CN106126911B - 一种考虑潮河水位顶托影响的城市内涝风险评估方法 - Google Patents

一种考虑潮河水位顶托影响的城市内涝风险评估方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106126911B
CN106126911B CN201610458802.6A CN201610458802A CN106126911B CN 106126911 B CN106126911 B CN 106126911B CN 201610458802 A CN201610458802 A CN 201610458802A CN 106126911 B CN106126911 B CN 106126911B
Authority
CN
China
Prior art keywords
waterlogging
damp
stream stage
parameter
heavy rain
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610458802.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106126911A (zh
Inventor
郑飞飞
毕薇薇
俞亭超
申永刚
张土乔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201610458802.6A priority Critical patent/CN106126911B/zh
Publication of CN106126911A publication Critical patent/CN106126911A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106126911B publication Critical patent/CN106126911B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G16INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16ZINFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G16Z99/00Subject matter not provided for in other main groups of this subclass

Landscapes

  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明提供一种考虑潮河水位顶托影响的城市内涝风险评估方法,包括以下步骤:确定暴雨‑潮河水位之间的联合分布概率,确定城市内涝风险分析的水文‑排水***水力计算网格,构建水文‑排水***耦合模型计算网格内涝参数h,构造考虑潮河水位顶托影响的内涝风险分析图,将联合分布概率密度覆盖在水文‑排水***水力网格上,将相同的内涝参数h连接成等值线L h;通过计算不同h 0的发生概率,计算得到不同重现期的城市内涝参数值。本发明仅模拟极值区间内的暴雨和潮河高水位事件,对水文水力历史数据依赖性较小,增强了其工程实用性;本发明仅需计算给定的水文‑排水***水力网格组合场景,不需要模拟所有的降雨和潮河水位耦合事件,极大地提高了评估效率。

