武汉城市强降水内涝仿真模拟系统研制

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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。

室内人工模拟降雨控制系统(降雨积水模拟实验系统)

降雨积水模拟实验系统(室内人工降雨模拟系统)设计方案概述: 包括北京在内的一些大城市几乎是逢雨必涝，深层次的原因是什么？到底要几年一遇的降雨才能不内涝？气象部门之前已有预报，排水、公交、地铁、道路等部门也都启动了防汛应急预案，排水的车辆设备早早就在莲花桥等重点路段待命抢险。

在大雨中，公安、交通、排水等部门的可以说是全员上岗，坚守岗位，公安民警以身体站在积水里，以身体为标杆指引车辆，工作不能说不尽力，但为什么还会出现这么多的积水点段？根本原因，一方面是目前城市中的排水设施标准普遍偏低。

据了解，目前北京仅有天安门广场和奥林匹克公共区的排水管线达到5年一遇，即满足每小时56毫米的降雨量；中心城区普遍为1年一遇，个别区域按照3年一遇的标准建设。

另一方面是城市的空间扩张、硬覆盖加剧、人口膨胀等通病加剧了突发天气灾害的可能性。

综述:北京知控高科技术有限公司的降雨积水模拟实验系统(室内人工降雨模拟系统)有三大部分组成，分别为人工降雨管路、人工降雨自控系统，实验平台三大部分组成，建成后不但能完成模拟不同参数的降雨、不同地表覆盖、不同地下管网分布等条件下降雨积水模拟的实验，也可做渗透、土壤水分运移、植物生态、土木工程等领域相关科研实验工作一.降雨积水模拟实验系统(室内人工降雨模拟系统)技术指标如下：1）、有效降雨面积：4×9m（36）平米2）、降雨高度：2.1m（降雨喷嘴至实验平台高度）3）、雨强连续变化范围：20-150mm/h4）、降雨均匀度系数：大于0.865）、雨滴大小调控范围：1.7～2.8mm6）、降雨调节精度：7mm/h7）、柜式控制台，液晶显示数据及雨强值和雨强曲线，可以实现手动、自动等控制模式。

二.系统组成: 控制台面板, 控制台面板, 降雨阀控制箱, 泵房, 实验槽泵房内设备组成：1、上水阀，上水有两部分组成，手动开关及电磁阀。

2、水箱，水箱由箱体、人孔、进水口、溢流口、出水口、排水口等部分组成。

城市内涝洪水数值模拟及三维场景构建研究

城市内涝洪水数值模拟及三维场景构建研究目录一、内容综述 (2)1.1 研究背景 (2)1.2 研究目的与意义 (3)1.3 研究内容与方法 (4)二、理论基础与文献综述 (5)2.1 城市内涝洪水形成机理 (8)2.2 数值模拟技术及其应用 (9)2.3 三维场景构建技术及其在防洪中的应用 (10)2.4 国内外研究现状及发展趋势 (11)三、城市内涝洪水数值模拟 (12)3.1 模拟方法选择 (13)3.2 模拟算子与离散化方法 (14)3.3 模拟过程与参数设置 (16)3.4 模拟结果分析与验证 (17)四、城市内涝洪水三维场景构建 (18)4.1 三维场景建模方法 (20)4.2 地形地貌建模 (20)4.3 水文气象要素建模 (22)4.4 模拟场景生成与可视化 (23)五、城市内涝洪水风险评估与管理 (24)5.1 风险评估指标体系构建 (25)5.2 风险评估模型建立与求解 (26)5.3 防洪措施与应急预案制定 (27)六、案例分析 (28)6.1 实际城市案例选择 (29)6.2 模拟结果分析与对比 (30)6.3 防洪措施实施效果评估 (32)七、结论与展望 (33)7.1 主要研究成果总结 (34)7.2 存在问题与改进方向 (35)7.3 未来研究与发展趋势 (36)一、内容综述随着城市化进程的加快，城市内涝问题日益严重，对城市基础设施和人民生活造成了极大的影响。

