增长17.21%～6.14%,枯、平和丰水年的年径流系数相对增长分别为20.49%、11.83%和10.02%;②土地利用类型、土壤入渗能力和AMC类型,与降雨强度共同构成影响降雨径流关系的两方面重要因素。随着降雨强度的增大,在AMCⅠ→Ⅲ过程中,土地利用改变对降雨径流关系的影响趋小,降雨类型起决定作用;而降雨强度越小,土壤AMC越干燥,土地利用改变对降雨径流关系影响越强;③不同降雨强度和降水年条件下的径流系数均随CN值的增大而增加,其径流系数与CN值之间分别可用线性(R20.999)和指数(R20.987)关系表示。     

上海市污水二期干线排水风险评估及安全保障

上海市污水二期干线是上海市一条重要的排污干线,其安全运行对保障市区的排水安全具有重要的意义。通过建立污水二期干线管网系统的数学水力集成模型,对污水二期干线的水力状态进行模拟,预测在超强暴雨条件下污水二期干线的排水风险,提出污水二期干线的排水安全保障方案,为上海市区的防洪保安奠定基础。     

基于冗余分析的城市河湖水污染成因及尺度效应

以武汉中心城区的东沙湖流域为研究对象,以7项下垫面及3项降雨因子为影响因子,以18项河湖水环境因子为响应变量,基于冗余分析研究多尺度下两者之间的关系.结果表明：在所研究的10项影响因子中,硬质铺装面积率和河网水面率是东沙湖流域城市河湖水环境的主要影响因子,贡献率达0.703和0.652,城市道路面积率则是3000m及以外缓冲区尺度下的主要影响因子,贡献率达0.796,降雨的空间分布不是主要影响因子,贡献率低于0.371;影响因子对水环境影响的尺度效应与排水管网的有无和水文汇水单元尺度的大小密切相关;东沙湖流域的河湖水污染可归因于以硬质铺装为代表的不透水面上的面源污染和经由排水管网运移排放的点源污染,河网水面率则是改善水环境的关键因素.