B-2---ICM中的河道建模

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基于Infoworks ICM模型的排水系统能力分析

基于Infoworks ICM模型的排水系统能力分析高婷;张发【摘要】本文以中新生态城起步区为例,基于 Infoworks ICM模型,建立包含河道的排水系统模型,系统、全面地分析了排水系统的能力.结果表明,现状排水管网遭遇3年一遇降雨时,过流管道比例达到70%~80%,排水管网的能力不足;应对20年一遇降雨时,蓟运河故道的水位超过亲水平台高程,影响其安全;77.81 ha 区域超过内涝设计标准,最大积水深度1.45 m,最长淹没时间36 h;其中64%的面积最大积水深度在0.15~0.3 m,53%的面积积水时间在2~6 h之间.%This paper takes the starting area of the Sino-Singapore Eco-city for example and establishes the drainage system model which contains the city river based on the Infoworks ICM model,to analyze the capaci-ty of the drainage system systematically and comprehensively.The results show that the proportion of the pipe which exceed its design standard is 70% to 80 % when the drainage is under 3 year frequency rainfall;and the capacity of drainage pipe network is not enough.In response to the rainfall of 20 year frequency,the water level of the Jiyun River is higher than the elevation of platform,which affects its safety.The area of that exceed the waterlogging design standard is 77.81ha;the maximum seeper depth is 1.45m and the longest submerged time is 36h.Among them,the area which one's maximum seeper depth between 0.15m and 0.3m is 64%.and the area which one's submerged time between 2 and 6h is 53%.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(040)003【总页数】4页(P15-18)【关键词】排水系统模拟;河道;能力;InfoworksICM模型【作者】高婷;张发【作者单位】三峡大学水利与环境学院,湖北宜昌 443002;三峡大学水利与环境学院,湖北宜昌 443002【正文语种】中文【中图分类】TU992近年来，内涝频发已经成为困扰我国城市发展和安全的普遍问题．住建部2010年对全国351个城市进行的专项调查结果显示，2008～2010年，超过60%的城市发生过内涝，其中有137个城市发生内涝的次数超过3次．导致城市内涝的因素有很多，包括气候变化引起的强降雨、城市化导致的下垫面变化、河道湖泊等调蓄容积减少、排水管网设计不合理等[1-3]，其中城市内河与排水管网运行之间缺乏相容性也是造成城市内涝的一个重要原因．在城市内涝模拟中，通常将排水口的河道水位作为管网出口的边界条件[4-6]，仅考虑了河道对城市管网的影响，忽略了排水管网对河道水位的影响．为了系统全面地分析排水系统的能力，需要将河道纳入排水系统的模拟中．本文以中新生态城起步区为例，采用Infoworks ICM软件建立排水系统模型，在不同设计重现期下对排水系统进行模拟，评估系统的排水能力．1 研究区域概况中新生态城位于天津市滨海新区北部，地势总体较为平坦，地面高程主要为2～6 m，呈现出南高北低的特点，场地坡度主要为1度左右．生态城多年平均降水量为545 mm，年平均降水日数为64～73 d．生态城的汛期为6月中旬至9月中旬．汛期的平均雨日在42 d左右，夏季降水量为441～568 mm，占全年降水量的80%～84%，主要集中在7、8月份．研究区域位于生态城起步区，高程大多在4 m以上．起步区北部为蓟运河故道和惠风溪．蓟运河故道上游有一土坝，无来水；为提高超标洪(潮)水顶托、且遭遇暴雨时生态城的安全保障能力，下游设有防洪闸和排涝泵站．惠丰溪上游设有防洪闸，下游连接蓟运河故道．起步区的雨水经管道收集后分别由雨水泵站A、B排入蓟运河故道和惠风溪，最后由排涝泵站排入蓟运河．研究区域概况如图1所示．图1 研究区域概况图2 模型构建2.1 排水系统输入采用Infoworks ICM软件进行排水系统的模拟．将城市排水管网进行概化，得到319个节点、329段管网、2段河道和3座泵站，雨水管均为圆形，管径400～2 800 mm；将节点、管道、泵站和河道的属性信息(节点坐标、高程，管长、上下游端管内底高程、管道粗糙系数、管径，泵站设计流量、开闭水位，河道断面等)导入到InfoWorks ICM软件中．采用泰森多边形法进行子汇水区划分并根据实际情况进行手动调整．排水系统模拟示意图如图2所示．图2 排水系统概化示意图2.2 径流模拟研究区域径流的模拟主要包括产流和汇流两部分，产流采用扣损法，汇流通过非线性水库模型进行模拟．在计算产流量时，将研究区域地面分为透水和不透水两部分，其中不透水部分占总面积的75%．不透水部分扣除初期损失值后默认全部产流，透水部分采用Horton模型计算，主要参数包括初损值、初渗率、稳渗率和衰减率．汇流计算的参数包括不透水区、透水区、管道和河道曼宁系数．通过文献调研和模型手册[7-11]，确定上述参数，参数值见表1．表1 径流模拟参数值参数名称取值不透水透水汇流参数(曼宁系数)0．0140．03径流量类型FixedHorton初期损失值/m0．0020．007汇流模型SWMMHorton 初渗率/(mm·h-1)75Horton稳渗率/(mm·h-1)1．3Horton衰减率/(1·h-1)3管道曼宁系数0．013河道曼宁系数0．042.3 降雨设置对于同一个设计重现期的暴雨，不同历时的雨型在集水区内某个点导致的洪峰流量不同，在集水区上游由短历时高强度的暴雨产生最大洪峰流量，而在集水区的下游，也就是接近管网末端，由较长历时的暴雨产生最大洪峰流量．因此，进行排水管网排水模拟分析时往往要模拟多种历时暴雨．中新生态城起步区排水管网的设计重现期为3年一遇，排水防涝标准为20年一遇．考虑不同历时，确定模型的降雨为3年1 h、3年2 h、3年3 h和20年24 h，采用天津市滨海新区暴雨强度公式和雨型，降雨时间序列如图3所示．2.4 参数率定由于缺乏实测数据，本研究以径流系数作为率定参数．根据室外排水设计规范以及起步区土地利用类型，计算得到起步区综合径流系数0.58．通过参数率定，保证模型的径流系数与计算值相同，参数率定过程见表2．图3 天津市滨海新区雨型图表2 参数率定过程表率定次数表面类型汇流参数初期损失值/mHorton初渗率/(mm·h-1)Horton稳渗率/(mm·h-1)Horton衰减率/(1·h-1)径流系数初始不透水0．0140．002---透水0．030．007751．330．691不透水0．0140．005---透水0．10．00875330．652不透水0．0140．005---透水0．20．01280820．58 3 模拟结果与分析为评估排水系统的能力，重现期P=3时模拟6 h(8：00-14：00)，重现期P=20时模拟36 h(8：00至次日20：00)．主要从管道过流能力、河道水位和内涝3方面评估排水系统的能力．3.1 管道过流能力将管道模拟所得流量与管道设计流量对比分析，统计过流管道占总管道数的比例，见表3．表3 过流管段占总管段比例降雨过流管道比例/%3年1h833年2h823年3h74 可以看到，随着降雨历时的增加，管道发生过流的比例有所下降；其中，降雨历时从2 h到3 h，过流比例下降较明显，达到8%．进一步分析管道的排水能力，将管道过流的时间分段统计，得到图4．从图中可以看出，不同降雨历时，管段过流时间有所不同，降雨历时1 h，过流时间在30～60 min的管道所占比例最大；历时2 h，过流时间在0～30 min的管道所占比例最大，60～120 min段次之；历时3 h，各过流时间段的管道所占比例相差不大．图4 过流管段不同过流时间分类统计图3.2 蓟运河故道水位蓟运河故道作为排水系统的同时，也是生态城的重要景观水系，河岸修建有亲水平台，为保证亲水平台的安全性，蓟运河故道水位不得超过亲水平台高程(0.9 m)．图5为不同重现期和降雨历时下模拟得到的蓟运河故道水位变化曲线．当重现期P=3、降雨历时逐渐增加时，蓟运河故道峰值水位增大，且峰值水位出现时间延后．当重现期P=20时，蓟运河故道水位在12：45超过0.9 m，在14：15达到最高水位0.94 m，之后开始下降，16：20时低于亲水平台高程，亲水平台淹没时间超过3.5 h．图5 蓟运河故道水位变化曲线3.3 内涝当降雨超过排水系统的能力时，地面开始积水．室外排水设计规范中规定车行道积水不得超过0.15 m，对积水时间没有规定，本研究以积水超过0.15 m、积水时间超过30 min作为内涝防治的设计标准．在10：30左右，地面开始积水，随着时间的推移，积水范围和深度增加，在12：00左右达到最大值，此后积水逐渐消退，在20：00左右不再变化．在整个模拟过程中，发生过积水的面积为77.81 hm2，最大积水深度为1.45 m，其中64%地面的最大积水深度在0.15～0.3 m之间，且随着最大积水深度增加，积水面积依次减少，如图6所示；积水时间最长为36 h，即到模拟结束，地面一直保持积水状态，53%的地面积水时间在2～6 h之间，如图7所示．图6 不同积水深度面积统计图7 不同积水时间面积统计4 结论与建议本文以中新生态城起步区为例，基于Infoworks ICM模型，建立包含河道的排水系统模型，评估系统在不同降雨下的排水能力，得出以下结论：1)3年一遇降雨时，过流管道得比例达到70%～80%，管网排水的能力不足；2)20年一遇降雨时，蓟运河故道的水位超过亲水平台高程，影响其安全；3)超过内涝设计标准的面积为77.81 hm2，最大积水深度1.45 m，最长淹没时间36 h；其中64%的积水地面最大积水深度在0.15～0.3 m，53%的积水地面积水时间在2～6 h之间．为提高系统的排水能力，提出以下建议：1)提高管网的设计标准，增大管径；2)增加透水面积，加大下渗，减小径流量，如透水铺装、植草沟、雨水花园等；3)增设调蓄设施，保证管网排水能力的同时，对蓟运河水位进行错峰调节；4)对长时间积水的区域进行地形处理或增设雨水泵站、管道等措施，快速排除积水，保障城市安全．参考文献：[1] 谢映霞．城市排水与内涝灾害防治规划相关问题研究[J]．中国给水排水，2013，29(17)：105-108．[2] 叶斌，盛代林，门小瑜．城市内涝的成因及其对策[J]．水利经济，2010，28(4)：62-65．[3] 张悦．关于城市暴雨内涝灾害的若干问题和对策[J]．中国给水排水，2010，26(16)：41-42．[4] 梁小光，王盼，吕永鹏，等．内河水位对管网系统排水能力的影响模拟[J]．城市道桥与防洪，2014(11)：11-14．[5] 张晓波，盛海峰．城市市政排水与区域排涝水动力耦合模型研究[J]．人民长江，2015，46(18)：15-19．[6] 栾慕，袁文秀，刘俊，等．基于SWMM-MIKE11耦合模型的桐庐县内涝风险评估[J]．水资源保护，2016，32(2)：57-61．[7] 陈鑫，邓慧萍，马细霞．基于SWMM的城市排涝与排水体系重现期衔接关系研究[J]．给水排水，2009，35(9)：114-117．[8] 张兆祥，杨帆，王大春．淹没出流雨水管道应对内涝设计探讨[J]．中国给水排水，2016，32(1)：83-85．[9] 李彦伟，尤学一，季民，等．基于SWMM模型的雨水管网优化[J]．中国给水排水，2010，26(23)：40-43．[10] GB50014-2006(2016版)．室外排水设计规范[S]．北京：中国计划出版社，2016．[11] 北京市政工程设计研究总院．给水排水设计手册.第01册.常用资料[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004．。

