基于管网概化的城市洪水风险分析技术研究Word文档下载推荐.doc
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模型耦合;
洪水风险分析
StudyforUrbanFloodRiskAnalysisBasedonGeneralizedPipesSystems
MaJian-ming1,3,ZhangNian-qiang1,2,3,LuJi-kang1,3
(1.ChinaInstituteofWaterResouresandHydropowerResearch,Beijing100048;
2.HoHaiUniversity,Nanjing210098;
3.ResearchCenteronFloodandDroughtReduction,Beijing100048)
Abstract:
Basedonthecharacteristicsofurbanflood,asimplifiedurbandrainagemodelisproposedbasedongeneralizedpipessystemsandurbanfloodriskanalysismodelisbuiltthroughcouplingwithSCShydrologymodeland2-dimensionalshallowwaterhydrodynamicmodel.Themodelcansimulateurbanfloodfromexternalrivers,internalwaterloggingortheircombination.WithBengbuCityasanexample,themodelisapplied,anditssimulationresultisinagreementwithactualsituation,proofingitsapplicability.
Keywords:
Urban;
Flood;
Model;
Floodriskmap;
Floodriskanalysis;
1前言
洪涝灾害对城市发展造成了严重威胁,从上世纪50年代至今,我国城市水灾呈逐步上升趋势[1],近年来,极端降雨事件在多个城市造成了严重的灾害损失。
分析城市洪水风险,编制洪水风险图,是城市防洪减灾的一项主要措施。
依据《洪水风险图编制导则》(SL483-2010),本文中的洪水风险主要指某种概率洪水的淹没水深、流速、淹没历时等洪水特征信息。
城市洪水由外洪和内涝两种类型,或者是两种洪水的组合[2],由于成灾机理和风险影响因素的差异,针对这两种洪水的模拟和分析方法并不相同。
由外洪引起的洪水,一般只需用二维水动力学模型模拟,方法较为简单。
由内涝引起的洪水,需要综合考虑排水管网、排涝泵站,以及防洪工程调度等对洪水的影响,并且内涝洪水多由区间暴雨引起,需要分析暴雨形成有效降雨和在地面上汇流积水的过程,分析方法更为复杂。
当前针对城市洪水模拟已有较多研究。
张新华等[3]基于二维浅水波方程,利用多边形网格剖分,有限体积离散,建立的模型可以模拟城市外洪。
张行南等[4]分析了城市洪水致灾因子,利用多边形叠置和聚类分析等手段,比较了城市不同区域的洪水风险。
李传奇等[5]利用MIKE软件建立了一、二维耦合的水动力学模型,用NAM模型对降雨径流进行模拟作为二维模型的边界,分析了济南市不同重现期河道洪水造成的淹没。
曹玲[6]等建立了苏州市二维洪水演进模型,并通过局部更改网格来考虑城市排水,对场次降雨后的积水情况进行模拟,但对于高分辨率、大容量网格,建模过程非常繁琐。
总体上,已有研究主要考虑了城市外洪或河道洪水,未考虑城市暴雨和由此引起的内涝积水,不能满足国内大多数城市的洪水风险分析需求。
本文在对上述方法研究和归纳的基础上,提出了城市排水的概化模型,并与水文、水动力学模型相耦合,建立了城市洪水风险分析模型,能够分析区间暴雨形成有效降雨、汇流、排水、低洼区域积水的过程,以及河道洪水漫溢和溃堤的过程,并对子模型的耦合与实现技术进行了研究。
2水文~水动力~城市排水模型耦合
2.1模型的提出
针对城市外洪,主要考虑过境河道洪水导致的城市建成区淹没,采用二维水动力学模型进行模拟。
针对城市内涝,主要考虑由区域暴雨引起的低洼区积水、排水不畅或不及时导致的积水,除二维水动力学模型外,还需用水文模型模拟雨水的产流,用城市排水模型模拟排水管网、泵站等的排水情况,各类模型在城市洪水风险中的模拟路线见图1。
降雨经水文模型模拟后形成有效降雨;
有效降雨分两部分,一部分经排水模型模拟后排入城市外河,不再参加城市洪水的计算,或者排入城市内河,与城市湖泊等进行交换,漫溢后由水动力学模型模拟其淹没情况;
另一部分未排至排水管网的洪水,则由水动力学模型模拟其淹没情况。
图1模型运行原理结构图
2.1.1水文下渗模型
水文模拟采用SCS(SoilConservationService)模型[7]。
该模型由美国农业水土保持局在20世纪50年代开发,它充分考虑研究区的下垫面类型,输入的参数少,对水文数据要求低,计算简单,在国内外城市水文中得到了广泛应用[8~12]。
SCS模型的计算原理如下:
根据公式
(1)求得各时刻的径流量。
(1)
式中,P为降雨量,R为径流量,S为流域当时的最大可能滞留量,利用公式
(2)求得。
(2)
式中,CN值为反映降雨前流域特征的综合参数,它与流域前期土壤湿润程度AMC、土壤类型、植被和土地利用现状等有关。
