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地球信息科学学报 >

2016 , Vol. 18 >Issue 4: 506 - 513

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2016.00506

暴雨内涝危险性情景模拟方法研究——以上海中心城区为例

  • 黄清雨 ,
  • 董军刚 ,
  • 李梦雅 ,
  • 王军 , *
展开
  • 1. 华东师范大学地理科学学院,上海 200241
  • 2. 华东师范大学 地理信息科学教育部重点实验室,上海 200241
*通讯作者：王 军(1975-),男,陕西人,博士,教授,博士生导师,主要从事城市自然地理与灾害风险研究。E-mail: jwang@geo.ecnu.edu.cn

作者简介：黄清雨(1991-),男,山东人,硕士生,主要从事灾害应急疏散方法研究。E-mail:

收稿日期: 2015-07-28

  要求修回日期: 2015-08-18

  网络出版日期: 2016-04-19

基金资助

国家自然科学基金项目(71373084)

上海市科委基础研究重点项目(15DZ1207805)

收起

Research on the Scenario Simulation Method of Rainstorm Waterlogging Hazard: A Case Study in the Central Urban Area of Shanghai

  • HUANG Qingyu ,
  • DONG Jungang ,
  • LI Mengya ,
  • WANG Jun , *
Expand
  • 1. School of Geographic Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China
  • 2. Key Laboratory of Geographic Information Science of Ministry of Education, East China Normal University, Shanghai 200241, China
*Corresponding author: WANG Jun, E-mail:

Received date: 2015-07-28

  Request revised date: 2015-08-18

  Online published: 2016-04-19

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《地球信息科学学报》编辑部 所有
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摘要

本文采用地理信息系统技术（GIS）与水文/水动力学相结合的方法,使用修正的SCS模型进行产流模拟,利用局部等体积法和水动力模型进行汇流模拟,建立了基于情景的城市暴雨内涝危险性模拟工具,并对相同雨强情景下不同汇流模型的模拟结果与精度进行了对比分析。结果表明：（1）局部等体积法计算简单,对降雨的时程分配较为敏感,峰前历时和雨强对结果影响显著,较适合于雨型确定的城市暴雨内涝危险性快速模拟;水动力模型计算复杂,与整个降雨历时存在明显关系,模拟精度较高。（2）利用台风“麦莎”带来强降雨导致的积水实测数据,对模拟结果进行对比和验证,表明本文建立的水动力模型法模拟结果与实测降雨积水更为接近,更适合上海中心城区暴雨内涝危险性情景模拟。

关键词： 暴雨内涝; 危险性模拟; 局部等体积法; 水动力模型法; 上海中心城区

本文引用格式

黄清雨 , 董军刚 , 李梦雅 , 王军 . 暴雨内涝危险性情景模拟方法研究——以上海中心城区为例[J]. 地球信息科学学报, 2016 , 18(4) : 506 -513 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2016.00506

Abstract

For the purpose of simulating rainstorm waterlogging scenarios in the urban areas that have specific terrain surface characteristics, a comprehensive methodology derived from the hydrology/hydrodynamic theory and the geographic information system (GIS) is proposed in this paper. Moreover, a modified SCS model is utilized for the runoff producing simulation, while a locality volume equation and a hydrodynamic model are used for runoff converging simulation. Taking the central urban area of Shanghai as an example, rainstorm scenarios with 100-year return period are designed for the simulation. Meanwhile, based on the same runoff producing process, the locality volume equation and hydrodynamic model are used to simulate the waterlogging course respectively. Thereafter, a comparison is made to reveal the distinction of accuracy among the results acquired from these diverse models. The results indicate that: (1) it is easier for the runoff converging calculation to use the locality volume equation, but the results are obviously influenced by the temporal distribution of the rainfall course, especially at the period before the peak, as well as by the intensity, thus this model is more feasible for fast waterlogging simulation if the rainfall pattern is determined in advance. As for the hydrodynamic model, the runoff converging calculation is more complicated, but shows a better performance and higher precision when being used for simulating a longer rainfall process. Furthermore, the results have a closer relationship with the rainfall duration. (2) Specifically, these two models are verified based on the inundation data measured during the typhoon “Matsa”. A comparison between the simulation results and the historical data predicts that, although more or less a deviation is inevitable, the hydrodynamic model performs better in fitting the characteristics of urban rainstorm waterlogging, thus basically it's found more suitable for simulating the waterlogging hazard in the central urban area of Shanghai.

Key words： rainstorm waterlogging; hazard simulation; locality volume equation; hydrodynamic model; central urban area of Shanghai

