城市立交桥暴雨积水数值模拟
北京市城市化对暴雨洪水过程的影响及其数值模拟
城市化 建设前 ，采 用 １９８１年 ７月 ３曰和 １９８３年 ６月 １９日 后 ２Ｏ年重现期 的峰值流量大 于城市化前 １００年重现期 的
的暴雨洪水数据对模型进行率定 ，验证数据为１９８５年 ７月 ２日 峰值 流量 值 。所 以 ，城 市化 对暴雨洪 水影 响十分 显著 ，洪
和 １９８７年 ８月 １３日的实测数据 ，结果表 明 ，模拟结果和 实 水 风险增 加 ，洪 峰流量 增加 、峰现 时间 提前 、径 流 系数增
明 ，模 型模 拟结果能较 好地反映实 际情 况 ，对不 同的暴雨 施的效 果也可 以模拟 出来 。
责任编辑 姚力玮
通 过对 北京 市城 区暴雨洪 水 数值模 拟 ，得 出以下结
这些指 标对模型进行 率定和验证 。城市开发建设前后 ，用 论 ：城市化 后 的地 表径流 量是 城市 化前 的 ３．５倍 ；径 流 系
地 面积变化 比较大 ，所 以需要 分别构建模型进行 分析 。在 数从 Ｏ．１２增加到 ０．４１，渗 透率从 ８８％下降到 ６０％；城市 化
４ Ｉ ｃ
２０１８年 ２月 第 ２期 第 ２８卷 Ｆｅｂ ２０１８ ＮＯ ２ ＶＯＬ ２８
考虑城 市环境 下的水 问题 ，不 能忽略城 区建筑 物 ，在 速度 的关 系 、车淹 深度对流 速的影 响等 ，以及人 被淹之 后
模型 中用摩擦 力或其他 介质来取代这些建筑 ，设定不 同的 的水 中漂动情况 ，考虑生命体 的年龄 和体 型变化 。总之 ，通
配置 ，水资源管理决策支持 系统 ，３ｓ技术在水 文水资源科学 中的应用等研 究。
北京 “２０１２．７．２１”强 降雨 导致 城 区多处 被淹 、交 通瘫 径 流系数 、洪峰 流量 、峰现 时间的检 验也 基本合理 。因为
极端暴雨下城市内涝模拟与应急响应能力评估
目前的排水系统模型主要基于经验设计，缺乏对复杂地 形、气候等因素的考虑，未来需要进一步优化模型，提 高排水系统的适应性和效能。
对未来研究的建议与展望
加强合作研究
建议未来研究加强跨学科的合作，如地理、水利、环境等学科的专家可以共同参与，以提 高研究的全面性和深度。
精细化模拟
随着计算机技术的发展，未来可以开展更精细化模拟，如对城市地表径流、地下水流动等 进行精细化建模和分析。
01
02
03
数据收集
收集历史气象数据、地理 信息、降雨量等数据。
数据分析
对收集到的数据进行处理 和分析，了解极端暴雨发 生的规律和特点。
模型建立
基于数据分析结果，建立 极端暴雨模型，为模拟提 供数据支持。
城市内涝模拟方法与流程
模拟准备
选择合适的模拟软件和设 置模拟参数。
模拟执行
根据建立的极端暴雨模型 和城市地理信息，模拟城 市内涝情况。
考虑更多影响因素
未来的研究应考虑更多的影响因素，如气候变化、城市化进程、土地利用变化等对城市内 涝的影响。同时，也需要关注城市内涝对生态环境、人类生活以及经济发展的综合影响评 估。
感谢您的观看
THANKS
05
研究结论与展望
研究结论回顾
01
城市内涝形成机制
在极端暴雨下，城市内涝的主要原因是地表径流无法及时排除，导致
积水现象。此外，城市排水系统的效能也是影响内涝的重要因素。
02 03
模拟方法的有效性
本研究采用数值模拟方法，通过建立城市水文模型和排水系统模型， 成功地模拟了极端暴雨下的城市内涝情况。模拟结果与实际观测数据 对比显示，该方法具有较高的准确性。
评估实施
基于SWMM的北京市典型城区暴雨洪水模拟分析
参考内容二
随着城市化进程的加快，城市暴雨内涝问题日益凸显。为了有效应对这一问 题，研究人员利用地理信息系统（GIS）与水力模型模拟软件（SWMM）进行城市 暴雨内涝淹没模拟分析。本次演示将介绍GIS和SWMM在城市暴雨内涝淹没模拟分 析中的应用。
GIS和SWMM概述
地理信息系统（GIS）是一种集成多种空间信息数据的计算机系统，它能够 对地理数据进行输入、存储、管理、分析和可视化。水力模型模拟软件（SWMM） 是一种广泛应用于城市排水系统模拟的计算机程序，它能够对暴雨条件下城市的 排水情况进行分析和
这些新技术的应用为SWMM模型在暴雨洪水管理中的进一步发展提供了有力支 持。
六、结论
暴雨洪水管理模型SWMM在暴雨洪水预警、防洪规划和污水处理等方面具有广 泛的应用前景。随着科技的不断进步，相信SWMM模型的研究及应用将会取得更加 显著的成果。本次演示介绍了SWMM模型的结构与功能，概述了其研究的主要成果 及应用进展，以期为暴雨洪水管理提供有益的参考。
1、加强前期预测预报：北京市应建立健全的暴雨洪水预警机制，提高预测 准确率，为应对暴雨洪水做好充分准备。
2、优化城市规划：在城市规划阶段，应充分考虑地形因素，合理规划排水 系统。同时，加强道路、绿化带等公共区域的雨水径流控制，降低径流系数，减 轻排水系统负担。
3、加强公共应急管理：政府应制定暴雨洪水应急预案，明确各部门职责， 确保在紧急情况下能够迅速响应。此外，加强公众宣传教育，提高市民的防洪意 识和自我保护能力。
基于SWMM的北京市典型城区暴雨洪 水模拟分析
01 引言
03 研究方法 05 结论与建议
目录
02 文献综述 04 模拟分析 06 参考内容
引言
北京市作为中国的首都，具有独特的地理环境和气候特征。每年夏季，北京 市易遭遇暴雨天气，引发城区洪水风险。为了有效应对城区暴雨洪水，提高城市 防洪减灾能力，本次演示基于SWMM（Storm Water Management Model）模型对 北京市典型城区的暴雨洪水进行模拟分析。
济南市历下区立交桥区域暴雨内涝积水模拟
济南市历下区立交桥区域暴雨内涝积水模拟作者：任梅芳徐宗学初祁汪中华杜成玉来源：《南水北调与水利科技》2018年第05期摘要：城市下凹式立交桥因其桥下路面常低于周边区域地形，极易形成城市区域的“人为滞水点”，在遭遇降雨时频繁发生内涝积水灾害，对城市交通、行人和车辆的安全构成了严重的危害。
因此，有效模拟城市立交桥区域的暴雨洪水淹没程度，对城市防洪减灾和交通应急管理具有重要的现实意义，同时可以为解决城市内涝问题提供重要的科技支撑。
以济南市历下区立交桥为例，采用Mike Urban模型和Mike21 FM模型，依据研究区域数字高程数据，2007年7月18日黄台桥雨量站实测3 h降雨数据以及不同重现期的设计降雨过程，对立交桥区域的暴雨积水程度进行模拟计算与分析。
研究结果表明，2007年“7·18”暴雨发生时，济南市历下区立交桥桥下最低洼区域积水深度可达近195 m左右，其积水深度高于济南市100年一遇暴雨的积水深度。
关键词：暴雨积水；立交桥；MIKE模型中图分类号：TV122 文献标志码：A 文章编号：16721683（2018）05000907Simulation of rainstorm waterlogging processes at the Lixia overpass bridge in Ji′nan cityREN Meifang1，2，XU Zongxue1，2，CHU Qi1，2，WANG Zhonghua3，DU Chengyu4（1.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；2.Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology，Beijing 100875，China；3.Ji′nan Hydrology Bureau，Ji′nan 250014，China；4.Binzhou Hydrology Bureau，Binzhou 256609，China）Abstract：The urban concave overpass bridges can easily become "artificial waterlogging zone" since the area beneath the bridge is usually lower than the surrounding areas，which leads to frequent waterlogging disasters，endangering the safety of urban traffic，pedestrians，andvehicles.Therefore，effective simulation of rainstorm waterlogging processes in urban overpass bridge area will have important