福州市南台岛内涝模拟与预测研究

• 作 者: 梁永帅
• 出 处: 山东大学
• 发表日期: 2020年12期
• 关键词: 城市内涝 InfoWorks ICM 情景降雨 LSTM 内涝预测

近年来,我国多数城市频发内涝灾害,已严重威胁到城市人民正常生产生活与社会经济发展。城市内涝频发是多种因素共同作用的结果,气候变化、城镇化进程加快、区域排水系统落后等因素加剧了城市内涝灾害。如何准确模拟城市从降雨径流到地表积退水的过程,量化内涝灾害,对内涝进行预测已是城市发展亟待解决的问题。对于沿海城市,在发生短历时强降雨时,超负荷雨水不能及时排入城市排水系统,形成地表积水,诱发内涝灾害,在遇涨潮时,高潮位对城市排水系统有顶托效应,城市排水出现不畅,大量雨水积蓄地表形成严重内涝灾害。以福州市南台岛为研究区域,利用InfoWorks ICM城市综合流域排水模型构建南台岛暴雨内涝水文水动力耦合模型,并以检验后的内涝耦合模型,对不同情景降雨下南台岛管网溢流与地表积水进行模拟,分析了城市排水系统负荷与内涝受灾情况,基于内涝耦合模型,调整模型水位边界,并结合深度学习LSTM(Long Short-Term Memory)南台岛内涝进行模拟预测。主要内容如下:(1)南台岛内涝耦合模型研究。利用InfoWorks ICM分别构建城市水文模型、一维河网水动力模型、一维管网水动力模型与二维地表淹水模型,并进行耦合,内涝耦合模型水位边界为南台岛内河水位。以“苏迪罗”台风降雨下的地面积水水深与积水范围等资料,率定内涝耦合模型参数;以“鲶鱼”台风降雨下的地面积水水深与积水范围等资料,验证内涝耦合模型。两场台风降雨下,模拟积水点水深平均误差分别为4.42%和12.70%,模拟积水范围与实测积水范围相符,表明验证后的内涝耦合模型适用于南台岛排水系统分析与内涝灾害识别。(2)南台岛内涝情景模拟研究。依据福州市暴雨强度公式,设计了 7种不同重现期的降雨情景,利用内涝耦合模型,模拟并分析了各降雨情景下南台岛管网溢流与地表积水情况。模拟结果表明,3年及3年一遇以下降雨情景,全区积水面积小于3.62km2,最大积水水深低于2.03m,积水超过24h的面积小于0.45km2,南台岛整体排涝能力较好,城市排水系统可承接大部分地表径流;5年一遇降雨情景,全区积水面积4.95km2,最大积水水深3.30m,积水超过24h的面积为0.94km2,南台岛排水系统接近饱和,局部地区超出上限标准;10年及10年一遇以上降雨情景,全区积水面积超过8.82km2,最大积水水深超过4.01m,积水超过24h的面积超过3.56km2,新增雨水无法进入排水系统,全部积蓄地表,局部地区内涝受灾程度随雨强持续增大而继续加重。分析内涝受灾区域可知,南台岛城镇化水平较高的东部区域管网铺设水平整体高于中西部,暴雨时溢流较大的检查井主要分布在中部偏西区域,南台岛内涝呈“西重东轻”分布;南台岛内涝灾害是受城市天然地形、下垫面变化加剧地表径流、城市排水系统能力低下等多方面因素共同影响。(3)南台岛内涝预测研究。首先,基于内涝耦合模型,添加沿江水闸、泵站及其运行规则,使闽江与内河连通,构建南台岛内涝预测模型,内涝预测模型水位边界为闽江潮位;然后,以2019年1月1日至5月17日闽江潮位数据为样本,选取LSTM构建循环神经网络,分别在逐时、半日、逐日的预见期下,训练、验证并测试网络,利用测试后的网络预测闽江潮位;最后,以2019年5月18日气象局预报降雨和预测闽江潮位,模拟预测南台岛管网溢流与地表积水情况。循环神经网络各预见期下验证集损失(loss)分别为0.1410、0.3786、0.7006,选取验证集loss最小的逐时预测方式,循环预测闽江潮位;2019年5月18日内涝预测结果表明,南台岛地表溢流集中在东南部与东北部,在19:55地表积水面积达到最大,为2.52km2,最大积水水深为1.76m,全区积水超过24h面积为0.64km2,内涝预测结果与实际情况相符。LSTM与南台岛内涝预测模型结合,较好地解决了南台岛内涝预测问题。本文为福州市南台岛内涝预测与防治提供理论依据与技术支持,亦可为其他城市防治内涝提供借鉴与参考。