Description

一种考虑潮河水位顶托影响的城市内涝风险评估方法
技术领域
本发明涉及排水工程及城市内涝防控领域。
背景技术
近年来,暴雨内涝灾害在我国大中城市凸现,并呈现普发性、群发性和持续频发性特征,已严重影响城市运行、居民生活和经济发展。例如发生在2012年的北京“7.21”特大暴雨内涝,导致79人死亡,163处不可移动文物不同程度受损,10,660间房屋倒塌,直接经济损失高达116.4亿元。由此可见,暴雨内涝灾害已严重威胁城市公共安全,制约城市可持续性发展。
城市暴雨内涝灾害与诸多因素有关,如降雨量增多、极端暴雨频发、潮河水位上涨顶托、城市下垫面硬化,以及排水***过流能力不足等。其中,排水***与下游潮河水位之间的顶托作用对城市暴雨内涝的影响屡见报道。例如,发生在英国卡莱尔、澳大利亚布里斯班,以及国内上海、广州、杭州、深圳和海口的暴雨事件中,下游潮河水位高涨,导致排水***输水不畅,造成严重城市内涝灾害。因此,排水***-潮河水位顶托已成为城市内涝灾害的关键影响因素。
国外学者很早就注意到排水***-潮河水位顶托对城市内涝的潜在影响,并首先启动了暴雨与下游潮河水位的耦合关系研究,重点模拟暴雨与下游潮河水位之间的联合发生概率。相关报道最早可追溯到上世纪80年代开展的美国西海岸地区内河高水位与下游外江高水位联合发生概率研究。其后,英国、澳大利亚、美国、以及中国均开展了暴雨与潮河水位的联合发生概率研究。这些研究均显示了暴雨与潮河高水位之间存在一定的统计相关性,并推测其对城市内涝产生一定影响。
近几年,国外学者建立了二种将暴雨-潮河水位联合分布概率转换成城市洪涝灾害风险的技术方法,即反应参数法和连续模拟法。反应参数法是以受暴雨-潮河水位耦合关系直接影响的洪涝参数(如洪涝水深和水量)为研究对象,通过模拟该洪涝参数体现暴雨-潮河水位联合分布概率对城市内涝的影响。反应参数法应用单变量统计技术解决双变量模型问题,降低了模拟计算难度,但由于洪涝参数记录数据往往有限,该方法的实际应用存在困难。为解决洪涝参数记录数据不足问题,有学者提出了连续模拟法,该方法基于暴雨和潮河水位记录数据,通过建立水文-水力模型计算洪涝参数值。然而,连续模拟法计算量大,且暴雨和潮河水位记录数据也存在不足问题,从而限制了其在实际工程中的应用。
国内学者也注意到了下游潮河水位对城市排水***的顶托影响。在实际工程中一般是通过分析某特定暴雨强度与某特定下游潮河水位组合情景下排水***淹没位置、水深和淹没时间等信息,以设计排水***。这种方法比较简单,但不能反映排水***- 潮河水位之间的真实顶托关系,易严重低估城市内涝风险,造成控制决策方案失效。综上所述,尽管排水***-潮河水位顶托作用对城市内涝的潜在影响屡见报道,但目前仍缺乏技术方法将该顶托影响有效的考虑到城市内涝风险评估中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种考虑潮河水位顶托影响的城市内涝风险评估方法,以提高城市暴雨内涝风险评估的准确性和有效性,进而保障城市公共安全,同时也为海绵城市建设提供技术储备。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下:
(1)应用双变量logistic模型确定暴雨-潮河水位之间的联合分布概率,具体计算公式如下:
G(x,y)=exp{-(x-1/α+y-1/α)α},x>0,y>0,0<α≤1 (1)
式中x和y分别是降雨()与下游潮河水位()历史数据的标准Fréchet格式;α是联合分布概率强度参数(顶托关系强度参数),α=0和α=1分别表示暴雨和下游潮河高水位完全相关(总是同时发生)和完全不相关。
进一步地,将原始记录数据(,)转换成Fréchet格式(x,y)的公式为:
式中z为暴雨或者潮河水位历史数据的Fréchet格式;u为指定阈值,超过该阈值认定为暴雨或潮河高水位(即变量的极值);为记录数据中大于阈值u 的概率;为帕累托阈值极值模型(GPD)的参数估计值,GPD模型公式为:
实际应用中,对相同时间段的降雨和潮河水位数据进行匹配,比如某一小时的降雨量与其相应时间的潮河水位形成配对数据对每一个变量(暴雨或者潮河水位),取前10%的最大值作为极值(即u为90%的分位数),然后应用最大似然法求得各变量极值的GPD模型(公式3)参数拟合值,接着应用公式2将极值数据转换成 Fréchet格式(x,y),再次使用最大似然法拟合公式(1)求得参数α的拟合值以表征暴雨与潮河高水位的联合发生概率强度。
(2)确定城市内涝风险分析的水文-排水***水力计算网格,即将多个不同暴雨重现期与多个下游潮河水位重现期进行网格组合(注:重现期指事件发生的概率),比如,1,2,5,10,15,20,25,30年一遇的暴雨和潮河水位组合形成64个不同水文-水力情景。计算网格密度越高,范围越广,内涝评估越准确,但相应的计算量越大。使用者需根据内涝评估的期望精度和允许的计算时间确定网格密度和广度。
(3)构建水文-排水***耦合模型B(x,y)计算网格(步骤(2)确定)内涝参数 h,即将耦合模型的下游设为不同重现期的潮河水位,上游模拟不同重现期的暴雨(通过暴雨公式确定暴雨过程曲线),以完成所有不同组合情景的水力计算,得到城市内涝参数h=B(x,y)(如排水***中某关键节点的淹没水深或溢流量)的网格数据。
(4)构造考虑潮河水位顶托影响的内涝风险分析图,将拟合的联合分布概率 (公式1)双重求导得到联合分布概率密度g(x,y),即然后将该联合分布概率密度覆盖在水文-排水***水力网格(步骤(2)确定)上,最后应用双变量插值法将相同的内涝参数h(通过水文水力模型计算获得的网格数据)连接成等值线Lh
(6)内涝风险评估计算,基于构造的内涝风险分析图和给定的城市内涝参数值h0,将等值线Lh0以下的联合分布概率密度积分求和,即可确定h0的发生概率,具体计算公式为:
式中Ah0为内涝参数小于等值线Lh0的区域。通过计算不同h0的发生概率,利用插值方法可计算得到不同重现期的城市内涝参数值。
为解决背景技术中城市内涝风险评估的瓶颈问题,本发明首次提出将潮河水位顶托影响转换成城市内涝风险的技术方法,以提高城市内涝风险评估的准确性。本发明与现有暴雨-潮河水位顶托驱动的内涝评估方法相比具有以下主要优点:现有技术方法对暴雨、潮河水位以及内涝水力参数(如淹没水深或者淹没流量)数据量(历史记录值)依赖较大,而本发明仅模拟极值区间内的暴雨和潮河高水位事件,因此对水文水力历史数据依赖性较小,增强了其工程实用性;现有技术方法(如连续模拟法)存在计算复杂的缺陷,而本发明仅需计算给定的水文-排水***水力网格组合场景,并不需要模拟所有的降雨和潮河水位耦合事件,因此极大的提高了评估效率。
附图说明
图1是本发明方法的总流程图。
图2是不同α值的联合发生概率示意图,图中的竖线和横线分别为变量X(降雨)和Y(潮河水位)的阈值u,圆点为匹配的(x,y)历史数据,加号为两变量同时为极值(大于阈值)的事件,实曲线为联合分布概率密度。
图3为考虑潮河水位顶托影响的内涝风险分析示意图,图中圆点为不同重现期暴雨和潮河水位的计算网格,其中“0”表示没有降雨或常年最低潮河水位。图中实线为联合分布概率密度,点线为内涝参数h的等值线Lh
图4是内涝风险计算示意图,图中实线为联合分布概率密度,点线为内涝参数h0的等值线,阴影部分为Ah0,即内涝参数值小于h0的区域。
图5是本发明方法计算的某城市内涝风险评估结果示意图,图中实线为考虑下游潮河水位顶托影响的内涝风险评估值,点线为不考虑顶托影响的内涝评估值(下游设为多年平均潮河水位),虚线为假定暴雨与潮河水位总是同时发生的内涝评估值,圆点为历史记录的内涝参数值。
具体实施方式
参见附图,本发明的具体实施步骤如下:
(1)将记录的降雨数据与同一时间内记录的潮河水位数据进行匹配。
(2)确定降雨和潮河水位的极值阈值u(通常u为90%分位数)。图2中实竖线和横线为两变量选定的u值,加号为降雨极值和潮河水位极值同时发生的事件。
(3)根据公式1、2和3确定暴雨与潮河高水位的联合分布概率。图2中实曲线为联合分布概率密度。不同顶托关系强度(α值不同)意味着不同的联合分布概率密度,α越小表示暴雨与潮河高水位同时发生概率越大。
(4)确定城市内涝风险分析的水文-排水***水力计算网格。图3中的圆点为不同重现期暴雨和潮河水位的计算网格。
(5)构建水文-排水***耦合模型计算每个网格的内涝参数值h。
(6)构造考虑潮河顶托影响的内涝风险分析图,并应用双变量插值方法确定不同内涝参数h的等值线Lh。如图3所示,实线为联合分布概率密度,点线为等值线Lh,两者组合形成考虑潮河顶托影响的内涝风险分析图。
(7)应用公式4计算给定h0的发生概率。例如,当需要评估内涝参数h0的发生概率时(如图4的点线所示),需要将小于h0区域(Ah0,图4中的灰色阴影部分) 内的联合分布概率密度积分求和。
(8)在(7)中计算多个不同h0的发生概率,以形成最终的城市内涝风险评估曲线图(如图5所示)。
将本发明方法应用到某沿海城市的内涝风险评估中,并与常规内涝风险评估方法(排水***下游设定为潮河水位多年平均值)进行比较。如图5所示,传统评估方法严重低估城市内涝风险(如点线所示),假定暴雨与潮河高水位完全相关则严重高估城市内涝风险(如虚线所示),而本发明方法的内涝风险评估值与历史记录数据最为接近 (如实线所示),证实了本发明方法的有效性和先进性。