1 引言

城市是自然过程与社会经济过程密切相互作用的复杂系统。在全球变化和快速城市化背景下,城市地区发生大暴雨及次生洪涝灾害的概率不断提高。城市暴雨灾害风险研究的核心是危险性模拟。SWMM、Wallingford、MIKE等是广泛使用的暴雨内涝模拟模型,但这些模型所需参数较多,对参数的输入要求很高[1],建模效率偏低[2]。近年来,不少学者利用GIS建立简化的城市暴雨洪涝模型[3-5],有效地提高了运算效率,但仍无法模拟雨涝动态过程,且模拟精度也有待验证。在GIS、LiDAR等技术的支持下,城市暴雨内涝模型集城市高精度地形模型（DEM/DTM）、一维排水管网/河道水动力模型和二维水平漫流水动力模型于一体,并获得了较为理想的模拟结果,但模型计算量大,多用于小区域暴雨洪涝模拟[6-7]。
2005年,台风“麦莎”引起的强降雨在上海普陀、徐汇、长宁和虹口等区降雨量均超过200 mm,致使上海市区238条道路积水,深度达20~30 cm[8];2006年7月8日,上海遭遇强对流天气,浦东、崇明、杨浦和虹口等区（县）降雨量达70~150 mm/h,大大超过排水能力,导致60多条马路积水,1500多户民居进水[9];2013年9月13日,上海遭遇百年一遇特大暴雨,导致浦东、黄浦、杨浦、长宁等中心城区80多条道路短时积水20~50 cm;2013年10月8日,上海受台风“菲特”影响,市内11个标准测站降水量平均值达到156 mm,为1961年以来全市平均单日降雨量历史第1位。目前,虽然已有大量关于上海城市暴雨内涝的研究[10-11],但对危险性模拟采取方法的精度与可靠性关注不够。
针对当前城市暴雨内涝模拟方法研究的迫切需要,本文以GIS与水文/水动力学方法相结合的思想,使用修正后的SCS产流模型,分别结合局部等体积法和水动力汇流模型,开发了城市暴雨内涝灾害危险性模拟工具,模拟了2006年上海中心城区遭遇百年一遇强降雨的内涝情况,结合危险性模拟结果,对比分析了2种汇流模拟方法的适用情况及特点,并利用台风“麦莎”带来的暴雨内涝实测积水数据,对2种方法的精度进行了验证。本文所建立的城市暴雨内涝危险性模拟方法,对开展城市暴雨内涝危险性研究具有科学的指导意义。

2 研究区概况与数据源

本文以上海中心城区为研究区,以外环高速公路为界。该区域总面积667.1 km2,属于上海老城区,地面高程一般在3~3.5 m,地势低洼,受地面沉降影响严重,加之排水设施老旧,是上海暴雨内涝灾害频发区域。
本文使用2006年的数字高程模型（DEM）和土地利用类型数据进行模拟计算,DEM精度为20 m×20 m。在对上海中心城区地形开展实地调查基础上,以研究区的数字高程模型为基础,结合土地利用类型数据,根据SCS产流模型需要,划分成工业用地、交通用地、公共设施用地、居住用地、绿地、农业用地、水体和未利用地8种类型。

3 城市暴雨内涝模拟分析

3.1 城市降雨过程模型与模拟

降雨是城市内涝灾害的驱动因子,在城市暴雨内涝灾害研究中,常使用实测降雨数据或设计降雨模型进行模拟。由于灾害风险研究更关注一些可能带来损失的极端事件,而设计暴雨模型符合灾害风险研究中的极值模型理论,因此本文选用设计暴雨模型的方法模拟城市降雨过程。目前,中国城市暴雨强度公式[12]的一般形式如式（1）所示。
i = a ( t + b ) c （1）
式中：i为降雨强度;t为降雨历时;a、b、c为暴雨公式参数。参考上海市政工程设计院通过数理统计法得到的上海市暴雨强度公式,确定暴雨公式参数为： a = 33.2 ( P 0.3 - 0.42 ) ; b = 10 + 7 lgP ; c = 0.82 + 0.01 lgP c = 0.82 + 0.01 lgP ,其中P为暴雨的重现期。暴雨强度公式是对最强时段降雨量的描述,无法反映雨强随时间的变化,因此,必须选取适当的雨型对暴雨强度公式做符合实际的时程分配[13]。
岑国平等对国内外几种常用设计暴雨雨型进行比较后发现,芝加哥雨型对城市暴雨过程模拟效果较好[14],其将降雨分为峰前和峰后,并使用雨峰系数r描述暴雨峰值发生的时刻。本文采用芝加哥雨型,降雨历时设计为2 h,时间步长为5 min,并采用符合上海地区降雨特征的雨峰系数r = 0.46[15]。

3.2 城市暴雨内涝产流模型及模拟

城市地表产流是城市暴雨经过扣损,形成径流的过程。在该过程中影响降雨损失的因素有很多[5],其中下渗对径流的形成起决定作用[3]。SCS产流模型是美国农业部土壤保持局在20世纪50年代提出的小流域水文预报模型,该模型考虑了流域下垫面条件对径流的影响[16],在国内外得到了广泛应用。由于上海的下垫面性质和气候条件等与美国不同,本文采用贺宝根等修正建立的适合上海地区的SCS降雨径流模型[17],进行暴雨内涝产流模拟。修正后的SCS公式如式（2）所示。
Q = ( P - 0.05 S ′ ) 2 ( P + 0.95 S ′ ) （2）
式中：P为降雨量;Q为净雨量,即径流量; S ′ 为流域饱和储水量。饱和储水量 S ′ 可通过径流曲线数值CN求得（式（3））。
S ′ = 25400 CN - 254 （3）
SCS方法的关键是确定CN值[18],CN是一个反映降雨前流域特征的综合参数,与前期土壤湿润程度、土壤类型和土地利用状况等有关[19]。前期已在上海浦东新区降雨径流研究中确立了CN值矩阵,并对不同土地利用类型对应的径流曲线数值进行了赋值[20]。