InfoworksICM软件在河道水环境治理水质可达性分析中的应用

环境保护工程::Environmental Protection Engineering Infoworks ICM软件衽河道水环境治理水质可达性分析中的应用周川「，甄帅I程树辉I李灵珍I,郭栋I沙桐I张聪$（1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京100082；2.北京北控水务投资管理有限公司，北京100102）摘要：笔者选用Infoworks ICM软件建立华北某市H河水质模型，通过水质模型分析现况采取的治理措施无法使河水达到地表水准IV类标准，需同步完成沿河污水处理厂的提标改造及上游连续供应相应标准的生态补水，在雨天亦需设置3d的“豁免期”。

同时验证了初期雨水调蓄池控制20%的径流量却可截流37%左右的污染量，其建设具有一定的实用性。

关键词：Infoworks ICM软件；水环境治理；水质模型中图分类号：X522文献标志码：B文章编号:1009-7767（2019）03-0213-05Application of Infoworks ICM Software in Water Quality AccessibilityAnalysis for Water Environment TreatmentZhou Chuan, Zhen Shuai,Cheng Shuhui,Li Lingzhen,Guo Dong,Sha Tong,Zhang Cong随着生态文明城市建设的推进，河道环境问题已成为当今最热门的生态环境问题之一叫河道水环境治理是加强河道管理保护工作不可或缺的重要环节，有利于摸清河道健康现状、科学诊断河道存在的突出问题，有利于确定河道管理与保护的工作目标、主要任务，有利于因地制宜地制定河道水资源保护、水域岸线管理保护、水环境治理、水生态修复等方面的治理措施3。

Infoworks ICM作为一款功能强大的水力与水质模型软件，常用于分析研究城市内涝⑷;近年来，也较多地用于分析研究排水管网与河道耦合后河道的水质特性，用于对比各种水环境治理控制措施。

基于BIM技术在河道整治中的综合运用

基于BIM技术在河道整治中的综合运用摘要：传统河道设计依托常规勘测资料进行典型断面的设计，工程量计算繁琐，本文运用Bentley系列软件，高效在实景模型的基础上进行平纵曲线和横断面模板地协同设计，并浅谈在移民规划中的运用。

关键词：bentley 实景建模河道横断面引言：河道在流域中起着举足轻重的作用，综合运用河道拓宽整治、污染源控制和海绵城市设施等工程及非工程措施，可以解决区域防洪排涝、水质保障、景观营造等多方面的问题，提高区域防汛排涝能力，改善河流水环境，形成沿河一定规模的生态景观带，打造城市滨水空间，带动河道两岸土地开发利用，是现代城市发展的内在需求。

1.随着需求的深入和技术的发展，河道中设计和管理思路不断创新，自动化和信息化技术在水务服务和管理中得到广泛运用，本文浅谈bentley软件运用BIM技术在河道整治前期勘测、规划和设计等不同阶段中发挥的作用。

1实景建模实景建模技术是根据基础的图像资料再进行三维重建。

这项技术前期通过无人机上安装的数码相机、专业机载测量性单、多镜头航摄仪或激光扫描仪等设备采集数据信息，后期运用软件计算，结合相机成像基本原理，使得一定数量的照片转化成为真实目标物体的三维模型。

实景模型可拓展、可拼接，可获取空间大数据，准确提取空间特征信息，是智慧工程的基础。

依托实景模型，结合物联网，可以建立智慧城市模型。

智慧城市模型可以用于大数据管理、信息共享、联动管理，可以完成包括水务、市政、建筑、消防等在内的城市综合管理。

1.1数据采集实地踏勘观察周围环境，确保无高压线或者大面积水域等影响因素，预先做好像控的外业工作，无人机通过规划航线、设置飞行高度、航向重叠率、旁向重叠率、调整相机倾斜角等并搭载云台进行倾斜摄影，获取影像基础资料。

1.2模型生成将前期采集到的数据资料导入至context capture，设置pos信息、输入像控点、进行影像预处理、选择空间参考系统和高程系统后运行空中三角测量，建立“空三”关系模型及映射纹理等，最后设置参数，提交产品，可得到3mx、osgb、obj和3sm等格式的产品。

利用InfoWorks ICM建立河网模型所需的数据资料

河网模型所需的数据资料
用于进行基本水力模拟所需的基础数据主要包括：
⏹河网数据：
✧河网的完整拓扑结构：各断面的坐标位置和连接性（最好为GIS或CAD
文件导入作为河道中心线）;河道断面的左右岸信息，包括主河道、堤
防、漫滩等。

✧断面数据（.dat文件）：包含准确的断面位置，起点距、高程、糙率等基
本数据
✧地面模型（可选）：流域的TIN或GIRD地面高程模型，可以用于自动
生成断面形状或用于2D模型计算
✧湖泊池塘的水位-面积关系（国内常为水位-库容关系）
✧水工构筑物：闸门、泵站的尺寸、调度的逻辑规则、运用的周期等等
⏹边界条件（通常为excel等电子表格数据）
✧降雨过程线
✧水位边界
✧流量过程线
✧流量-水位关系曲线
✧通常上游边界采用降雨过程线或流量过程线，下游边界采用水位过程或
者流量水位关系
⏹用于模型率定和验证的实测历史数据：
需要长期实测降雨事件下的实测流量/水位分别用于模型的率定和验证。

PDM模型的自动率定程序基本上可以完成降雨径流模型的验证，一般情况下，要求计算径流过程与实测流量过程很好的拟合。

平时的计算中，蒸发和土湿的数据可能不全，没有相应的蒸发和土湿过程也可以进行降雨径流的计算。

水质模型则需要更多的基本模块参数，以及实测数据作为输入条件或校验依据。

各水质模型的计算参数根据实际情况或经验确定，水力学边界点都需要有相应的水质边界数据，另外，河道周边的污染源，例如排污口等也要有相应的水质数据。

1。

河道整治bim实施方案

河道整治bim实施方案河道整治BIM实施方案。

一、前言。

随着城市化进程的加速，我国城市河道面临着日益严重的污染和生态破坏问题。

为了有效解决这一难题，我们需要采取科学有效的河道整治措施。

BIM技术作为一种先进的数字化建模工具，已经在城市规划和建设领域得到了广泛应用。

本文将介绍河道整治BIM实施方案，以期为相关工程提供技术支持和指导。

二、河道整治BIM实施方案。

1. 数据采集与建模。

首先，需要对河道进行全面的数据采集工作，包括地形地貌、水文水质、生态环境等方面的数据。

然后，利用BIM技术对这些数据进行三维建模，形成河道整体的数字化模型。

通过建立真实、精确的河道模型，可以为后续的工程设计和施工提供可靠的依据。

2. 智能设计与优化。

在河道整治的设计阶段，可以利用BIM技术进行智能设计和优化。

通过对河道模型进行仿真分析，可以评估不同设计方案的效果，并找出最优的整治方案。

同时，BIM技术还可以实现多方案比较和快速修改，提高设计效率和质量。

3. 协同施工与管理。

在河道整治的施工阶段，BIM技术可以实现施工过程的协同管理。

通过建立施工进度模型和资源管理模型，可以实现对施工过程的全面监控和协调。

同时，BIM 技术还可以实现施工过程的虚拟仿真，提前发现和解决施工中的问题，确保施工质量和安全。

4. 运营与维护支持。

河道整治完成后，BIM技术还可以为河道的运营和维护提供支持。

通过建立河道的运营管理模型，可以实现对河道设施的实时监测和管理。

同时，BIM技术还可以实现对河道设施的智能维护，延长设施的使用寿命，保障河道的长期可持续发展。

三、结语。

河道整治BIM实施方案是一种全新的技术应用模式，可以为河道整治工程提供全生命周期的数字化支持。

通过BIM技术的应用，可以实现河道整治工程的科学设计、高效施工和可持续运营，为城市河道的改善和保护提供强有力的技术支持。

希望本文所介绍的河道整治BIM实施方案能够为相关工程的实施提供有益的参考和指导。

Infoworks ICM在市政道路雨水管道设计中的应用

Infoworks ICM在市政道路雨水管道设计中的应用作者：郑国栋来源：《科技视界》2015年第36期【摘要】Infoworks ICM集成了城市地上地下所有的雨水系统，采用一维和二维水动力学计算模型，从整体上实现对整个城市雨水系统的动态模拟。

此软件已成功运用于《城市排水（雨水）防涝综合规划》的编制，可对城市或片区雨水管网系统进行排水能力评估，分析积水、溢流等产生的原因，并找出解决这些问题的方法。

基于Infoworks ICM的强大功能，其同样可以被运用到单一市政道路的雨水方案设计中，以评估传统恒定均匀流理论公式的计算结果，通过模拟以判定实际淹没出流状态下方案的合理性。

【关键词】Infoworks ICM；数学模式；雨型；雨水管道；河道关于雨水设计流量的计算方法，我国目前采用恒定均匀流推理公式，即Q=Ψ·q·F计算。

恒定均匀流推理公式基于以下假设：降雨在整个汇水面积上的分布是均匀的；降雨强度在选定的降雨时段内均匀不变；汇水面积随集流时间增长的速度为常数，因此推理公式适用于较小规模排水系统的计算，当应用于较大规模排水系统的计算时会产生较大误差。

