城市洪涝:预测预报、智慧诊断与联排联调
背景
重大洪涝灾害事件：
2012 年，北京“7·21”特大暴雨最大小时雨量110.3mm，超过100年一遇
2016年，河北省邢台市发生强降雨过程，雨量超过“63·8”和“96·8”，成为历史极值
2021年，河南省郑州市“7·20”特大暴雨最大小时雨量达201.9mm，突破 1951年郑州气象站建站以来的历史纪录
2023年7月，海河流域发生 60年来最大流域性特大洪水，松花江流域部分支流发生超实测记录洪水...
政府政策
《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》
《国务院办公厅关于加强城市内涝治理的实施意见》:加强智慧平台建设，建立完善城市综合管理信息平台
住房和城乡建设部、国家发展改革委、水利部共同印发《“十四五”城市排水防涝体系建设行动计划》
《关于加快推进韧性城市建设的指导意见》:构建城市感知数字化体系，全面提升城市管理韧性。引入并发展“海绵城市”“韧性城市”等先进治水理念，提出并推动国家水网规划建设，在相关领域取得了重要进展，流域、区域水资源配置格局持续优化，水库、河道、堤防、蓄滞洪区等关键水利设施功能不断完善，以长江流域全覆盖水监控系统为核心的数字李生水利重点建设项目取得积极进展，流域现代化防洪体系步入全新发展阶段。
关键技术
预测预报模型（短临降雨预报）
建立了基于雷达回波外推的短临降雨预报模型，30分钟预见期的预报误差低于25%
雷达回波图空间分辨率 650m×650m，时间间隔 6 分钟，可满足基于外推法的雷达回波反演降雨预测的数据要求；
基于交叉相关跟踪法进行雷达回波图外推，30分钟预见期的反射率因子预测误差为5.31%。
考虑雷达回波图数据外推预测的平均相对误差和 Z-I 关系式拟合的平均相对误差，基于外推法的雷达回波反演降雨预测方法在预测未来 30 分钟内降雨时的平均相对误差为 22.9%-24.9%。
反射率因子与降雨强度关系
雷达图区域划分
反射率因子读取
交叉相关分析
构建移动矢量图
移动矢量图修正
雷达回波图外推
雨量站数据读取
Z-1关系式拟合
未来时刻雷达图
反演降雨预测值
交叉相关跟踪法(TREC)
反射率因子反演降雨
预测预报模型（河网水位预测）
基于城市产汇流特性，建立了河湖水位滚动预测深度学习模型。
基于城市产汇流特性筛选输入站点系列，通过模型自动识别当前水情，并依据数据本身规律对未来水位进行预测，3h预见期平均误差小于5cm。
预测预报模型(洪涝过程精准、快速模拟)
通过“数值格式优化-模型结构改进-GPU加速”，大幅提升二维洪涝模拟速度。
通过优化数值求解格式，在5m分辨率下较传统扩散波格式计算效率可提升1120倍；
用网格排水能力代替排水管网模型，在计算精度不变的条件下，将运行效率提升7.6~12.5倍；
采用GPU并行技术，和数据结构优化等手段，较串行加速比400倍。
优化数值求解格式
（1）采用Storage Cell方法，通过动量方程求解单元间交换流量，根据水量平衡更新单元水深。
（2）对正交网格，将浅水方程解耦为x, y方向两个圣维南方程组，并忽略对流项获得惯性形式显式解。
（3）与Full solution相比，显著简化计算步骤。
（4）与扩散波解法相比，对时间步长约束更宽松。
（5）Storage cell单元间解耦，具有良好的并行性。
（6）在不同分辨率下（1万~150万）计算效率提升25~1120倍。
动量方程
质量守恒方程
计算任务
线程网格
grid
线程块
block
线程
thread
GPU
流式多
处理器
流处
理器
洪涝诊断模型(洪涝全成因分析与应急对策)
基于数据与机理双驱动方法，进行洪涝成因诊断、实时模拟与预测，对易涝点的实时内涝水深/范围/水量、未来内涝风险等过程进行全过程、精准、实时感知，并自动生成应急处置对策和工程治理措施。
洪涝积水全过程、精准、实时感知
实时地表积水深度感知，判定
城市生命与交通安全风险
实时洪涝风险范围动态感
知，对受灾区域实时确定
积水水量状态感知，为应急
布防与调度提供数据支撑
水深
范围
水量
城市复杂排水系统联排联调模型
针对洪水调度问题，在基于规则调度的基础上，通过骨干工程群优化调度，实现工程洪水调蓄效益提升30% 。
针对洪水调度问题，在基于规则调度的基础上，通过骨干工程群优化调度，实现工程洪水调蓄效益提升30% 。
空间解耦
JA河流域 防洪调度单元
空间解耦
调度前：
最大面积：3.3 万㎡
最大水深：47 cm
消退时间：3.5 h
调度后：
最大面积：1.4 万㎡
最大水深：15 cm
消退时间：1.4 h
城市雨洪数字孪生平台
开发城市雨洪数字孪生平台，打造城市水系科学调度系统，构建水系治理全生命周期的监管平台。监测预警系统（眼）、预测预报系统与调度决策系统（脑）、指挥控制系统和自动化监控集成系统（手）。
SX段洪水预报
泛区淹没分析
城市雨洪数字孪生平台的工程应用-防洪调度工程
水文-水动力耦合模型构建：
SX段选用11个雨量站、4个水库、3个水文站和1个堰闸站。
模型结果：
以237洪水复盘为例，模拟结果显示，考虑水库1、水库2、水库3的调蓄作用，水文站A的峰现误差、洪峰误差、洪量误差均在许可误差范围以内，水文站B由于实测数据仅有闸下流量，仅对比洪量误差在许可范围内。
断面名称
峰现时间误差
洪峰误差
洪量误差
A
1h<12h
4.7%<20%
9.51%<20%
5.33%<20%
——
——
——
——
满足
满足
满足
满足
B
以水库、枢纽、蓄滞洪区等重大防洪工程为对象，运用模型进行水库调洪、河道洪水演进、河道泛区淹没分析。
关键断面流量模拟结果
河道水头演进过程
泛区淹没过程
洪泛区最大蓄滞水量2.61亿m3（出现在8月6日01时），与调查2.56亿m3相比误差为2.0%。
|
|