城市增长背景下济南市城区洪涝模拟研究
近年来，世界经济进入快速发展时期，城市区域面积急剧增长，当城市面临高强度降雨时，由于城市路面硬化，以及老城的排水管网老旧破损，导致城市洪涝灾害出现的频率也越来越高。济南市城区面积不断增长，且由于其特殊的地形地貌，会诱发更加严重的雨洪灾害，给济南市政府和人民带来严重的经济和生命财产损失。尤以2007年0718次洪最为严重。本文以济南市城区为研究对象，基于元胞自动机理论，选用SLEUTH模拟软件建立了研究区域城市动态增长预测模型；选用Caflood雨洪模拟软件建立了研究区域二维城市雨洪模拟模型，并将两者结合，进行未来济南城市增长背景下雨洪模拟研究。分别完成了济南城区2019-2035年城市面积动态增长模拟进程，Caflood模型建立以及验证，并基于二者模拟结果对流域内到2035年城区遭遇雨洪时不同情景进行综合分析评价。主要得到如下结论： (1)元胞自动机(CA)理论“自下而上”的计算理念适用于城市面积动态增长模拟以及城市雨洪模拟，SLEUTH模型能有效结合3S技术且CA算法简单透明；Caflood模型采用元胞自动机(CA)技术来替代传统的浅水波方程求解，极大提高计算效率。 (2)采用SLEUTH模型对济南城区2019-2035年城市面积的动态增长进行预测。首先在数据收集与处理的基础上组织模型所需数据集，然后经粗校准、精校准、终校准三段校准过程，校准结果较好；并对研究区域历史年进行空间增长模拟分析，模拟结果与城区的真实发展趋势大体相同，可以显现出济南城区的主体增长状况，表明SLEUTH模型对于济南城区的模拟适用性较好，可用于济南城市的未来城区动态增长预测。 (3)在SLEUTH模型校准结果的基础上按照不同土地利用类型建立自由增长、基本保护、严格保护三种不同城市发展情景，并对城区增长进行预测模拟，结果表明，未来济南城区面积仍处于不断增长的状态，增长速率不断降低，且随着对各类用地的保护概率不断增大，增长面积幅度在不断减小，且三种情景下的增长系数变化趋势大致相同，都由蔓延系数占主导作用，繁殖与道路引力系数为辅的效果。三种情景预测结果均顺应济南“南控、西进、东拓、中优”规划政策，预测结果可验证SLEUTH模型精度并为济南城区规划提供理论依据。 (4)分析济南市暴雨洪水灾害成因并建立Caflood二维雨洪淹没模拟模型。选取8场城市典型暴雨洪水场次对模型进行率定，率定结果各指标相对误差较小，误差较大处主要由几个异常点决定，但总体看来，模拟水深与实测最大淹没水深吻合较好，各参数满足模型精度要求，适用于进一步模拟分析。 (5)在Caflood模型率定基础上对“20070718”次洪进行模拟，并对模拟结果进行可视化，采用不同精度DEM数据进行计算并与MIKE21计算结果做出对比，以验证模型的效率与精度。可视化模拟结果与实际情况基本符合，重点积水地区在中北部地区，英雄山路，建设路，玉函路，二环东路等道路均出现马路行洪，印证了济南暴雨后“南水北淹”的说法；数值计算结果显示，选取22个实测点，以10m分辨率DEM作为模型输入的Caflood模拟最大水深平均误差为0.21m，30m的模拟的平均误差为0.33m，但30m分辨率DEM运行时间仅为10m分辨率DEM的1/15。而MIKE21模拟的平均误差0.27m。结果验证了该模型运行可靠、精度较高、能较好的反映洪水的运动特性，与其它分布式雨洪模型对比具有计算时间短、建模条件较低且适应性较好的特点，更适合城市洪水预警与应急预案。 (6)在基于SLEUTH模型预测的济南城区2019-2035年城区范围增长基础上，结合Caflood模型，预测未来情景下城区雨洪时空分布状态。选取基础保护情景下的2035年城区预测未来状态进行城市增长下雨洪模拟研究。雨型方案选取0718、0826两次实际雨型以及3小时、24小时设计雨型，在此基础上进行未来不同情景雨型模拟分析，模拟结果表明，对于短历时强降雨重现期到达50年以后，济南城区内涝分布相对稳定，面积增长幅度较小，但最大水深变大；长历时强降雨造成的洪水灾害淹没损失更为严重；以“20070718”雨型为例，预测2035年模拟淹没情景与2007年淹没情景基本类似，但2035年淹没水深峰值提前，高危险性区域面积增加，且洪涝损失风险等级图体现2035年暴雨后“南水北淹”情景更为严重。研究结果在一定程度上反应出城市增长对雨洪淹没的影响。
城市增长;雨洪模拟;动态增长;元胞自动机
济南大学
硕士
水利工程
李庆国
2019
中文
TU992
2020-01-09（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）