随着技术的进步、管渠直径的放大和水泵能力的提高，排水系统、汇水流域面积逐步扩大应该修正推理公式的精确度。

发达国家已采用数学模型模拟降雨过程，把排水管渠作为一个系统考虑，并用数学模型对管网进行管理。

1 模型简介Infoworks ICM （Integrated Catchment Manage—ment）模型，即城市综合流域排水模型，是由Wall—ingford软件公司开发的，实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实的模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用。

它在一个独立模拟引擎内，完整的将城市排水管网及河道的一维水力模型，同城市流域二维洪涝淹没模型结合在一起，是世界上第一款实现在单个模拟引擎内组合这些模型引擎及功能的软件。

河道立面二维非恒定水温及污染物分布预报模型

2000年9月水利学报SHU IL I XU EBAO 第9期收稿日期:1999209227作者简介:江春波(1960-),男,吉林镇赉人,副教授,博士.文章编号:055929350(2000)0920020205河道立面二维非恒定水温及污染物分布预报模型江春波1,张庆海1,高忠信2(11清华大学水利系,北京　100084;21中国水利水电科学研究院机电所,北京　100038)摘　要:通过建立一种立面二维模型,考虑自由水面的变化,采用全显式的有限体积法模拟了河道流动的水温及悬浮污染物质分布.该模型适用于大尺度水域中较长期的流动、水温及悬浮物质迁移问题.通过优化取水口位置高程将水体中污染物质残存总量控制到最少,对水库实际流动、水温、悬浮物质分布的模拟结果与实际观测符合良好.关键词:温度分层流;立面二维模型;水污染控制中图分类号:X143 文献标识码:A由于人类活动及工农业生产,使河流两岸的植被遭到破坏,大量泥沙及其悬浮物质流入江河、湖泊等水域,造成河流、水库水质的严重污染.随着人们对环境保护的日益重视,已经开展了大量的对水污染治理的研究,并且提出了相应的工程措施.其中,建立一个预报河道水域中流动、水温和污染物质分布的数学模型,是水污染控制方法之一.模拟河道水流流动特性的数学模型有二维与三维[1,2]之分.与三维数学模型相比,二维模型输入数据少、计算效率高.对于流速、温度以及浓度等在水深方向上分布基本均匀的情况,用沿水深方向积分后的数学模型[3]就可以得到满意的结果.而对于河道比较窄,流速、水温或污染物在深度方向上分布具有明显差异的情况,如垂向有回流旋涡、密度分层等,用立面二维模型[4,5]可以充分反映流动特征,与完全三维模型相比还可以节省计算工作量.对于简单均匀流动(垂向流速近似为零),文献[4]在假定悬浮泥沙颗粒为单一粒径且不考虑颗粒本身沉降速度的情况下,采用剖面二维模型模拟了泥沙颗粒在河道中的迁移过程;对于考虑复杂流态的立面二维模型,文献[5]采用k 2ε双方程湍流模型计算了一个立面二维流动,实际算例为一个定常的悬浮泥沙分布问题.以上两种模型均未考虑自由水面的变化.本研究提出了一种预测河道型水库中流速、温度和悬浮污染物质分布的立面二维数学模型.模型的特点为:(1)数值格式全部采用显式,具有节省机器内存、计算速度快的优点;(2)可以模拟较长时期(如几个月,几年)的流态、水温和悬浮污染物质分布;(3)考虑河道宽度的变化以及汛期自由水面的变化,适合于非定常问题的模拟;(4)考虑悬浮物质粒径不均匀性及自身在水中的沉降速度,并通过取水口布置对水库中悬浮物质分布及残存总量进行控制.1　数学模型111　基本方程　从Navier 2Stokes 方程和对流扩散方程出发,将方程沿河宽方向积分,通过时均化处理并引入湍流模型,就得到本文将要求解的立面二维方程组.—02—55x (B u )+55z(B w )=0(1)55t (B u )+55x (B uu )+55z (B w u )=-B ρ05p 5x +55x B v x 5u 5x +55z B v z 5u 5z -τw x ρ0(2)55z(p )=-ρg 或p =-ρg (h +ζ)(3)55t (B T )+55x (B u T )+55z (B w T )=55x B k x 5T 5x +55z B k z 5T 5z +B H ρ0c p (4)55t (Bc )+55x (B uc )+55z [Bc (w -w s )]=55x B λx 5c 5x +55z B λz 5c 5z(5)式中:u ,w 为水平和铅直方向的流速分量;ζ为水面相对高度;w s 为悬浮物质的沉降速度;T 为水温;C 为悬浮物质的浓度;v x ,v z 为涡粘性系数分量;k x ,k z 为水温扩散系数;λx ,λz 为污染物质的湍动扩散系数;p 为压力;ρ为水的密度;ρ0为水的参考密度;g 为重力加速度;h 为水深;c p 为水的比热;τw x 为边壁阻力;H 为太阳辐射热源项.H =55z(1-β)<0exp [-ξ(ζ-z )](6)式中:<0为太阳辐射量;β为热辐射的反射系数;ξ为常系数.对于直径在10～100μm 的悬浮质,其沉降速度w s 可由如下的斯托克斯公式确定:w s =g 18v ρs ρ-1d 2(7)式中:ρs 为悬浮物质的密度;d为悬浮物质的直径;v 为水的分子粘性系数.水的密度ρ是水温T 和污染物浓度c 的函数,由如下公式确定:ρ=ρ(T )+c 1-ρ(T )ρs (8) 从式(1)～式(8)中可见,模型考虑了河道宽度B 的变化、自由水面与大气的热交换、悬浮物质的沉降速度.对于悬浮颗粒浓度的计算,模型根据粒径的变化将其分为不同的组次分别利用式(5)、式(8)进行计算,然后将得到的不同粒径的悬浮质浓度按百分比进行加权平均,就可得到悬浮颗粒的浓度.模型的着重点在于掌握悬浮污染物质分布与水流速分布的关系,而不考虑悬浮污染物的生物及其化学反应过程.图1　计算区域和边界条件112　边界条件　计算区域如图1所示.(1)上游入口条件:水平方向流速—根据上游来流流量Q in 确定(垂向流速为零);入口处水温T in —根据气温的变动情况而确定;悬浮质浓度C in —根据与流量Q in 的相关分析而确定.(2)取水口(出口)边界条件:取水口处的流速根据发电和下游用水量确定;温度和浓度的法向梯度5T/5n ,5c/5n 为零.(3)水面边界条件:在水面由于水温和气温不同,有热量交换产生,其值<L 可由下式计算<L =<e +<c +<ra(9)式中:<e ,<c ,<ra 分别表示在水面上由于蒸发、传导和辐射而引起的热量交换.另外,水面上还给定悬浮物质的沉降通量w s c =0及扩散通量5c/5n =0.(4)底部河床边界条件:给定无滑移流速条件;温度和浓度的扩散通量为零.由于悬浮物质具有沉降速度,沉到河床底部的悬浮质的数量为:{w su c u B u -w sd c d B d -(B u -B d )w s c}Δx i (10)式中:下脚标u ,d 分别表示控制体的上、下表面;w su ,w sd 分别为在控制体的上下表面的沉降速度;Δx i 为控制体在水平方向的尺寸.在式(10)中,第三项是沉降到河床底部的悬浮质的数量.2　数值格式图2　控制体和变量的位置示意采用控制体积方法对基本方程(1)～(6)进行空间离散,根据交错网格方法,变量u ,w 以及标量(c ,T )分别布置在不同的空间位置上.如图2所示,求解水平流速分量u 的控制体用虚线表示,求解垂直流速分量w 和标量c ,T 的控制体用实线表示,两种控制体在水平位置上相差半个网格.若第k 时间步的各变量数值已知,则第k +1时间步的浓度值c k +1(i ,j )可表示为ΔV (i ,j )Δtc k +1(i ,j )-c k (i ,j )+B r u k (i +1,j )c k r -B L u k (i ,j )c k L Δz j +B u (w k (i ,j +1)-w s (i ,j +1))c k u -B d (w k (i ,j )-w s (i ,j ))c kd Δx i =λx B r c k (i +1,j )-c k (i ,j )Δx i +1/2-λx B L c k (i ,j )-c k (i -1,j )Δx i -1/2Δz j +λz B u c k (i ,j +1)-c k(i ,j )Δz j +1/2-λz B d c k (i ,j)-c k (i ,j -1)Δz j -1/2Δx i (11)式中:ΔV (i ,j )为关于浓度的控制体体积;下脚标(i ,j )为变量对应于网格点的位置;u r ,u L ,u u 和u d 为流速在控制体的右、左、上和下各边中点的流速值;B r ,B L ,B u 和B d 为各边中点处的河宽;Δx i ,Δz j 为网格尺寸;Δt 为时间步长.温度方程的离散形式与式(11)完全相同,在此略去.计算第k +1时间步的水平流速分量u k +1(i ,j )的格式为ΔV ′(i ,j )Δtu k +1(i ,j )-u k (i ,j )+B ′r u k r u k r -B ′L u k L u k L Δz j +B ′u (w k u u k u -B ′d w k d u k d Δx i -1/2=-1ρ0[p k (i ,j )-p k (i -1,j )]B ′c Δz j -1ρ0τk w x ΔV ′(i ,j )+v x B ′r [u k (i +1,j )-u k (i ,j )]Δx i -v x B ′L [u k (i ,j )-u k (i -1,j )]Δx i -1ΔZ j +v z B ′u [u k (i ,j +1)-u k (i ,j )]Δz j +1/2-v zB ′d [u k (i ,j )-u k (i ,j -1)]Δz j -1/2Δx i -1/2(12)式中:ΔV ′(i ,j )为水平速度分量的控制体体积;相应的河宽记为B ′r ,B ′L ,B ′u,B ′d .在水平流速分量u k +1(i ,j )求出之后.利用连续方程可以直接求出垂直方向的流速分量w k +1(i ,j +1).普通的交错网格法在求解垂直流速时,采用与水平流速和浓度均不同的控制体.本研究考虑到河道立面二维模型的特点,采用与求解标量(温度、浓度)相重合的控制体求解垂直流速分量.计算先从河道底部的格子开始,利用河道底部垂直流速为零的条件和已知的水平流速,直接可以得到格子上边中点的垂直流速,这样从下到上直到自由水面.对于自由水面上的格子,利用连续方程可以直接得到水面的升降变化值.在求出新的水面位置后,就可以实现网格的自动调整,满足变动水位情况下的非定常模拟.详细离散公式如下:w k +1(i ,j +1)=w k +1(i ,j )B d B u-u k +1(i +1,j )B r -u k +1(i ,j )B L Δz j /(B u Δx i )(13)Δζk +1i /Δt =w k +1(i ,j )B d B u -u k +1(i +1,j )B r -u k +1(i ,j )B L Δz j /(B uΔx i )(14) 从上述空间离散格式中可见,由于在变量的布置上考虑了立面二维河道的特点,采用显式的方法求解各变量,并能够模拟自由水面的变化过程,因此适用于河道流速、水温以及污染物分布的中长期的非定常计算.由于水库中的流速比较小,在处理对流项时采用了中心格式.对于网格雷诺数大于2—22—的强对流情况,根据水平来流方向采用迎风格式.3　数值模拟结果实际河道由主流和支流组成,在应用立面二维模型求解河道中温度分层流动及悬浮污染物的分布时,应在几条河流交汇处考虑质量、动量守恒条件.在主流河段布置34×80个立面有限体网格,在支流布置15×80个立面网格.网格在流动方向尺寸约为120～200m ,在水深方向上为1m ,在河床高程以下的网格在计算中不加考虑.根据相关分析来确定来流的悬浮质浓度,其公式为:c in =αQβ(16)式中:系数α=01135,β=1146,是利用观测数据通过最小二乘法确定的.其他计算参数的取值为:v x =10m 2/s ;v z =0101m 2/s ;k z =110×10-5m 2/s ;ρs =2650kg/m 3;c p =411784kJ /(kg 1℃);λx =015m 2/s ;ρ0=2650kg/m 3;k x =10m 2/s ;λz =110×10-4m 2/s ;g =918m/s 2.其中粘性系数和扩散系数的选取,是经过原形观测数据检验确定的.计算时段为某年9月4日～11月30日,在这期间有原型观测水温和悬浮物质浓度分布可以用来验证模拟结果.图3(a )为计算开始后96h (9月8日)的计算结果和实际观测结果的比较,图3(b )是在计算开始后600h (9月29日)的结果.图中:浊度为残留悬浮物质浓度.(a )(b )图3　计算与观测结果的比较从这些结果中可见,由于太阳辐射的影响,在水面附近水温较高,数值模拟能够再现温度分层现象.计算得到的水温值与观测结果符合良好.图4　残留污染控制总量随时间的变化在洪水期间,水库中悬浮物质浓度较大,如何尽快清除悬浮污染物质及其掌握水域中的水温分布是水资源保护的一个重要课题.为了控制水库中的悬浮质分布和残留总量,根据实际工程需要对以下几种取水口位置高程方案进行了模拟和比较:(1)现状:取水口保持在430m 高程;(2)表面取水:取水口随着水面的位置而变化;(3)高浓度取水A (高A ):在440～480m 高程内,取水口随着坝前最高浓度的位置而变化;(4)高浓度取水B (高B ):在430～480m 高程内,取水口随着坝前最高浓度的位置而变化.不同工况下水库中残留污染控制总量随时间的变化如图4所示,从中可见在现状运行条件下有大量悬浮物质停留在自由水面附近;采用表面取水,可以保持水面清洁,但是水库中悬浮物质总量增多;采用高A和高B运行方案,可以使得悬浮物质总量减小,并且保持较厚的清水层,相比之下高B方案在取水口上方还有少量悬浮质存在.同时,采用高A和高B运行方案可以减小水库中污染物的残留量,并且能够保持较厚的清水层存在.4　结论(1)应用立面二维流动模型、显式的数值格式模拟较长时期、较大流域范围内的水温、悬浮污染物的迁移过程,计算效率高.(2)模型考虑了自由水面的变化和河道宽度的变化,适用于模拟河道非定常流动问题.计算结果与实测资料符合较好.(3)水域中的悬浮物质残留总量可以通过优化取水口位置高程的运行方案进行控制.比较4种运行方案(现状取水、表面取水、高A和高B取水)数值模拟结果,表明高浓度取水方案最优.参　考　文　献:[1]　ASCE Task Committee on Turbulence Models in H ydraulic Computations.Turbulent Modeling of Surface WaterFlow and Transport:Part1[J].Journal of Hydraulic Engineering.1988,114(9):971-991.[2]　Van Riji L C.Field verification of22D and32D suspended sediment models[J].Journal of H ydraulic Engineer2ing.ASCE,1990,116(10):1270-1288.[3]　Falconer R A,Owens P H.Numerical modeling of suspended sediment fluxes in estuarine waters[J].estuarine,Coastal and Shelf Science,1990,(31):745-762.[4]　张耀新,吴卫民.剖面二维非恒定悬移质泥沙扩散方程的数值求解[J].泥沙研究,1999,(2):40-45.[5]　雒文生,周志军.水库垂直二维湍流与水温水质耦合模型[J].水电能源科学,1997,15(3):1-7.A22D unsteady flow model for predicting temperature and pollutantdistribution in vertical cross section of a riverJ IAN G Chun2bo1,ZHAN G Qing2hai1,G AO Zhong2xin2(11Tsi nghua U niversity,Beiji ng　100084,Chi na;21Chi na Instit ute of W ater Resources andHydropower Research,Beiji ng　100038,Chi na)Abstract:A model for predicting the thermal stratified flow and turbidity transportation in the vertical section of a river is established.Since the scheme is explicit for velocity components,pres2 sure and scalar quantities,the model is efficiency and able to simulate long period transportation process of suspending materials in reservoirs and rivers.The model can be used to forecast and control of pollution.The validity of this model is verified by in site observation data.K ey w ords:thermal stratified flow;vertical22D flow model;explicit scheme;pollution control ——42。