3.3 城市暴雨内涝汇流模拟

城市地表产生径流后,各径流汇集到相应径流单元出口断面的过程称为汇流[3]。为了对比汇流模拟效果,本文建立了局部等体积法和水动力模型2种方法,对城市暴雨内涝汇流过程进行模拟。
3.3.1 基于局部等体积法的城市暴雨内涝汇流模拟
局部等体积法是在等体积法的基础上,考虑城市地形对径流的阻碍作用,将研究区划分为若干集水区,以模拟城市地区存在的径流限制,并分别对各个子区域进行等体积法的计算,最后进行集水区合并的模拟方法。
等体积法的基本原理是某一时间步长内的径流总量等于该时间步长内的淹没总积水量。该方法不考虑汇流的具体过程,只是根据径流由高向低流动的重力特性和地形起伏情况,分别填充各个洼地[5]。具体解算公式如式（4）所示。
W = ∬ A [ E w ( x , y ) - E g ( x , y ) ] dσ （4）
式中：W为积水淹没范围内总水量;A为淹没区域; E w ( x , y ) 为积水水面高程; E g ( x , y ) 为地面高程; dσ 为淹没区面积微元。
考虑城市暴雨内涝积水流速较慢,本文将淹没水面近似简化为平面,将式（4）简化为式（5）。
W = ∬ A [ E w - E g ( x , y ) ] dσ （5）
式中：Ew为整个区域统一的积水水面高程。由于反映城市地形变化的DEM数据是以离散的规则格网来表示地表高程,因此,可对式（5）进行离散化 处理,如式（6）所示。
W = ∑ i = 1 N [ E w - E g ( i ) ] Δσ （6）
式中： Δσ 为栅格单元的面积;N为淹没区域栅格总数; E g ( i ) 为第i个栅格的高程。此时,只有2个待求量N和Ew,N反映了积水在城市地表的分布,Ew反映了积水量的多少。本文先采用二分法对Ew进行求解,再利用Ew结合城市地表高程模型求解N。
由于上海中心城区排水能力很低,且集水区内排水管网的空间分布和排水能力比较相近,故可采用上海平均排水能力对城市排水系统进行简化,即一年一遇的标准（每小时抽排36 mm雨水）[21]。对排水能力进行简化后,用局部等体积法进行城市暴雨内涝汇流模拟的具体过程为：以5 min为时间步长,首先用局部等体积法对本步长内的汇流过程进行模拟,将模拟得到的积水量与排水量进行求差,差值小于0的区域视为无积水,然后进入下一步长,如此循环迭代,直到完成整个降雨历时的模拟。
3.3.2 基于水动力模型的城市暴雨内涝汇流模拟
基于水动力模型的汇流模拟方法,多以一维圣维南方程组为控制方程,考虑时间因素与空间因素,根据质量守恒定律和动量守恒定律对水流的运动过程进行模拟。该方法考虑了不同地点的流速与水深,模拟精度较高。但在城市地区,汇流并非一个一维的流动过程[22],采用一维圣维南方程组,无法较好地模拟水流运动,存在明显的局限性[23]。近年,在高精度地形模型的支持下,二维水动力模型得到了进一步的发展与简化[24],一些GIS与水文/水力学方法相耦合的暴雨内涝模型也应用于实 践[25]。本文参考Yu等建立的水动力模型简化方案[26],采用动态时间步长,编程实现了利用二维运动波模型对城市暴雨内涝汇流过程的模拟。
描述暴雨内涝汇流过程的圣维南方程组由连续方程和动量方程组成（式（7））。
∂ h ∂ t + ∂ Q x ∂ x + ∂ Q y ∂ y = r e （7）
式中：h为内涝积水深度;t为时间;Qx、Qy分别为x、y方向上的单宽流量;re为暴雨产流。
动量方程为式（8）：
x 方向： ∂ u ∂ t + u ∂ u ∂ x + v ∂ u ∂ y = g ( S 0 x - S fx - ∂ h ∂ x ) y 方向： ∂ v ∂ t + u ∂ v ∂ x + v ∂ v ∂ y = g ( S 0 y - S fy - ∂ h ∂ y ) （8）
式中：u、v为x、y方向上的平均流速;g为重力加速度;S0x、S0y为x、y方向上的坡度比降;Sfx、Sfy为x、y方向上的摩阻比降。对动量方程进行简化,忽略其中的惯性项和压力项,得到二维运动波方程（式（9））。
S fx = S 0 x S fy = S 0 y （9）
由式（9）可看出,运动波方程实际上是稳定流方程,它假定摩阻比降与坡度比降一致,因而可采用不同的稳定流方程对流量和积水深度进行描 述[27]。本文采用曼宁公式（式（10））进行求解。
Q x = w d x 5 3 S 0 x 0.5 n Q y = w d y 5 3 S 0 y 0.5 n （10）
式中：Qx、Qy分别为x、y方向上的流量;w为栅格宽度;dx、dy为x、y方向上的有效水深;n为曼宁系数。
联立式（7）和（10）,并结合城市栅格地形数据的特点,对方程组进行离散求解,可得式（11）。
ΔhΔxΔy + Δ Q x ΔtΔy + Δ Q y ΔtΔx = r e ΔtΔxΔy （11）
由式（11）可看出,在一个时间步长内,各个栅格的降雨量之和减去沿x、y方向栅格间的交换水量,就等于各个栅格上的积水量。本文不仅对方程组进行了空间上的离散,还进行了时间上的离散,离散后的时间片段时长为模型的时间步长。对每一时间步长来说,均采用当前时间步长中的最大水流速度和最大有效水深,动态计算出下一时间片段的时长。计算公式如式（12）所示。
Δt = w max ( v ) + gmax ( d ) （12）
由于研究区可能存在局部低点,式（12）无法保证区内的所有栅格均满足Courant稳定性条件,因此,引入参数Courant number提高模拟精度[26,28]。
同样,本方法将研究区内的平均排水能力设定为一年一遇标准。用水动力模型进行暴雨内涝汇流模拟的具体过程：（1）根据上述时间步长计算公式得到当前模拟时段的时间步长,提取当前时刻某栅格的初始积水深度,并将其与该栅格的暴雨产流量相加,考虑到排水能力,再将之前相加的结果与该段时间内的排水量进行相减,作为当前时间步长该栅格的水量;（2）计算当前栅格向相邻栅格输出的水量,并记录该栅格的剩余水量;（3）对研究区所有栅格进行以上计算后,将输入到该栅格的总水量加上本栅格剩余水量,作为当前时间步长模拟完成时该栅格的水量,并用于下一时间步长的模拟,重复上述计算过程直至完成整个模拟。
根据上述流程建立的城市降雨过程模拟、暴雨内涝产流模拟,以及暴雨内涝汇流模拟方法（包括局部等体积法和水动力模型法）,已在Visual Studio 2008和ArcEngine 9.3环境下,采用C#语言,开发集成为“城市暴雨内涝灾害风险评估工具集”,详见文献[29]。