为了更好地了解城市内涝洪水的特点及其对城市的影响，本文对城市内涝洪水数值模拟及三维场景构建进行了研究。

本文对城市内涝的概念进行了界定，分析了城市内涝的形成机制和发展过程。

本文介绍了城市内涝洪水数值模拟的方法和技术，包括水文模型、降水模型、径流模型等，并结合实际案例对这些方法和技术进行了详细的阐述。

本文探讨了基于三维场景构建的城市内涝洪水仿真系统的设计和实现，包括数据采集、模型建立、可视化展示等方面的内容。

通过对城市内涝洪水数值模拟及三维场景构建的研究，本文旨在为城市规划和管理提供科学依据，以期减轻城市内涝带来的负面影响，提高城市的可持续发展能力。

城市内涝实验设计方案

城市内涝实验设计方案城市内涝是指城市在强降雨等极端天气条件下，由于雨水不能迅速排除而导致的城市积水现象。

为了研究城市内涝问题，设计了以下实验方案。

实验目的：探究城市内涝形成的原因、城市排水系统的存在问题、以及改进城市排水系统的方法。

实验材料与设备：1. 模拟城市区域：在室内建立一个小型的模拟城市区域，包括街道、房屋等模型。

2. 雨水模拟设备：使用可调控的喷水装置模拟不同降雨强度和持续时间。

3. 水位测量仪：用于测量积水区域的水位高度。

4. 监控设备：用于记录积水区域的变化和排水系统的运行情况，如摄像机、水位传感器等。

实验步骤：1. 搭建模拟城市区域：在实验室内搭建一片小型的城市区域，包括街道、房屋、人行道等，并按比例模拟城市排水系统。

2. 设定实验条件：调整雨水模拟设备，设定不同降雨强度和持续时间的模拟雨水。

3. 开始实验：打开雨水模拟设备，开始模拟降雨，并记录每个时间段内的积水情况和水位高度。

4. 观察排水系统运行状况：利用监控设备对排水系统进行实时监测，并记录排水系统的运行情况和存在的问题。

5. 数据处理与分析：根据实验数据，分析城市内涝的形成原因，排水系统存在的问题，并提出改进措施。

6. 改进措施：根据分析结果，提出改进城市排水系统的措施，如增加排水设施、加强排水管道的维护等。

7. 验证改进效果：在搭建好的城市模型上进行改进措施的验证实验，并记录改进效果。

安全注意事项：1. 操作时应注意水源和电源的安全，避免电气设备与水源接触。

2. 在模拟降雨过程中，要注意控制水位，避免积水过深导致溢出和损坏设备。

3. 实验过程中要注意观察排水系统是否正常工作，及时发现问题并采取措施。

预期结果：通过模拟实验，可以探究城市内涝形成的原因，了解城市排水系统存在的问题，并提出相应的改进措施。

通过验证改进效果，可以为城市内涝防治提供科学依据。

限制和改进：1. 由于是小型模拟实验，与真实城市情况可能存在一定差距，需结合实际情况进行综合分析。

最全的城市洪涝、河道、水质模型模拟软件介绍

最全的城市洪涝、河道、水质模型模拟软件介绍一、相关模型简介清单序号名称模型介绍公司1 MIKEURBAN城市排水与防洪、分流制管网的入流或渗流、合流制管网的溢流、受水影响、在线模型、管流监控等方面的城市排水模拟系统DHI丹华水利2MIKEFLOOD从河流洪水到平原洪泛，从城市雨洪到污水管流，从海洋风暴潮到堤坝决口，能够模拟所有实际的洪水问题DHI丹华水利3 InfoWorksICM实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合华霖富4 SWMM 是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。