ICM 的软件优势说明1.0

华霖富排水模型系统 InfoWorks ICM 的优势小结：1.第一个完整的整合了排水模型和河道模型的综合流域模型软件以及地面洪水漫溢过程的模型，用户可以根据实际需要，仅建立一个排水管网模型，或者仅建立一个河道模型，或者同时建立一个完整的排水管网和河道的综合模型；InfoWorks ICM 为综合流域排水模型软件，综合了排水模型系统，地面洪水漫溢模型以及河道系统；另外 ICM 在模拟洪涝过程时，其在排水系统与地面、河道等之间的一、二维整合上，要比CS以及其他所有软件都更全面：1）管道的排水口直接排放到河道；2）河道水位上升对排水系统产生顶托；3）检查井冒水到地面，洪水沿地势漫水到河道，沿河堤汇入河道；4）河道中河水水位升高，漫过河堤，再沿地势走到较低的低洼地带，当排水系统有空间后，再进入检查井，雨水口等返回到排水管道中；Works ICM 操作界面友好，使用方便快捷；Works ICM 运行计算速度快（见附件1）；InfoWorks ICM 的前版本CS的计算速度和其他软件相比，速度居前；而Icm又能够整合硬件的优势来进一步提高计算速度，包括：InfoWorks ICM并行算法，允许采用多CPU，独立显卡，来提高计算速度，可以提高20~60倍的计算速度；也可以允许利用电脑网络中的其他电脑资源来进行运算，节省模型人员的时间；Works的用户众多，目前大多数的排水模型的用户均选择了InfoWorks 软件，详（见附件3用户列表）Works ICM 的技术支持强大，通过在国内将近十年的经验，积累了对国内用户各种问题，不同项目的丰富的经验，大大有助于国内用户的技术支持，同时英国咨询公司的专家目前也在国内，强化了技术支持的力量，而软件公司在英国和美国的技术支持团队，也是用户的技术支持强大后盾。

Works ICM基于数据库的模型管理模式方便设计院的多模型项目的使用和整合管理ICM 是将所有与模型相关的内容，包括数据，如管网，降雨，泵站等的运行模式，也包括各个运行计算方案，还包括结果查看的各种分析工具以及设定好的展现模式，如主题图的设定，曲线图，标注图，工作空间等等，完全整合在一个数据库中（而不是如其他有些软件采用文件管理的模式），方便模型的分析，重复应用，以及后续不同项目，不同模型的管理；Works ICM的数据库管理以及历史版本记录的功能，提高模型项目的效率和准确性；ICM基于数据库的系统框架的设计，能够实现多用户在同一个模型的基础上进行编辑，修改和工作，实现多用户协同工作，同时各人修改的历史记录能够得到跟踪保存，有利于后续模型的检查和修正，保证模型的准确；Works ICM软件狗甚至可以提供广域网的权限（比局域网价格要高），意味着只要能上网，并安装了ICM模型软件，模型人员就可以远程使用软件，比如跨城市使用，这样就可以更大程度的使软件有限的用户数权限，为更多地模型人员所使用；Works ICM具备了丰富，强大的计算引擎和各种工具（详见技术概要和附件2的模快简述图）；模型项目中数据导入，检查，整理，分析等的各种工具，提高模型师的工作效率，分析能力，并具备丰富的成果展示工具，能够方便快捷的和项目相关人员进行沟通交流和展示。

长河段二维水沙数学模型研究及应用

心计算模块应用拟和坐标系下的平面二维ＫＥ — 紊
流和悬移质、推移质泥沙运动模型对相关物理量
进行模拟；软件后处理模块能够很好地对模拟前
后的地形、流场、冲淤情况进行展示。Ｔ２ＣＫ一Ｄ软件对上述模块进行了集成，只需安装Ｔ一Ｄ后即Ｋ２Ｃ可运行所有模块。Ｔ一Ｄ软件开发应用ＶｓａＣ＋ＯＴＡＫ２Ｃｉｌ＋和ＦＲＲＮｕ语言编写。其中软件主界面采用ＶｓａＣ＋言编ｉｌ＋语ｕ
段水长江中游沙市一监利、戴家洲一牯牛沙及长江下游安
颁发的计算机软件著作权（号：软著登字第编１２６号），具有完全的知识产权。０９６
２并行程序介绍
在Ｔ一ＤＣＫ２软件基础上，对软件的计算核心
要接触程序源代码，直接通过窗口界面化的操作就可以完成模型建立、验证率定和其它应用工作。Ｔ一ＤＫ２Ｃ软件于２０年８获得国家版权局０８月
势，就必须在并行计算上面有所突破，并行程序的开发更是近几年各个应用领域的研究热点。针对长河段水沙计算耗时较长、时间响应效率低的特点，本文在Ｔ一Ｄ软件的基础上，对其Ｋ２Ｃ源代码进行了并行程序的开发，将并行计算技术应用在长河段水沙数值模拟中，大大提高了长河
ａｅｗａｅｕａｉｎｅｇｎｅｉｇｅｆｃｓｔｒｙｒｇｌｔｏｎｉｅｒｎｆｅｔ．
Ｋｅｙｗｏｒ：ｌｎｅｃ；ａａｌｌｃｍｐｔｎ；ｏａｄｓｄｍｅｔｍａｈｍａｉａｄｌＴ２ｄｓｏｇｒａｈｐｒｌｏｕｉｇｆｗｎｅｉｎｔｅｔｌｅｌｃｍｏｅ；Ｋ－ＤＣ；ｙｔｍａｉｓｓｅｔｃ

河网二维水流数值模拟

Under the inspiration of one-dim river-network computational pattern, was put forward the basic computing element concept of two-dim river-network. The two-dimensional river-network basic include :"single river" unit、"tree-like river-network " unit、"ring-like river-network" unit、 "cross-like river-network " unit. Along with research went thorough, the computing element could increase correspondingly. The basic thought as follows: simulated these basic two-dimensional units separately. Express all variables to the relations of the water level of each unit the boundary. Through this way, may conveniently learn the hole-implicit method of one-din river-network. Regarded all units boundary’s water level as the control point, established the closed equations to solve these water level points, and then may solve two-dim simulation or two-dim coincidence with one-dim river-network of entire basin.

