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Spatiotemporal evolution and driving factors of China's flash flood disasters since 1949

Science China Earth Sciences 2018年第12期61卷 1804-1817页

作者： yesen liu Zhenshan YANG Yaohuan HUANG Changjun liu China Institute of Water Resources and Hydropower Research Research Center on Flood & Drought Disaster Reduction of the Ministry of Water Resources Key Lab of Regional Sustainable Development and Modelling Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research Chinese Academy of Sciences State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System Institute of Geographic Sciences and Natural Resources ResearchChinese Academy of Sciences

This study examines the spatiotemporal evolution of China's flash flood disasters(FFDs) since 1949 and explores driving factors affecting the spatial distribution of historical FFDs. Records of more than 60000 FFDs are examined, and the centroid comparison method is used to reveal the spatiotemporal evolution of FFDs from 1951 to 2015. In particular, the geographical locations of the centroids, degrees of aggregation, and associated movement tendencies are examined to conduct a preliminary analysis of correlations between rainfall, population, and the spatiotemporal evolution of FFDs. Subsequently, using relevant data from 2000 to 2015, three factors relating to FFDs in natural watershed units include namely rainfall, human activity,and the environment of the Earth's surface. The geographical detector method is then employed to explore the effect of these driving factors on the spatial distribution of FFDs. Analysis results show that displacement of the spatial distribution of FFDs since 1949 is correlated with variations in rainfall and population distribution. In addition, it is determined that the distribution of FFDs occurring between 2000 and 2015 have regional differentiation characteristics. However, the effect of rainfall on the distribution of FFDs is more significant than that of human activity or the environment of the Earth's surface, but interactions occur between these latter two factors in disaster-formative environments. Furthermore, results also show that the driving factors of FFDs have significant spatiotemporal heterogeneity. In China, regions at high risk of FFDs include the Sichuan-Chongqing ecological zone, the South China ecological zone, the Yunnan-Guizhou Plateau, and the middle and lower reaches of the Yangtze River, while regions with a low risk of FFDs include the Northwest China arid zone, Qinghai-Tibet Plateau, Inner Mongolian Plateau, and the Northeast China ecological zone. These findings support further studies investigating disaste

关键词： Flash flood disaster Centroid Driving factor Human activity Rainfall

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不同类型城市洪涝风险成因分析及应对措施探讨

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中国防汛抗旱 2025年第2期35卷 42-45,52页

作者：刘媛媛李敏郝晓丽刘业森刘舒俞茜中国水利水电科学研究院北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心北京100038 水利部数字孪生流域重点实验室北京100038 水利部京津冀水安全保障重点实验室北京100038

如何进一步提升城市的防洪排涝能力,为城市的可持续发展提供必要保障,是当前城市洪涝风险管理的重要课题。我国地形多样、气候复杂,不同类型城市洪涝风险成因各不相同。针对不同城市地理特征和气候特点,对洪涝风险成因及工程和非工程应... 详细信息

如何进一步提升城市的防洪排涝能力,为城市的可持续发展提供必要保障,是当前城市洪涝风险管理的重要课题。我国地形多样、气候复杂,不同类型城市洪涝风险成因各不相同。针对不同城市地理特征和气候特点,对洪涝风险成因及工程和非工程应对措施进行探讨,以期为城市防洪排涝规划、洪涝风险管理提供技术支撑。

关键词：沿海城市平原城市山地城市洪涝风险极端暴雨成因分析应对措施

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基于改进遗传算法的水库防洪优化调度应用研究

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中国防汛抗旱 2025年第2期35卷 13-18页

作者：苑希民刘广王秀杰彭芳李匡刘战友张民升刘业森天津大学水利工程智能建设与运维全国重点实验室天津300350 中国水利水电科学研究院北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心(水旱灾害防御中心) 北京100038 天津市水务工程运行调度中心天津300074

针对水库常规调度方法存在的非动态性、灵活性不足及对复杂环境变化适应性差等问题,考虑水库防洪调度任务的多目标需求和传统遗传算法在复杂约束条件下的局限性,提出基于改进遗传算法的水库多目标防洪优化调度方法。即以最大削峰和最高... 详细信息

