基于管网概化的城市洪水风险分析技术研究文档格式.doc
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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，按水位~面积~容积曲线设置。
3.2.3水文模型设置
水文模型的设置主要是输入降雨过程和水文模型的参数。
降雨过程按降雨分区输入，设为八里沟、迎河-张公山大塘-席家沟、沿淮和龙子湖4个降雨分区，同一降雨分区内所有网格的降雨值相等。
选用24小时10年一遇的暴雨，降雨量为202mm，降雨过程见图4。
研究区域位于淮河南岸，汛期时雨水多，按前期土壤湿润程度等级划分，选为湿润（AMCIII）。
蚌埠市主要为黄棕壤土，土壤类型为D类。
研究区域除两个湖泊外，主要为城市居民区和商业区。
基于上述土壤特性和土地利用，设湖区CN值为100，其余区域CN值为90。
3.2.4排水模型设置
按实际排水，四个降雨区被划分为38个子排水区，分别输入子排水区的设计排水能力、等效管网容积，排水泵的设计排水能力，对于抽排龙子湖和张公山大塘两湖泊洪水的泵站，输入排水泵启用的控制水位，分别为17.5m和19.5m。
3.2.5水动力模型的初始和边界条件设置
初始条件指八里沟、席家沟和龙子湖的初始水位，分别设为19m、19m和17m。
边界条件指三条河流在边界处的洪水过程，洪峰流量分别为63.7m3/s、118.4m3/s和252.8m3/s；
进洪总量分别为347.1m3、642.3m3和1367.5m3，洪水过程见图4。
3.3结果分析
模型的运算时间为50小时，整个模拟过程中，最大水深淹没分布见图4，分析如下：
（1）洪水造成的淹没或积水区域主要分布在八里沟、席家沟和龙子河周围，与实际工况相符。
由于河道两边地势低洼，为防止洪水倒灌，汛期时沿河涵闸被关闭，积水不能排出，主要分布在河道两边；
（2）积水还分布在沿淮路与解放一路和解放二路交界处，胜利路与解放路立交桥下，大庆路与东海大道和兴中路的交界处等，以及沿淮河友谊排涝泵站处等，这些路段为蚌埠市的低洼区域，汛期降雨后便会积水；
（3）席家沟和龙子河两条河流因上游洪水不能及时排出，仅靠泵站将洪水抽排至淮河，容易造成内湖洪水位升高，对周边地区产生淹没。
图410年一遇暴雨洪水淹没水深分布图
4结论
本文提出的城市洪水风险分析模型耦合了水文下渗模型、二维水动力学模型和城市排水模型，可以分析外洪、内涝，以及两类洪水组合导致的城市洪水风险。
模型能够同时模拟降雨产流、洪水演进和城市排水，分析各种降雨洪水组合和工程调度运用情况下，不同量级洪水可能造成的风险。
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