3.4 城市暴雨内涝危险性模拟结果分析

（1）不同暴雨内涝危险性模拟对比分析
本文采用已开发的“城市暴雨内涝灾害风险评估工具集”,对上海中心城区的暴雨内涝危险性进行了模拟。模拟年份设定为2006年,降雨重现期为百年一遇,降雨历时为2 h,总降雨量为222.85 mm,在汇流阶段分别采用局部等体积法和水动力模型进行模拟,最后得到了上海中心城区最大积水深度对比结果（图1）。
Fig. 1 Comparison of hazard simulation results with two methods

图1 危险性模拟方法结果对比

从图1可看出,不同汇流模拟方法得到的危险性模拟结果在空间分布上存在一定差异。采用水动力模型得到的结果,积水分布范围较广,整体积水较浅;而局部等体积法得到的结果,整体积水深度较深。
为了深入对比不同方法的差异,对2种模拟方法得到的积水面积进行统计（图2）。从图2可看出,由于使用了统一的产流模型,2种方法模拟的城市内涝均开始于第30分钟。在此后的时间里,局部等体积法的积水面积均小于水动力模型法。这是因为水动力模型考虑了积水流动的过程,降雨强度较大时即使地势较高处也会在一定时间内存在积水,而局部等体积法的模拟则主要根据地势的高低决定积水的分布,在一个局部区域内只要不是整体受淹,地势相对较高的地点将不会出现积水。
Fig. 2 Comparison of total catchment area variation with time for each simulation method

图2 2种危险性模拟方法积水面积对比

Fig. 3 Comparison of maximum inundation depth variation with time for each simulation method

图3 2种危险性模拟方法最大积水深度对比

图3很好地反映了2种模拟方法间的主要差异。局部等体积法的最大积水深度随着降雨强度的增加而迅速变大,当降雨强度达到峰值时,最大积水深度接近其最大值,此后随着降雨历时的推移,最大积水深度变化很小。而水动力模型则与之不同,在30~45 min之间,最大积水深度变化很小,一直保持较低水平;45 min后,尽管降雨强度经历了到达峰值,然后逐渐减小的过程,但最大积水深度却一直增加,最后甚至超过了局部等体积法的最大积水深度,且在整个降雨历时结束时仍保持增长的趋势。究其原因,局部等体积法不考虑水的流动情况,只是根据地形起伏对总积水量进行空间再分配,因此最大积水深度会在峰前迅速增加,峰后则无明显变化;而水动力模型不仅考虑了地形因素,还考虑了水流因素,随着时间的变化,水逐渐汇集到低洼处,最大积水深度因而不断增加。
综合图2和图3的结果可知：整个降雨过程中,采用局部等体积法模拟时,峰前随降雨强度的增大,最大积水深度迅速增加并接近最大值,积水面积持续增长,但明显小于水动力模型的结果;峰后随降雨强度的减小,最大积水深度和积水面积均无显著变化。由此可见,峰前和峰后的积水过程明显不同,局部等体积法对降雨的时程分配较为敏感。对于水动力模型,积水面积在降雨强度达到峰值时最大,且远大于局部等体积法,这说明积水分布较广,不只是存在于地势低洼处;峰后随着降雨强度的减弱,积水面积较局部等体积法减小明显,最大积水深度则显著增加,这就是积水向低洼处汇集的结果。随着时间推移,最大积水深度持续增加,且在降雨历时结束后仍保持变化。
（2）不同暴雨内涝危险性模拟结果验证分析
2005年8月台风“麦莎”侵袭上海,导致上海局部区域（普陀、徐汇、长宁、虹口、杨浦等）短时间内遭遇强降雨,这场降雨被认为是强度达百年一遇的降雨。由于这次强降雨与本文前面模拟百年一遇强降雨时,使用的地形和土地利用等数据在时间上基本一致,因此,本文采用这次强降雨的实测积水数据来验证所建模拟方法的精度,共选择上海中心城区16个道路交叉点作为验证点（图1）,验证数据均为降雨2 h时的实测积水深度数据。由对比结果可知（表1）,局部等体积法得到的积水深度与实测积水深度偏差较大,而水动力模型法模拟的结果与实测数据较为接近。因此,上海中心城区在进行精度较高的强降雨模拟时,宜采用水动力模型法。
Tab. 1 Comparison of the precision for the two simulation methods (calculated from 16 road intersections)