针对水库常规调度方法存在的非动态性、灵活性不足及对复杂环境变化适应性差等问题,考虑水库防洪调度任务的多目标需求和传统遗传算法在复杂约束条件下的局限性,提出基于改进遗传算法的水库多目标防洪优化调度方法。即以最大削峰和最高库水位最低为优化目标函数,引入动态变化的交叉和变异策略,将水库常规操作规则和水库泄流一般操作原则概化为启发式信息融入传统遗传算法中并求解。以海河流域杨庄水库为研究对象分别构建基于改进遗传算法、调度规则及传统遗传算法的水库防洪调度模型,并进行对比分析。结果表明,改进遗传算法能够显著提高水库的调度效率和防洪能力,为汛期水库的管理提供了可靠技术。

关键词：水库防洪调度多目标优化算法改进遗传算法启发式信息海河流域杨庄水库

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降雨数据空间分辨率在城市流域洪峰变化分析中的影响

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地球信息科学学报 2022年第7期24卷 1326-1336页

作者：刘业森刘媛媛李敏李匡中国水利水电科学研究院北京100038

在气候变化和城市化背景下,城市暴雨的局部特征愈发明显,而降雨监测和预报数据空间分辨率难以满足空间分布描述要求,造成城市洪涝模拟和预测结果存在不确定性。本文选择深圳市城区的3个流域,基于118场实测降雨数据,通过逐步增大网格尺... 详细信息

在气候变化和城市化背景下,城市暴雨的局部特征愈发明显,而降雨监测和预报数据空间分辨率难以满足空间分布描述要求,造成城市洪涝模拟和预测结果存在不确定性。本文选择深圳市城区的3个流域,基于118场实测降雨数据,通过逐步增大网格尺寸以达到降低降雨空间分辨率的效果,同时以流域边界作为限制,保证流域内面平均雨量不变,然后将不同空间分辨率的降雨数据分别作为城市洪涝模型的输入条件,对流域出口断面的洪水过程进行模拟计算,每场降雨得到6种不同空间分辨率下的洪峰流量。结合降雨中心、流域几何中心等空间特征参数,分析降雨空间分辨率对流域洪峰的影响。研究结果表明,针对118场实测降雨,随着降雨数据空间分辨率逐渐降低,3个流域的出口断面的洪峰变化幅度逐渐增大;如果忽略了流域内部降雨数据的空间分布差异,洪峰变化幅度和方向与降雨中心和流域几何中心的空间关系具有相关性,降雨中心在流域几何中心上游方向的距离越大,洪峰降低的幅度越大。本文基于3个城市流域得到了相似的研究结论,研究方法可为城市流域洪涝模拟提供借鉴,研究结果可为河道洪水风险评价提供参考。

关键词：降雨数据空间分辨率网格大小降雨中心城市流域洪峰洪涝模型深圳

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基于机器学习短历时暴雨时空分布规律研究

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水利学报 2019年第6期50卷 773-779页

作者：刘媛媛刘洪伟霍风霖刘业森中国水利水电科学研究院北京100038 北京市水务局北京100038

城市内涝风险的精细化管理和防洪排涝市政工程的科学设计,需要对当地降雨的时空分布特征有深入的了解。而传统以单站雨型代表整个区域降雨特征的分析方法,不能满足这一要求。本文尝试将机器算法引入到暴雨时空分布特征研究中,以北京城区... 详细信息

城市内涝风险的精细化管理和防洪排涝市政工程的科学设计,需要对当地降雨的时空分布特征有深入的了解。而传统以单站雨型代表整个区域降雨特征的分析方法,不能满足这一要求。本文尝试将机器算法引入到暴雨时空分布特征研究中,以北京城区2004-2016年降雨资料为研究样本,利用动态聚类算法,提取北京城区短历时暴雨时空分布的动态特征。经分析,北京汛期的短历时暴雨时空分布特征,可以分为3种类型:(1)降雨自西北部山区移动到城中心区,逐渐扩散到城区;(2)降雨集中在城区西南部地区,逐渐向北部和城中心区扩散;(3)降雨集中在城区中心区和东部地区,基本不发生移动。研究结果表明,基于机器学习算法提取的暴雨时空分布特征,与实际暴雨时空动态发展趋势相符,并且有各自对应的降雨形成的不同物理机制,可为城区降雨设计、城市内涝风险管理等工作提供借鉴与参考。