Claims (2)

1.一种考虑潮河水位顶托影响的城市内涝风险评估方法,其特征在于:
所述方法能将排水***与潮河水位之间的顶托关系转换成内涝风险,以提高城市内涝评估的准确度,该方法包括步骤:
(1)应用双变量logistic模型确定暴雨-潮河水位之间的联合分布概率,具体计算公式如下:
G(x,y)=exp{-(x-1/α+y-1/α)α},x>0,y>0,0<α≤1 (1)
式中x和y分别是降雨与下游潮河水位历史数据的标准Fréchet格式;α是联合分布概率强度参数即顶托关系强度参数,α越小表示联合分布概率强度越大即暴雨与潮河高水位同时发生的概率越大,α=0和α=1分别表示暴雨和下游潮河高水位完全相关和完全不相关;
(2)确定城市内涝风险分析的水文-排水***水力计算网格,即将多个不同暴雨重现期与多个下游潮河水位重现期进行网格组合;
(3)构建水文-排水***耦合模型B(x,y)计算网格内涝参数h,即将耦合模型的下游设为不同重现期的潮河水位,上游模拟不同重现期的暴雨,以完成所有不同组合情景的水力计算,得到城市内涝参数h=B(x,y)的网格数据;
(4)构造考虑潮河水位顶托影响的内涝风险分析图,将拟合的联合分布概率双重求导得到联合分布概率密度g(x,y),即然后将该联合分布概率密度覆盖在水文-排水***水力计算网格上,最后应用双变量插值法将相同的内涝参数h连接成等值线Lh
(5)内涝风险评估计算,基于构造的内涝风险分析图,城市某内涝参数值h0的发生概率Pr(h≥h0)为等值线Lh0以下的联合分布概率密度之和,具体计算公式为:
式中Ah0为内涝参数h小于等值线Lh0的区域。
2.根据权利要求1所述的一种考虑潮河水位顶托影响的城市内涝风险评估方法,其特征在于:在所述步骤(1)中,将原始记录数据(,)转换成Fréchet格式(x,y)的具体公式为:
式中z为暴雨或者潮河水位历史数据的Fréchet格式;u为指定阈值,超过该阈值认定为暴雨或潮河高水位即变量的极值;为记录数据中大于阈值u的概率;为帕累托阈值极值模型GPD的参数估计值,GPD模型公式为:
CN201610458802.6A 2016-06-22 2016-06-22 一种考虑潮河水位顶托影响的城市内涝风险评估方法 Active CN106126911B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610458802.6A CN106126911B (zh) 2016-06-22 2016-06-22 一种考虑潮河水位顶托影响的城市内涝风险评估方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610458802.6A CN106126911B (zh) 2016-06-22 2016-06-22 一种考虑潮河水位顶托影响的城市内涝风险评估方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106126911A CN106126911A (zh) 2016-11-16
CN106126911B true CN106126911B (zh) 2018-09-18

