水文气象耦合的城市雨洪模拟与预警

随着我国城市化进程的加快，城市暴雨内涝问题日益凸显，解决城市雨洪的精准模拟与科学预警已迫在眉睫。本项目拟综合水文学、气象学、水力学、GIS等相关知识，采用水文气象耦合的计算模式对城市暴雨洪水预报进行研究。基于中尺度气象模式和城市分布式水文模型，建立城市雨洪预报模型，研究水文气象模型耦合的时空尺度转换问题，以及城市水文模型建立过程中区域概化与数据自动提取问题。探索气象模拟降雨数据、雷达测雨数据和自动雨量站测量数据等多源降雨信息的同化方法，通过对降雨模拟过程的循环反馈，实现分时段提高预报精度的目的。综合城市雨洪模拟的各个环节影响因素，研究影响水文气象耦合的城市雨洪预报精度的关键因素，探索模型预报精度与预见期之间的定量制约关系，为预警模式的研究提供依据。利用虚拟现实技术，研究基于三维虚拟空间的城市雨洪预警模式，将城市雨洪预警从二维推向三维。

随着我国城市化进程的加快，城市暴雨内涝问题日益凸显，寻求有效的手段，解决城市暴雨内涝的精准模拟与科学预警意义重大。在青年基金的支持下，申请人对水文气象耦合的城市雨洪模拟与预警进行了研究。通过收集哈尔滨市和北京市的水文气象资料、典型暴雨淹没数据，以及城市地形高程、影像、下垫面、排水管网等资料，研究了城市区域数据分类提取方法；分别建立了基于GIS和基于SWMM的城市降雨产汇流模型，对城市暴雨淹没状况进行模拟。基于虚拟现实技术，实现了研究区域空间环境的三维重构与实时交互仿真功能，为三维实时预警提供集成平台。在城市区域水文特征数据提取方面，提出了通过加载水流流向矢量数据，人工改变水系高程，使其具有高程梯度，从而使提取水系严格按实际水流流向进行汇流的新方法，该方法可以有效提高城市区域集水特征提取精度。建立了基于GIS的城市降雨产汇流模型，对产流单元与城市地下管网进行了概化处理，地下管网排水过程采用统一的设计排水能力量算。利用ArcGIS的空间分析模块对降雨积水情况进行了模拟，研究了城市区域洼地提取以及积水时洼地包含关系对积水过程的影响。建立了基于SWMM的哈尔滨市城市雨洪模型，根据DEM、下垫面状况以及排水管网，将流域离散成多个子流域，根据各子流域的产汇流性质与管网情况进行综合模拟。对水文气象耦合方法进行了研究，结合雨量站测量数据，采用数据同化与插值方法，为SWMM模型提供降雨输入条件。以哈尔滨市2008-2010年降雨资料以及相应积水点淹没数据对模型进行了率定验证，可以较好的模拟哈尔滨市暴雨积水过程。将基于GIS的模拟方法与SWMM模型方法进行了对比，分析了两者的优缺点。提出了基于虚拟现实技术建立城市防洪综合信息平台的总体结构，对海量数据的组织存储与实时可视化技术等系统构建关键技术进行了研究。提出了通过卫星高度角、太阳高度角、建筑物阴影长度与建筑物高度的几何关系来确定建筑物高度的方法。基于上述算法，采用osgearth快速构建了哈尔滨市城市三维虚拟环境，为暴雨预警提供了仿真平台。深入研究了洪水淹没、应急方案在三维仿真平台中的模拟方法，为城市洪涝灾害预警与应急决策提供了技术支撑。项目研究的相关成果发表学术论文12 篇，其中SCI 论文3篇，EI 论文9 篇，出版专著1部，获得软件著作权4项，承办中国科协第241次青年科学家论坛，参加国际会议3次，较好地完成了预期目标。