practical significance for urban flood control，disaster reduction，and traffic emergency management.It can provide important technical support for solving the urban waterlogging problems.In this study，both Mike Urban and Mike21 FM models were used tosimulate the waterlogging processes of the 3 h rainstorm observed in July 18，2007 at Huangtai Bridge rain gauge station and the design precipitation with different return periods at the Lixia overpass bridge area in Ji′nan city.The results of this study showed that the depth of waterlogging in the lowest area under the Lixia overpass bridge could reach about 195 m during the 2007.07.18 rainstorm event，which was higher than that in a 100year rainstorm in Ji′nan city.Key words：rainstorm waterlogging；overpass bridge；MIKE model近年来，城市内涝问题已成为了继人口拥挤、交通堵塞、环境污染等城市问题之后的又一大城市病。
基于SWMM模型的道路积水分析
基于SWMM模型的道路积水分析引言随着城市化进程的加速，城市道路积水问题成为了一个突出的环境问题。
在暴雨天气或者排水系统不完善的地区，道路积水会给交通和居民生活带来诸多困扰。
研究道路积水成因、影响因素和预测方法对于城市排水和交通管理具有重要的意义。
基于SWMM模型的道路积水分析可以帮助我们更好地理解和预测道路积水情况，从而指导城市排水系统的规划和管理。
一、SWMM模型概述SWMM（Storm Water Management Model）是由美国环保署（EPA）开发的一种城市雨水管理模型，用于模拟城市雨水排放和污染物传输过程。
它可以模拟雨水在城市地表和地下的径流过程，包括降雨产流、河道流动、下水道流动、蓄洪池调洪以及排放到水体中的过程。
SWMM模型已经成为国际上应用最广泛的城市雨水模拟模型之一，被广泛应用于城市雨水管理、排水系统设计和水资源规划等领域。
二、道路积水成因分析道路积水是指雨水在道路表面积聚形成的现象，主要由以下因素引起：1. 雨水强度大：暴雨天气下，雨水迅速积聚在道路表面，排水系统难以及时处理导致道路积水。
2. 道路坡度不当：道路坡度过小或者不均匀会导致雨水在道路表面滞留，形成积水。
3. 排水系统不畅：排水沟、雨水篦等排水设施堵塞或者设计不当会影响雨水的排放，导致道路积水。
4. 道路材料不透水：部分道路表面材料不透水或者已经破损，雨水无法渗透而在表面滞留。
以上因素的综合作用会导致道路积水问题的产生，而SWMM模型可以帮助我们分析这些因素对道路积水的影响程度，从而找到解决问题的有效途径。
三、基于SWMM模型的道路积水分析1. 数据采集与建模需要收集城市道路地理信息数据、降雨数据以及地形等相关数据。
然后，在SWMM模型中建立道路排水系统的模拟模型，包括道路坡度、排水设施、地表材料等参数的设置。
2. 模型参数优化在建立模型后，需要对模型参数进行优化。
通过实地调查和监测数据，可以对模型参数进行修正和优化，使模拟结果更加准确。
南昌市城区暴雨积水的数值模拟
南昌市城区暴雨积水的数值模拟南昌市城区暴雨积水的数值模拟论述了南昌市城市暴雨积水仿真系统的数学原理和开发成果,并应用实况降水对该系统的模拟精度进行测试.结果表明:大多数(62.6 %)模拟计算结果的绝对误差在10 cm以内,只有极少数(2.4 %)实际积水与模拟结果的误差超过30 cm.暴雨积水等级试验结果表明,中度以上暴雨积水地段的预报准确率达98 %,轻度积水和无积水地段的预报准确率达92 %.总体来看,暴雨积水趋势(等级)预报基本准确,定量(积水深度)预报有误差,平均相对误差为6 %,模型的预测结果与实况基本相符.通过人工给定不同强度的雨量来模拟南昌市两个重点积水地段的积水过程,得到结论:当降水强度达到20 mm/h时,开始产生积水,降水强度超过30 mm/h时将产生严重积水;两个积水点因排水条件不一样,退水时间差异较大.排水条件差的地段,中-大雨需要15 h退完,暴雨需要24 h以上才能退完;在不同降水强度和排水条件下,最大积水深度出现的时间有明显区别;在暴雨情况下,绝大部分(76 %)积水点的最大积水深度出现在2～3 h内.此外,讨论了模拟误差产生的原因.作者：黎健殷剑敏张瑛蔡哲单九生辜晓青肖安LI Jian YIN Jian-min ZHANG Yin CAI Zhe SHAN Jiu-sheng GU Xiao-qing XIAO An 作者单位：黎健,LI Jian(浙江省气象局,浙江,杭州,310002) 殷剑敏,蔡哲,辜晓青,YIN Jian-min,CAI Zhe,GU Xiao-qing(江西省气象科学研究所,江西,南昌,330046)张瑛,单九生,肖安,ZHANG Yin,SHAN Jiu-sheng,XIAO An(江西省气象台,江西,南昌,330046)刊名：南京气象学院学报ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF NANJING INSTITUTE OF METEOROLOGY 年，卷(期)：2007 30(4) 分类号：P457.6 关键词：城市区域暴雨积水数值模拟。
城市暴雨积涝数值模拟技术方法
第47卷第6期 2019年12月气象科技METEOROLOGICAL SCIENCE AND TECHNOLOGYVol . 47，No . 6 Dec . 2019城市暴雨积涝数值模拟技术方法薛丰昌U 2戈晓峰2’3田娟u 闫研4张嫣然〃(1南京信息工程大学遥感与测绘工程学院，南京210044; 2南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，南京210044; 3南京信息工程大学应用气象学院，南京210044; 4河南省商丘市梁园区气象局，商丘476000)摘要洪涝灾害是中国最常见、影响最严重的自然灾害之一。
在当前城市内涝模拟研究中，通常是对降雨过程中 积涝最严重状态进行模拟，缺乏面向整个降雨过程的积涝动态过程模拟技术方法。
本研究综合运用S W M M 模型 和G IS 技术，通过对研究区的汇水区划分和排水管网概化建模，建立了研究区的S W M M 模型，基于S W M M 模型 对降雨过程中汇水区积水量进行计算，利用地表积水有源扩散算法进行地表积水演进行计算.实现降雨过程中地 表积水空间分布和积水风险深度模拟计算。
以研究区2016年6月18日的降水过程进行积涝模拟及模拟误差分 析，结果表明该技术方法具有良好的模拟效果。
关键词暴雨积涝；动态模拟；G IS;SW M M中图分类号：P 456 D O I ： 10. 19517/j . 1671-6345. 20180266 文献标识码：A引言近年来随着社会发展，城市扩张，城区面积不断 增加，城市化所带来的水文效应使城市洪涝灾害出 现频率不断增大，城市暴雨积涝灾情呈现出复杂性、多样性、连锁性和放大性的特点，暴雨积涝造成了严 重的社会经济损失和社会影响[1]。
在当前城市内涝研究中，通常是对降雨过程中 积涝最严重状态的研究[2]，对整场降雨进行详细过 程分时段模拟的研究较少，没有实现定点定时的精 确预警，难以为城市洪涝灾害的管理与预警提供有 效支持，因此探索对城市雨洪过程进行模拟与预测 的有效技术手段具有重要意义。
基于GIS_和SWMM_的城市道路暴雨积水模拟
DOI：10.15913/ki.kjycx.2024.04.002基于GIS和SWMM的城市道路暴雨积水模拟唐智慧1，2，胡慧宁3，陈春江1，2（1.西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都610031；2.西南交通大学综合交通大数据应用技术国家工程实验室，四川成都610031；3.苏交科集团股份有限公司，江苏南京210019）摘要：针对暴雨导致的城市道路积水模拟问题，采用GIS（Geographic Information System，地理信息系统）技术耦合SWMM（Storm Water Management Model，暴雨洪水管理）模型，提出积水扩散算法，以实现对城市道路积水范围和积水深度的模拟。
首先利用GIS技术耦合SWMM构建城市雨洪模型；然后提出积水扩散算法，解决了特殊地形的积水扩散处理问题，并提出确定积水区范围问题的算法，解决搜索过程中因重复遍历而进入死循环的问题；最后以成都市某区域为例，进行不同重现期降雨情景下的模型计算。
结果表明，积水扩散算法设计合理，计算结果准确，能直观表示城市道路积水范围，且计算速度较其他算法更快，在城市道路雨洪管理和灾后损失评估等方面具有一定的应用价值。
关键词：GIS；SWMM；城市暴雨；城市道路中图分类号：P333.2 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）04-0006-06由于城市化效应、气候变暖、海平面上升等原因，极端降雨事件发生频率急剧增加，诱发了一系列内涝灾害问题，尤其是对城市道路产生的影响巨大，易引发交通事故、人员转移困难等问题[1]。
由于极端降雨事件具有突发性，由局部性、短历时的强暴雨造成的城市内涝问题尤为显著[2]。
在此背景下，加强城市道路暴雨内涝研究具有重要的实际意义。
积水模拟技术是城市暴雨内涝研究的重要部分。
其中，一维地表水文水动力模型SWMM是目前最通用的模型，能够有效模拟较小区域的雨水下渗、蒸发、地下径流、排水系统输出等过程，计算出排水管网节点的溢出水量，即留存于地表的积水量，但其无法模拟地表积水的范围和积水深度[3]。
暴雨暴流数值模拟推测灾害性
暴雨暴流数值模拟推测灾害性近年来，自然灾害频发，暴雨暴流也成为了严重威胁人类生命财产安全的自然灾害之一。
为了预测和减轻暴雨暴流带来的灾害性，数值模拟成为了一种重要的手段。
本文将对暴雨暴流的数值模拟推测以及灾害性进行深入探讨。
数值模拟推测是通过运用计算机程序对大气环境进行模拟，从而推测天气或气候现象的发展趋势。
对于暴雨暴流而言，数值模拟推测可以通过模拟降雨过程、地形特征和流域水文状况等因素，预测降水强度、洪水范围等情况，为预防和应对灾害提供科学依据。
在进行暴雨暴流数值模拟推测时，首先需要了解降雨过程的特点。
暴雨往往表现为降雨量大、时间短的特点。
因此，在模拟中，需要考虑到各种降雨场次和降雨类型，并据此选择合适的模型。
同时，还需对地形特征进行精准的测量和分析，以确保模拟结果的准确性。
此外，流域水文状况也是模拟的重要依据，包括河道水文特征、土壤含水量等方面的数据。
在进行暴雨暴流数值模拟推测时，需要选择适当的数值模型。
常用的模型有降雨径流模型、地球系统模型、水文模型等。
降雨径流模型主要用于模拟降雨产流过程，地球系统模型则用于模拟地球大气的物理过程，而水文模型则用于预测河流、水库等水体的水文情况。
根据具体情况和需求，可以选择单一模型或结合多个模型进行推测。
在数值模拟推测过程中，还需要依靠大数据和人工智能等技术手段来分析和处理数据。
通过对历史降雨、地形和水文等数据进行统计和分析，可以获得更加准确的模型参数和输入条件。
同时，运用人工智能技术，可以对大量数据进行快速计算和分析，提高模拟推测的效率和准确性。
在暴雨暴流灾害性评估方面，数值模拟推测可以提供科学依据。
通过模拟推测，可以预测暴雨暴流导致的洪水范围、深度等情况，从而为灾害预防和应对提供指导。
同时，模拟推测还可以评估不同防灾措施的效果，为决策者提供科学参考。
然而，暴雨暴流数值模拟推测也面临一些挑战。
首先，降雨过程的复杂性导致模拟推测的不确定性较高。
其次，地形、土壤和植被等因素对模拟结果有较大影响，对这些因素的准确描述是模拟推测的关键。
基于SWMM模型的道路积水分析
基于SWMM模型的道路积水分析道路积水是指在降雨期间由于排水系统不畅导致道路上出现积水现象。
道路积水不仅会给交通带来不便，还可能对城市的排水系统造成负担，增加洪涝风险。
对道路积水进行分析和预测具有重要意义。
SWMM（Storm Water Management Model）是一种用于城市暴雨径流模拟的计算机模型，其主要用于模拟降雨后的径流产生、收集和输送过程。
基于SWMM模型进行道路积水分析可以通过模拟降雨过程、道路排水系统设计和地形特征等，来预测道路积水的情况。
进行道路积水分析前需要收集和整理相关数据，包括降雨数据、地形数据、道路参数和排水系统信息等。
降雨数据可以通过气象站点获取，包括降雨量和降雨频率等信息。
地形数据可以使用高程数据和数字地图来生成数字地形模型，并提取出道路的位置和特征。
道路参数包括道路斜度、宽度和纵向坡度等。
排水系统信息包括雨水井、管道和孔隙率等。
然后，利用SWMM模型对道路积水进行模拟。
模拟的过程包括设置模型参数、运行模型和结果分析等。
设置模型的各种参数，包括降雨模式、河道参数、土壤参数等。
然后，将收集到的数据导入模型，运行模型来模拟降雨过程。
模拟结果可以包括径流流量、流速、水位和路面积水深等。
对模拟结果进行分析，评估道路积水情况，确定可能出现积水的位置和时间。
根据分析结果，可以采取相应的措施来减轻道路积水问题。
对道路排水系统进行改进，增加雨水井或疏通下水道等。
根据道路的特点，可以采用提高路面高程、搭建雨棚或设置雨水花园等措施，减少降雨对道路的影响。
基于SWMM模型的道路积水分析可以帮助我们更好地了解道路积水的形成机制和影响因素，并提供预测和分析结果来指导道路排水系统的设计和改进。
这将有助于减少道路积水问题，提高城市的排水能力和抗洪能力。
基于分布式水文模型的城市暴雨积水过程模拟
收稿日期：2021-04-15。
项目来源：天津市重点研发计划院市合作计划项目 （18YFYSZC00120）。
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第20 卷第 8 期
地理空间信息
加载 DEM
填洼
无洼地
DEM
流向计算
累积流量
计算
栅格转换
为矢量
河网计算
子流域划分
CHEN Zhuo1, SUN Jianjun1
（1. Academy of Prospecting of Tianjin, Tianjin 300191, China）
Abstract: In order to deeply study the development process of urban waterlogging, we used the distributed hydrological model to analyze the
渍水点.shp 属性表 （部分）
FID
Shape
1
Point
0
2
Point
Point
Area
Address
花溪区
甲秀南路与溪北路交叉口吉林村拉槽
花溪区
黔灵山路黔灵山隧道 B 匝道
南明区
机场路小碧立交桥下交叉口积水点
X
Y
665 966.716 1
2 926 580.102 3
678 860.232 6
q = Kq 0 + q 0
'
（6）
积水模型
Q z = å[(Qi −q × Si)× Dti]
式中， q 为排水效率，单位为 m3 / (s × km 2 ) ； q 0 为设
城市暴雨洪涝多尺度分层嵌套模拟技术
第34卷第4期2023年7月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.34,No.4Jul.2023DOI:10.14042/ki.32.1309.2023.04.004城市暴雨洪涝多尺度分层嵌套模拟技术张红萍1,2,郝晓丽1,2,胡昌伟1,2,臧文斌1,2,任汉承1,胡春宏3(1.中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究中心,北京㊀100038;2.水利部京津冀水安全保障重点实验室,北京㊀100038;3.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,北京㊀100038)摘要:针对城市暴雨洪涝模拟存在的计算精度与计算时间及数据可获得性等方面的矛盾,基于城市暴雨产生洪涝过程的时空特性,提出一种城市暴雨洪涝多尺度分层嵌套模拟技术㊂在全分布式模型的精细网格基础上,叠加大尺度计算单元,上层大尺度计算单元用于非淹没区的降雨产汇流模拟,底层精细网格用于淹没区的洪涝淹没过程模拟,且2种尺度计算网格实现 分层嵌套,实时切换 ㊂应用这种分层嵌套模拟技术,模拟程庄子铁路桥区2020年 8㊃12 暴雨积水过程,取得较好的效果㊂研究表明,多尺度分层嵌套模拟技术,在保障较好的模拟精度的同时,可以大幅节省计算时间,有望为大区域城市暴雨洪涝模拟应用提供一种有效的技术手段㊂关键词:城市暴雨洪涝;城市洪涝模型;全分布式模型;分层嵌套模型中图分类号:TV147㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2023)04-0510-10收稿日期:2023-02-24;网络出版日期:2023-07-07网络出版地址:https :ʊ /kcms2/detail /32.1309.P.20230707.1331.004.html基金项目:国家自然科学基金资助项目(U2240203);中国水利水电科学研究院水旱灾害防御战略研究人才创新团队项目(JZ0145C012023)作者简介:张红萍(1976 ),女,湖北红安人,正高级工程师,博士,主要从事防洪减灾及城市洪涝模拟方面的研究㊂E-mail:hpzhang@ 通信作者:胡春宏,E-mail:huch@ 城市暴雨洪涝模拟技术研究,是当前相关领域研究的热点和难点㊂国外Bates 等[1]㊁Hunter 等[2]㊁Adeogun 等[3]㊁Leandro 等[4]提出了各自的城市洪涝模拟模型;国内徐宗学等[5]㊁黄国如等[6]㊁侯精明等[7]在城市暴雨洪涝模拟的原理㊁技术和应用等方面进行了大量的研究㊂国内外现有的城市暴雨洪涝模拟,根据降雨产汇流模式及各水文过程耦合方式的不同,可以分为半分布和全分布2种技术模式[8]㊂其中,半分布模式以子汇水区为降雨产汇流计算单元,计算量相对较小,对管网数据依赖度较低,是当前国内外城市暴雨内涝模拟研究和应用中最为普遍的模式[9-11]㊂但这种模式只能模拟由管渠溢流造成的地表淹没过程,对强降雨引起的地表洪涝淹没过程的模拟,物理机制上存在一定的不足㊂全分布模式,直接利用地表二维水动力学模型统一进行地表产汇流和积水淹没计算,较半分布式模型具有更明确的物理机制,能精细地模拟强降雨引起的地表洪涝淹没过程,是当前城市暴雨洪涝模拟研究中的前沿热点[12-14]㊂然而,这种模式计算量大,对基础数据要求高,成为制约其实际应用的关键瓶颈㊂多尺度模拟是平衡计算量和计算精度的一种常用技术方法,在众多领域的数值模拟中有着广泛的应用㊂在水文模拟领域,有时间多尺度和空间多尺度2个概念,传统水文预报的多尺度,主要是指时间多尺度,而空间多尺度研究相对较少[15]㊂许继军等[16]提出了一种空间嵌套式的流域水文模型,该方法中多尺度模型分别应用于不同区域,实际上是一种分区耦合方法㊂在水动力模拟领域,多尺度网格嵌套技术由来已久,Nash 等[17]提出了一种多尺度网格嵌套的水动力模型MSN_FLOOD,该模型注重于水动力模拟,主要用于由外部洪水造成的洪涝淹没过程的模拟,如Comer 等[18]将MSN_FLOOD 应用于沿海城市由于洪/潮共同作用造成的城市洪涝淹没㊂侯精明等[19]提出了一种基于非均匀网格的洪涝模拟模型,并应用于城市内涝模拟,该模型实际上是一种混合网格技术,不同尺度网格间须按1ʒ2的比例衔接㊂另外,Hénonin 等[20]提出了粗细2个尺度㊀第4期张红萍,等:城市暴雨洪涝多尺度分层嵌套模拟技术511㊀的网格嵌套技术,模拟了北京市2012年暴雨洪涝过程,该方法在粗尺度网格上应用水动力学模型求解平均变量,在细尺度网格上对平均变量进行再分配㊂暴雨引起的城市洪涝淹没过程模拟,本质上是城市下垫面条件下的降雨产汇流模拟㊂由于城市下垫面的复杂性以及模拟关注重点不同,与传统的流域水文模拟和由于洪/潮泛滥造成的洪水演进模拟存在诸多不同[8]㊂上述水文模拟或水动力模拟领域的多尺度耦合或嵌套技术,依然不能克服城市暴雨洪涝模拟过程中存在的计算精度与计算时间成本㊁数据可获得性等方面的矛盾,因而仍然难以满足实际应用需要㊂本研究根据城市暴雨洪涝过程的时空特性,提出一种多尺度分层嵌套的模拟技术,综合现有半分布和全分布模式的优点,扬长避短,从而更好地满足城市暴雨洪涝模拟实际应用需要㊂1㊀原理与方法1.1㊀基本原理城市暴雨引起地表洪涝淹没的过程,在空间和时间上存在2个重要特性㊂从空间尺度上看,暴雨引起的城市地表洪涝淹没,往往发生在局部低洼地区或排水系统超载处㊂而城市还有相当大的区域,由于地势较高或者排水能力较强,发生洪涝淹没的风险较小㊂这些风险较小的区域是重要的水文响应单元,但不是洪涝模拟的重点关注区域,一般只需降雨产汇流计算,并不需要精细化的地表积水淹没计算㊂从时间尺度上看,一场暴雨引发地表洪涝淹没过程,一般不会发生在整个降雨期间㊂在降雨初期,由于地表下渗能力较强,排水系统能力充足,地表尚未形成积水,因此,也不需要进行精细化地表积水淹没模拟;在降雨中后期,随着降雨强度增加,城市下垫面和排水系统逐渐饱和,地表积水淹没逐步形成,才有必要进行精细化地表模拟㊂本研究根据上述城市暴雨洪涝时空特性,在自主研发的全分布模型基础上,提出一种多尺度分层嵌套的模拟技术㊂以全分布模型的地表精细网格为基础,叠加大尺度计算单元,大尺度计算单元用于非必要区域或非必要时段的降雨产汇流计算,精细网格用于必要区域和必要时段的精细化地表积水淹没模拟㊂在模拟计算过程中,根据 从粗到细 的原则,优先采用大尺度网格计算地表降雨产汇流;当大尺度网格发生积水淹没时,切换至底层精细网格计算单元,进行积水淹没计算㊂1.2㊀全分布式模型本研究以自主研发的全分布式模型DHMUrban为基础[14]㊂该模型包含地表模型㊁管网模型㊁河道模型等3个模块㊂其中,地表模型包含了基于地表网格的全分布式降雨产汇流模型,可以统一进行降雨产汇流模拟和地表积水淹没模拟㊂地表模型㊁管网模型㊁河网模型相互之间完全耦合,结构如图1所示㊂图1㊀全分布式模型总体结构Fig.1Structure of the fully distributed model for urban pluvial flooding512㊀水科学进展第34卷㊀1.2.1㊀地表模型地表二维模型控制方程采用二维浅水方程组,如式(1) 式(3)所示:∂h ∂t +∂(hu )∂x +∂(hv )∂y =r -f -c (1)∂(hu )∂t +gh ∂z ∂x +g n 2u V h 1/3=0(2)∂(hv )∂t +gh ∂z ∂y +g n 2v V h 1/3=0(3)式中:t 为时间;x ㊁y 为空间坐标;h 为水深;z 为水面高程;u ㊁v 分别为x 和y 方向上的流速分量;|V |为速度的模,|V |=u 2+v 2;r 为降雨强度;f 为下渗强度,根据霍顿下渗公式计算;c 为排水强度,指单位时间内进入排水系统的地表径流;n 为糙率系数;g 为重力加速度㊂地表模型数值格式参见文献[14]㊂1.2.2㊀管网模型管网模型控制方程如式(4)和式(5)所示:∂A p ∂t +∂Q p ∂x =q p (4)∂Q p ∂t +∂(Q 2p /A p )∂x +gA p ∂η∂x+gA p S fp =0(5)式中:A p 为管道断面过水面积;Q p 为管道断面过流流量;q p 为管道旁侧单宽入流量;η为管道内水头;S fp 为管道摩阻坡降㊂管网模型数值格式参见文献[21]㊂1.2.3㊀河网模型河网模型控制方程如式(6)和(7)所示:∂A r ∂t +∂Q r ∂x =q r (6)∂Q r ∂t +∂(αQ 2r /A r )∂x +gA r ∂z ∂x +gA r S fr =0(7)式中:A r 为河道断面过水面积;Q r 为河道断面过流流量;q r 为河道旁侧单宽入流量;α为动量修正系数;S fr 为河道摩阻坡降㊂河网模型数值格式参见文献[22]㊂1.2.4㊀模型耦合上述地表模型㊁管网模型㊁河网模型两两间相互耦合,包括物理耦合和概念耦合2种模式㊂(1)物理耦合是指模型之间基于实际物理过程和机制的耦合方式,主要用于管渠数据完备区域㊂具体包括3种情况:①地表与河网之间基于河岸的耦合,用以计算地表与河道之间通过河岸的水流交换,采用宽顶堰流公式计算;②地表与管网之间基于雨水口和检查井之间的耦合,用以计算地表与管网之间的水流交换,根据流态采用孔流或堰流公式计算,且雨水口双向交换,检查井仅单向交换;③管网与河网之间基于排水口的耦合,用以计算管网与河网之间的水流交换,计算过程中两者互为边界条件㊂(2)概念耦合是指模型之间基于概念性排水关系的耦合方式,主要用于管渠数据不完备区域㊂具体地,通过实地调研㊁就近原则等方法,建立无管渠资料区域地表网格与临近管网或河网节点的排水关系,并设定排水强度㊂计算过程中按照该排水强度,从地表网格扣除排水量,直接加入到耦合的管网或河网节点,如式(8)所示:Q j =ði ɪM jc i a i (8)式中:Q j 为排入j 号管网或河网节点的流量;a i ㊁c i 分别为第i 号地表网格的面积和排水强度,其中排水强㊀第4期张红萍,等:城市暴雨洪涝多尺度分层嵌套模拟技术513㊀度须考虑设计排水强度㊁土地利用和管网数据稀疏程度等因素确定;M j为与j号管网或河网节点有概念耦合关系的地表网格编号集合㊂1.3㊀多尺度分层嵌套方法1.3.1㊀空间嵌套方法在地表二维模型计算网格的基础上,叠加大尺度计算单元,并与管网和河网进行耦合㊂具体空间分层嵌套方法如下:(1)按照地表二维水动力模型建模要求,将建模区地表剖分成二维网格,构建地表二维模型,同时与管网模型和河网模型两两耦合,构建全分布式模型㊂方便起见,将这种地表二维模型的计算网格,称为细网格,主要用于洪涝淹没发生区域和时段的地表积水淹没计算㊂(2)根据地表地形㊁建筑物分布㊁排水关系等,将建模区地表划分为较大尺度的计算单元㊂方便起见,将这种较大尺度的计算单元称为大网格,主要用于非积水淹没区域和时段的地表降雨产汇流计算㊂(3)将上述细网格置于底层,将大网格置于上层,如图2所示,并根据空间重叠关系,构建大网格与底层细网格之间的拓扑关系,即每个大网格包含的细网格的数量及编号㊂需要说明的是,图2和图3中的大网格用矩形网格表示,但实际应用中大网格完全可以根据需要设计成任意多边形㊂由于底层全分布式模型已经实现地表网格㊁管网节点㊁河网节点之间的完全耦合㊂在此基础上,根据大网格和细网格之间的拓扑关系,可分析计算出大网格与管网节点㊁河网节点的耦合关系及分流比,从而实现大网格与细网格的空间分层嵌套以及分别与管网和河网的完全耦合㊂图2㊀大网格和细网格分层嵌套示意Fig.2Sketch of the fine mesh hierarchically nested with the coarsemesh图3㊀大网格和细网格在时间上的切换Fig.3Sketch of switch between the fine mesh and the coarse mesh1.3.2㊀时间切换方法在计算过程中,根据区域积水情况以及后续降雨情况,实时切换大网格和细网格计算模式,如图3所示㊂基本原理和方法如下:(1)在计算初期尚未发生洪涝时,默认优先启用大网格计算模式,被大网格覆盖的细网格暂不参与计算㊂(2)随着计算时间的推进,若某个大网格内的水深达到一定的阈值且降雨持续,即预示该大网格内可能出现积水淹没,则暂停该大网格的计算,同时启动该大网格内部的细网格计算,并根据大网格的水量给细网格设置初始水深㊂(3)随着时间进一步推进,若降雨停止,且某个区域的细网格内积水深度小于某个阈值,则暂停该区域的细网格计算,同时启动对应的大网格计算,并根据该区域内细网格的总水量,给对应的大网格设置初始水深㊂1.3.3㊀大网格计算方法大网格主要用于非洪涝淹没区域或时段的地表降雨径流㊂假定降雨产生的径流在大网格内均匀分布,即514㊀水科学进展第34卷㊀大网格内各处径流深度相等,因此有R =R 0+(r -F -C )Δt(9)H =Γ(RA )-z 0(10)式中:R 和R 0分别为当前时刻和前一时刻的径流深度;A ㊁F ㊁C 分别为大网格的面积㊁平均下渗强度㊁排水强度;Δt 为时间步长;H 为大网格水深;z 0为大网格内最低高程;Γ为大网格的水位 库容关系,由大网格嵌套的细网格的高程确定㊂为了保证大网格与底层细网格的一致性,大网格的面积㊁下渗强度等参数通过底层细网格的相应参数统计确定,如式(11)所示:A k =ði ɪM k a i ㊀F k =1A k ði ɪM k f i a i (11)式中:A k ㊁F k 分别为k 号大网格的面积和下渗强度;a i ㊁f i 分别为i 号细网格的面积和下渗强度;M k 为k 号大网格嵌套的细网格编号集合㊂同时,大网格与管网或河网的耦合关系,通过嵌套的细网格与管网或河网的耦合关系确定㊂且排水强度由式(12)统计确定:A jk =ði ɪM jka i ㊀Q j =ðk ɪN j C jk A jk (12)式中:A jk ㊁C jk 分别为k 号大网格内排入j 号管网或河网节点的面积及对应的排水强度,其中C jk 须根据管网数据详尽程度和嵌套的细网格的排水参数综合确定;M jk 为k 号大网格嵌套的且与j 号管网或河网节点有排水关系的细网格编号集合;Q j 为排入j 号管网或河网节点的流量;N j 为与j 号管网或河网节点有排水关系的大网格编号集合㊂2㊀应用效果分析图4㊀程庄子铁路桥下凹路Fig.4Low-lying cross road under Chengzhuangzi railway bridge 程庄子铁路桥位于北京市丰台区丰台西路(东西方向)与程庄路(南北方向)交叉处㊂沿丰台西路南侧有1条铁路,阻碍了南北交通㊂为了穿行铁路,丰台西路和程庄路交叉处采取下凹式立交桥设计,如图4(来自百度地图)所示,桥下地面高程较铁路及周边地面低约3~4m,逢暴雨极易形成积水㊂桥区雨水由地下管网汇集后,排入附近的凉水河暗渠段㊂桥下设有自动积水检测设备,能够自动测报地面积水深度㊂2020年8月12至13日,北京市遭遇局部暴雨㊂程庄子铁路桥周边丰台站数据显示,降雨自8月12日13:00开始,至13日1:00结束,历时12h,累积降水量为94.5mm,最大雨强达33mm /h,出现在8月12日22:00 23:00㊂桥下积水监测数据显示,积水历时达3h,最大积水深度达0.67m,峰现时间为12日23:14㊂本次研究应用多尺度分层嵌套技术,模拟程庄子铁路桥下 8㊃12 暴雨积水过程㊂根据铁路桥周围地形㊁道路及排水关系等,确定研究区域面积约0.567km 2,如图5所示㊂收集了该区域最新的5m ˑ5m DEM 数据㊁影像数据㊁地下排水管网数据以及排水出口河道凉水河断面数据㊂2.1㊀模型构建(1)全分布式模型㊂采用DHMUrban 模型,构建研究区的地表模型㊁管网模型和河道模型完全耦合的全㊀第4期张红萍,等:城市暴雨洪涝多尺度分层嵌套模拟技术515㊀分布式模型,如图6所示㊂其中,地表采用5mˑ5m网格,共划分4020个网格,网格高程根据5mˑ5mDEM数据取值㊂根据影像数据获取研究区土地利用类型,主要为建筑物㊁绿地㊁道路㊁水泥地和裸地等,占比分别为39.13%㊁21.61%㊁21.08%㊁15.81%和2.37%(表1)㊂管网模型含排水管线101段,总长度为1863m;节点102个,其中雨水口61个,检查井40个,排水口1个㊂已有排水管网数据主要分布在下凹桥区及相连干道上,尚缺乏周边区域的数据㊂为克服管网数据不足问题,构建地表网格与临近管网节点之间的概念耦合关系,如图6所示,其中,同色网格代表排入同一个管网节点㊂有管网覆盖的区域内,由于地表网格与管网节点构建了物理耦合,无须设置排水强度,换言之,细网格排水强度设为0;其他区域,由于缺乏排水管渠数据,根据当地设计排水资料,确定排水强度为9mm/h㊂模型详细参数如表1所示㊂据调查, 8㊃12 降雨过程总降水量不大,凉水河并未形成明显洪水过程,对排水管网出流未形成顶托,因此,设定河道较低水位边界条件,以保证管网进入河道的排水口保持自由出流㊂图5㊀程庄子铁路桥研究区Fig.6Fully distributed modelFig.5Study area of Chengzhuangzi railway bridge图6㊀全分布式模型表1㊀模型参数Table1Modeling parameters土地利用类型面积占比/%糙率初始下渗率/(mm㊃h-1)稳定下渗率/(mm㊃h-1)衰减系数/h-1排水强度/(mm㊃h-1)建筑物39.130.0120009绿地21.610.24016032.4 3.690道路21.080.0110009水泥地15.810.0110009裸地 2.370.06016032.4 3.690管渠/0.013////㊀㊀(2)分层嵌套模型㊂在全分布模型基础上,根据地形㊁土地利用和管网数据分布情况,划分18个大网格单元,叠加在细网格上层,如图7所示㊂其中,下凹桥区有管网数据覆盖的区域为模拟重点关注区域,划分为1个大网格,如图中18号大网格;其他区域,划分为17个大网格㊂然后,根据空间重叠关系分析确定大网格与细网格之间的嵌套关系,即每个大网格嵌套的细网格个数及编号㊂图8展示了17号大网格与其嵌516㊀水科学进展第34卷㊀图7㊀分层嵌套模型Fig.7Hierarchically nestedmodel图8㊀17号大网格与底层细网格嵌套关系示意Fig.8Details on the17th super cell and its nested finecells图9㊀下凹桥区大网格水位 库容曲线Fig.9Storage capacity curve of the18th super cell套的细网格及排水关系,其中同色细网格代表排入同一管网节点㊂再根据大网格与细网格的嵌套关系,分析计算每个大网格的平均下渗强度和水位 库容关系等参数,其中下凹桥区大网格(18号大网格)水位库容曲线如图9所示㊂同样根据嵌套关系,进一步分析确定大网格与管网㊁河网节点之间的排水关系以及大网格的排水强度等参数㊂18号大网格的排水强度设为9mm/h,其他大网格的排水参数根据嵌套的细网格的排水强度通过面积加权确定㊂最后,设置大网格水深阈值为0.10m,即当大网格水深大于该阈值并降雨持续时,该大网格将切换至细网格模式㊂2.2㊀结果分析模拟时间自2020年8月12日12:00至13日8:00,模拟总时长为20h,2种模型模拟的积水过程如图10所示㊂从积水过程看,2种模型模拟的积水过程与实测过程一致性均较好,在涨水阶段,全分布式模型与实测过程吻合更好,在退水阶段,2种模型均较实测过程略有延迟,这主要是由于模型未考虑实际存在的应急排水措施㊂从最大积水深度看,全分布式模型模拟的最大积水深度为0.686m,与实测值误差为2.41%;模拟峰现时间为12日23:10,比实测峰现时间早4min㊂分层嵌套模型模拟的最大积水深度为0.658m,与实测值的误差为-1.74%;模拟峰现时间为12日23:05,比实测峰现时间早9min㊂另外,全分布式模型计算总耗时为54min,分层嵌套模型计算总耗时为20min,较全分布式模型节省约62%㊂分层嵌套模型在计算初期优先采用大网格计算模式,其中仅有18号大网格在12日21:00左右积水深度达到0.1m,切换至细网格模式,其他17个大网格,由于没有发生积水淹没,始终采用大网格模式,因此大大节省了计算耗时㊂本案例研究表明,全分布式模型能精细地模拟地表积水过程,但计算时间成本高;分层嵌套模型在保障较好的模拟精度的同时,可以大幅节省计算时间成本㊂㊀第4期张红萍,等:城市暴雨洪涝多尺度分层嵌套模拟技术517㊀图10㊀程庄子铁路桥下积水过程模拟Fig.10Simulated flooding hydrograph under Chengzhuangzi railway bridge3 结论和讨论本研究根据城市暴雨洪涝时空特性,提出了一种多尺度分层嵌套模拟技术㊂在精细化的全分布式模型基础上,叠加大尺度计算单元㊂上层大尺度计算单元用于非淹没区域或非淹没时段的降雨产汇流计算,底层精细计算单元用于洪涝淹没区域和时段的洪涝淹没过程计算,且2种尺度的计算单元 分层嵌套,实时切换 ㊂程庄子立交桥积水过程模拟应用表明,这种多尺度分层嵌套模式,在保证重点关注区域模拟精度的同时,不仅可以大幅提高计算效率,同时可以降低对非重点区域数据的依赖度,从而提高城市暴雨洪涝模型的适应性㊂本研究提出的多尺度分层嵌套方法,本质上是一种水文方法和水动力方法的交叉应用,但与传统的水文水动力耦合模拟以及多尺度网格嵌套的水动力模拟存在明显不同㊂传统水文水动力耦合模拟中,一般做法是水文模型和水动力模型分别应用于不同区域,前者为后者提供边界条件,实际是一种分区域耦合的方法,还不能满足城市暴雨洪涝过程中降雨产汇流与洪涝淹没同时空的特性㊂多尺度网格嵌套的水动力模拟,一般思路是,全局范围应用大尺度网格,在局部范围嵌套细尺度网格,并在不同尺度网格上求解浅水方程组以获得不同的精度㊂这种多尺度水动力模拟,受计算方法限制,嵌套网格尺度比例是有限的,灵活性不足,远不能完全满足城市复杂下垫面条件下降雨产汇流全局性和洪涝淹没局地化的特点㊂而且,期望完全通过水动力方法模拟城市复杂下垫面条件下降雨产汇流过程,在当前计算能力和数据条件下是不现实的,精细的方法未必能获得精细的结果㊂本研究提出的多尺度分层嵌套模拟,是针对城市暴雨洪涝过程时空特性而提出的水文方法和水动力方法交叉应用的一种新的尝试,有望为大区域城市暴雨洪涝模拟提供一种有效的技术手段㊂同时应该指出,本研究还存在一些不足之处,有待进一步改进和完善㊂首先,大网格的产汇流计算相对简单,目前仅用平均下渗强度和排水强度2个参数,这对面积较小的大网格是有效的,对面积较大且下垫面不均匀的大网格,可能存在较大的误差;其次,大网格模式与小网格模式的切换,目前仅依据水深阈值,没有考虑不同层次相邻网格之间的相互影响,在某些特定应用场景中可能存在一定的偏差;最后,由于城市暴雨洪涝模拟的复杂性,收集完整可靠的数据依然困难,本研究仅完成了1个立交桥区域1场降雨的应用案例研究,应用效果还有待在更多案例中进一步检验和验证㊂致谢:感谢中国水利水电科学研究院正高级工程师刘舒㊁徐美㊁郑敬伟,以及李敏博士等,他们在本论文原理与方法的讨论以及应用案例模型构建中提供了许多有益的意见和重要的帮助㊂518㊀水科学进展第34卷㊀参考文献:[1]BATES P D,HORRITT M S,FEWTRELL T J.A simple inertial formulation of the 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济南市历下区立交桥区域暴雨内涝积水模拟
第16卷 第5期2018年10月南水北调与水利科技S outh 2to 2North W ater Transfers and Water Science &Techn ology V ol.16N o.5O ct.2018水文水资源收稿日期:2018202225 修回日期:2018206215 网络出版时间:2018207204网络出版地址:http://k /k cms/detail/13.1334.T V.20180703.1836.002.html 基金项目:济南市海绵城市水循环演变与水文过程模拟项目(230200064)Fund:W ater Cycle Evolution and H ydrological Pr ocess of S ponge City in J i c nan (230200064)作者简介:任梅芳(19872),女,青海海东人,博士生,主要从事城市防洪与排涝方面研究。
E 2mail:renmeifang@ 通讯作者:徐宗学(19622),男,山东淄博人,教授,博士生导师,主要从事水文水资源、城市防洪与减灾等方面研究。
E 2mail:zxxu @D OI:10.13476/ki.nsbdqk.2018.0118任梅芳,徐宗学,初祁,等.济南市历下区立交桥区域暴雨内涝积水模拟[J].南水北调与水利科技,2018,16(5):09215.REN M F,X U Z X,CH U Q ,et al.Simulation of rainstor m water lo gg ing pro cesses at the L ix ia o verpass br idg e in Ji c nan city [J].South 2to 2N or th Water T ransfers and W at er Science &T echnolog y,2018,16(5):09215.(in Chinese)济南市历下区立交桥区域暴雨内涝积水模拟任梅芳1,2,徐宗学1,2,初 祁1,2,汪中华3,杜成玉4(1.北京师范大学水科学研究院,北京100875;2.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室,北京100875;3.济南市水文局,济南250014;4.滨州市水文局,山东滨州256609)摘要:城市下凹式立交桥因其桥下路面常低于周边区域地形,极易形成城市区域的/人为滞水点0,在遭遇降雨时频繁发生内涝积水灾害,对城市交通、行人和车辆的安全构成了严重的危害。
城市立交桥积水数值模拟研究
北 路 面长 度 约 为 ５ ６ ０ ｍ。该 区 域 汇水 面积 约 为 １ ５ ． ９ ５公 顷 ， 其 中
不 透水面为 ６ ． ８ ５公 顷 ，透 水 面 积 为 ９ ． １公 顷 。 不 透 水 面 积 占
４ ２ ． ９ ％ 。利 用 Ａｒ ｃ Ｇｌ Ｓ软 件 里 的 Ａｒ ｃ Ｔ ｏ ｏ ｌ ｂ ｏ ｘ提 供 的 水 文 分 析 功 能， 可 自动将 该 区域 划 分 为 ９个 子 汇 水 区域 ， 并 且 可 计 算 出 各 区
（ １ ） 积 水 量 计 算
立交桥积水量 的计算是通过 Ｓ ＷＭＭ 模 型 自身 提 供 的数 学
模 型计 算 实 现 的 。 主要 涉 及 三 个 计 算 过 程 ： 地表产流量 、 地 表 汇
流、 管网流量的计算。下穿式立交桥由于其结构特点 ， 形 状类 似
于倒 梯 形 。 因此 ， 可 将 积水 区 域 概 化 为 简 易 蓄 水 池 模 型 ， 进 行 积
地形测量拟合得出 ） 。
３ 实 例 分 析
将地理信息系统与 Ｓ Ｗ ＭＭ 模 型 结 合 ， 在 两 者 间建 立 一 个 空
间 数 据 库 ，该 数 据 库 可 以 为 Ｓ Ｗ ＭＭ 模 型 仿 真 提 供包 括水 利 、 水
十国 家 自然科 学 基金 资 助 项 目（ ６ １ ３ ３ ３ ０ ０ ９）
防汛指挥和工程改造应用 。
关键词 ： 立 交桥 ， 积水模拟 ， Ｓ ＷＭＭ， ＧＩ Ｓ ， Ｓ Ｃ Ａ Ｄ Ａ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ
Ｕｒ ｂ ａｎ ｄｒ ａｉ ｎａ ｇｅ ｉ ｓ ｐａ ｒ ｔ ｏ ｆ ｗｉ ｓ ｄｏｍ ｃ ｏｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏｎ ｏｆ ｗａ ｔ ｅｒ ， ａｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｗａ ｔ ｅｒ ｌ ｏｇｇｉ ｎｇ ｕ ｎｄｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｆ ｌ ｙ ｏｖ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｃｕ ｓ ｏ ｆ ｕ ｒ ｂａ ｎ
城市立交桥暴雨积水数值模拟
收稿日期:2005-11-29作者简介:丛翔宇(1982-),男,吉林农安人,清华大学,水利水电工程系,在读硕士生,研究方向为城市防洪工程。
城市立交桥暴雨积水数值模拟丛翔宇1,倪广恒1,惠士博1,田富强1,赵月芬2(1.清华大学水利水电工程系,北京 100084;2.北京市水利规划设计研究院,北京 100044)摘 要:立交桥及其周围地形特殊,雨天较易发生积水,一旦积水则对交通产生较大影响,因此有必要对积水成因及对策措施进行分析研究。
文中以SWM M 为基础,将立交桥排水系统概化为排水管网,易积水地段概化为蓄水池,对北京市万泉河立交桥的暴雨积水进行数值模拟,计算不同频率降雨、排水控制条件下路面积水和排水情况,给出桥体附近各个积水点的积水深和积水历时,并分析原因、提出改进措施。
该研究可作为城区暴雨积水决策支持系统的一部分,以供防汛和交通部门参考。
关键词:城市排水;SWM M ;立交桥;暴雨积水中图分类号:U448.17;T V125 文献标识码:A 文章编号:1009-7716(2006)02-0052-041 概述城市排水设施是保证城市正常生产生活、防治城市水污染和保障城市安全的重要基础设施。
由于立交桥的最低点一般比周围低2～3m ,形成封闭洼地,且道路纵坡较大,极易造成内涝积水,若不及时排除,便会严重影响交通,甚至造成事故。
城市的交通是城市经济发展和城市建设中的重要问题,而解决好立交排水的问题,关系到交通的正常运行,人民生命财产安全以及立交方案是否经济合理等重要环节。
随着城市交通事业的发展,道路跨越铁路、公路等立交排水已成为城市排水的新课题。
本文以北京市海淀区万泉河立交桥积水为例,对暴雨洪水进行数值模拟,得出不同降雨条件下立交桥附近各个积水点的积水深和积水历时,其思路和结果可为城市防汛以及立交排水管道的设计、校核提供参考和依据。
2 万泉河立交桥简介万泉河立交桥位于北京市海淀区北四环路西侧,该立交的排水为来自西侧的雨污水从西向东穿过本立交之后,雨水排入万泉河,污水穿过万泉河底后进入河东岸污水干管内。
城市暴雨内涝数学模型的研究与应用
武汉市暴雨内涝数学模型的研究与应用刘晓（湖北工业大学，湖北，武汉，120330270）摘要：暴雨内涝对城市的影响日益严重，为了城市能够更好的应对暴雨带来的冲击，本文以城市的街道路面与河道水流的运动为对象进行模拟，建立了武汉市暴雨内涝积水数学模型。
模型以平面二维非恒定流基本方程和不规则网格划分技术为框架，采用简化分类处理的方法，将通道分为路面型、河道型以及特殊通道型，根据不同类型简化动量方程，求任一网格各个通道上的单宽流量。
根据不规则网格的方法，按照武汉市的地形进行多边形计算网格的设计。
介绍了数学模型在武汉市的应用和误差分析以及城市路面降雨量的计算。
关键词：城市暴雨内涝灾害数学模型误差分析武汉市Research and Application of Wuhan Waterlogging Mathematical ModelLiu Xiao(,Hubei University of Technology, Hubei,Wuhan,120330270)Abstract:W aterlogging increasingly serious impact on the city, in order to respond to storm the city the impact of urban road surface better and the main river flow motion simulation object, the mathematical model of urban storm water waterlogging.The basic equation model for unsteady flow and irregular unstructured meshing technology as the backbone, the use of simplified classification method,the channel into the river type, road type,special channel type, depending on the type of simplified momentum equation,seeking grid unit discharge any individual channel.According unstructured irregular grid design ideas, according to the terrain features are designed in Wuhan polygon computational grid.Describes analysis methods and mathematical models to calculate surface rainfall in the city of Wuhan and application errors.Keywords: urban storm; waterlogging disasters; mathematical model;model error analysis;Wuhan1 引言城市内涝是由于强降雨超过城市排水能力而产生的城市内积水的灾害。
立交桥下积水监测
立交桥下积水监测---系统概述---近年来，由强降雨引发的道路低洼处、下穿式立交桥和隧道产生大量积水的现象时有发生，给人们的出行带来很大不便，严重时甚至会造成人民生命、财产的重大损失。
2013.10.7台风过境后宁波道路积水2012.7.21暴雨过后北京立交桥下积水唐山平升立交桥下积水监测系统可实时监测城区各低洼路段的积水水位并实现自动预警。
市政管理部门借助该系统可整体把握整个城区内涝状况，及时进行排水调度。
交通管理部门通过该系统可获取各路段的实时积水水位，并借助广播、电视等媒体为广大群众提供出行指南，避免人员、车辆误入深水路段造成重大损失。
---系统组成---1、DATA86立交桥下积水监测系统主要由四部分构成：监测中心：硬件构成：服务器、计算机、打印机、显示大屏、短信报警模块、交换机等。
软件构成：操作系统软件、数据库软件和城市道路积水监测预警系统软件。
通信网络：GPRS网络、INTERNET公网（监测中心绑定固定IP）、光纤等。
监测设备：道路积水监测终端现场仪表：超声波水位计、电子水尺（投入式水位计）、LED情报板等。
---系统拓扑图------系统功能---◆ 实时监测道路低洼处、下穿式立交桥和隧道的积水水位，并通过GPRS 或光纤网络远程传送至城市内涝监测预警中心。
◆ 立交桥、隧道监测点可通过情报板自动提示（或监测中心远程手动提示）当前积水水位值或“允许通行”、“谨慎通行”、“禁止通行”等警示信息。
