城市洪涝模型及CPU-GPU异构并行计算技术研究进展

在全球气候变暖和城市化背景下，城市洪涝问题日益严峻。为尽可能减少城市洪涝灾害造成的损失，提高城市对突发性强降雨事件的应急处理水平，开展城市洪涝数值模拟技术研究具有十分重要的意义。本文从城市洪涝精细化和高效模拟角度出发，综述了城市洪涝模型、CPU-GPU异构并行计算的研究进展，系统总结了产汇流模型、一维河道/管网模型、二维地表模型、耦合模型、快速城市洪涝模型的构建方法和CPU-GPU异构并行计算的关键技术。针对当前城市洪涝模型研究中的不足之处，需要开展城市洪涝过程全物理机制模拟研究，深入分析全水动力城市洪涝模型的适用性、模拟精度和计算效率；还需基于异构并行计算技术，实现城市洪涝模型一维河道/管网、二维地表淹没的快速模拟，为城市暴雨洪涝精细化与高效模拟奠定基础。     

变化环境下城市暴雨洪涝研究进展

受气候变化和城市化进程的影响,近年城市暴雨洪涝问题频发、广发,暴雨难以精准预报、城市洪灾危害巨大,该问题受到高度重视和广泛关注,业已成为城市防洪减灾领域研究热点。本文以变化环境下的城市暴雨洪涝问题为研究对象,从城市暴雨洪涝模拟仿真、城市暴雨洪涝特征、城市暴雨洪涝形成机理以及城市暴雨洪涝应对管理4个方面对城市暴雨洪涝国内外研究进展进行综述。在此基础上,分析当前针对城市暴雨洪涝研究中存在的一些问题并对未来的研究进行展望,提出了以变化环境下暴雨洪涝特性和应对机制为重点的研究思路,以此,科学认识变化环境下城市暴雨洪涝,提升城市暴雨洪涝快速应对水平,最大限度降低城市暴雨洪涝灾害。     

城市洪涝灾情评估与风险管理初探

快速城市化背景下城市洪涝问题日趋严重,城市洪涝已成为制约经济社会可持续发展的重要瓶颈。聚焦城市洪涝灾情评估与风险管理,从城市洪涝灾情评估方法、城市洪涝风险分析与区划和城市洪涝风险管理与对策3个方面开展研究,预期成果可为城市洪涝灾害防治提供科学支撑和技术保障。     

城市暴雨洪涝模拟：原理、模型与展望

在气候变化和人类活动的双重影响下,我国城市洪涝问题日趋严重。在对城市水循环规律深入研究的基础上,开发城市水文水动力模型模拟城市洪涝过程,是弄清城市洪涝致灾机理、减轻洪涝灾害和评估海绵城市减灾效果的重要工具。本文从我国城市洪涝现状和海绵城市建设出发,总结了城市洪涝模拟方法,对水文模型、水动力模型以及二者的耦合机理进行了较为深入的分析,并介绍了目前常用的城市洪涝模拟模型。在此基础上,梳理了当前与城市洪涝模拟相关的热点研究领域,并对其未来发展趋势进行了展望。     

城市构筑物暴雨内涝分层模拟技术及应用

气候变化和城市快速发展,导致我国城市洪涝问题日益突出。城市洪涝模拟是当前城市洪涝灾害风险管理领域研究热点,但国内外依然缺乏针对城市多层构筑物的精细模拟技术和方法。城市立交桥,是一种典型的城市多层构筑物,极易遭受洪涝灾害,并对城市交通造成严重影响。以城市立交桥为代表,在现有全分布式城市暴雨内涝模型基础上,结合城市立交桥的特点,提出一种分层模拟技术,并从网格分层构建、分层产汇流计算、地表与管网分层耦合和上层网格排水等方面详细阐述了分层模拟技术。将该分层模拟技术应用于深圳市罗芳立交桥2018年“8.29”暴雨积水过程模拟,与单层模拟方法相比,多层模拟结果更接近上报积水信息。研究表明,分层模拟技术更能准确表达城市复杂多层建筑物的实际暴雨内涝过程。     

城市洪涝灾害精细化风险预警模型构建及应用

正2013年中国的城镇化率已经达到了53.7%,2030年将达到71%,目前有20多个城市的人口已经超过了2000万人,75个城市人口数在500万~1000万人之间,城市洪涝灾害管理面临新挑战。具体来说。城市洪涝管理主要存在两个问题:(1)基础数据不足,无法支撑构建高分辨率城市洪涝预警分析系统。突发性高强度降雨是城市洪水的     