表1 2种模拟方法精度检验（道路交叉处16个测点）

测量点 积水深度/mm
局部等体积法模拟结果 水动力模型法模拟结果 “麦莎”实测数据
1 286 159 200
2 129 203 275
3 523 204 225
4 377 141 125
5 387 302 275
6 467 143 75
7 793 167 175
8 93 263 325
9 144 272 275
10 173 184 150
11 356 178 175
12 402 166 175
13 323 135 175
14 535 275 300
15 534 197 175
16 205 200 175
平均值 358±181 199±50 205±66

4 结论

（1）针对城市区域特点,建立了城市暴雨内涝危险性模拟方法,将城市暴雨内涝模拟过程分为城市降雨过程模拟、暴雨内涝产流模拟和暴雨内涝汇流模拟3个阶段。采用上海暴雨强度公式和芝加哥雨型计算特定情景的降雨过程,通过修正的SCS水文模型模拟产流,并使用局部等体积法和水动力模型对内涝汇流进行模拟。
（2）分别基于局部等体积法和水动力模型模拟了上海中心城区遭遇百年一遇强降雨的情景,并对不同方法的模拟结果进行了对比：局部等体积法简化了数学模型频繁的数值计算,提高了运算效率,模拟结果对降雨的时程分配较敏感,峰前历时和雨强对其影响显著,峰后随时间推移,内涝空间分布和积水深度无明显变化,因此适合雨型确定的快速模拟;水动力模型计算量较大,不仅考虑城市地形起伏,还考虑汇流过程中积水在地表的流动,模拟结果与整个降雨历时密切相关,降雨结束时,汇流过程尚未结束,积水深度仍不断变化,故其适合于精确模拟。
（3）采用百年一遇实测强降雨积水深度数据对2种模拟方法精度进行检验,结果表明：上海中心城区更适合采用水动力模型法进行危险性模拟。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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尹占娥,许世远,殷杰,等.基于小尺度的城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险评估[J].地理学报,2010,65(5):553-562.lt;p>自然灾害情景模拟与风险评估是灾害研究的核心内容和热点问题之一,但城市自然灾害风险评估至今却缺乏统一的程序与范式。本文选择了城市频发的暴雨内涝灾害为研究对象,结合上海市静安区实证研究,提出了一套基于小尺度的城市暴雨内涝灾害风险评估的思路与方法。基于灾害风险的基本理念,从致灾因子分析、脆弱性分析和暴露分析三方面入手,探讨不同情景下的小尺度城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险表达方式;提出了小尺度城市暴雨内涝灾害风险评估宜采用情景模拟和综合分析方法,充分考虑城市的内部地形特征、降水、径流和排水等因素,创建一个基于GIS栅格的城市内涝模型,并基于多种重现期灾害情景,更客观地模拟内涝积水深度和淹没面积;采用多次实地调查获得的内涝损失数据,拟合出居民房屋和室内财产的灾损曲线;利用灾损曲线评估脆弱性、暴露要素和损失,建立超越概率-损失曲线,创建了基于GIS栅格城市暴雨内涝灾害的风险评估模型与范式,为制订城市暴雨内涝灾害风险管理和规划奠定了基础。这亦为进一步开展小尺度城市自然灾害情景模拟和风险评估研究提供了一种新探索。</p>

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[ Yin Z E, Xu S Y, Yin J, et al.Small-scale based scenario modeling and disaster risk assessment of urban rainstorm waterlogging[J]. Acta Geographica Sinica, 2010,65(5):553-562. ]

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Zhou Q, Mikkelsen P S, Halsnæs K, et al. Framework for economic pluvial flood risk assessment considering climate change effects and adaptation benefits[J]. Journal of Hydrology, 2012,414-415:539-549.Climate change is likely to affect the water cycle by influencing the precipitation patterns. It is important to integrate the anticipated changes into the design of urban drainage in response to the increased risk level in cities. This paper presents a pluvial flood risk assessment framework to identify and assess adaptation options in the urban context. An integrated approach is adopted by incorporating climate change impact assessment, flood inundation modeling, economic tool, and risk assessment, hereby developing a step-by-step process for cost-benefit assessment of climate change adaptation measures. A Danish case study indicates that the introduced framework presented in the paper can be considered as an important decision support tool that can supplement and further develop existing decision practices in relation to urban drainage.

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Casas A, Lane S N, Yu D, et al.A method for parameterising roughness and topographic sub-grid scale effects in hydraulic modelling from LiDAR data[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2010,14(8):1567-1579.High resolution airborne laser data provide new ways to explore the role of topographic complexity in hydraulic modelling parameterisation, taking into account the scale-dependency between roughness and topography. In this paper, a complex topography from LiDAR is processed using a spatially and temporally distributed method at a fine resolution. The surface topographic parameterisation considers the sub-grid LiDAR data points above and below a reference DEM, hereafter named as topographic content. A method for roughness parameterisation is developed based on the topographic content included in the topographic DEM. Five subscale parameterisation schemes are generated (topographic contents at 0, 卤5, 卤10, 卤25 and 卤50 cm) and roughness values are calculated using an equation based on the mixing layer theory (Katul et al., 2002), resulting in a co-varied relationship between roughness height and topographic content. Variations in simulated flow across spatial subscales show that the sub grid-scale behaviour of the 2-D model is not well-reflected in the topographic content of the DEM and that subscale parameterisation must be modelled through a spatially distributed roughness parameterisation. Variations in flow predictions are related to variations in the roughness parameter. Flow depth-derived results do not change systematically with variation in roughness height or topographic content but they respond to their interaction. Finally, subscale parameterisation modifies primarily the spatial structure (level of organisation) of simulated 2-D flow linearly with the additional complexity of subscale parameterisation.

