基于Sobol方法的SWMM模型参数敏感性分析

SWMM模型已被广泛应用于城市区域雨洪模拟及海绵城市设计,为提高参数优化效率,减少模型不确定性的影响,有必要对参数敏感性进行定量分析。以济南市黄台桥排水片区为例,选用基于方差分解的Sobol方法,定量分析不同量级洪水情景及不同预报精度评价标准下SWMM模型参数的敏感性。研究结果表明：（1）SWMM模型参数的敏感性在不同量级洪水和不同目标函数的情况下表现均不相同,模型参数具有较大的不确定性;（2）不透水区洼蓄量、最小入渗率、河道及管道糙率系数对Nash效率系数作用显著;（3）洪水量级相对较小时,SWMM模型参数间相互作用现象较为明显,但随着洪水量级的增加,参数相互作用逐渐减小;（4）Sobol方法能定量分析模型参数敏感性及参数间相互作用,适用于城市水文模型敏感性相关研究。     

城市社区尺度降雨径流快速模拟——以福州市一排水小区为例

随着城市化进程的不断加快,我国城市正面临着越来越严峻的洪涝问题。本文在社区尺度上构建雨洪管理模型（SWMM）,使用遗传算法率定SWMM模型参数;在对研究区降雨分析的基础上,采用模糊识别法筛选出最具代表性的两种雨型;基于不同的降雨情景与SWMM模拟值组成的数据集,建立长短期记忆神经网络（LSTM）模型模拟研究区降雨径流关系,并使用不同工况评估了LSTM模型效果。结果表明,LSTM模型对降雨径流的模拟与SWMM模型基本吻合,而其对洪峰流量的拟合略有偏差。在较小降雨下,LSTM模型模拟洪峰流量较SWMM输出结果偏小;在较大降雨下,模拟结果偏大;在中等降雨时,模拟效果最好。此外,50个隐含层单元的拟合效果更好,但同时更多的隐含层单元对洪峰流量拟合效果更好。     

快速城市化对产汇流影响的研究:以凉水河流域为例

快速城市化所引发的产汇流改变,使城市区域洪涝灾害进一步加剧。针对北京凉水河流域内城市化所引起的不透水面积增加、河网结构形态改变、城市分洪和排水管网铺设等人类活动,选取流域内大红门排水区为研究对象,根据遥感影像和实地调研,分别构建城市开发前、后两种情景的暴雨洪水管理模型(SWMM),并采用流域出口断面实测流量率定模型参数。通过设置不同重现期暴雨情景,定量分析城市开发前后洪水特征的变化。研究结果表明:SWMM模型在城市开发前后两种情景都具有较好的适用性。城市化后大红门排水区地表径流量是城市化前约3.5倍,径流系数从城市化前的0.12提高到城市化后的0.41,下渗量是城市化前的2/3;城市化后排水区坡面汇流速度加快,河道汇流时间降低,峰现时间无明显变化。城市化前百年一遇24 h洪峰流量低于城市化后20年一遇洪峰流量。本文的研究成果可为流域尺度雨洪综合管理和低影响开发提供技术支撑。     

河宽模型对Muskingum-Cunge方法汇流的影响

分布式流域水文模型常采用Muskingum-Cunge方法进行河道汇流,通过有限差分求解运动波方程来近似扩散波方程,方程中的水流波速和水力扩散度根据河道单宽参考流量来计算,因此需要给出各处的河道宽度。BTOPMC采用Lu河宽模型,河流动力学中介绍了阿尔图宁模型,本文在Lu模型和阿尔图宁模型的基础上,综合考虑河床、河岸淤积物的土质组成和河道坡度等因素,对河宽模型进行了改进,并根据卫星地图量测实际河宽来确定模型参数。应用各种河宽模型,利用BTOPMC对韩江流域进行全年的日径流模拟,结果表明,河宽模型越准确,Muskingum-Cunge汇流方法精度越高,曼宁糙率系数的估算值越合理,日径流模拟效果也越好。     

基于UAV精细化地表数据的城市洪涝模拟与分析——以济南市海绵城市示范区为例

近年来,气候变化与快速城市化使城市洪涝风险显著增大,给城市可持续健康发展造成重大威胁,精细化城市洪涝模拟是有效开展城市洪涝风险管理的重要手段,因此,雨洪模拟结果可靠性与精细程度至关重要。本研究以济南市海绵城市示范区为例,针对研究区特殊地形地貌特征,利用无人机（UAV）倾斜摄影技术获取精细化地表信息,基于此建立水文水动力学多过程耦合模型,评估地形刻画精细程度对洪涝模拟的影响。研究表明,高精度的地形数据能更好地刻画局部洼地,而降低分辨率则会坦化地形使模拟结果偏低,网格划分尺寸也会对地形的刻画程度造成影响,进而影响模拟结果,对模型中地形、地物的精细刻画有助于准确模拟洪涝,采用DSM或不考虑围墙等地物则可能高估或低估洪涝,造成不良后果。本研究可为济南市乃至全国的城市洪涝风险精细化管理工作提供参考。     