平原水网区圩垸防洪引发的城市洪涝风险转移研究

平原水网区圩垸建设改变了防洪排涝格局，引发的城市洪涝风险转移尚不清楚。综合运用城市洪涝耦合模拟与风险评估方法，通过典型洪水模拟分析，定量揭示了常州城区圩垸防洪引起的城市洪涝风险转移，提出了洪涝风险的协调方案。结果表明：(1)启用圩垸防洪使包围内淹没面积下降56%～64%、严重淹没(>1.0 m)面积下降70.2%,同时会加剧包围外南部和东部的洪涝灾害；(2)启用圩垸防洪加快了洪涝风险从城区向郊区的转移，使包围内4～5个子汇水区的洪涝风险下降超50%,而包围外南部和东部的3个子汇水区洪涝风险显著增加；(3)基于“风险共担”原则，将圩垸防洪启用的水位条件增加0～0.1 m,可作为今后常州防洪调度的备选方案。研究成果可为平原水网区的城市防洪减灾和洪水优化调度提供参考。     

基于两种建模方式的嵌套式城市雨洪模型研究与应用

全球气候变化和快速城镇化打破了城市水循环平衡,造成近些年来我国城市暴雨洪涝事件频繁发生。城市暴雨洪涝(雨洪)模型是应对城市洪涝事件的重要技术保障。然而,对于城市暴雨洪涝模拟,模拟精度和计算效率往往是一对矛盾体。本文总结了目前两种应用比较广泛的建模方式,即基于部分物理机制的水文单向驱动水动力模拟方式和基于完整物理机制的全过程双向耦合模拟方式。在此基础上,为了提高防汛应急处置工作的前瞻性和准确性,本文提出基于上述两种建模方式的嵌套式模拟方法。针对昆明主城区及其局部汇水区的模拟应用研究表明,嵌套式模拟方法在一定程度上缓解了城市雨洪模型在“整体”和“局部”、“精度”和“效率”之间的矛盾,具有较好的实用价值。     

城市洪涝治理与韧性城市建设：变革、创新与启示

我国城市洪涝治理经历了从工程措施到工程与非工程措施并举,从洪涝分治到洪涝统筹,从城市局部治理到流域系统治理的重大转变。特别是海绵城市和韧性城市理念的引入,显著提升了城市洪涝治理水平,促进了城市可持续发展。经过多年探索与实践,我国在技术应用、政策管理、公众与社会参与等方面取得了显著进展,城市洪涝模拟与风险评估取得重要成果,监测感知系统日趋完善,预报预警技术取得突破,应用场景更加广泛;跨部门协作与联动机制、政府与社会资本合作模式的提出,高效信息传播机制和公众参与程度的加强,均显著增强了城市应对洪涝灾害的能力,为防洪减灾工作提供了有力支撑。借助北斗卫星、激光雷达、物联网、人工智能、大数据等先进技术,我国持续推进数字孪生流域、国家水网与区域水网建设,为洪涝治理和水利高质量发展提供了重要支撑。今后,城市洪涝治理将继续朝着系统化、智能化、生态化方向发展,面对新时代的机遇与挑战,应结合海绵城市与韧性城市建设,坚持系统治理、坚守底线思维、坚持创新发展,通过全局性谋划和整体性推动,不断提升水旱灾害防御水平和水安全保障能力。     

城市水文过程与洪涝响应研究进展

揭示区域水循环演变规律是认识区域水文情势和开展水文情报预报的重要基础,是水文学的核心研究课题。高度城市化地区,原有自然水循环过程被破坏,因此亟待开展城市地区水文过程与洪涝响应的研究。从气候变化的城市水文响应、城市水文过程复杂特性定量表征、城市水文过程模拟等三方面对国内外研究现状及发展动态进行了综述。在借鉴国内外研究成果和先进经验的基础上,提出了北京市开展洪涝模拟研究的必要性。结合精细化洪涝模型在北京市应用的成功案例,从城市流域模型构建、验证及应用等三方面进行城市水文模拟和洪涝响应研究,并提出未来的研究重点和难题。     