2.1.2水动力学模型
洪水冲击波影响范围广,淹没水深相对其影响范围比较小,水流在水深方向上的变化可以忽略,具有典型的浅水波特性[13],本次选用浅水波二维连续方程(5)和动量方程(6)、(7)描述洪水的演进过程,分别表示如下:
(5)
(6)
(7)
式中,Z为水位,h为水深,u、v分别为x和y方向的水流流速,q为源、汇项;
、分别为x、y方向的水流运动阻力,n为曼宁糙率系数。
当前针对上述公式已有多种求解方法,本次选用有限体积法进行离散,在本文的前期研究文献[14]中已有阐释,不再冗述。
2.1.3城市排水模型
为建立简化的城市排水模型,假设城市按排水分区排水,并提出等效排水管网的概念,表示排水区排水管网的蓄水和排水能力。
排水区与单元网格相关联。
排水区内的网格排泄有效降雨至等效排水管网,排入的雨水达到一定容积后,按排水能力将雨水排至河道、湖泊或其余的排水区内,完成排水过程。
根据上述原理,分别用公式表示如下:
(1)排水区的单位面积排水能力
排水区的最大排水能力等于设计排水能力,单位面积排水能力为:
DQ(i)=MaxQD(i)/DA(i)(8)
式中,DQ(i)为i排水区单位面积排水能力;
MaxQD(i)为i排水区的设计排水能力;
DA(i)为i排水区的面积。
(2)单元格的排水能力
单元格的排水能力为排水区的单位面积排水能力和单元格面积的积,用式(9)表示:
CQ(i,j)=DQ(i)*CA(i,j)(9)
式中,CQ(i,j)和CA(i,j)分别为i排水区j单元格的排水能力和面积。
(3)排水泵的排水能力与排水过程
排水泵主要用于排泄单个或多个排水区的积水,通过指定排水泵的排水对象来实现,排水泵的开启控制条件根据排水对象的属性设置,如城市内湖水位、等效管网的容积等,排水泵的实际排水能力用式(10)表示:
PQ(m)=K(i)*MaxPQ(i)(10)
式中,PQ(m)为第m个排水泵的实际排水能力,MaxPQ(m)为第m个排水泵的设计排水能力,K为比例系数,与排涝对象的排涝条件有关。
(4)等效管网的容积
等效管网的容积在每个计算步长中发生变化,与排水区内网格排入的水和泵站抽排的水有关,用式(11)表示:
VUR(t+△t)=VUR(t)+ΣCQ(i,j)*△t-ΣPQ(m)*△t(11)
式中,VUR(t)为t时刻等效管网的容积,△t为计算时间步长。
2.2模型的耦合
将模型以模块的方式组织,分为水文、水动力和城市排水三个模块,建模时根据洪水风险分析的需求进行选择。
计算时,模块的耦合由网格对象[14]实现,按时间步长计算网格的水深、流量,并将计算结果保存在网格对象的属性里,用概念公式(12)表示:
H(t+△t)=H(t)+△H+[P(t)-f(t)-CQ(t)]*△t(12)
式中,H(t)为t时刻单元格的水深,△H为从单元格流入和流出的水量差(用水深表达),P(t)、f(t)、CQ(t)分别为t时刻单元格上的雨强、下渗能力和排水能力。
其中,△H由水动力学模型计算,P(t)为降雨输入数据,f(t)由水文下渗模型计算,CQ(t)由城市排水模型计算。
2.3基于对象的模型实现
在模型软件中,按照统一的对象进行组织,每一类对象根据计算需求设置不同的属性,通过计算和记录对象的属性,实现模型的运转和不同模型的耦合。
模型中主要设有降雨分区、排水分区、排水泵、网格对象和部分辅助性子对象。
降雨分区对象用于水文模型,有描述降雨和水文模型参数的两类属性。
排水分区和排水泵对象用于排水模型,前者包括排水区的排水能力、设计排水标准属性和等效管网子对象,后者包括泵站的设计和实际排水能力、排水对象、排水条件等属性。
网格主要用于水动力学模型,包括点、边和面(规则或不规则网格)三种子对象,其中边对象设置流量属性,面对象设置高程、水位、水深属性,以及网格面积、糙率等。
不同类型的对象之间紧密耦合,图2表示了它们之间的关联关系,降雨分区分为多个排水分区,排水分区被剖分为多个网格,泵站设在排水分区或者由多个网格组成的城市内湖泊或河流上。
通过模型软件,将实际下垫面概化为模型对象并设置相应参数。
图2模型中对象的相互关系
3应用与实例
3.1研究区概况
模型的应用区域为安徽省蚌埠市淮河以南约76km2的市区。
市区内自西向东有八里沟,席家沟和龙子河等河沟洼地,后两条河流分别在市区形成张公山大塘和龙子湖,防洪工程主要为城市防洪圈堤、市内河流堤防、排涝泵站、排水管网和排涝涵闸。
由蚌埠市的洪灾特性,需要分析区间暴雨引起的低洼区域积水、因淮河洪水顶托排水不畅引起的内河洪水漫溢等洪水风险,选用水文、水动力和城市排水三种模型进行模拟。
3.2模型的建立
3.2.1网格剖分
模型在市区南以防洪圈堤,西、北和东以主要道路为计算范围边界,以堤防、公路、铁路等阻水建筑物为内边界,选用20m的不规则四边形网格进行剖分,网格总数超过15万个,图3为研究区范围和计算网格。
图3研究区范围与剖分后的网格
3.2.2高程设置
剖分后的网格由两种类型的边组成,一类是普通边,另一类是边界边,对它们分别设置高程。
单元和普通边的高程值选用1:
10000的高程点和等高线数据。
边界边按堤防和主要道路的实际高程设置。
市内张公山大塘和龙子湖两个湖泊由于无实测湖底高程
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