1-ICM( 城市综合流域排水模型系统)的软件简单介绍和优势小结-simple Version

1综合的城市排水，流域及海绵城市一体化模型系统InfoWorks ICM可以完整模拟城市雨水循环系统，实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实的模拟地下排水管网系统与地表收纳水体之间的相互作用。

它在一个独立模拟引擎内，完整的将城市排水管网及河道的一维水力模型，同城市/流域二维洪涝淹没模型，海绵城市的低影响开发系统（包括雨水资源的利用）的模拟，洪水风险等的评估等整合在一起，是世界上第一款实现在单个模拟引擎内组合这些模型引擎及功能的软件。

1.1水文计算模块InfoWorks ICM包括多种产汇流模型，包括但不限于固定径流系数，Horton，Green-Ampt，SCS 等产流（径流量）模型，以及Wallingford，Large Catch，SWMM等等汇流模型。

1.21维排水系统的模拟模块InfoWorks ICM可模拟完整模拟管道和明渠内的水力学状态，可精确模拟回水和冒溢（溢流）等现象，可模拟水泵、孔口、堰流、闸门、调蓄池等排水构筑物的水力状况。

1.31维河网的模拟模块InfoWorks ICM可模拟复杂的河网和滞洪区，包括树枝状的、分叉的和回路河网，以及受堤坝或防洪堤保护的滞洪区。

1.4排水及河网系统中的水工控制结构计算模块InfoWorks ICM可模拟复杂的水工结构，如泵，闸，堰等，并可用于实时控制RTC和分析，容许选用不同的控制对象（如水位，流量和时间等），并定义简单或复杂的运行逻辑，用于控制泵站、闸门和堰。

1.5RTC实时控制调度模块InfoWorks ICM能够采用RTC实时控制模块，模拟各种控制调度的原则，允许设定复杂的条件语句，根据时间，各种水力条件如流量、水位，水位变化等，降雨强度等等，以及各种条件的组合，测试各种洪水调度预案，达到最终的调度目标；1.6二维地面洪水淹没演进模块InfoWorks ICM包含一个更快、更准、更详细的地面洪水演算模型。

模拟出洪水在地面上行进的过程，获得淹没时间，范围和深度等数据结果。

河道、滞洪区洪水演进数学模型

河道、滞洪区洪水演进数学模型李大鸣;林毅;徐亚男;周志华【摘要】采用有限体积法建立了适应河道、滞洪区复杂情况的洪水演进一、二维衔接数学模型.构造了适合河道洪水计算的一、二维河道型网格和滞洪区二维地面型网格,网格具有多点、多面,既镶嵌又衔接的特点.阻水建筑物对洪水演进速度影响较大,所以,将其模化成特殊通道,提出了洪水演进过程中渗流所造成的水体损失的计算模式.将该模型应用于大清河滞洪区,讨论了洪水边界条件,确定了模型糙率,率定了模型渗流参数.结合大清河"96.8 实测洪水资料"进行了洪水演进数值模拟,分别对河道的水位、流量和滞洪区来水时间进行了模型验证,验证结果基本吻合.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2009(042)001【总页数】9页(P47-55)【关键词】滞洪区;洪水演进;一、二维衔接数学模型;有限体积法;渗流【作者】李大鸣;林毅;徐亚男;周志华【作者单位】天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部重点实验室,天津,300072;天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部重点实验室,天津,300072;天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部重点实验室,天津,300072;天津市水利科学研究所,天津,300061【正文语种】中文【中图分类】TV122为了防御洪水的侵袭，减小洪水造成的危害，适时疏导洪水运动路径，研究洪水运动规律是十分必要的．随着计算科学的发展，滞洪区洪水演进模型已成为防洪减灾保障体系理论的重要组成部分和强有力的分析工具．洪水演进数值模拟是掌握洪水演进规律的重要方法之一．Cunge[1]应用改进的马斯京根方法模拟河道洪水演进．Akanbi等人[2]使用有限元法模拟洪水波在干河床上的演进．Caleffi等人[3]采用二维浅水方程对 Toce河的洪水演进进行了模拟．刘树坤等人[4]用有结构网格对小清河分洪区洪水演进进行了模拟．王船海等人[5]用有限体积法对行蓄洪区洪水演进进行了研究．周孝德等人[6]用二维洪水演进的隐式差分模型，对君山滞洪区进行洪水演进的模拟计算．李大鸣等人[7]用有限元质量加权集中法计算河道二维洪水演进．曹志芳等人[8]在洪水干涸河床模拟中采用有限差分法的逆风格式离散控制方程．槐文信等人[9]对于非规则区域的二维非恒定流，采用了曲线坐标系下的有限分析法离散数值格式进行了数值模拟．谢作涛等人[10]从求解一维对流方程的Holly-Preissmann格式出发，结合有限差分法建立了一维洪水演进数学模型．河道、滞洪区洪水演进计算的难点在于对洪水运动的连续过程和多方向洪水遭遇所产生的相互影响进行研究，特别是滞洪区内铁路、公路、河流、堤防、水闸和各种防洪措施的使用，对适用于河道计算的圣维南方程组、整体求解的有限元或差分方法也提出了新的要求．鉴于滞洪区洪水演进具有干涸床面、不连续地面流和河道与洼淀多点水量交换的特征，采用无结构不规则网格的有限体积方法对模拟区域进行剖分计算，真实反映地形地物特点，描述点与点、点与面和面与面的洪水演进和交换过程，对不同情况的洪水和复杂的地形，能够更灵活地进行洪水计算和行洪控制，具有明显的优越性．笔者采用有限体积法建立河道、滞洪区洪水演进的一、二维衔接数学模型．针对滞洪区的复杂地形和防洪工程的情况，形成了与之相适应的河道型网格与洼淀地面型网格既镶嵌又衔接的多点、多面可进行有条件连接的模型网格．根据不同的洪水情况，如在河道来水较少的情况下，可单独对河道进行行洪控制．而在遇到汛期较大洪水的情况下，由于河道蓄满，为保证下游河道和城市的安全，需要运用滞洪区分洪、滞洪的时候，可以把一、二维河道同二维滞洪区地面衔接起来，考虑铁路、公路、河流、堤防、水闸和各种防洪措施的使用，进行分洪和滞洪计算，形成河道型网格与地面型网格多点连接的河道滞洪区洪水演进数学模型．1.1 基本控制方程1）二维非恒定流基本方程连续方程动量方程式中：h为水深；z为水位，z = z0 + h，z0为底高程；q为源汇项，M、N分别为 x、y方向上的单宽流量，且M = hu，N = hv；u、v分别为 x、y方向上的平均流速；n为糙率；g为重力加速度．2）一维非恒定流基本方程连续方程动量方程式中：Q为截面流量；A为计算断面的过水面积；Sf为摩阻坡降．1.2 有限体积离散按照有限体积法网格布置方式，单元网格为控制体，在网格中心处计算水深h，在网格周边通道计算流量Q．应用水量平衡原理，控制体每一边的法向通量沿环路积分与控制体内的蓄水量平衡．周边通量由相邻控制体形心水位比降所形成的流量来确定（见图 1）．时间层面的计算采用单元、通道交错计算方式（见图2）．1．2．1 连续方程的离散1）地面型、河道型单元地面型单元指不过水单元，是对地面、道路、田野、山地的模化；河道型单元是对河流、一级河道的模化．地面型单元有从有水到无水的过程，而河道型单元始终有水．地面型单元和河道型单元均采用式（6），但地面型单元应考虑下渗流量，包含在式（6）中的 qi项中．式（1）沿环路积分后离散为式中： Hi为第i个网格的单元模化水深； Ai为第 i个网格的单元面积；Lik为 i号网格的第 k号通道的长度； Qik为i号网格的第k号通道的单宽流量；iq为第i 个网格的抽排水量；t为起算时刻；dt为时间增量．2）特殊通道单元特殊通道是指窄河道型通道，模型中将其模化为线性单元来处理．式中： Hd、 Ad分别为特殊单元的平均水深和面积；分别为沿线性单元的流量及线性单元侧通道与网格间交换的各流量之和；qd为特殊单元的源汇项；b为通道宽度；L为通道长度．1．2．2 动量方程的离散控制体周边通量计算依赖河道或滞洪区内各种地形条件，如铁路、公路、桥涵、潜堤、堤防、水闸等建筑物情况，对不同类型的通道模型应用不同的理论模式进行横化，如地面型通道、河道型通道、连续堤防、缺口堤防、各类闸门等．通道主要模化为4种情况.（1）浅水地面型通道，即通道两侧单元为陆地且水深小于 0.5 m，通道上没有堤防等阻水建筑物．考虑到滞洪区内的地形起伏不大，地面洪水演进主要受到重力和阻力的作用，忽略掉加速度项，利用差分方法离散得到地面型通道的动量离散方程式中和分别为通道两侧单元的水深；sign为符号函数，表示 Qt+dt的正负与(Z− Z)的正负相j 同；dLj为相邻单元形心到通道中心的距离之和．（2）深水地面型通道或宽河道型通道，即通道两侧单元为陆地且水深大于0.5 m，或通道两侧网格均为较宽的河道型网格，通道为过流断面．动量方程沿通道法线方向离散为式中：V和 V分别为通道两侧单元中心沿通道法线的投影速度；H j为通道上的平均水深．（3）窄河道型通道，对于滞洪区内宽度较小的河流，不便于将其划分成独立的单元网格，也不能忽略不计，为了方便计算，模型中将其模拟成具有深度和长宽尺寸的线性单元，以反映水流沿河而流以及河道与两侧陆地之间水量交换的现象．如果通道两侧有阻水建筑物，可以将其设为堤防．沿河道动量方程离散为特殊通道与两侧网格之间的流量计算，采用宽顶堰流公式[11]，即式中：m为流量系数；σs为淹没系数．（4）闸门型通道，行洪闸门通道的开启与关闭依赖于洪水调度条件，防潮闸的开启与关闭通过河道水位与海区潮位的差值来调节，闸门过流量由流量和闸上、闸下水位关系曲线确定．1.3 洪水期模型渗流量的计算由于滞洪区常年干枯，当洪水流入洪区，会有一部分洪量下渗损失，因此滞洪区的洪水演进应考虑洪水期渗流的影响．采用微元体的方法推导渗流量公式．在地表面与地下水位或不透水层之间，土壤孔隙是填充下渗水流的主要体积．在下渗表面积下取地表与地下水位或不透水层之间的体积为控制体推导下渗流量公式．控制体见图3．水流下渗是通过地表裂隙渗透到控制体中，在不考虑与周围孔隙在水平方向上的水量交换情况下，考虑垂向渗流体积变化与土壤饱和度之间的关系．根据土壤饱和度定义得到饱和度增量与孔隙中水体增量之间的关系为式中：S为地表至地下水位间的平均饱和度；VS为地表至地下水位间的含水体积；A为微体面积；m为地表裂隙率；εm为地下孔隙率；h为地下水深度；k20为渗透系数．将式（12）化简、积分并代入初始时刻土壤饱和度 S0，得由含水量定义和土壤颗粒密度的关系得式中：ω为地表至地下水位间的平均含水量；V为地表至地下水位间的控制体体积；VK为地表至地下水位间的孔隙体积；ρS为水的密度；ρd为土壤颗粒的干密度；ρT为土壤颗粒的天然密度．下渗流量为饱和度与含水量间的关系为将初始饱和度 S0替换为初始含水量ω0，则下渗流量为得到单位面积渗流流量公式孔隙率参考沙玉清《泥沙运动力学引论》[12]中最大、最小孔隙率公式计算得式中：εmax 为最大孔隙率；εmin 为最小孔隙率；d为土壤粒径．2.1 大清河计算域情况简介天津市南部大清河流域位于海河流域的中部，是海河流域防洪的重点地区，在历次较大洪水总量比重上，都占 30%～50%，是对天津市威胁最大的主要河系．总流域面积为4.513 1×104km2，山区1.88×104km2，丘陵0.265,5×104km2，平原区2.367×104km2．大清河滞洪区中的 5洼是指东淀、文安洼、贾口洼、团泊洼、北大港．5洼以中亭提为界，东以独流减河右堤为界，南以子牙河左堤为界，面积为7×103km2．2.2 网格的剖分河道型网格与地面型网格多点连接的河道滞洪区洪水演进数学模型网格剖分的最大特点是把河道和滞洪区进行独立剖分．其中，河道型一、二维网格是把河网按照河流的宽度概化处理，较宽的河道概化成二维河道单元，较窄的河道概化成一维河道线性单元，河道过流面积随水位升降而变化，形成了一、二维衔接的河道运算模式（见图4）．对于滞洪区内地面型二维模型网格剖分，首先采用正方形网格对计算域覆盖的最大矩形范围进行网格自动划分，依照各洼淀分洪前各自独立、行洪时根据调度条件相衔接的地形特点，用洼淀控制边界来切割正方形网格，生成与复杂地形较吻合的边界网格，并消除计算域外网格，自动整理单元、通道、节点信息．考虑铁路、公路、堤防等延伸较长的建筑物阻水和对水流形态的影响，用穿越模型计算区域的铁路、公路、堤防切割域内单元，并适当增减单元、通道和节点，自动修整计算信息．县城和具有高围堰的大面积村镇可以按堤防处理，小面积低高程村镇用修正单元高程和糙率的方法处理．最后将一、二维河道同二维洼淀放置在同一坐标系中，形成河道型网格与洼淀地面型网格既镶嵌又衔接的多点、多面可进行有条件连接的洪水演进计算模型网格（见图5）．2.3 边界条件1）入流边界条件（1）新盖房来水：代表大清河北支来水，最大流量 5 000 m3/s，多余部分向兰沟清分洪，包括中易水、北易水、南、北拒马河、小清河及永定河向小清河分洪的水量．（2）枣林庄泄水：是南支来水的一部分，包括潴龙河、唐河、府、漕、瀑萍和孝义河来水经白洋淀调蓄后下泄水量．（3）小关分洪：是南支来水经白洋淀调蓄后，枣林庄闸来不及下泄的那部分洪水．500年一遇最大分洪量达18 882 m3/s．（4）清南沥水：本地区降雨沥水（547 m3/s）．2）出流边界条件5洼洪水经行洪河道的出路有 2个：① 从西河闸入海河干流，通过海河闸入海；② 经独流减河进洪闸入独流减河，通过工农兵防潮闸入海．本次计算按现状和设计两种情况．（1）现状：按河道现状过流能力，其中独流减河2 000 m3/s，西河400 m3/s；（2）设计：尾闾泄量按治理后考虑，其中独流减河3 600 m3/s，西河400m3/s．3）一、二维衔接处边界条件一、二维衔接处物理量的传递关系为水位相等，即z = z1 = z2，流量连续，即2.4 糙率本模型在确定河道糙率时，考虑了各河道的特征和历史资料，得到模型范围内河道糙率值（见表1）．在新盖房分洪道和独流减河各河段上，采用主槽和边滩糙率的综合糙率[13]，即中：n为糙率；χ为湿周；无下标表示综合糙率，下标z表示主槽值，下标b表示边滩值．2.5 渗流参数的选取为配合洪水运动时期的模型渗流计算，在主要行洪区东淀采取土样进行实验室分析，以获得渗流参数的选取依据．2004年6月在东淀选取3个土样，取土位置分别为1号试样在台头附近、2号试样在左各庄附近、3号试样在东杨庄附近，实验室分析的渗透系数和含水量等主要结果见表2和表3．3.1 一维河网洪水演进模型的验证一维河道水流模型的验证主要采用1996年7月31日至 9月 11日大清河水情资料和洪水调度方案中近似边界条件验证河网模型．上游控制流量，下游控制水位，对台头、进洪闸、西河闸、二道闸4个地方进行计算验证．在验证过程中适当地调整了水力参数，并且把河道沿途的泵站模化加入到计算模型中，充分考虑泵站和不确定排水在河道洪水演进中的入汇作用．图 6和图 7分别是独流减河进洪闸的流量和水位的实测值与计算值比较图．4个验证点的最大流量的实测值与计算值见表4．3.2 二维滞洪区洪水演进模型的验证二维滞洪区洪水演进模型的验证主要通过对东淀来水过程进行数值模拟，进而对东淀来水时间进行验证．1996年8月份洪水主要自大清河北支新盖房分洪道流入东淀，于 8月 5日 17时开始下泄，洪水进入东淀后，推进速度相当缓慢，8月7日11时到达新镇，8月8日晨7时到达苏桥，8月12日20时到达廊大公路（胜芳），8月13日20时到达我市境内台头镇，8月17日6时到达第六堡．根据现有的 1996年 8月份洪水实测资料，从 8月5日17时开始推算，经过模型的调试计算，得到了东淀洪水来水时间与实测资料的比较结果（见表5）．图8～图12为模拟1996年8月份洪水过程的东淀内各点来水水深分布．为了尽快排除东淀内滞洪量，为恢复农业生产创造条件，8月 19日至 22日在我市境内先后破除 4个口门向大清河和西河泄水，最大出流量达到 350 m3/s．计算结果与实测值基本吻合．所建立的河道、滞洪区洪水演进数学模型可以较好地模拟复杂流域的洪水演进过程．考虑了窄、宽河道以及洼淀等不同情况的嵌套和衔接，构造了适合河道洪水计算的一、二维河道型网格和滞洪区二维地面型网格，具有多点、多面，既镶嵌又衔接的特点．考虑了渗流对洪水期模型水量损失的影响，计算渗流量，从而使得模型验证更为符合实际，具有一定的理论意义和较好的应用价值．［1］ Cunge J A. On the subject of flood propagation computation method（Muskingum method）［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1969，7：205-230.［2］ Akanbi A A，Katopodes N D. Model for flood propagation on initially dry land［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1988，114（7）：689-706.［3］ Caleffi V，Valiani A，Zanni A. Finite volume method for simulatingextreme flood events in natural channels［J］．Journal of Hydraulic Research，2003，41（2）：167-177.［4］刘树坤，李小佩，李士功，等. 小清河分洪区洪水演进的数值模拟［J］．水科学进展，1991，2（3）：188-192. Liu Shukun，Li Xiaopei，Li Shigong，et al. Numerical simulation of flood routing in the Xiaoqinghe flood plain ［J］．Advances in Water Science，1991，2（3）：188-192（in Chinese）. ［5］王船海，李光炽.行蓄洪区型流域洪水模拟［J］．成都科技大学学报，1995，83（2）：6-14. Wang Chuanhai，Li Guangzhi. Flood modeling for basin with regions of flood storage and relief［J］．Journal of Chengdu University of Science and Technology，1995，83（2）：6-14（in Chinese）.［6］周孝德，陈惠君，沈晋. 滞洪区二维洪水演进及洪灾风险分析［J］．西安理工大学学报，1996，12（3）：244-250. Zhou Xiaode，Chen Huijun，Shen Jin. 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Xie Zuotao，Zhang Xiaofeng，Tan Guangming，et al. Study and application of mathematical model for onedimensional flood-routing［J］．Engineering Journal of Wuhan University，2005，38（1）：69-72，99（in Chinese）. ［11］吴持恭.水力学［M］．北京：高等教育出版社，1982. Wu Chigong. Hydraulics［M］．Beijing：Higher Education Press，1982（in Chinese）. ［12］沙玉清.泥沙运动力学引论［M］．北京：中国工业出版社，1965. Sha Yuqing. Sediment Mechanical Dynamics［M］． Beijing：China Industry Press，1965（in Chinese）.［13］武汉水利电力学院河流泥沙工程学教研室．河流泥沙工程学［M］．北京：中国水利水电出版社，1980. River Sediment Engineering Staff of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering. River Sediment Engineering［M］．Beijing：China Water Conservancy and Hydropower Press，1980（in Chinese）.。

基于InfoWorks_ICM_模型的地铁站点洪涝模拟与分析

文章编号:1006 2610(2023)03 0001 06基于InfoWorks ICM 模型的地铁站点洪涝模拟与分析武慧生(太原市市政工程设计研究院,太原　030002)摘　要:以太原地铁1号线一期工程为例,构建了基于InfoWorks ICM 的地铁站点排水模型,并通过实测暴雨数据进行率定验证,保证了模型计算和结果分析的可靠性㊂结果表明:在设防标准降雨情景下,通过该模型可模拟得出太原地铁1号线各站点可能的淹没水深㊁淹没范围,全面地反应了各地铁站点防洪防涝能力,为地铁站点后续的建设和运营提供科学的技术支撑㊂关键词:InfoWorks ICM;地铁站点;排水模型;防洪防涝中图分类号:TV122;P333.2 文献标志码:A DOI :10.3969/j.issn.1006-2610.2023.03.001Simulation and Analysis of Flooding in Subway Stations based on InfoWorks ICM ModelWU Huisheng(Taiyuan Municipal Engineering Design and Research Institute ,Taiyuan　030002,China )Abstract :In this paper ,the drainage model of subway stations was constructed based on InfoWorks ICM using the phase I project of Taiyuan Metro Line 1as an example.The model was calibrated and validated using measured rainfall data to ensure the reliability of cal⁃culation and result analysis.The results show that under the standard rainfall scenario ,the model can simulate the possible submerged water depth and inundation range of each station of Taiyuan Metro Line 1,which comprehensively reflects the flood prevention and water⁃logging capacity of each subway station ,and provides scientific and technical support for the subsequent construction and operation of the subway station.Key words :InfoWorks ICM ;subway station ;drainage model ;flood and waterlogging control 收稿日期:2023-04-09 作者简介:武慧生(1991-),男,山西省晋中市人,工程师,主要从事城市防洪和河道生态治理方面的设计和研究工作.0　前　言随着中国地下轨道工程的迅速发展,其安全问题越来越受人重视㊂近些年,国内极端天气频发,暴雨强度呈现增大的趋势,并由此导致各种气象灾害㊂全国许多城市都曾发生过由暴雨导致的基坑塌陷㊁地铁站进水等事故㊂2016年7月24日,西安部分地区下起暴雨,西安地铁1㊁2号线部分车站的个别出入口临时关闭,小寨车站临时关闭,列车在该站采取越站通过[1]㊂2020年5月22日,广州局部地区出现特大暴雨,广州地铁官湖㊁新沙地铁站大量进水,13号线地铁线被迫停运排水㊂2021年7月20日,郑州特大暴雨造成郑州地铁5号线亡人事件”[2]㊂鉴于近些年我国常发生极端暴雨及地铁受淹的情况,本文构建基于Infoworks ICM 的地铁站点防洪排涝模型,对太原地铁1号线一期工程的各个站点进行了模拟分析,分析存在较大隐患的站点,提出相应的解决方案和建议,为地铁站建设和运维过程中的防洪排涝工作提供技术支撑㊂1　基于Infoworks ICM 的地铁站点的雨洪模型构建 Infoworks ICM 是一款能完整模拟城市雨水循环系统,实现城市排水管网模型与河道模型耦合的软件[3],包含降雨径流模拟㊁管网水流模拟㊁河道水力模拟㊁城市淹没模拟等功能[4]㊂1.1　太原地铁1号线概况按照‘2015 2023年太原市城市轨道交通建设规划调整“,太原市轨道交通线网规划共8条线路,总里程266.3km;近期规划建设1㊁2㊁3号线,总里程93.35km㊂太原市地铁近期规划建设线路如图1所示㊂图1　太原市地铁近期规划建设线路太原地铁1号线是太原市开工建设的第2条线路,起点西山矿务局站,终点武宿机场站,途经万柏林区㊁迎泽区㊁小店区3个行政区,是衔接太原站㊁太原南站及太原武宿国际机场的骨干线路㊂全线长28.74km,共设置车站24座,全部为地下站㊂1.2　研究方法本次研究从太原地铁1号线一期工程各站点的地势㊁水文地质㊁雨水管网㊁河湖建设等影响因素出发,采用数学模型法,充分考虑各种影响地铁站点防洪排涝的因素,模拟并确定出各站点淹没水深及持续时间㊂指出风险等级较高,需采取处理措施的重要站点,提出针对这些高风险站点的工程与非工程对策措施㊂1.3　模型建立依据排水㊁防涝㊁防洪现状及规划,本研究将1号线的25座站点划分为9处排水子分区,在此基础上建立5处区域模型,进行排水管网与地表河道耦合模拟,评估区域的防洪排涝能力,识别风险点㊂收集1号线范围内的现状管网㊁河道㊁调蓄池及泵站等排水设施的情况,采用一维和二维模拟引擎的结合,从1∶500地形图导入区域高程数据,如图2所示,然后利用AutoCAD ㊁GIS 及其他地理数据导入区域中的各类构筑物,在此基础上采用泰森多边形结合局部调整的方式自动生成三角计算网格,而不同集水区根据土地现状及规划选取合适的综合产汇流参数,通过多次检验㊁修改,完善水力模型㊂各站点具体流域划分及参数见表1,模型(部分)如图3所示㊂图2　玉门河㊁虎峪河系统地形及管网数据图3　玉门河㊁虎峪河系统模型1.4　模型率定与验证为使模型更为真实地描述现实排水规律,本次研究采用实际的历史暴雨情况对所建立的模型进行校核,不断优化模型参数,保证模拟结果真实可靠㊂2016年7月19日,太原市遭遇暴雨袭击,降雨峰值达24.2mm /h,12h 累计降雨量105mm,24h累计降雨量131.8mm,属于大暴雨㊂距离本项目较近的柳巷北路(中校尉营~开化寺街)段最大积水深度超过60cm㊂经测试,影响本区域积水深度的敏感参数为管道当量粗糙度及淤积程度㊂故率定调整规则为:采用当量粗糙度分别为1.5mm(混凝土管材典型值)㊁3mm(粗糙混凝土及光滑砖砌)㊁15mm(脏的排水管道典型值)3种参数分别进行模拟,选取柳巷北路(中校尉营~开化寺街)段沿线4个点,测算其淹没水深及持续时间,依据太原市内涝积水点和走访调查结果,当量粗糙度3mm 更接近真实结果,模型选取管道当量粗糙度3mm 进行模拟及应用㊂2　洪涝模拟及风险分析2.1　设防标准依据‘太原市排水防涝设施建设规划“,太原市内涝防治重现期为50年一遇㊂依据‘太原市城市防洪专项规划“,太原市核心区防洪标准100年一遇㊂本次太原地铁1号线一期工程各站点及区间出露风井的防涝标准为100年一遇(P =1%),计算区域的城市内河上下游防洪标准按照100年一遇同步标准㊂表1　太原地铁1号线一期工程各站点范围及流域划分序号地铁站名排水区域建模区域建模面积/ha管网全长/km划分区域/个径流系数汇流系数其他12西山矿务局站西铭路站玉门河自排系统3456客运西站金阳路站小井峪站下元站虎峪河自排系统7迎泽桥西站滨秀园泵排系统玉门河㊁虎峪河区域253212633650.8830.02玉门河11.17km ;虎峪河8.61km;泵站2座89101112桃园路站大南门站柳巷南口站五一广场站建设北路南站康乐街泵排系统康乐街泵排区域6735614810.9020.02泵站2座;调蓄池1座1314太原站东广场站迎泽东大街站5㊁6号调蓄池系统1516朝阳街站南内环街站南沙河自排系统南沙河区域153********.8910.02南沙河3.01km;泵站1座;调蓄池2座17东太堡站窑厂㊁狄村系统18192021长风东街站学府街站省农科站太原南站马庄沟㊁许坦渠系统马庄沟㊁狄村渠㊁许坦渠区域1004.56710590.8990.02缓洪池1座;泵站1座222324中心街东站龙城大街东站武宿机场站北张渠㊁1号渠排洪系统北张渠㊁1号渠区域2485.510015930.9100.021号渠4.4km;缓洪池2座2.2　降雨模拟地铁工程防洪防涝分析重点是防治内涝及涉河防洪问题㊂防洪是防外水,防涝是治内水㊂洪涝同源,都产生于流域暴雨㊂暴雨雨型对洪涝模拟影响显著[5-6]㊂目前,我国在市政排水短历时与水利防洪长历时的设计雨型以及排水防涝标准和防洪标准方面尚无明确的统一标准㊂基于此情况,本文采用排水短历时(3h)和防洪长历时(24h)两种设计降雨雨型分别模拟强降雨和连续性降雨情况各站点的内涝情况㊂2.2.1　短历时降雨短历时降雨采用太原市市政工程设计研究院与山西省气象科学研究所共同推导发布的暴雨强度公式,即:q =1808.276(1+1.173Ig P )(t +11.994)0.826(1)式中:q 为暴雨强度,L /s㊃ha;P 为设计重现期,a;t 为降雨历时,min㊂本文取降雨历时为180min,降雨步长为5min,重现期为100年一遇,设计雨型如图4㊂图4　短历时设计雨型2.2.2　长历时降雨长历时降雨采用山西省水利厅编制的‘山西省水文计算手册“[7]推荐方法,选择流域模型法按地区综合概化的典型雨型作为长历时降雨雨型㊂本文长历时降雨计算设计历时为24h,降雨步长30min,降雨过程见图5㊂图5　长历时设计雨型地铁1号线涉及玉门河㊁虎峪河㊁南沙河等流域,故在本模型中,区域内的河道同步引入100年一遇时的入流事件,即相关河道各边界断面处100年一遇的洪水过程,洪水过程如图6所示㊂2.2.3　雨型对比短历时雨型,设计降雨历时180min,设计总降雨量为84.79mm/3h,雨峰发生在65min,峰值瞬时(平均5min)雨强为204.367mm㊂图6　洪水过程长历时雨型,设计降雨历时1440min,最大设计总降雨量为166.4mm/24h㊁103.5mm/3h,最大峰值瞬时(30min平均)雨强为110.3mm㊂短历时雨型峰值大,可以用于测算积水点最大积水深度,长历时雨型峰值小但持续时间长,总雨量大,对于调蓄池以及区域排水系统的排水能力有更大的考验㊂2.3　结果分析2.3.1　暴雨模拟结果运用上述模型进行暴雨模拟,得到地铁1号线各站点设计暴雨条件下淹没水深㊁淹没范围及淹没时长等数据㊂图7为各站点最大淹没水深成果统计,图8为(部分)站点洪涝风险图㊂图7　地铁1号线各站点淹没水深统计图8　迎泽桥西站洪涝风险2.3.2　结果分析由图7可看出,在设防标准下西山矿务局站㊁小井峪站㊁下元站㊁迎泽桥西站㊁柳巷南口站㊁朝阳街站㊁东太堡站㊁太原南站㊁中心街东站和龙城大街东站共10座站点最大设计涝水水位高于站点设计标高㊂其中西山矿务局站㊁小井峪站㊁下元站㊁迎泽桥西站㊁东太堡站㊁学府街站及太原南站风险等级较高,达到黄色㊁橙色风险等级,影响城市交通㊂由图8可看出地铁站点周边地面的淹没范围,其中部分风亭的通风孔㊁安全出入口也受到积水影响,该部分在设计时也应与地铁站设防级别相同,保证有充足的安全超高[8]㊂积水成因归纳起来主要有以下3个方面:(1)排水系统的不完善,市政排水设施未严格按照规划实施㊂在建模时该部分依据现场实际情况未完整构建雨水管网模型,导致模拟时该部分地表积水严重,代表站点为中心街东站和龙城大街东站㊂(2)地势低洼,积水点所处区域往往也是整个区域的凹地㊂相关出入口及风亭的设计高程较现状周边高程较低,造成积水,见图9,代表站点为西山矿务局站㊁小井峪站㊁东太堡站和学府街站㊂图9　东太堡站洪涝风险(3)太原两侧东㊁西山道路纵坡较大,具体地形如图10所示㊂由图10可知,大雨时雨水口收水不及,雨水径流沿路冲击而下,造成下游站点冲刷和积水,代表站点为下元站㊁迎泽桥西站和柳巷南口站等㊂图10　建设北路~滨河东路道路竖向2.4　措　施2.4.1　工程措施工程措施分为施工期与运行期两部分㊂在施工期地铁站点面对的主要洪涝问题是基坑积水㊂结合模拟结果,本文对地铁站点在施工期的洪涝安全提出如下措施:(1)保证施工期工地抽排能力满足需求;(2)对于外部区域的积水,应根据站点设防等级采取相应的隔绝阻断措施,如沙袋围堰㊁防冲墙等;(3)出入口应设置于地势较高的区域,并避免正对外部区域地表径流来水方向㊂合理设置截洪沟和集水池㊂在运行期地铁站点是一个相对独立的空间,外围来水只能通过出入口和排风井等流入站点内部㊂本文对地铁站点在运行期的洪涝安全提出如下措施:(1)站点各出入口㊁风亭等应结合模拟结果进行设置,必要时进行局部抬高;(2)地铁站点在运行期应考虑周边排水系统的改造情况,合理调整排水泵规模及运行方式;(3)考虑到太原市的地势及流域特点[9],建议从传统被动的水力学防洪理念(如加强防淹门设计,提高防洪标准等)转向到生态主动的水文学防洪理念[10-11](如海绵城市及雨水利用)㊂2.4.2　非工程措施工程措施是基础,非工程措施是保证,两者相互依托㊁补充[12]㊂合理的非工程措施可以充分调配各种相关因素共同发挥作用,平衡安全性和经济性之间的影响㊂本文提出以下建议:(1)成立常设专门机构地铁防汛总指挥部,完善预防体制;(2)加强日常巡检,尤其是汛期前要增加防汛物资㊁设备等的巡视检查次数,确保排水泵站及相关设备运转正常㊂结合模拟的易涝区域及重点区域设置在线监测装置㊂2.4.3　应急措施针对超标雨洪水,应建立防涝应急预案,做到一站一点一方案”,多部门统一协调㊁联动应急㊂3　结　语本文针对太原地铁1号线一期工程各站点面对的防洪防涝问题进行了仔细的调研和分析,然后基于InfoWorks ICM 构建了各地铁站点的排水模型,计算得出了在设防标准暴雨情况下路面的积水范围和深度,对各站点的洪涝风险进行了评定,最后对出现的问题提出了对策建议㊂这些成果对太原地铁1号线一期工程各站点的设计和施工提供了科学的技术支撑,对城市地铁防洪防涝的研究领域起到一定的借鉴作用㊂参考文献:[1]　程龙,王盼,詹存.小寨区域海绵城市数值模拟研究[J].西北水电,2018(03):79-84.[2]　党挺.关于预防地铁洪涝问题的研究[J].大众标准化,2023(06):111-113.[3]　莫世川,谢坤,陈华,等.城市厂网河一体化模拟与调度研究进展[J].中国农村水利水电,2022(10):42-46,50.[4]　黄国如,王欣,黄维.基于InfoWorks ICM 模型的城市暴雨内涝模拟[J].水电能源科学,2017,35(02):66-70,60.[5]　侯精明,郭凯华,王志力,等.设计暴雨雨型对城市内涝影响数值模拟[J].水科学进展,2017,28(06):820-828.[6]　韩浩,侯精明,金钊.新型流域雨洪过程模拟方法研究[J].西北水电,2022(05):41-46.[7]　山西省水利厅.山西省水文计算手册[M].郑州:黄河水利出版社,2011.[8]　吕翠美,杜发兴,董晓华.地铁站点防洪排涝风险评价研究[J].地下空间与工程学报,2013,9(01):190-196.[9]　武慧生,张海.基于海绵城市理念的城市生态防洪体系探究[J].山西水利科技,2020(04):1-6,13.[10]　王军辉,周宏磊,韩煊,王法.北京市地下空间运营期主要水灾水害问题分析[J].地下空间与工程学报,2010,6(02):224-229.[11]　周思敏,侯精明,高徐军,等.老城区海绵改造降雨致涝及污染物输移过程数值模拟以西安市小寨老城区为例[J].西北水电,2021(03):11-17.[12]　安晓晓.浅析轨道交通工程防淹设计准则[J].武汉大学学报(工学版),2020,53(S1):369-372.　欢迎订阅欢迎投稿欢迎刊登广告　。

B-2---ICM中的河道建模

⑨ 河道模型计算不过去，运行失败！--why？
……
07/04/2020
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07/04/2020
ICM中的河道模型（基本概念）
河道模拟中的建议和技巧
实际练习水力模型的基本原理和理论
培训纲要
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ICM中的河道模拟
基本概念
河道中心线（CAD）河道断面（txt）
方法
沟渠断面(ICM) 河道断面(ICM)
ICM 转换
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沟渠和河道
Channels沟渠
• 相当于CS中的河道 • 柱状连接Prismatic
links • 节点类型 = manholes • 断面数据 + 底高程 • 断面数据 (偏移X, 深度) • 无法线性溢流
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练习2）--- 横断面线导入技巧
利用沟渠导入断面数据(X,Z) X,Z 转换为X,Y,Z
简单的河道建立
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练习3）---
1-管道连接河道 2-箱涵&河道
练习4）---
1-交叉口处理方法1 2-交叉口处理方法2
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Channel to River Reach
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DEMO (先以两个断面为例）
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河道平面二维水沙数学模型的有限元方法

河道平面二维水沙数学模型的有限元方法摘要采用有限元方法建立起一套河道平面二维水流泥沙数学模型。

在前人研究的基础上，采用了质量集中的处理方法，提出了压缩存储的方法，从而大大减少了计算存储量。

针对有限元法时间步长需取得较短问题，采用了“预报-校正-迭代”的算法，提出了“非恒定-恒定-非恒定流”的算法，既能解决工程实际问题，又大大减少了计算量。

作者以下荆江监利河段为例进行泥沙冲淤计算，计算结果与实测值符合较好，从而证明了模型的可靠性。

关键词水流泥沙有限元模型验证三峡工程建成后，水库将拦蓄大量泥沙，下泄水流含沙量减小，对三峡工程坝下游河道将产生以冲刷为主的影响，包括对荆江河段的河势及荆江大堤带来影响。

为研究坝下游重点河段的河床冲淤分布、河势变化、近岸流速变化等问题，一维模型显得无能为力，但可采用平面二维模型来解决。

有限元方法可采用无结构化网格，能很好地模拟不规则的几何形状，因此很适合于对天然河道的模拟。

然而，正如其它方法一样，有限元法也有它的缺点，主要是计算存储量和运算量较大。

为扬长避短，使有限元方法能运用到对天然河道的模拟上来，本模型运用质量集中［4］的方法将系数矩阵转化为三对角矩阵，并提出了紧凑的分块压缩存储方法，从而大大减少了计算存储量，使得计算能在一般微机上进行。

采用质量集中方法的不足之处是时间步长需取得较短，且在河道模拟中尤为突出(因河道比较窄长，网格需划分很细，而该法的稳定性要求时间步长与网格尺度成正比)。

针对该问题，笔者采用了“预报-校正-迭代［5］”的算法，该法可加大时间步长，同时有效避免了数值震荡。

针对长系列水沙条件下计算量较大问题，作者又提出了“非恒定-恒定-非恒定流”的算法，该算法既能解决工程实际问题，又大大减少了计算量，使有限元方法能够很好地运用于河道水流泥沙问题的实际计算。

1 基本方程平面二维水流方程(1) (2) 悬移质泥沙扩散方程(4)推移质不平衡输移方程［6］河床变形方程由悬移质引起的河床变形方程为![endif] 由推移质引起的河床变形方程为以上各式中U，V分别为垂线平均流速在x,y方向上的分量；Zs、Zb和H分别为水位、河底高程和水深；g为重力加速度；vt为水流紊动粘性系数；ρ为水的密度；τx、τy、舄瓂分别为底部切应力在x和y方(τx、τy)=，向上的分量：C为谢才系数，常用曼宁公式计算：C=H1/6/n；S和S*分别为垂线平均含沙量和挟沙力；N和N*分别为推移质输沙量和推移质输沙能力折算成全水深的泥沙浓度；εs 为泥沙紊动扩散系数；ω为泥沙沉速；γ′为床沙干容重；α为悬移质泥沙恢复饱和系数，淤积时取，冲刷时取；β为推移质泥沙恢复饱和系数，取。