北京城市洪涝模型建设与典型示范

伴随城市快速发展,城市不透水面积持续增加,使得在同等降雨条件下流域内洪峰流量增加、峰现时间缩短,洪涝灾害威胁扩大。城市水利工程众多,虽然城市排水管网和河道都经过全面整治,但随着城区面积增加,城区防洪排涝河道和管网的服务范围、下垫面状况、排水单元和沟渠、支流发生了显著改变,河网的产汇流过程也发生了较大变化。针对城市洪涝灾害发生的复杂性和不确定性特点,提出北京市洪涝模型构建技术框架,并以清河流域为典型流域构建洪涝模型,分别从不同下垫面和降雨条件下河网排洪能力复核、河道防洪预警指标细化、城市洪涝风险量化等方面构建基于洪涝模拟的城市防汛安全调度技术体系。     

降雨时空不确定性对城市河道洪水的影响

针对降雨时空不确定性严重制约洪涝模型模拟精度的问题,在深圳市布吉河流域研究降雨中心、降雨移动方向等时空特征对洪水过程的影响。利用2018—2020年的降雨监测数据,划分并筛选出116个大雨以上的降雨场次,进而对每个场次通过空间平均化处理和时间同步处理,分别构建空间平均和雨峰同步降雨过程;利用城市洪涝模型模拟116个降雨场次在实际降雨、空间平均、雨峰同步3种时空分布下的洪水过程;分析降雨中心和降雨移动方向对洪峰流量、洪水过程的影响。结果显示：经过空间平均化处理后,产生的洪峰流量较实际降雨模拟得到的洪峰流量变化范围为-43.9%～34.7%,而且当实际降雨中心位于流域几何中心下游时,模拟得到的洪峰倾向于偏高;经过雨峰同步处理的降雨较实际降雨模拟得到洪峰流量变化范围为-33.7%～20.0%,洪峰变化范围与降雨中心移动方向有较强的相关性;洪水过程与洪峰流量变化相对应,表现为洪峰增加、洪水持续时间缩短,或洪峰降低、洪峰持续时长增加。研究结论可为洪涝模型输入的降雨过程构建提供依据,为河道洪水风险评估、洪涝过程实时模拟提供借鉴。     

城市暴雨洪涝敏感性因素数据仓库构建与应用

随着大数据技术的发展,基于大数据技术开展城市暴雨洪涝研究成为热点。根据城市防洪工作中对暴雨洪涝相关数据的业务需求,在对多源异构数据分析的基础上,设定洪水敏感性因素分析主题,构建相应的多维数据组织模式,建立城市暴雨洪涝数据仓库,有效地对城市暴雨洪涝多源异构数据进行储存、管理与组织。基于洪水敏感性因素分析主题数据仓库,利用关联规则分析进行数据挖掘,识别不同敏感性因素与洪水度量之间的关联规则,归纳出敏感性因素与洪水过程之间的关系,结果表明:将城市暴雨洪涝数据集成到数据仓库中并进行相关的数据挖掘操作,可以为防洪决策提供新的可行途径。     

平原感潮河网区域城市洪涝分析模型研究

为开展平原感潮河网区域城市的洪涝分析,综合考虑了该类型区域河流密度大、具有城市的特殊下垫面以及市政排水对洪涝的影响等特点。以城市主干河流、堤防等交汇包围的区域为单元提出了河网排涝单元模型,以排水分区为单元按照其排水能力建立了排水概化模型,并与模拟主干河道和道路、模拟地面的洪水演进模型耦合,建立了平原感潮河网区域城市洪涝分析模型。以上海市浦西防洪保护区为例,开展了上游河道洪水、风暴潮及区域降雨和防洪工程调度综合影响下的洪涝分析。结果表明,黄浦公园等站潮(水)位过程与实测基本一致,苏州河、淀浦河、西大盈港等河流发生漫溢,与实际情况基本相符。研究成果对平原河网地区城市洪涝模拟具有参考价值。     

基于SWMM和InfoWorks ICM的城市街区洪涝模拟与分析

针对我国城市日益突出的洪涝问题,以福州市主城区某街区为例,基于SWMM与InfoWorks ICM构建了城市街区尺度洪涝模拟模型,基于差分进化算法率定SWMM关键参数,并在不同的降雨情景下,模拟了城市街区地表内涝淹没与危险性分布,并对比评估了模拟结果的可靠性。结果表明：基于差分进化算法率定得到的SWMM参数具有较好的效果,两次洪峰的模拟水位和实测水位误差均在1%以内;10 a、20 a、50 a和100 a 4种重现期降雨驱动下,研究区淹没面积分别为3.14 hm²、3.37 hm²、3.61 hm²和3.72 hm²,重现期从10 a到100 a,总淹没面积占比由27.40%上升到32.46%;基于SWMM与ICM耦合的模拟方式在研究区具有较好的适用性。     