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王梦江,张强.“麦莎”台风期间上海市区道路积水原因和对策[J].城市道桥与防洪,2006(1):74-76.通过分析0509号“麦莎”台风影响上海期间市区道路积水原因,探讨上海市区防汛排水中存在的主要问题,提出减少市区道路暴雨后积水的对策和措施。

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[ Wang M J, Zhang Q.Cause and countermeasure of road waterlogging in Shanghai urban districts during “Maisha” typhoon[J]. Urban Roads Bridges and Flood Control, 2006,1:74-76. ]

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陈振楼,王军,刘敏,等.上海市主要自然灾害特点与应对策略[J].华东师范大学学报(自然科学版),2008(5):116-125.本文以大量的事实和翔实的数据说明,全球自然灾害的风险与日俱 增,并造成日益严重的经济损失.如何防灾减灾已成为当前国际社会和学术界普遍关注的热点问题.实践表明,预报和预警灾害的发生非常重要.指出,上海作为中 国东部沿海特大型城市,其可能的自然灾害主要包括海平面上升、地面沉降、台风风暴潮、暴雨内涝、赤潮、高温、雷击和地震等.上海自然灾害的特点是发生频 繁,灾情严重和成因复杂.针对上海市降险减灾的严峻形势,提出应从防范重点自然灾害,开展灾害风险评估与技术研究,健全综合救灾体系,建立可操作应急预 案,加强应急避难所建设,减轻防灾降险后遗症,组建防灾救灾志愿者队伍,开展减灾科普宣传和培养灾害管理人才等方面积极着手,以提高上海市应对自然灾害的 能力.

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[ Chen Z L, Wang J, Liu M, et al.Characteristics of main natural disasters and coping strategies in Shanghai[J]. Journal of East China Normal University(Natural Science), 2008,5:116-125. ]

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Shi Y.Population vulnerability assessment based on scenario simulation of rainstorm-induced waterlogging: A case study of Xuhui District, Shanghai City[J]. Natural Hazards, 2013,66(2):1189-1203.Waterlogging is one of the most serious hazards in cities. People are the core of the human social system and the main group affected by disasters. This research introduces a method of scenario simulation which provides a basis for the accurate measurement of exposure to waterlogging. Then based on the concept and structure of vulnerability, representative indicators are selected to develop an indicator system based on objective weights derived from principal components analysis. The method is then used to conduct a population vulnerability assessment in Xuhui District of Shanghai city based on scenario simulation of rainstorm-induced waterlogging over a 50-year period. The final assessment results show that the population vulnerability is greatest for Tianlin Street, Lingyun Street, Changqiao Street, Fenglin Street, and Caohejing Street, while Tianping Street, Xujiahui Street, and Xietulu Street have medium levels of vulnerability. Hongmei Road Street, Healthy Village Street, Longhua Street, and Hunan Road Street have low levels of vulnerability, and Huajing Town is the area with the lowest population vulnerability. The results provide both necessary information and guidance for the government to improve the flood management.

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Quan R S.Rainstorm waterlogging risk assessment in central urban area of Shanghai based on multiple scenario simulation[J]. Natural Hazards, 2014,73(3):1569-1585.

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北京市市政工程设计研究总院.给水排水设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[ Beijing General Municipal Engineering Design and Research Institute. Water supply and drainage design manual[M]. Beijing: China Building Industry Press, 2004. ]

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邹霞,宋星原,张艳军,等.城市地表暴雨产流模型及应用[J].水电能源科学,2014,32(3):10-14.为适应城市暴雨过程及地表特 性,结合城市水文学及水力学原理,采用芝加哥雨型对暴雨进行时程分配,建立了不透水区、透水区及混合区的产流模型。对不透水区,在Linsley产流模型 的基础上,结合径流系数对原模型做出了适当改进,建立了适合城市不透水区的产流模型;对透水区,将下渗能力分配曲线和蓄水容量分配曲线耦合,按照二者的产 流原理,形成了扣除截留、下渗损失的产流模型;对混合区则结合不透水部分和透水部分的占地面积,通过叠加不透水部分的产流与对应时刻透水部分的雨强作为输 入,建立了与之相适应的产流模型。并将所得的暴雨时程分配过程线作为输入,对武汉市汉口区的产流过程进行模拟,得到地表净雨过程线,通过对比,发现该模型 能较好地反映城市地表的产流过程。

[ Zou X, Song X Y, Zhang Y J, et al.Research and application of rainstorm runoff yield model in urban surface[J]. Water Resources and Power, 2014,32(3):10-14. ]

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岑国平,沈晋,范荣生.城市设计暴雨雨型研究[J].水科学进展,1998,9(1):41-46.采用模糊模式识别方法对我国四个雨量站的雨型进行分类和统计，获得了短历时暴雨雨型的分布特性；经过模拟分析和比较，找出了一种较好地满足城市排水设计要求的设计雨型。

[ Cen G P, Shen J, Fan R S.Research on rainfall pattern of urban design storm[J]. Advances in Water Science, 1998,9(1):41-46. ]

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孙阿丽. 基于情景模拟的城市暴雨内涝风险评估[D].上海:华东师范大学,2011.

