城市雨洪非线性模型（TVGM-USWM）研发及其应用:以济南市黄台桥以上流域为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 赵彦军 |
| 答辩日期 | 2023-12 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 夏军 |
| 关键词 | 城市雨洪 城市水文模型 TVGM-USWM 城市化 LID |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 在全球气候变化和城市化影响背景下，城市极端气候事件增多、暴雨洪涝灾害风险增加，给人民生命财产安全造成了严重威胁，也给我国快速城市化建设的水安全提出了新的挑战。济南市是山东省首府，近40 年来济南市城市化发展比较快，带来的水安全问题也比较突出，因此济南市被列为全国北方首批海绵城市试点之一。尽管济南市在融入低影响开发（LID）理念的城市建设与雨洪管理方面取得了突出的进步，但是在海绵城市措施洪涝削减效果评估背后的科学问题，尤其如何加强城市暴雨洪涝非线性过程模拟，以及在此基础上将传统的小尺度LID 措施优化布设，从流域水循环系统角度开展海绵城市措施区域优化布局研究，十分迫切。济南市山前平原型城市地形较为特殊、水文过程较为复杂，开展该类型的城市水循环及水文模拟研究，对中国北方城市水系统建设与管理有重要价值和意义。 本论文以复杂下垫面条件下的城市水文模型研究为重点，济南市黄台桥流域为研究对象，针对城市水文非线性模拟与雨洪管理模型的难点，开展以下三个方面的研究，即：（1）分析济南市城市化和下垫面变化特征、济南市气温和降水的时空分布与演变规律，研究城市化对区域气温、降水和流域雨洪过程的影响；（2）基于系统的观测资料以及水文非线性时变增益系统建模的方法，构建针对济南市山前平原城市地形特点、耦合非线性产流与LID 调蓄措施的城市水文时变增益模拟与雨洪管理优化模型（TVGM-USWM）；（3）重点研究济南市TVGM-USWM模型的参数化问题，采用Sobol 方法识别模型的敏感性参数，并采用遗传算法优化相关参数。本论文研究和发展的TVGM-USWM 模型以及建模方法，应用到济南市黄台桥流域，通过实际观测资料进行了系统的分析与检验，得出一些新的认识和结论： （1）济南市1980-2020 年间建设用地从1078 km2（占比10.52%）增长到2076 km2（占比20.25%），济南市气温和降水的时空演变与城市化建设存在一定程度的相关关系。城市化快速发展的区域呈现气温升高的趋势，且降水强度、降水量和降水日数呈现增加的趋势。极端气温指标呈现较为显著的变化趋势，城市化使得热夜日数（TR）增加1.0（d/10a），使得霜冻日数（FD）、日平均温差（DTR）和冷夜日数（TN10p）分别减小1.7（d/10a）、1.0（℃/10a）和1.2（d/10a）。极端降水指标呈现较为显著的变化趋势，城市化使得年降水量（ATP）、中雨日数（R10）、年降水日数（APD）和降水强度（SDII）分别增加16.8（mm/10a）、0.6（d/10a）、0.6（d/10a）和0.1 ((mm/d)·10 a-1)。 （2）基于水文非线性时变增益建模（TVGM）方法，揭示了城市不透水面和透水面间水流交互作用的时变增益产流机制，并耦合地表汇流、管网汇流和SWMM 模型低影响开发（LID）措施模块，构建了TVGM-USWM 城市水文模型。对于黄台桥流域6 场典型暴雨洪水，考虑子汇水区有效不透水面/无效不透水面（DCIA/DIA）的空间差异因素，使得模型Nash 效率系数（RNS）平均提高0.23、雨洪过程洪峰流量相对误差（REp）平均降低43.71%，且TVGM-USWM 模型模拟精度整体优于SWMM 模型。经检验，TVGM-USWM 模型在下垫面条件复杂的山前平原型城市具良好的模拟精度。 （3）基于Sobol 方法，考虑不同评定标准（RNS、REp、峰现时间绝对误差AET 和总水量平衡误差QWE）、不同暴雨等级（暴雨、大暴雨和特大暴雨）和参数间相互作用，定量分析黄台桥流域TVGM-USWM 模型参数的一阶敏感度和二阶敏感度。分析得出，参数敏感性存在差异、具有一定程度的不确定性，参数有效不透水面占比（fDCIA）敏感度相对较高，表明下垫面间水流交互作用是影响城市雨洪模拟精度的重要因素。 （4）黄台桥流域1990-2020 年间不透水面由1990 年的145.56 km2 （占比44.65%）上升到2020 年的231.46 km2（占比71.00%），城市化使得设计暴雨洪水的径流系数、径流深和洪峰流量增大，尤其对稀遇暴雨的水文效应更为显著，且对稀遇暴雨洪水峰现时间的影响相对较小。 （5）基于TVGM-USWM 模型提供的多种LID 措施（绿色屋顶、透水路面、生态保留地、雨水花园和雨水桶），采用NSGA-II 算法优化LID 措施的布设比例及雨洪控制效果（洪量削减率RV 和洪峰削减率RP），给出LID 布设最优经济方案和最大控制方案。LID 优化方案中雨洪控制效果与经济成本呈正相关关系，两者随设计降雨重现期的增加而下降（十年一遇T01~百年一遇T100 情景下，最大RV 值及经济成本分别下降了48.28%、144.5 亿元，最大RP 值及经济成本分别下降了43.96%、89.86 亿元）。LID 成本效益优化布局思路，可提供一定经济成本下最大雨洪控制效果的LID 布设方案（如投入100 亿元可控制T01 下约19%洪量、17%洪峰），也可提供一定雨洪控制效果下最低经济成本的LID 布设方案（如控制T01 下50%洪量需投入约300 亿元）。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 128 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209304]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 赵彦军. 城市雨洪非线性模型（TVGM-USWM）研发及其应用:以济南市黄台桥以上流域为例[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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