城市洪涝仿真模型地下排水计算方法的改进

为了增强对城市地下排水的模拟能力,获取更为详细的计算结果信息,提高城市洪涝分析水平,对现有洪涝仿真模型的地下排水计算进行了改进,提出在同一模型中对排水管网采用简化和细化相结合的计算方式。简化计算采用等效体积法实现,细化计算采用建立真实管网的一维动力波方程实现,并在特殊道路通道和网格上实现地上、地下水流交换。同时,在降雨产流计算中考虑地面透水性,形成了面向城市降雨产、汇流和排水的洪涝全过程模拟模型。改进后的模型对地下排水的模拟适用性更强,计算结果更为丰富,提高了区间暴雨导致的城市洪涝模拟能力。文中以上海市蕴南控制片洪涝分析计算为例,说明改进模型可获得较好的应用效果。     

基于流域系统整体观的城市洪涝治理研究

针对传统城市洪涝治理洪、涝孤立考虑的弊端,在广州市2020年"5·22"特大暴雨洪涝成因分析的基础上,提出了"洪涝同源"的流域系统整体观,建立了统一市政和水利设计雨型的"大包小、长包短"方法,构建了"城市海绵-市政小排水系统-水利大排水系统"耦合的城市洪涝模拟模型。以广州市某区域洪涝治理为例,研究表明,基于流域系统整体观进行工程布局优化,既满足高度城市化地区经济性和约束性原则,也可实现系统治理、整体达标,有效避免了传统洪涝分治模式存在"因洪致涝、因涝致洪"的弊端,为我国城市洪涝治理提供了新思路。     

从郑州“2021.7.20”水灾模型推演看城市洪涝风险管理

郑州市2021年7月20日特大暴雨引发的城市洪涝灾害受到全社会的广泛关注。在收集整理郑州"2021.7.20"特大暴雨事件的降雨、洪涝灾情等数据的基础上,通过地形高程、排水格局、计算机模拟专业研究,分析了郑州"2021.7.20"暴雨洪水实际情形,评估动态淹没、地面水深流速等风险,进一步识别影响对象、城市设施。本研究展示了行业标准的风险评估技术流程,以信息技术快速辅助重大问题研究。在此基础上,以专业视角审视城市洪涝安全体系的建设与管理,为各地制定城市洪涝灾害对策提供参考。     

粤港澳大湾区城市洪涝问题及其分析

近年来,粤港澳大湾区城市洪涝问题日趋严峻。本文梳理了大湾区典型城市洪涝事件,归纳了洪涝特征并分析了洪涝问题的主要驱动要素。结果表明,近100多年,大湾区年降雨量、降雨日平均雨量、暴雨日数及暴雨日降雨量占全年比例都波动增加,而降雨日数波动减少,降雨呈现增多且趋于集中的态势。大湾区降雨时空分布不均,近10年广州、东莞、惠州汛期降雨量占全年雨量的81%,广州龙舟水期间降雨量占全年约22%。虽然大湾区城市群呈现热岛效应,气温与城镇化率呈正相关,且100多年来各城市温度上升并与降雨量呈正相关;但受地理位置影响,各城市降雨量与其城镇化率的关系并不明显,而更下游的沿海城市面临更多的锋面雨和台风雨影响。近10年给大湾区带来暴雨以上降雨的台风有47场,发生在6—10月,其中恰逢天文大潮的有21场、有26场在大湾区以西登陆。近40年珠江口沿海海平面上升速率3.5 mm/a,高于全国平均水平,海平面的持续上升将使大湾区面临严重洪涝风险。对强降雨、台风暴潮、海平面变化等要素开展分析可为大湾区防灾减灾工作提供重要参考。     

技术索引

正城市洪涝形成机理与防治关键技术针对城市洪涝灾害频发、淹没损失日趋严重的现象,从城市洪涝形成机理、实时模拟预警、灾害损失评估、滞洪耐涝型城市设计理论方法和关键技术等方面系统地开展了研究。主要成果:(1)以典型城市发生的近30场次暴雨—洪涝事件为基础,深化认识了我国城市特有的10余