数字流域模型在长江上游龙河流域的应用

数字流域模型是当前水文领域研究的热点问题。本研究选取长江上游龙河小流域为研究对象,将数字流域模型应用于长江流域。首先利用ArcGIS软件提取河网信息,选取该流域1982年汛期的降雨及流量过程,采用基于因素分析的图解法对模型进行率定及验证。结果显示模拟的Nash系数达到0.965,洪峰相对误差在10%以内,表明该模型可以很好地模拟长江小流域产汇流过程。然后还对模型中涉及的几个重要参数进行敏感性分析,结果表明：土壤垂向饱和导水率主要影响峰值,二者成负相关;土壤初始含水量主要影响径流量,二者成正相关;田间持水量与峰值和径流量均成负相关;植被截留水量与峰值和径流量均成负相关;糙率主要影响峰型,与峰值成负相关。若要将率定后的数字流域模型应用到具体工程实践中,还需用近期实测数据对模型进一步进行验证。     

基于SWMM模型的城市雨洪模拟与LID效果评价——以北京市清河流域为例

随着城市洪涝灾害的不断加剧,以低影响开发(Low Impact Development,LID)技术为核心的海绵城市建设正逐渐成为新的城市雨洪管理理念。本文以北京市清河流域为研究对象,构建流域暴雨洪水管理模型(SWMM),并针对流域尺度排水区下垫面特征设置相应的LID措施组合,在各种重现期降水情景下设置不同LID措施组合的比例并进行相应的模拟与分析。结果表明:LID组合措施对高频暴雨的洪峰流量和径流总量削减率可高达66.2%和49.4%,而对低频暴雨径流总量削减率仅为11.5%,洪峰流量无明显变化。由此可见,LID措施对研究区高频暴雨径流过程削减效果显著,而对低频暴雨削减效果较差,以上结果可为研究区的防洪排涝管理和海绵城市建设提供相应技术支撑。     

基于动力波法的高效高分辨率城市雨洪过程数值模型

基于物理定律的动力波方法,提出了高效高分辨率城市雨洪过程数值模型。该模型采用Godunov格式的有限体积法数值求解二维浅水方程,输入可表征真实城市地表的高分辨率地形数据,以精确模拟城市降雨径流及内涝积水过程。同时引入图形处理器（GPU）加速计算技术,在不降低精度的条件下大幅提升计算速度。并将模型用于模拟陕西省西咸新区内涝积水过程,发现计算结果与实测数据吻合度高,五处积水面积均实现较为精确地计算。证明该模型可快速准确模拟较大范围高分辨率城市雨洪过程,且能提供分析涝灾成因及计算污染物输移的流速,克服了常规水文模型的缺陷。可见,研究对指导城市规划及可持续性城市雨洪管理如海绵城市建设具有重要的应用价值。     

基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟

针对三维溃坝洪水数值模拟缺乏涉及城市复杂下垫面地形建模的水库溃坝洪水演进的研究现状,本文首先提出了基于TIN与NURBS曲面重构的精细地形建模方法,同时结合等效糙率法以区分不同的下垫面条件对洪水的水流运动产生的阻力影响,从而为溃坝洪水演进三维数值模拟提供精细的下垫面信息;其次,采用耦合VOF法的修正RNG k-ε湍流模型模拟了溃坝洪水的演进过程,并通过模型验证分析了该模型的准确性;最后,以某城市地区水库溃坝为例,分析了下游复杂区域洪水演进过程、流速、水深等水情信息。结果表明:本文提出的地形建模方法具有较小的数据储存量且保持较高的地形精度;同时基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟既准确地模拟了洪水演进过程,且充分地反映了溃坝水流的复杂流态及细节。     

水工模型试验中的草垫加糙方法研究

此文开展了草垫加糙方法的系列试验研究,计算了草垫加糙能够达到的糙率范围,得到了加糙后糙率与弗劳德数之间的变化关系,分析了草垫加糙对底部水流的影响,提出了草垫加糙的最小适用水深。将草垫加糙方法应用于滦河迁安段综合整治水力模型,试验结果表明,草垫加糙不仅可以达到模型糙率要求,而且能够很好地模拟河道的阻力特性,证明了草垫加糙方法的可行性。     

漫滩洪水中不同房屋分布的阻力特性研究

漫滩洪水是威胁滩区居民生命财产安全的一种主要自然灾害,村庄等微地貌直接影响洪水演进过程,故采用概化物理模型和数值模拟的方法研究滩区房屋分布的阻力特性。以黄河下游兰考东明滩区地形为参考,修建概化滩区的物理模型,研究主槽4种不同进口流量下,房屋呈4种不同排列方式及4种迎流角度条件下,房屋试验区水流的变化情况。试验结果显示随主槽进口的流量增大,房屋试验区四周的水深呈非线性增加;房屋试验区房屋呈不同排列方式时,模型试验区形成的局部阻力不同。然后采用数学模型计算典型工况的洪水演进过程,水位的计算值与实测值符合较好,模型具有较好的计算精度。最后采用加大糙率法计算溃堤水流演进过程,发现以曼宁系数取0.05、0.08、0.12和0.16分别代表房屋以3×3、4×4、5×5及交错排列情况下的综合阻力时,计算得到水深、水跃位置与模型试验结果基本一致。研究结果将为房屋合理布局,减少漫滩洪水淹没损失提供参考依据,亦可用于检验水动力学模型的计算精度。     

