暴雨空间分布结构对城市内涝影响机理研究

Over the past few years, many cities in China have experienced serious flooding, posing significant impacts on resident life and social economy. Therefore, urban flooding has become a serious problem that needs to be urgently addressed to ensure the sustainable development of the society. The intensity and frequency of extreme rainfall events, as the main reasons that affect urban floods, have been paid much attention, but little efforts have been made to investigate the spatiality of extreme rainfall and its impacts on urban flooding. This study aims to examine the spatial structure of the rainfall extremes and the resulting impacts on urban flooding, with particular focus on “spatial characteristics of rainfall extremes” and “the mechanisms of the spatial rainfall in affecting urban flooding”. More specifically, this research attempts to (i) develop a threshold-based extreme-valued spatial non-stationary model (consider climate change) to investigate the spatial structure of extreme rainfall events with different durations, thereby revealing the underlying mechanisms of the spatial extreme rainfall; and (ii) develop a rainfall spatial structure-urban drainage model to explore the internal relationship between rainfall spatiality and urban flooding, thereby building improved understanding of the spatial rainfall in affecting urban floods (e.g., degree, scope, and spatiality). The outcome of this project is an offer of the theoretical and scientific basis for forecasting and controlling urban floods, as well as for developing sponge cities in China.

近年来，暴雨内涝在全国很多城市凸现，对居民生活和社会经济都产生严重影响，已成为社会发展迫切需要解决的问题。暴雨强度和发生频率是城市内涝的重要因素，其研究备受关注，然而，目前针对暴雨空间分布结构及其与城市内涝之间的关联研究甚少。本项目创新研究暴雨空间分布结构对城市内涝的影响机理，重点探析“暴雨空间分布机制”和“暴雨空间分布结构对城市内涝的影响机理”两个关键科学问题。本项目拟建立基于阈值的非稳定性(考虑气候变化影响)极值空间统计模型研究不同历时暴雨的空间分布特征（覆盖尺度与暴雨强度空间差异性），以揭示暴雨空间分布机制；提出暴雨空间结构与城市排水系统耦合的内涝分析方法，深入研究暴雨空间分布结构（考虑不同历时的暴雨和不同空间密度的暴雨数据）与城市内涝特征（程度、范围及空间分布）之间的内在关联机理。本项目研究成果将为城市内涝预测与控制、以及海绵城市建设提供理论基础和科学依据。

内涝灾害在我国诸多城市凸现，已严重影响城市居民生活和社会经济发展。据统计，2008年以来全国62%的城市发生过内涝，其中2010-2016年平均每年有超过180座城市发生过内涝，造成了巨大经济损失，并严重破坏了城市水环境。城市内涝与诸多因素有关，其中极端降雨是造成城市内涝的直接外在因素。城市降雨受到大尺度陆面水文过程和中小尺度天气系统的影响，呈现很大的空间分布差异性，易造成局部区域的严重内涝灾害。因此，本项目瞄准暴雨空间分布结构及其对城市内涝的影响机理开展研究，具有重要科学意义。.本项目主要开展了基于阈值的非稳定性极值空间统计模型、暴雨空间分布机制以及暴雨空间分布结构对城市内涝的影响三部分研究工作，具体包括①：空间统计模型基础理论研究；②：模型拟合方法研究；③：基于设计试验的模型验证研究；④：空间统计模型的实际应用；⑤：研究区域的降雨空间分布特征研究；⑥：珠海研究区域排水管网水力模型；⑦：暴雨空间结构-排水管网耦合方法研究；⑧：暴雨空间分布对城市内涝的影响分析研究。.本项目所建立的暴雨空间分布模拟方法应用于珠海降雨数据，发现该地区的暴雨存在很大的空间分布不均匀性，在空间距离1km上降雨强度可相差30%，这个关键数据为当地城市排水系统的规划和设计提供了重要依据，因此具有重要的科学意义；暴雨空间分布差异与城市内涝特征存在非常大的相关性，尤其是和内涝的空间分布特征息息相关，因此，在城市内涝风险评估或系统改扩建时，需充分考虑当地降雨的不均匀性，也需要建立针对降雨空间不均匀性的雨量监测方案，包括空间密度和布置位置；建立了暴雨空间分布-城市排水系统耦合模拟方法，可模拟多种暴雨空间分布结构对城市内涝特征的影响，这为城市内涝的风险评估提供了新的思路和技术储备。.基于本项目资助，发表第一/通讯作者SCI论文6篇；培养博士生1名，硕士研究生1名；负责人郑飞飞在该项目的支持下，于2019年获得了国家优秀青年基金资助。