Family

ID=57267811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610458802.6A Active CN106126911B (zh) 2016-06-22 2016-06-22 一种考虑潮河水位顶托影响的城市内涝风险评估方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106126911B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108062631B (zh) * 2017-12-29 2020-08-11 广东工业大学 城市内涝风险评估方法、装置及终端
CN109902423A (zh) * 2019-03-08 2019-06-18 浙江大学建筑设计研究院有限公司 不同温度下砂浆弹性模量的可靠度建模方法和预测方法
CN110990659A (zh) * 2019-11-19 2020-04-10 佛山世寰智能科技有限公司 一种基于三维实景的城市内涝管理方法
CN112163349A (zh) * 2020-10-29 2021-01-01 武汉大学 排涝区排涝规划标准的确定方法及其应用
CN113934777B (zh) * 2021-12-16 2022-03-04 长江水利委员会水文局 回水顶托对水位变化影响的量化方法及***

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104809330A (zh) * 2015-03-16 2015-07-29 浙江大学 城市内涝的智能诊断方法
CN104898183A (zh) * 2015-05-29 2015-09-09 杭州辰青和业科技有限公司 暴雨城市内涝建模评估方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104809330A (zh) * 2015-03-16 2015-07-29 浙江大学 城市内涝的智能诊断方法
CN104898183A (zh) * 2015-05-29 2015-09-09 杭州辰青和业科技有限公司 暴雨城市内涝建模评估方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Dynamic risk assessment of waterlogging disaster for maize based on CERES-Maize model in Midwest of Jilin Province, China;Enliang Guo et al.;《Nat Hazards》;20160531;第1747-1761页 *
中国城市内涝研究综述及展望;王伟武 等;《城市问题》;20151231(第10期);第24-28页 *
基于Copula函数的广州市短历时暴雨与潮位组合风险分析;武传号 等;《水力发电学报》;20140430;第33卷(第2期);第33-40页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN106126911A (zh) 2016-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106126911B (zh) 一种考虑潮河水位顶托影响的城市内涝风险评估方法
CN111582755B (zh) 一种基于多维度集合信息山洪灾害综合风险动态评估方法
Oliveri et al. Estimation of urban structural flood damages: the case study of Palermo
CN109919372A (zh) 一种基于全时空的城市暴雨积水评估建模方法
Nilsen et al. Analysing urban floods and combined sewer overflows in a changing climate
CN112329257B (zh) 适用于山区小流域暴雨山洪洪水预报预警的水文模型分段筛选方法
CN111159848B (zh) 一种暴雨高水位高潮位极端环境下的洪水风险模拟方法
CN111475950B (zh) 一种下凹式立交桥下雨洪的模拟方法
CN113807008B (zh) 一种基于深度学习的城市暴雨内涝模拟方法
CN112528563B (zh) 一种基于svm算法的城市内涝预警方法
CN111460742A (zh) 一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法
CN109086978A (zh) 一种雨水排水***内涝风险评估方法
CN116306340A (zh) 一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法
CN117236501A (zh) 地下水资源管理与海水入侵防控方法及***
CN101441683A (zh) 一种城市暴雨洪涝演化过程的预测方法
Long et al. Estimating the combined risks of sea level rise and storm surges using a numerical model: Application to Macao
CN113589404B (zh) 一种场次暴雨径流量预测方法
CN112507635B (zh) 一种流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法
Li et al. A three‐parameter S‐shaped function of flood return period and damage
CN114329713A (zh) 一种基于灾损曲线和水动力模型的居民建筑损失计算方法
CN111241690A (zh) 一种泥石流沟的判识方法及装置
Yuan et al. Numerical modelling and quantification of coastal urban compound flooding
Li et al. Simulation and Risk Analysis of Typhoon, Rain and Waterlogging in Coastal Cities: A Scenario Study of Typhoon “In-Fa” Close to Fuzhou
Jin et al. Quantitative analysis of coastal dune erosion based on geomorphology features and model simulation
Liang et al. Research on Urban Flooding Scenario Simulation of Nantai Island Based on Urban Hydrology and Hydrodynamic Coupling

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant