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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

7、特征，提出矢量与栅格水文计算单元的协同建模和协同模拟方法，使两者能取长补短，协同一致地完成城市雨洪过程模拟，提升城市雨洪模型的建模质量和模拟效率，更好地进行城市雨洪预报。利用GIS理论技术，促进水动力学模型和水文学模型在水文计算单元层次上的有机融合，扩充现有城市雨洪模型的建模与模拟方法，拓展了GIS在城市水文学和自然灾害管理方面的应用，是GIS在地理过程建模与模拟上的实践与创新。（1）有助于提高城市雨洪模型的建模质量和模拟预报能力（2）深化GIS在地理建模中的分析与应用8背景意义研究内容实验验证结论展望研究内容02PART ONE8二、研究内容9水文计算单元空间数据结构对比u 由于空间结构不规

8、则，在构建矢量水文计算单元时需要花费大量精力去对其边界位置进行界定。由于空间交互分析能力差，需要引入众多参数资料来辅助建模才能完整表达单元内的水文特性。u 由于栅格单元便于空间交互分析，衍生出大量复杂的水动力学算法。由于单元连续且连接紧密，能表达连续场，雨洪过程和雨洪态势非常适宜采用场模型来进行表达。但其缺点是数据存储量大，运算效率低下。背景意义研究内容实验验证结论展望二、研究内容10传统耦合思想 传统耦合方法将城市雨洪过程拆解为降雨、地表产流、地表汇流、雨水管网汇流和雨水井溢流五个子过程。此类方法认为，雨水井溢流是造成城市内涝的主要原因，应当予以重点关注，因此采用栅格水文计算单元来模拟其汇流

9、和淹没态势，而前期的降雨产汇流过程采用运算效率更高的矢量水文计算单元进行模拟，在一定程度上集成了两种水文计算单元的优势。背景意义研究内容实验验证结论展望二、研究内容11矢栅协同方法 矢栅协同是指，在同步使用矢量水文计算单元和栅格水文计算单元对城市雨洪过程进行表达的同时，充分利用GIS在空间分析上的优势，建立两种水文计算单元之间的关联关系，提升城市雨洪模型性能。u 利用栅格水文计算单元精准而丰富的模拟结果来辅助矢量水文计算单元进行建模，能降低建模难度，减少建模过程的不确定性，从而提高其模拟精度。u 利用栅格模拟结果辅助矢量水文计算单元进行建模，势必使得两者的模拟结果更贴近，此时矢量水文计算单元便

10、能代替栅格水文计算单元完成雨洪模拟，其轻便、概化的结构能极大地减少模拟运算所花费的时间代价。背景意义研究内容实验验证结论展望二、研究内容12城市地表管网耦合建模背景意义研究内容实验验证结论展望l 城市地下管线是一个立体化汇流网络，通常以节点-线段的矢量网络连接形式来表达地下管线的空间信息和属性信息。l 城市地下管线建模目的是将雨水井和排放口连接，正确构建地下排水管网的空间拓扑关系和空间连接关系，建立以排放口为终点的网状结构。二、研究内容13城市地表管网耦合建模背景意义研究内容实验验证结论展望l 根据栅格水文计算单元水深与地下管网排水能力的不同，采用孔、堰流公式模拟雨水从地表汇入雨水井的过程。（

11、a）堰流状态 （b）孔流状态 （c）有压流状态=0=+2032=2 1 2 堰流公式孔流公式对于矢量水文计算单元对于栅格水文计算单元l 当雨水管网因承载力不足而造成雨水井溢流时，通常采用淹没面积来抽象表达矢量水文计算单元所能承载的溢流量。二、研究内容14栅格汇流约束下的矢量水文计算单元划分 为了实现更高效、精准的水文单元划分，基于传统矢量水文计算单元的划分思路，本研究在传统距离指标的基础上引入栅格单元的方向相似度，并采用雨水井核密度作为指标的权重系数，构建了一套综合的城市水文计算单元评判指标。=2 1 2+2 1 2=11+=cos+12距离相似度计算过程方向相似度计算过程背景意义研究内容实验

12、验证结论展望二、研究内容15 为了综合地判断栅格单元属于某个雨水井汇水单元的可能性，联立距离相似度和方向相似度，构建联合相似度。=+在雨水井密集区域：空间距离变化会明显地改变距离相似度的数值，从而严重影响联合相似度的评判结果。在雨水井稀疏区域：随空间距离变化，距离相似度几乎不会有明显的变化，此时联合相似度受到方向相似度的影响更大。因此需要根据雨水井密度调控权重系数和的取值。背景意义研究内容实验验证结论展望栅格汇流约束下的矢量水文计算单元划分二、研究内容16水文计算单元协同建模与模拟 在很多情况下，判断方向相似度还需考虑栅格单元之间的连通性，即通过下游单元不断回溯到上游单元，当上游单元的方向相似

13、度小于下游单元方向相似度时，上游单元应取值与下游单元相等。基于此思想，本研究提出了顾及流向连通性的区域生长算法：以雨水井所在位置作为种子点，以栅格到雨水井的距离相似度、方向相似度和栅格单元所在位置的雨水井核密度作为区域生长指标，不断对外扩散来确定雨水井的汇水范围，最终实现矢量与栅格水文计算单元的协同建模。背景意义研究内容实验验证结论展望实验设计及验证分析03PART ONE17三、实验设计及验证分析18实验概况及数据 以南京市某社区作为研究区，获取了该区域数字高程模型（DEM）、雨水管网数据、土地利用类型数据、河流断面数据。该社区是一个典型的独立封闭小流域。地表产生的降雨径流少部分在局部洼地汇

14、集，其余雨水汇入雨水井进入地下排水管网。背景意义研究内容实验验证结论展望三、实验设计及验证分析19地表管网建模与模拟建筑、河流叠加修正（1）DEM修正与参数计算背景意义研究内容实验验证结论展望 对研究区域DEM进行修正，根据河流实际液位设置初始水深为1m，将建筑物所在栅格单元进行剔除。三、实验设计及验证分析20地表管网建模与模拟（2）管线数据清洗与连通性检查污水井节点L1L2ABCACL1+L2管网数据中存在探测井和污水检查井等辅助节点信息，这些节点并不能起到雨水收集的作用，需剔除。遍历管线数据并进行相关空间分析与属性计算完成管网连通性检查。背景意义研究内容实验验证结论展望管网清洗概化三、实验

15、设计及验证分析23降雨情景设计 设计多降雨情景作为模型建模、率定与验证输入数据。将50年一遇降雨作为模型建模输入数据，提取栅格水深和流向结果作为矢栅协同建模的输入数据。将50年一遇降雨作为模型率定输入数据，分别输入矢量单元和栅格单元，采用遗传算法对矢量水文计算单元进行参数率定。将5年一遇和100年一遇降雨作为模型验证输入数据。分析三种水文计算单元的流量模拟趋势和模拟时长，采用纳什效率系数(NSE)来评价流量模拟曲线。（通常，当NSE0.7时，认为水文模型具有较高可靠度）=1 =1 2=1 2背景意义研究内容实验验证结论展望三、实验设计及验证分析21矢栅协同水文计算单元边界构建栅格流向雨水井核密

16、度矩阵计算单元扩散结果背景意义研究内容实验验证结论展望三、实验设计及验证分析22矢栅协同水文计算单元边界构建 矢栅协同水文计算单元更符合微观流向特征，能保证单元内的雨水都流向雨水井，传统方法的划分结果则与微观流向不相符，将原本不会流向雨水井的区域归并为雨水井汇水区。背景意义研究内容实验验证结论展望三、实验设计及验证分析24模型参数率定 根据研究区地下排水管线的关联关系，将地表划分为5个区域，分别对应5个排水口。以50年一遇降雨情景作为输入条件，分别对矢量、栅格、矢栅协同三种水文计算单元进行模拟。将栅格模拟中雨水井的入流量模拟结果作为率定数据集，采用遗传算法对每个矢栅协同水文计算单元进行参数率定

17、。率定完成后，对三种水文计算单元在4个主要排放口处的出流量模拟结果进行对比验证。背景意义研究内容实验验证结论展望五、实验设计及验证分析25模型验证Outfall1流量模拟曲线Outfall2流量模拟曲线Outfall3流量模拟曲线Outfall4流量模拟曲线NSE：0.836NSE：0.945NSE：0.92NSE：0.87背景意义研究内容实验验证结论展望五年一遇降雨情景五、实验设计及验证分析26模型验证Outfall1流量模拟曲线Outfall2流量模拟曲线Outfall3流量模拟曲线Outfall4流量模拟曲线NSE：0.946NSE：0.969NSE：0.964NSE：0.963背景意义

18、研究内容实验验证结论展望百年一遇降雨情景五、实验设计及验证分析27模型验证降雨情景降雨情景矢栅协同（矢栅协同（s）传统矢量（传统矢量（s）传统栅格（传统栅格（s）5年一遇暴雨2828186100年一遇暴雨3535397 三种模型的模拟时长如图所示，结合模拟精度与时长可以看出：矢栅协同水文计算单元和传统矢量水文计算单元的模拟耗费时长相同；传统栅格水文单元模拟时长最长，100年一遇下所耗时长较矢栅协同/传统矢量增加一倍；矢栅协同水文计算单元结合了二者优点，既具有与栅格水文计算单元相近的模拟精度，又具备矢量水文计算单元高效的模拟效率，综合性能更加优越。背景意义研究内容实验验证结论展望结论与展望04P

19、ART ONE2804结论从信息地理学视角对水文学雨洪模型和水动力学雨洪模型的水文计算单元进行探究，分析其空间数据结构特点，挖掘其在特定空间数据结构约束下形成的空间特性，结合传统水文计算单元耦合思想，提出了面向城市雨洪模拟的矢栅协同方法。提出矢栅协同城市雨洪模型架构，设计其产汇流计算方法和内部矢栅水文计算单元的协同运作模式。结合GIS理论和技术，设计栅格汇流流向约束的矢量水文计算单元划分算法和基于遗传算法的模型参数率定方法，实现了矢栅协同城市雨洪模型的建模。以南京市某社区为例，构建矢栅协同城市雨洪模型并对其模拟结果进行评价。结果表明，矢栅协同水文计算单元的模拟精度与传统栅格水文计算单元相近，模

20、拟效率与传统矢量水文计算单元一致，它能很好地集成两种水文计算单元的优势，综合模拟性能更加优越。010203u提出面向城市雨洪模拟的矢栅协同方法u构建了矢栅协同城市雨洪模型并对其进行评价u提出矢栅协同城市雨洪模型及其建模方法背景意义研究内容实验验证结论展望4.12904展望4.2 在大尺度区域，传统矢量水文计算单元的建模难度更大。传统栅格水文计算单元在大尺度条件下的面临的模拟效率问题也一直是诸多学者竭力攻克的痛点难点。囿于基础地理信息数据条件的限制，当前仅开展了社区尺度的城市洪涝模拟。矢栅协同城市雨洪模型在城市尺度乃至流域尺度下的建模与模拟方法仍需进一步完善，模拟性能有待验证。本文提出的矢栅协同城市雨洪模型的核心思想是，利用栅格水文计算单元精确而丰富额水文信息去辅助预测矢量水文计算单元内混沌的水文现象，减少其建模与模拟的不确定性。这样的建模结果虽然能兼具两种水文计算单元的优势，但也继承了一些矢量水文计算单元的缺陷，例如无法反映地表淹没情况。如何设计算法，使得矢栅协同水文计算单元能量化表达地表的淹没态势，是本研究接下来主要突破的方向。0102u验证模型在大尺度区域的模拟效果u进一步丰富面向城市雨洪模拟的矢栅协同理论与方法 39背景意义研究内容实验验证结论展望 30敬请各位专家批评指正！