[ Sun A L.Risk assessment of rainstorm waterlogging based on scenario simulation in cities[D]. Shanghai: East China Normal University, 2011. ]

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王白陆. SCS产流模型的改进[J].人民黄河,2005,27(5):24-26.针对SCS产流模型对于降雨初损的计算在我国大部分地区存在明显偏差这一问题，通过加入相关变量及比例放大系数，从模型优化和线性相关优化两个方面对该模型进行了改进。结果表明，改进后产流模型的计算精度得到了明显提高。

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[ Wang B L.SCS runoff model improvement[J]. Yellow River, 2005,27(5):24-26. ]

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贺宝根,陈春根,周乃晟.城市化地区径流系数及其应用[J].上海环境科学,2003,22(7):472-475.从城市环境的特点出发,介绍了由美国水土保持局提出的计算径流量方法(SCS法)。通过杭州市不同功能区和上海青浦香花桥镇暴雨径流量的实例计算,对美国SCS法进行了修正,确定了适合计算上海附近城市化地区径流系数的理论方法,为城市水文、水环境研究提供了参考。

[ He B G, Chen C G, Zhou N S.Urbanized area runoff coefficient and its application[J]. Shanghai Environment Science, 2003,22(7):472-475. ]

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夏军,王纲胜,吕爱锋,等.分布式时变增益流域水循环模拟[J].地理学报,2003,58(5):789-796.针对分布式水文模拟的问题,结合河西走廊黑河流域实际资料条件, 提出将水文循环空间数字化信息与水文系统理论相结合的分布式时变增益水循环模型(DTVGM).DTVGM将单元时变增益水文非线性模型(TVGM)拓广 到由DEM划分的流域单元网格上建立非线性地表水产流模型,基于水量平衡方程和蓄泄方程建立土壤水产流模型,并应用运动波方法建立分级网格汇流模型.最 后,以黑河干流山区流域为例应用DTVGM开展了实例研究,设计开发了模型系统.研究区域被划分为38 277个网格单元(网格大小为500 m×500 m),在此基础上将流域划分为456级带状汇流区域.考虑到黑河干流山区的寒区特点,模型耦合了融雪径流模型.模拟结果表明,DTVGM既有分布式水文概 念性模拟的特征,同时具有水文系统分析适应能力强的优点,能够在水文资料信息不完全或者有不确定性干扰条件获得比较好的分布式水文模拟效率,在黑河干流山 区的应用能够较好地满足水资源管理的要求.

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[ Xia J, Wang G S, Lv A F, et al.A research on distributed time variant gain modeling[J]. Acta Geographica Sinica, 2003,58(5):789-796. ]

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景垠娜,尹占娥,殷杰,等.基于GIS的上海浦东新区暴雨内涝灾害危险性分析[J].灾害学, 2010,25(2):58-63. 以上海市浦东新区为例,在修正已有的城市高程模型基础上,结合美 国水土保持局SCS水文模型、降雨及排水因素,利用GIS栅格空间分析技术模拟了重现期5年、20年、50年、100年、200年、500年6种暴雨内涝 灾害情景下的淹没深度和范围,并以街道(镇)为研究单元对上海浦东新区进行了暴雨内涝危险性评价.结果表明:5年一遇,全集中在0～0.2 m;20年一遇,全集中在0～0.2 m和0.2～0.6 m;50年一遇和100年一遇,主要集中于0.2～0.6 m,在此区间内淹没面积各占83.7%和70.8%;200年一遇和500年一遇,主要集中在大于0.6 m的范围内,在此区间内淹没面积各占60.1%和66.5%.

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[Jing Y N, Yin Z E, Yin J, et al. GIS-based analysis on rainstorm waterlogging hazards in Pudong New Area in Shanghai[J]. Journal of Catastrophology, 2010,25(2):58-63. ]

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刘敏,权瑞松,许世远.城市暴雨内涝灾害风险评估:理论、方法与实践[M].北京:科学出版社,2012.

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Hunter N M, Horritt M S, Bates P D, et al.An adaptive time step solution for raster-based storage cell modelling of floodplain inundation[J]. Advances in Water Resources, 2005,28(9):975-991.Since 1962 storage cell codes have been developed to simulate flow on fluvial and coastal floodplains. These models treat the floodplain as a series of discrete storage cells, with the flow between cells calculated explicitly using some analytical flow formulae such as the Manning equation. Recently these codes have been reconfigured to use regular Cartesian grids to make full use of widely available high resolution data captured from remote sensing platforms and stored in a raster GIS format. Such raster-based storage cell codes have many of the advantages over full two-dimensional depth averaged schemes but without the computational cost, however their typical implementation results in a number of fundamental limitations. These include an inability to develop solutions that are independent of time step or grid size, and an unrealistic lack of sensitivity to floodplain friction. In this paper, we propose a new solution to these problems based on an optimal adaptive time step determined using the Courant鈥揊reidrichs鈥揕evy condition for model stability. Comparison of this new adaptive time step scheme to analytical solutions of wave propagation on flat and sloping planar surfaces shows considerable improvement over a standard raster storage cell model. Moreover, the new scheme is shown to yield results that are independent of grid size or choice of initial time step and which show an intuitively correct sensitivity to floodplain friction over spatially complex topography.

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李传奇,侯贵兵.一维二维水动力模型耦合的城市洪水模拟[J].水利水电技术,2010,41(3):83-90.城市洪水模拟通常包括城市内河流模拟和城区平面漫流模拟.一维水动力学模型可以较好地模拟河流和水工建筑物的水流特征,二维水动力学模型模拟水平漫流可以 取得令人满意的结果.而一维二维耦合模型可以充分发挥两种模型的各自特色和优势,解决两种模型分别使用时经常遇到的空间分辨率和计算精度等问题.本文通过 建立一维二维水动力耦合模型,针对不同的典型降雨过程,对该模型系统进行验证和分析,并最终用于模拟济南市不同重现期下洪水淹没情况.模拟结果表明,该模 型能够有效地模拟复杂市区降雨积水过程,能够提供可信度较高的城市洪水潜在风险评估,可为城市防汛预警决策提供技术指导.

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[ Li C Q, Hou G B.Simulation on urban flood based on coupling of 1D and 2D hydrodynamic models[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2010,41(3):83-90. ]

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Bates P D, De Roo A P J. A simple raster-based model for flood inundation simulation[J]. Journal of Hydrology, 2000,236(1-2):54-77.The development of a new model for simulating flood inundation is outlined. The model was designed to operate with high-resolution raster Digital Elevation Models, which are becoming increasingly available for many lowland floodplain rivers and is based on the simplest possible process representation capable of simulating dynamic flood inundation. This was a one-dimensional kinematic wave appro...

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吴晓丹. 上海中心城区暴雨积水机理分析——对未来气候波动的响应[D].上海:华东师范大学,2012.

[ Wu X D.Mechanism analysis of rainstorm waterlogging in the city of Shanghai: The response to future climate change[D]. Shanghai: East China Normal University, 2012. ]

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Yu D, Lane S N.Urban fluvial flood modelling using a two-dimensional diffusion-wave treatment, part 1: Mesh resolution effects[J]. Hydrological Processes, 2006,20(7):1541-1565.Abstract High-resolution data obtained from airborne remote sensing is increasing opportunities for representation of small-scale structural elements (e.g. walls, buildings) in complex floodplain systems using two-dimensional (2D) models of flood inundation. At the same time, 2D inundation models have been developed and shown to provide good predictions of flood inundation extent, with respect to both full solution of the depth-averaged Navier鈥揝tokes equations and simplified diffusion-wave models. However, these models have yet to be applied extensively to urban areas. This paper applies a 2D raster-based diffusion-wave model to determine patterns of fluvial flood inundation in urban areas using high-resolution topographic data and explores the effects of spatial resolution upon estimated inundation extent and flow routing process. Model response shows that even relatively small changes in model resolution have considerable effects on the predicted inundation extent and the timing of flood inundation. Timing sensitivity would be expected, given the relatively poor representation of inertial processes in a diffusion-wave model. Sensitivity to inundation extent is more surprising, but is associated with: (1) the smoothing effect of mesh coarsening upon input topographical data; (2) poorer representation of both cell blockage and surface routing processes as the mesh is coarsened, where the flow routing is especially complex; and (3) the effects of (1) and (2) upon water levels and velocities, which in turn determine which parts of the floodplain the flow can actually travel to. It is shown that the combined effects of wetting and roughness parameters can compensate in part for a coarser mesh resolution. However, the coarser the resolution, the poorer the ability to control the inundation process, as these parameters not only affect the speed, but also the direction of wetting. Thus, high-resolution data will need to be coupled to a more sophisticated representation of the inundation process in order to obtain effective predictions of flood inundation extent. This is explored in a companion paper. Copyright 漏 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

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王纲胜,夏军,牛存稳.分布式水文模拟汇流方法及应用[J].地理研究,2004,23(2):175-182.对于必须考虑汇流过程的分布式 水文模型而言 ,其汇流模型可以分解为三个层次来讨论 :第一个层次是单元划分 ;第二个层次为汇流路径 ;第三个层次则是基于该汇流路径的汇流演算模型。基于栅格的分级运动波汇流模型是根据栅格DEM的网格单元水流流向来划分栅格等级 (汇流带 ) ,然后应用运动波模型进行逐级汇流演算。文中从可操作性的角度对栅格分级方法和运动波汇流模型进行了分析讨论 ,最后根据潮白河流域 1 981～ 1 990年资料进行了日径流过程模拟分析 ,说明该方法在理论上是合理的 ,并在应用中取得良好的模拟效果。

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[ Wang G S, Xia J, Niu C W.Flow routing method and its application in distributed hydrological modeling[J]. Geographical Research, 2004,23(2):175-182. ]

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Bradbrook K F, Lane S N, Waller S G, et al.Two dimensional diffusion wave modelling of flood inundation using a simplified channel representation[J]. International Journal of River Basin Management, 2004,2(3):211-223.was used to allow control of the weighting. Validation was based upon application to: (a) simple topography where comparisons could be made with basic calculations and/or other models; and (b) the River Thames at Buscot, U.K., which has a validation dataset based upon synthetic aperture radar data. The results show that JFLOW is capable of simulating idealised, largely 1D floodplain flows, but the real strengths lie in its ability to simulate also topographically‐driven flow convergence and divergence where flow is more 2D: whilst some floodplains undoubtedly act as a single, two‐stage channel, many of the more extensive and topographically‐complex floodplains exhibit river‐independent flow paths and/or ponding. The analysis showed that the simplified channel representation gave goods results: the greatest uncertainty was associated with the estimation of the bankfull flow itself rather than the weighting given to the flow apportionment. It was noted that deviation from QMED would be found in certain situations, notably in the presence of river defences, engineered channels and structures and clearly the channel representation should take the known bankfull flow rather than QMED in those situations.

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董军刚. 城市暴雨内涝灾害风险评估工具集开发与应用研究——以上海市为例[D].上海:华东师范大学,2014. [ Dong J G. Research on development and application of urban rainstorm waterlogging disaster risk assessment toolset: A case study of Shanghai[D]. Shanghai: East China Normal University, 2014. ]

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