换机道路低洼处水位监测 立交桥、隧道水位监测预警水位监测装置(内置电子水尺或投入式水位计)◆ 立交桥、隧道积水监测点可与本地排水泵站实现联动，根据积水水位自动控制排水泵组的启停。
◆ 监测点具备光纤通信条件时，可扩展实时视频监控功能。
◆ 水位过高、设备异常时系统自动报警，并自动向责任人手机发送报警短信。
◆ 系统软件具备地图展示、数据存储、数据查询、数据统计、曲线分析等功能，可导出为 EXCEL 报表或直接打印。
城市立交桥区域的内涝灾害模拟研究的开题报告
城市立交桥区域的内涝灾害模拟研究的开题报告一、研究背景城市建设的快速发展，不断扩大的城市规模和日益增长的人口数量，加剧了城市内涝的风险。
特别是城市中的立交桥区域，由于路面狭窄、交通密集、排水设施不完善等原因，一旦遭受暴雨袭击，易发生内涝灾害。
为了减少内涝损失，提高城市抗灾能力，进行内涝灾害模拟研究势在必行。
二、研究目的本研究旨在基于城市立交桥区域的场景特点，建立内涝灾害模拟模型，探究城市内涝发生的机理和演变过程，并提出防治策略，为城市内涝灾害的防治提供参考。
三、研究内容（一）立交桥区域内涝灾害机理研究通过对城市立交桥区域的地理、气候、排水设施等因素的分析，研究立交桥区域内涝灾害的形成机理。
同时，结合暴雨事件的发生情况，分析其对内涝灾害的影响。
（二）城市内涝灾害数值模拟方法研究基于有限元法和计算流体力学等数值方法，建立城市内涝灾害数值模拟模型，并考虑立交桥区域的场景特点和珠江三角洲地区的气候特征，合理设置边界条件和模型参数。
模型建立后，运用模型模拟暴雨事件下的内涝演变状况，并对模拟结果进行验证与分析。
（三）立交桥排水设施对内涝影响研究针对立交桥区域排水设施不完善的情况，通过对排水设施的功能和结构进行分析，探索提高排水系统性能的措施，并研究排水系统对城市内涝防治的影响。
（四）内涝灾害防治策略研究基于研究结果，提出城市立交桥区域内涝灾害的防治策略，探讨如何优化排水设施、加强城市基础设施建设、采取合理的城市管理措施等，以提高城市内涝的防治能力。
四、研究意义本研究的结果将对城市内涝灾害的防治、城市排水设施的优化和城市管理的改进等方面提供指导，完善城市抗灾能力，减少内涝灾害对城市发展的影响。
同时，该研究也为其他区域的内涝灾害预防提供了科学依据。
五、研究方法本研究采用理论分析、实验研究和数值模拟等方法。
通过对气象、地理、城市规划等方面的综合分析，建立内涝灾害模拟模型，研究内涝灾害的形成机理和防治方法。
其中，有限元法和计算流体力学等数值模拟方法将在模拟内涝演变过程中得到充分应用。
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摘
薹： 立交桥及其周 围地形特殊 ， 雨天较易发生积水 ， 旦积 水则对 交通产 生较 大影 响， 一 因此有必要 对积 水成 因
及对策措施进行分析研究 。义 中以 Ｓ ＷＭＭ 为基础 ， 将立 交桥 排水 系统概 化为排 水管 网 ， 积水 地段 概化 为蓄水 易
池 ， 北京市万 泉河立 交桥的暴雨 积水进行数值模拟 ， 对 计算 不 同频率 降雨 、 排水控 制条 件下路 面积 水和排水 情况 ，
度 、 透水 面积 比 、 水 区和 不 透 水 区 的曼 宁 系 数 、 不 透
立交桥西部的排水设计 ， 以四环路中心为界 ， 以
北流 域 面积 Ｆ一 １ ３ ８万 ｍ 实 际 汇 水 面 积 １ ０ ９ ４． ， ０ ．
万 ｍ ， 线在 四环 路 以北 白兰靛 厂立 交终 止点 开 始 管
通 是城市 经济 发展 和城 市 建 设 中 的 重要 问题 ， 而解
分 上 中下三 层 ， 北 向万 泉河 路在 顶层 ， 西 向四环 南 东 主路在 中层 ， 有辅 路在 底层 ， 另 每两 层 之 间 高差 在 ４
ｍ 左 右 ， 与层之 间 以 环线 相 接 ， 度 比较 大 ， 水 层 坡 汇
决好立交排水的问题 ， 关系到交通 的正常运行 ， 人民 生命财 产安 全 以及 立交 方案 是否 经济 合理 等 重要 环
节 。随着城市 交通 事业 的发 展 ， 道路 跨越 铁路 、 公路 等 立交排 水 已成 为城市 排水 的新 课题 。 本 文 以北 京 市 海 淀 区万 泉河 立交 桥 积 水 为例 ，
况。
２ 万 泉 河 立 交桥 简 介
万 泉 河 立 交桥 位 于 北 京 市 海 淀 区 北 四 环 路 西 侧， 该立 交 的排水 为 来 自西 侧 的 雨污 水 从 西 向 东 穿 过 本 立交 之后 ， 水排 入 万泉河 ， 水穿 过万 泉河 底 雨 污 后 进 入河 东岸污水 干管 内 。整个立 交 范围雨 水入 河
对暴 雨洪 水进 行数 值 模 拟 ， 出不 同降 雨 条 件 下 立 得
速 度很 快 。其 中 ， 以南 北 向辅 路地 势最 为低 洼 ， 尤 虽 靠 近万 泉 可 ， 因排 水 能 力 不 够 ， 常 积 水 阻 碍 交 但 经
通。
３ Ｓ ＷＭＭ 模 型 简 介
美 国 Ｅ Ａ（ 境保 护署 ） 发 的 Ｓ Ｐ 环 开 ＷＭＭ（ 雨 暴
共有 ５个 出水 口。 ．
在Ｓ ＷＭＭ 中 ， 般 将 实 际 情 况 概 化 为排 水 小 一
区 、 点和 管 道等参 数 ， 节 根据 各 排水 区 的特性分 别计 算 其 径流 过程 ， 通 过 流量 演 算 方 法 将 各 排 水 区 的 并 出流组 合 起来 。各 排水 区概 化 成不 透水 面积 和透 水 面积 两部 分 ， 以反 映不 同的地表 特性 。 排 水 小 区的输 入数 据有 小 区编 号 、 降雨 过程 、 排 水 出 口（ 点或 其 它 小 区） 小 区 面 积 、 征 宽度 、 节 、 特 坡
给 出桥体附近各个积水点 的积水深 和积 水历 时 ， 并分 析原 因 、 出改进 措施 。该研 究可作 为城 区暴雨积 水决策支 提
持 系 统 的 一 部 分 ， 供 防 汛 和 交 通 部 门参 考 。 以 关 键 谰 ： 市 排 水 ；ＷＭ Ｍ ； 交 桥 ； 雨 积 水 城 Ｓ 立 暴 中 田 分 类 号 ： ４ ． ７ ＴＶ１５ 文 献 标 识 码 ： 文章 编 号 ：０ ．７ １ （ Ｏ ６ Ｏ —０ ２０ Ｕ４ ８ １ ； ２ Ａ １ ０ —７６ ２Ｏ ） ２０ ５ —４ ９
收 稿 日期 ：０ ５１－９ ２ ０— １２
作者简介 ： 丛翔宇（９ ２）男 ， １ ８ ， 吉林农安人 ， 清华大学 ， 水利 水电工程 系， 在读硕士生 ， 究方向为城市 防洪工程 。 研
填 洼深 、 流形 式 、 径 土壤 入渗 参数 、 地利 用情 况 等 ； 土 节 点 的输入 数据 有 节 点 编 号 、 高 程 、 底 埋深 、 始水 初
交桥 附近各个 积水 点 的积 水 深 和 积 水 历 时 ， 思 路 其
和结果可为城市防汛以及立交排水管道的设 计、 校
核提供参考和依据 。
洪水 管理模 型 ） 是 一个 综合 性 的数学 模 型 ， 可 以 ］ 它 模 拟 完整 的城 市 降雨 径 流 过 程 ， 括 地 面 径 流 和 排 包 水 系 统 中的水 流 、 洪 的调 蓄 处 理 过 程 。模 型 输 出 雨 可 以显示 系统 内和受 纳水体 中 各点 的水 流和水 质状
１ 概 述
城市 排 水设 施 是 保 证城 市 正 常 生产 生 活 、 防治 城市 水污 染和保 障 城市 安全 的重要 基 础设施 。 由于
立交 桥 的最低点 一 般 比周 围低 ２ ３ｍ， 成 封 闭洼 ～ 形
东入 万泉 河 ， 负担 北 四环 路 以北 及 立交 北部 范 围 内 排水 任务 。四环 路 以 南 雨水 管 同北 侧 一样 ， 流 域 其 面积 Ｆ ９４万 ｍ。实际汇 水 面积 ３ ． 一４ ． ， ９２万 ｍ。 。立
维普资讯
城啼 析与 ’ 筋珙 童
２６ 月 期 ０ 年３ 第２ ０
城市立交桥暴雨积 水数值 模拟
丛翔宇 ， 倪广恒 惠士博 田富强 ， 月芬 ， ， 赵
（． １清华大学水 利水 电工 程系 ， 北京 １ ０ ８ ；． ０ ０ ４ ２ 北京市水利规划设计研究 院 ， 北京 １０ ４ ） ０ ０４
交桥南北部分 ， 配合道路 的南北延伸增设部分雨污
水 管就 近入河 和排 入现有 雨 污水设 施 内＿ 。 １ ］ 万 泉河 立交 桥 采取 的是 自流 式排 水 。桥 体设 计
地， 且道 路纵坡 较 大 ， 易 造成 内涝 积 水 ， 不及 时 极 若 排 除 ， 会严 重影 响交通 ， 至造 成事 故 ，城市 的交 便 甚