关键词：机器学习时空分布特征提取短时强降雨

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基于机器学习降雨动态时空特征识别山丘区小流域洪水预报方法研究

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水利学报 2024年第9期55卷 1009-1019页

作者：刘媛媛刘业森刘洋刘正风杨伟韬胡文才中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心北京100038 水利部水利水电规划设计总院北京100120 福建省水利水电勘测设计研究院有限公司福建福州350001 广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院有限责任公司广西南宁530023 淮河水利委员会沂沭泗水利管理局水文局(信息中心) 江苏徐州221018

山丘区洪水产汇流速度快,破坏力强,预报难度大。如何进一步提高山丘区洪水预报的准确性和预见期,是当前亟待解决的主要问题。针对该问题,本文基于机器学习技术,创新性地提出了一种洪水预报的新方法。该方法通过识别与当前降雨动态时空... 详细信息

山丘区洪水产汇流速度快,破坏力强,预报难度大。如何进一步提高山丘区洪水预报的准确性和预见期,是当前亟待解决的主要问题。针对该问题,本文基于机器学习技术,创新性地提出了一种洪水预报的新方法。该方法通过识别与当前降雨动态时空特征最相似的历史降雨洪水过程,“借古喻今”进行洪水预报。结果表明,在人为影响小、流域面积在600 km^(2)左右的山丘区小流域,该方法预报洪峰流量平均误差为8.33%,洪量平均误差为14.27%,峰现时间平均误差1 h,均达到了洪水预报精度要求。区别于传统的洪水预报方法,该方法从整场降雨发展趋势的角度上预报山洪,更有针对性,为山丘区小流域洪水预报提供了新思路,为“三道防线”数据深度挖掘,防洪“四预”智能化水平提升提供有力技术支撑。

关键词：人工智能流形学习降雨时空特征山丘区小流域洪水预报

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BP神经网络和数值模型相结合的城市内涝预测方法研究

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水利学报 2022年第3期53卷 284-295页

作者：刘媛媛刘业森郑敬伟柴福鑫李敏穆杰中国水利水电科学研究院北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心北京100038

洪涝数值模型是当前城市内涝风险分析和预报预警的主要技术手段,然而数值模型的计算速度较慢,难以满足日常防汛应急的需求。如何将人工智能技术,引入到训练样本及标注数据较少的城市积水内涝快速预测中,是个重点关注且亟待解决的问题。... 详细信息

洪涝数值模型是当前城市内涝风险分析和预报预警的主要技术手段,然而数值模型的计算速度较慢,难以满足日常防汛应急的需求。如何将人工智能技术,引入到训练样本及标注数据较少的城市积水内涝快速预测中,是个重点关注且亟待解决的问题。针对这个问题,本文将具有良好计算精度数值模型与具有较高计算效率的BP人工神经网络模型相结合,提出了一种快速预测城市内涝风险的新方法。本方法以城市洪涝模型的模拟结果作为数据驱动,构建各积水点的BP神经网络预测模型。结果表明,该方法预测精度高,计算速度快,可以满足日常防汛应急的需要,为人工智能技术在防洪减灾方向的应用提供了新的思路。

关键词：人工智能 BP神经网络洪涝模型城市内涝快速预测

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基于边界替代的人口数据空间化方法研究

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地球信息科学 2005年第4期7卷 54-58页

作者：刘业森杨小唤中国科学院地理科学与资源研究所

首先将山东省各县市按级别分类,利用回归方法得到不同级别县市的城镇居住密度与农村居住密度,然后根据乡镇驻地位置,构造Voronoi图来替代乡镇边界。在此基础上利用各乡镇人口数据与居民点数据计算得到各 Voronoi图形的居住密度,并将该... 详细信息

