摘要
在城市化快速发展和全球气候变化的双重影响之下，城市区域产汇流过程加快、极端强降雨频发，导致内涝灾害风险快速增加，严重制约城市的可持续发展，并引发严重的人员伤亡和财产损失。为有效应对这一问题，亟需构建完善的城市防洪排涝体系，并合理调控各项措施，增强城市的防灾韧性。通过开展城市内涝过程模拟，合理调控城市防洪排涝构筑物，是减少城市内涝风险的有效途径之一。其中，调蓄池作为防洪排涝体系的重要组成部分，其运行规则对城市内涝灾害的防控效果具有显著影响。因此，本文以西安市小寨区域为例，通过构建一二维耦合水文水动力模型，模拟对比城市在有无调蓄池调控作用下的内涝过程；并以城市地表积水量最小为目标，开展调蓄池运行规则优化，探索使得城市内涝灾害风险最小的调蓄池运行规则。主要研究内容及成果如下： (1)为精确模拟研究区域的内涝过程，本研究构建了基于高精度地形、土地利用类型、排水管网等本底数据的二维地表和一维管网耦合的水文水动力模型。并利用研究区域的实测降雨和内涝数据对模型模拟精度进行了验证。模型模拟结果与实测数据的对比结果表明该模型的平均绝对百分比误差不超过10%，可准确模拟研究区域的内涝过程。 (2)通过构建的水文水动力模型模拟研究区域在5年、30年、50年和100年一遇设计降雨情景下调蓄池对城市内涝过程的调控作用。模拟结果表明调蓄池在开启时，通过暂存和调节雨洪流量能有效缓解积涝点的积涝程度。同时，调蓄池开启后能够显著减小雨水管网排水压力，进而削减末端排口流量峰值。但随着降雨重现期的增大，其削减效果逐渐减弱，且随着调蓄池进口流量增大，其运行时间也相应缩短。石油大学和紫薇花园调蓄池，由于容积相对较小，在产汇流过程尚未结束时就因达到运行关闭条件而关闭调蓄池，因此要考虑调蓄池的容积，科学合理地利用调蓄池存储洪峰期间的地表积水。 (3)为快速和准确地求解调蓄池优化问题，提出一套基于KNN模型和粒子群优化算法的调蓄池优化调度方法。根据构建的水文水动力模型的模拟结果，使用KNN模型建立不同降雨条件下调蓄池运行规则和水动力模拟结果之间的非线性关系，用来代替计算耗时较长的水文水动力模型作为优化算法的适应度值的求解工具，避免在优化过程中反复调用数值模型而提高优化求解效率。在优化过程中，将调蓄池控制区域分为整体控制和局部控制进行优化；通过对30、50、70、100和150年一遇降雨情景下的调蓄池运行规则进行整体控制优化，发现优化后的规则均优于初始开启规则，并且把调蓄池作为一个整体进行优化的调控机制也优于单独优化的局部调控机制。其中整体控制优化后的地表积水量相较于原始运行规则，地表积水量分别削减了7.97%、10.55%、12.42%、7.34%和7.00%。
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