城市暴雨内涝形成机理及洪涝灾害防控技术研究

三、城市暴雨内涝数值模拟
数值模拟方法
（1）水文学方法：根据水量平衡原理，具有一 定的物理意义，结构简单，效率高，无法给出特 定位置水力特征要素。
• 蓄满产流 • 超渗产流 • 径流系数法
汇流
• 等流时线法 • 单位线法 • 水库法
• 仅能提供计 算单元出口 流量过程
产流
输出
（2）水动力学方法：具有明确的物理意义，求解浅水 方程，精度高；计算效率较低，基础资料要求高。
第八届水科学发展论坛 城市暴雨内涝形成机理及 洪涝灾害防控技术研究 华南理工大学黄国如
郑州大学. 2014.4. 19
一、研究背景
城市化水平提高及其水文效应
2020 55.0%
1978 17.9% 1950 11.2%
1990 30.4%
2011 51.3%
中国城市化率历年变化图[1]
[1]中国社科院, 国际城市发展报告, 2012 [2]联合国城市研究机构, 2005年世界各国城市化率排名, 2005
20070718次雨洪19：00排水节点淹没图
20070718次雨洪19：00排水通道流速图
预警结果模块用来提供各种降雨情况下，指定预警点处的淹没情 况。结果以表格的形式显示，表格内容包括预警点名称、经纬度、
所在区域、所属类型及最大淹没深度。
雨洪分析模块
可以动态地显 示道路上各个 节点的水深、 流速、流量变 化过程，统计 受淹节点，确 定易淹范围，
2.5mm)、台风和风暴 潮机率及强度增大。
海口市2011年国庆
广州市2010年6.7暴雨
北京市2012年7.21暴雨
济南市2007年7.18暴雨
二、城市暴雨内涝形成机理
大尺度气候变化 （区域暴雨发生对大尺度水汽循环的响应） 长序列暴雨数据 城市DEM数据 内涝发生地点 地下管网分布与排水能力
数理统计与 时间序列分析
暴雨发生特征与规律 GIS空间分析技术 暴雨发生空间规律 暴雨概率特征
内涝发生基本规律
暴雨与内涝 发生空间相关
内涝发生条件概率
内涝成因与发生机理
城市化对汛期降雨特征的影响分析
900 750 600 450 300 150 0 1977
降雨量/mm
济南城区多年汛期降雨量
1982
1987
1992 年份
1997
2002
2007
550 540.4 528.9
降雨量/mm
500
济南城区三个阶段的汛期降雨量
460.9
450 1977-1985 1986-1995 年份 1996-2007
城市化对汛期降雨量的影响
15000
12000
城区降雨量(mm)
9000
6000
3000
0 0 3000 6000 9000 12000 15000 郊区降雨量(mm)
城市雨洪管理模型SWMM
基于水动力学方法的城市雨洪模型
四、暴雨内涝预警预报系统开发
（1）济南市城市暴雨洪水预警预报系统
济南市子流域划分结果
子流域不透水率分级处理结果
子流域平均坡度分级处理结果
排水系统信息提取及概化： 1、确定排水节点空间位置及底部高程； 2、提取排水管网、沟渠、河道以及路网的空间分布特征、长度、 流向（坡度）、断面形状等属性数据。
பைடு நூலகம்
全球气候变化加剧强降水、洪涝极端事 件的发生，直接威胁到我国的防洪安全
全球气温继续增暖，
近60年，我国地表平均
升温幅度超过1℃。 强降水频次强度增加 ，暴雨日数增加10%。 洪涝频率和强度增加 ，尤以南方突出
我国暴雨强度增加 极端降水日数增加 IPCC第四次和第五次报告
海平面上升（每年
350 300 250
济南市年最大1日降雨量变化趋势
降雨量
200 150 100 50 0 1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 年份
200 180 160 140
1984
1988
1992
1996
2000
2004
流量(m3 /s)
120 100 80 60 40 20 0 1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 年份 1988 1992 1996 2000 2004
1
2
5
3 4 7
6 8 9
将民治片区划分为
2214 个 子 汇 水 区 ， 由 ArcGIS 计算几何工具 计算各子汇水区面积，
总面积：25.33km2; 最大面积：1.65km2；
（南部山林）
最小面积：0. 05ha； 城区平均面积：0. 68ha
遥感影像设别土地利用类型
• 不透水率：
济南市年最大洪峰流量变化趋势
城市化对洪水的影响
最大2小时 降雨量 19870826 20070718 170.0 147.5 最大4小时 降雨量 205.0 168.5 最大4小时降雨 量前期降雨量 118.1 0 洪峰 流量 123 205 涨洪 历时 10.7 5.5 落洪 历时 179.1 132
从场次暴雨的降雨总量来看，1987年和2007年两场次暴雨相差无几， 后者比前者大4.4mm；但从最大2小时和最大4小时降雨量来看，后
者皆小于前者；从最大4小时之前的降雨量，后者也比前者少很多。
但2007年的暴雨洪峰流量远远地大于1987年的暴雨，涨洪历时也短 很多，反映出城市化后洪水洪峰流量增大的趋势非常明显，峰现时 间提前的趋势也十分显著。
产流
水文 学方 法
汇流
• 地表：一、二 维浅水方程 • 地下：动力波、 运动波等
• 流速 输出 • 水位 • 流量
（3）水文水动力学方法：地面产汇流采用水文学方法，地下
管网采用水动力学方法；效率高于但精度不及水动力学方法
产流
汇流
输出
• 水文学方法
• 地上：水文学 方法 • 地下：水动力 学方法
• 地上：仅各单 元出口流量过 程 • 地下：各计算 单元流速，水 深等
监督分类训练样本
模型参数优化
使结果表达更
为直观。
（2）深圳市民治河流域城市内涝整治技术
民治街道位于深圳市龙华新区东南部，民治街道辖区总面积 26km2 ， 其中建成区面积 13.56km2，地势东南高，中部及北部较低。民治街道 所在地过去是典型的农村地区，有大量的农田、鱼塘，城市化过程中 地表大面积硬化，水面率减小，导致片区径流量增大，汇流时间缩短 。因排水管网等基础设施建设落后于城市化步伐，该区域经常发生洪 涝灾害，造成严重的生命财产损失。