暴雨空间分布不均匀性对城市洪水响应的影响机制研究

Storm-flood disaster is the prominent problem in urban development in China. Since the small urban scale and the limit of observation condition, the storm spatial distribution within urban area has been omitted for a long time. However, with the expanding scale of urban construction and the increasing impact of urbanization effect, the spatial heterogeneity of storms is increasingly pronounced. Thus, under the current environment, how is the spatial heterogeneity of storms in urban watersheds? What is its impact on urban flood responses? The above problems need to be solved urgently. In this project, the representative urban watershed in Shanghai Metropolitan Region is set as the study area. The spatial heterogeneity of storms and its impact on flood responses will be examined systematically by using multiple methodologies including spatial analysis, numerical simulation and statistical learning. Different from the conventional studies, the spatial characteristics of urban storms are considered to improve both the design storm method and the theoretical system of storm-flood mechanism. The key technical issue in urban flood responses can be solved, demonstrating the impact mechanism of spatial heterogeneity of storms on urban flood responses. The results help to provide both important theoretical basis for urban flood prevention design and technical support for “sponge city” in China.

暴雨洪灾一直都是我国城市发展面临的突出问题。长期以来，由于城市面积较小和观测条件的限制，暴雨在城市内部的空间分布特性被基本忽略。然而，随着城市建设规模的扩大和城市化效应的加剧，城市暴雨空间分布的差异日趋增大。鉴于此，在当前的变化环境下，城市暴雨空间分布不均匀性如何？其对城市洪水响应有何影响？已成为迫切需要解决的难题。本项目以上海典型城市流域为研究区域，采用空间分析、数值模拟和统计学习等方法，系统开展暴雨空间分布不均匀性及其对城市洪水响应的影响的研究，弥补以往仅考虑降雨时程变化的缺陷，探索城市暴雨空间分布规律，改进包含空间分布信息的设计暴雨方法，完善城市流域暴雨-洪水响应机制的理论体系，揭示暴雨空间分布不均匀性对城市洪水响应的影响机制。预期成果可为城市防洪规划提供科学的理论依据，为“海绵城市”建设提供重要的技术支撑。

暴雨洪灾一直都是我国城市发展面临的突出问题，以郑州“720”特大暴雨为典型的城市极端暴雨洪水事件发生频率、强度不断增加。伴随着城市建设规模的扩大和城市化效应的加剧，城市暴雨空间分布的差异日趋增大，城市暴雨空间分布不均匀性及其对城市洪水响应的影响是解决城市雨洪灾害的关键科学问题。.本项目以上海典型城市流域为研究区域，采用空间分析、数值模拟和统计学习等方法，探索了城市暴雨时空变异性规律，重点研究暴雨空间分布不均匀性特征、包含空间分布信息的设计暴雨及其洪水响应过程，分析其中影响城市洪水响应的关键要素，探索暴雨空间分布不均匀性对洪水响应的影响机制。取得的重要成果包括：.①系统性揭示了变化环境下城市极端暴雨时空变异性规律，实现了对城市致灾暴雨机理认识的显著提升。通过地理分析技术与时序分析技术相结合的手段，提出了定量评估城市暴雨空间聚集特性指标，揭示了近20年间城市暴雨空间分布异质性上升了至少14%，城市短历时暴雨在空间上的聚集位置逐渐趋向与高度城市化位置重合的特征。.②提出了考虑暴雨时空分布异质性的随机暴雨移置方法（SST），为提高城市防洪设计标准提供了新途径。通过概率重采样和地理移置相结合的方式模拟暴雨序列，并将SST与Copula函数耦合，进行多变量暴雨频率分析，提供了精细化、布动态化的城市设计暴雨方案，研究结果证明了不同重现期下设计暴雨的时空结构存在变异性。.③揭示了城市极端暴雨与城市洪水的响应机理，完善了城市暴雨洪涝灾害理论体系。利用SST生成的具有不同时空分布情景和降雨历时的设计降雨，耦合城市水文模型(GSSHA)，研究降雨时空变化在城市流域尺度上与洪水响应特征的定量关系，揭示了暴雨空间不均匀性对城市多尺度洪水响应的影响，尤其是对洪峰的影响能达到50%以上，暴雨的空间属性在大重现期下对洪峰影响程度更高。.研究成果完善了城市流域暴雨-洪水响应机制的理论体系，可为城市防洪规划提供科学的理论依据，为海绵城市建设提供重要的技术支撑，对我国城市的可持续发展具有重大的理论意义与应用价值。本项目完成学术论文8篇，申请专利1项，在太湖流域、上海等城市进行了工程实践应用。