首先将山东省各县市按级别分类,利用回归方法得到不同级别县市的城镇居住密度与农村居住密度,然后根据乡镇驻地位置,构造Voronoi图来替代乡镇边界。在此基础上利用各乡镇人口数据与居民点数据计算得到各 Voronoi图形的居住密度,并将该密度赋予每个图形的发生点(即乡镇驻地位置),而后利用反距离插值算法,并结合窗口移动平均处理,得到全省的居住密度分布图。使用居住密度分布图和居民点分布数据,计算人口分布数据。并根据每个县市的图上汇总人口和统计人口,计算得到各县市的调整系数,使用该系数对每个栅格的人口数进行调整,保证了各县市总人口不会出现误差。最终得到山东省1km×1km栅格的人口分布数据。最后选取某些样本县, 在样本县内对比每个乡镇图上的人口与实际统计人口,结果表明该人口分布数据有较高的精度。

关键词：人口 Voronoi图居住密度空间化栅格

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降雨时空不确定性对城市河道洪水的影响

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南水北调与水利科技（中英文） 2022年第2期20卷 317-326页

作者：刘业森刘媛媛李敏李匡中国水利水电科学研究院北京100038

针对降雨时空不确定性严重制约洪涝模型模拟精度的问题,在深圳市布吉河流域研究降雨中心、降雨移动方向等时空特征对洪水过程的影响。利用2018—2020年的降雨监测数据,划分并筛选出116个大雨以上的降雨场次,进而对每个场次通过空间平均... 详细信息

针对降雨时空不确定性严重制约洪涝模型模拟精度的问题,在深圳市布吉河流域研究降雨中心、降雨移动方向等时空特征对洪水过程的影响。利用2018—2020年的降雨监测数据,划分并筛选出116个大雨以上的降雨场次,进而对每个场次通过空间平均化处理和时间同步处理,分别构建空间平均和雨峰同步降雨过程;利用城市洪涝模型模拟116个降雨场次在实际降雨、空间平均、雨峰同步3种时空分布下的洪水过程;分析降雨中心和降雨移动方向对洪峰流量、洪水过程的影响。结果显示:经过空间平均化处理后,产生的洪峰流量较实际降雨模拟得到的洪峰流量变化范围为-43.9%~34.7%,而且当实际降雨中心位于流域几何中心下游时,模拟得到的洪峰倾向于偏高;经过雨峰同步处理的降雨较实际降雨模拟得到洪峰流量变化范围为-33.7%~20.0%,洪峰变化范围与降雨中心移动方向有较强的相关性;洪水过程与洪峰流量变化相对应,表现为洪峰增加、洪水持续时间缩短,或洪峰降低、洪峰持续时长增加。研究结论可为洪涝模型输入的降雨过程构建提供依据,为河道洪水风险评估、洪涝过程实时模拟提供借鉴。

关键词：降雨中心降雨移动城市河道洪峰洪水过程

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人口区划及其在人口空间化中的GIS分析应用——以山东省为例

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地球信息科学 2007年第2期9卷 49-54页

作者：黄耀欢杨小唤刘业森中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院研究生院北京100049

对基于土地利用/土地覆盖类型的人口空间化方法,进行人口区划的GIS分析应用是一有效技术途径。本文在全国一级区划基础上,通过数理统计分析提取二级区划各影响因子,建立二级区划指标,进而利用空间分析技术进行人口空间化的二级分区。同... 详细信息

对基于土地利用/土地覆盖类型的人口空间化方法,进行人口区划的GIS分析应用是一有效技术途径。本文在全国一级区划基础上,通过数理统计分析提取二级区划各影响因子,建立二级区划指标,进而利用空间分析技术进行人口空间化的二级分区。同时以农村居民地、城镇居民地和耕地数据建立人口空间化模型,在GIS的支持下实现山东省2000年人口统计数据空间化。并通过对比基于一级人口区划和二级人口区划的人口空间化数据,选取郯城县进行结果精度检验。验证结果表明二级人口区划后的人口空间化数据在数值精度和空间精度上都有明显提高。

关键词：人口空间化二级人口区划土地利用误差检验

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