城市化对暴雨洪涝的放大效应及城市雨洪模型研究

Facing the city's vulnerability by the rapid development of urbanization, and the increasingly frequent storms and floods disasters, this proposal takes the rain island effect, surface hardening, the water distribution network and drainage of water system as the research object, through investigating in comparison test and digital model, to reveal the amplification effect of storm and flood by utilization in precipitation, runoff yield ,flow concentration. On the basis of the research, by using radar and digital weather forecasting to study on the uneven urban rainfall and its process, and using remote sensing clustering and multivariate analysis method to study on the relationship of underlying surface and the parameter of runoff yield, and using comparison test and mechanism analysis to study on the parameter of flow concentration of urban drainage system, the conclusion of precipitation model is got, runoff yield model and flow concentration model, in addition, the urban storm water model which fits the urbanization in China very well is built. At last, the Moshui Lake of its original ecology in south shore is selected and its old city subdivision in north shore in Hanyang as the typical area for the applied research, by applicating the model to to provide scientific and technical support for the urban rain flood forecasting, flood detention management, design of drainage capacity of the pipe network and the scale of land use.

针对快速城市化造成的脆弱城市，及其面临日益频繁的暴雨洪涝灾害，以城市雨岛、硬化地面、下水管网和渠化河道为研究对象，通过试验场对比试验和数值模型研究，从降雨、产流和汇流三个方面揭示城市化对暴雨洪涝的放大效应。在该效应研究的基础上，利用雷达和数字天气预报研究城市降雨不均匀分布和过程，利用遥感聚类和多因素相关分析方法研究下垫面和产流参数之间的关系，利用对比试验和机理分析研究城市排水体系的汇流参数，分别得到降雨模型、产流模型和汇流模型，并耦合构建适应我国城市进程的城市雨洪模型。最后，选择南岸为原生态区，北岸为老城区的湖北省武汉市墨水湖区域作为典型研究区，利用该模型对其暴雨洪涝过程进行模拟应用和对比研究，为城市的暴雨洪涝灾害的应急管理、城市管网排水能力设计和土地利用规划提供技术支撑。

城市化的快速发展对城市地区的水文循环规律造成很大影响，城市暴雨洪涝灾害已成为我国城市发展面临的严峻水问题之一。以武汉市为研究区域，运用统计学手段和不透水面积提取方法分析了城市雨洪放大效应驱动因子的演变规律，利用遥感影像和地理信息系统分析技术构建了分布式城市雨洪数值模型，通过该数值模型结合径流实验场对比实验研究，从降雨、产流和汇流三个方面揭示城市化对暴雨洪涝的放大效应，项目的主要研究工作包括：.（1）从降雨、产流和汇流三个方面凝练出城市雨洪的放大效应驱动因子：降雨强度、不透水面积比例和排水管道密度。.（2）构建了基于遥感数据和地理信息系统技术的分布式城市雨洪模型。模型根据栅格的覆盖类型，其产流过程选择树木冠层截留、蒸散发、土壤下渗、地表产流等水文过程的不同组合；汇流包括建筑物的非线性水库汇流、地表二维水动力坡面汇流和地下管网一维水动力汇流，形成“屋顶-地面-管网”的汇流模块。.（3）选取汉阳十里铺汇水区为计算区域，利用遥感数据处理得到模型输入需要的数据，对构建的分布式雨洪模型进行了率定和验证，模拟结果表明，模型在十里铺汇水区模拟性能良好，率定期和验证期的平均Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.78和0.67。.（4）在武汉大学降雨径流实验场进行人工降雨径流实验以及对实验场建立数学模型，进行多种情景分析模拟，结果表明，当雨强一定时，不透水面积比例与径流系数放大倍数、洪峰放大倍数呈抛物线增长关系；排水管道密度与洪峰放大倍数呈线性增长关系；雨强则与径流系数放大倍数、洪峰放大倍数呈幂函数关系。.（5）将响应函数推广应用到武汉市主城区，结果表明， 2011年的洪水径流系数较1991年放大了1.36倍，洪峰则放大了1.83倍。.构建一个基于遥感数据和地理信息系统的分布式城市雨洪模型，研究城市水文过程模拟以及城市雨洪放大效应具有十分重要的科学意义和应用价值。旨在为城市的暴雨洪涝灾害的应急管理、城市管网排水能力设计和土地利用规划提供技术支撑。