无管网资料地区城市雨洪过程模拟研究

为解决由于城市管网数据难以获取导致的城市内涝模拟困难的问题,本文基于SWMM模型、二维TELEMAC-2D模型以及两者耦合的TSWM模型,以广州市猎德涌流域为例,利用不同概化方法构建无管网情景下的模型并与有管网情景的模型进行对比分析,探讨了不同概化方法的适用性。研究结果表明：有管网模型的一维流量与二维淹没水深结果与实测结果基本相符,证明该模型在研究区内有较好的可靠性;降雨折减法、下渗增加法、管网概化法在不同重现期下模拟的淹没范围与有管网情景的模拟结果具有较好的相关性,其中下渗增加法与有管网情景的相关系数最高,淹没范围与淹没水深也最为接近,表明该方法在高度城镇化的无管网资料地区有较好的适用性。     

城市化对济南小清河流域产汇流的影响研究

快速城市化背景下，流域产汇流特性发生改变，城市洪涝灾害问题日趋严重。为揭示城市化引起的土地利用变化对城市产汇流的影响，本文以济南市小清河流域为研区，分析了该流域2000—2017年土地利用变化，并构建不同城市化条件下的暴雨洪水管理（SWMM）模型，通过设置多种暴雨重现期情景，模拟不同城市化条件下的洪水过程并定量分析其变化特征。研究结果13表明：2017年地表径流量和下渗量分别是2000年的1.42倍和1/2，径流系数从2000年的0.56提高到2017年的0.79，洪峰流量从285.7 m3/s提高到311.7 m3/s，城市化对暴雨洪涝过程有明显的放大作用；常遇暴雨下2017年峰现时间比2000年提前，稀遇暴雨下相近。     

城市洪涝模拟中无人机摄影测量技术应用进展

基于我国城市洪涝灾害的严峻形势和目前洪涝过程模拟模型的发展现状,指出精细化城市洪涝过程模拟是未来发展趋势。基于无人机低空摄影测量的数据获取方法能够提供高分辨率的地面信息,为城市洪涝过程模拟提供完备的数据基础。通过总结无人机相关技术指标和应用实例,指出利用低空无人机摄影测量获取的数据具有大比例尺、现势性强以及成本较低的优势,在众多领域得到广泛应用;同时,通过低空无人机摄影测量提供的土地利用、地形和洪涝范围等数据,可以完成精细化的洪涝过程模型建模与率定验证,三维模型与单体建模技术则能服务于数字化和更加精细化的洪涝过程模拟与展示。无人机摄影测量技术应用于城市洪涝过程模拟仍具有诸多问题,在未来的进一步应用中将得到不断完善和发展,具有良好的应用前景。     

一维水沙耦合模型参数敏感性分析——以2020年黄河下游洪水演进为例北大核心CSCD

一维水沙输移及河床冲淤模型中有较多理论上尚未解决的参数,而这些参数对一维模型精度的影响缺少定量分析。本文首先介绍了一维水沙耦合动力学模型,并将其应用于2020年汛期黄河下游的水沙过程模拟。计算结果表明:该模型能准确模拟水位和流量的变化,纳什效率系数基本大于0.85,均方根误差比相应的实测特征值小一个量级;计算沙峰虽然偏大,但计算的含沙量过程与实测过程整体符合,且模型计算的分河段冲淤量与断面地形法实测值较为接近。为分析模型中经验参数对模型计算结果的影响,以水文断面特征水沙参数的纳什效率系数作为目标函数,采用Sobol全局敏感性分析方法计算了各经验参数的敏感度指标。计算结果表明:糙率的总敏感度指标较高,是模型的高敏感参数;目标函数的选取对参数敏感度分析有一定影响,以含沙量纳什效率系数为目标函数时,挟沙力公式的系数及淤积时恢复饱和系数公式中指数的一阶敏感度和总敏感度指标较高;各参数组合对不同目标函数的影响差别较大,但对于同一目标函数存在影响作用相似的参数组合。全局敏感性分析方法刻画了模型参数的敏感性特征,有助于优化水沙数学模型参数取值。     

基于局部和全局方法的SWMM敏感参数识别

为了识别SWMM（storm water management model）模型的敏感参数，从而实现参数的高效率定，本文以深圳河流域为研究对象，构建SWMM模型，分别采用修正的Morris筛选法和互信息法，从局部和全局的角度定量分析重现期1年、10年和50年设计暴雨情景下排放口洪峰流量和流域平均径流系数对各参数的敏感性。结果表明，在不同的设计暴雨情景下，两种方法的结果均显示排放口洪峰流量对透水区曼宁系数和最小下渗速率最敏感，流域平均径流系数对下渗相关参数最敏感；然而，随着暴雨强度增大，两种方法计算得到的径流系数对最大下渗速率和最小下渗速率的敏感性变化趋势不同，Morris的结果显示递减，M-I的结果显示递增。