矢量与栅格水文计算单元协同的城市雨洪模拟方法研究_南师大赵宇.pdf

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1、矢量与栅格水文计算单元协同的城市雨洪模拟方法研究12023年中国测绘学会地下管线专业委员会年会赵宇 鹿鹏程 陈意文 张书亮 南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室2023年11月23日 上海目录Contents研究背景及意义研究内容实验设计及验证分析结论与展望一二三四2 研究背景及意义01PART ONE3一、研究背景及意义城市暴雨内涝灾害频发 近年来，随着全球气候变暖趋势加剧，各类极端气候事件多发频发，城市暴雨内涝已经成为我国面临的最主要自然灾害之一。2021年全年洪涝灾害共造成5901万人次受灾，因灾死亡失踪590人，倒塌房屋15.2万间，直接经济损失2458.9亿元。城市雨洪模拟通过城

2、市降雨径流过程模拟获取一定降雨条件下地表与地下的径流情况，可以为城市暴雨内涝防灾减灾方案的制定提供有力支撑，协助城市抵御暴雨内涝灾害带来的风险。n 城市暴雨内涝严重制约了我国城市的可持续发展n 城市雨洪模拟是一项有效的非工程性措施4背景意义研究内容实验验证结论展望一、研究背景及意义城市雨洪模拟 根据对地表空间的离散方式，可以将城市雨洪模型分为水动力学模型和水文学模型：水动力学模型：将地表空间离散成一系列反映高程的栅格计算单元，采用水动力学方程模拟雨水受重力作用在栅格单元上的流动。水文学模型：将地表离散成一系列矢量计算单元，这些矢量面通常表征流域范围或汇水区范围，模型采用概念性水文学方程来抽象表

3、达矢量面内的降雨产汇流过程。栅格与矢量水文计算单元在模拟精度、运行效率和对雨洪态势的表达能力上有显著差别。对于同一区域，栅格计算单元的模拟精度高但求解时间长，矢量计算单元运算效率高但模拟精度相对不足。现有城市雨洪模拟大多仅考虑了其中的一种单元或是简单地将两种单元串联耦合。n 目前主流的城市雨洪模型包括水动力学模型和水文学模型n 水文计算单元各有优劣5背景意义研究内容实验验证结论展望一、研究背景及意义6城市雨洪模型建模与计算方法研究现状模型类型研究人员方法描述研究内容水文学模型Duke等城市汇水区划分算法提出了综合REA和CEA算法的RIDEM模型，将道路、沟渠等地物信息与DEM数据融合，并利用

4、Burn in和D8算法生成汇水区。张书亮等城市汇水区划分算法根据城市三级雨水汇水体系地划分，提出逐步分级对城市雨水流域汇水区、城市雨水出水口汇水区和城市管段汇水区进行划分。陶涛等模型参数赋值方法分析与总结SWMM模型子汇水区关键参数的计算与赋值方法，例如曼宁系数、洼蓄深度、特征宽度等。马彦斌等模型参数率定采用Morris法对SWMM模型的参数进行敏感性分析，设计遗传算法对模型进行参数率定。水动力学模型Kalyanapu等模型GPU加速基于CUDA架构研发GPU并行计算方法，用于大范围、大尺度的水动力学模拟，经检验，GPU加速使得模型运行效率提升了15倍左右。E Macca等半隐式有限体积法求

5、解浅水方程设计半隐式有限体积法，引入CFL（步长调控系数）来扩大二维浅水方程的时间步长，以提升模型运行效率。背景意义研究内容实验验证结论展望一、研究背景及研究意义7研究现状分析总结（1）水文计算单元的空间认知不够全面水文计算单元是城市雨洪模拟的基本单元，其空间数据结构、空间位置和形态特征蕴含着丰富的信息。现有研究在认知水文计算单元时更多关注其水文特性，并未对隐藏在水文特性背后的空间特征进行全面认知，因此仍需加强对水文计算单元的空间认知与表达的研究。（2）缺乏将矢量与栅格水文计算单元深度融合的架构 为了集成水文学模型和水动力学模型的优势，许多学者研发了水文水动力耦合模型，这些模型大多基于“串联式

6、”耦合，即将雨洪过程拆解为多个阶段，在不同阶段采用不同的模拟方法，并没有从底层机理上将矢量与栅格水文计算单元结合起来。因此，如何设计一种合理的城市雨洪模型架构，使得矢量与栅格水文计算单元能取长补短，协同一致地完成城市雨洪模拟，仍待进一步研究。（3）缺少水文学模型和水动力学模型协同模拟的实验方法设计 当前城市雨洪模拟的研究仅侧重于采用某一类城市雨洪模型，较少探究如何同步使用水文学模型和水动力学模型进行城市雨洪模拟及验证，所以亟需设计提出新的实验方案能够开展类似模拟。背景意义研究内容实验验证结论展望一、研究背景及研究意义研究意义 分析比对水文学模型和水动力学模型底层水文计算单元的空间特征和水文属性