EPA美国环境保护署5 XPSWMM 雨水、污水和河流系统动态模拟宜水环境6 XP2D 集成的一维和二维动态水力模拟，更为精确地分析洪水淹没模型宜水环境7 MIKEHYDRORiver涉及洪水、航运、水质、预报、泥沙，含有漫堤分析和流域水文学河流模拟软件DHI丹华水利8 ECOLab 水质和水生态模拟DHI丹华水利9 MIKE21 模拟河口、海岸或海洋区域的物理、化学或生物学过程DHI丹华水利10 InfoWorksRS用于水资源优化调度，防洪管理、规划，实时调度和决策分析，水污染防治与评价，河网整治，冲淤分析的模拟华霖富11 WARMF 以水环境为中心的流域管理决策支持系统,用于水质管理、总量负荷计算、分配及其成本／效益分析.美国EPRI12 QUAL2E 应用于河流水环境规划、水质评价、水质预测等方面的综合性、多样化的河流水质模型美国环境保护局（USEPA）13 MIKESHE 模拟陆相水循环中所有主要的水文过程，综合考虑了地下水、地表水、补给以及蒸散发等水量交换过程。

涉及湿地管理修复，环境影响评价。

DHI丹华水利14 BioWin 模拟污水处理厂的所有处理单元，即全污水处理厂的模型华霖富15 WASP 是为分析池塘、湖泊、水库、河流、河口和沿海水域等一系列水质问题而设计的动态多箱模型美国国家环保局16 QUASAR 在河流水环境规划、治理的一维动态水质模型英国Whitehead17 EFDC 能用于模拟点源和面源的污染、有机物迁移及归趋的模型美国弗吉尼亚州海洋研究所(VIMS)二、城市内涝模型1)MIKE URBAN城市排水模拟软件MIKE URBAN 城市排水软件是顶级的排水管网模拟软件。

武汉市城市积涝预警系统及其仿真模拟效果

年５月２ — ２日的降水过程曾给武汉市造成大面积７８
积涝灾害。因此，立武汉市城市积涝预警系统、建实现
武汉市积涝动态监测和预报迫在眉睫。为了掌握武汉
市积涝变化特征和规律、轻城市洪涝灾害．汉中减武心气象台在湖北省科技厅 “ 城市防灾减灾应急气象服务系统开发研究 ” 目的资助下．项开发了武汉市城市积涝预警系统ｆ以下简称系统１在２０－２０．０７０８年汛期将其投入业务试运行，取得良好效果。并
武汉市城市积涝预警系统及其仿真模拟效果
张萍萍，王丽，张宁
（汉中心气象台，汉４０７）武武３０４
摘要：建立武汉市城市排水管网地理信息系统的基础上，在以城市地表与明渠、道的水流运动为主要模拟对象，河以二维
少，市雨水调蓄功能下降，城城市人口增加，民经济国
持续发展，水量和排水量不断增加，用现有排水系统
建设相对滞后，旦发生强降水过程，一武汉市就会出现大面积积涝现象。如２００４年７月１ — １日、０８７９２０
非恒定流基本方程和无结构不规则网格划分技术为骨架，计了适合武汉市的城市积涝仿真模型，结合精细化降水预设并

武汉城区短历时暴雨内涝数值模拟研究

Rainstorm waterlogging research on numerical simulation for short-duration in the urban area of Wuhan
HONG Guoping, WAN Jun, LIU Jinghui, YE Limei, XIANG Hua
收稿日期：2017-05-14；定稿日期：2017-08-29 资助项目：湖北省气象局科技发展基金重点项目(2012Z06) 第一作者：洪国平，主要从事专业气象和气候应用技术研究。E-mail:287204515@
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引言
近年来，在我国城镇化快速发展及全球气候变化背景下，由极端强降水引发的城市内涝时常发生，暴雨内涝成为我国许多城市的主要气象灾害之一，严重影响城市运行及市民生活。城市内涝是由于强降雨或连续性降雨形成的地表径流超过城市管网排水能力而致城市产生积水灾害的现象。由于城市单位面积人员、交通、财产的密集性，与野外相比，城市对暴雨内涝表现出高脆弱性。多年来国内外许多学者开展了城市暴雨内涝仿真模拟，归纳为 2 类典型模拟模型。
武汉城区短历时暴雨内涝数值模拟研究
洪国平,万君,柳晶辉,叶丽梅,向华
(武汉区域气候中心，武汉 430074)
摘要：利用基于 GIS 的二维水动力暴雨淹没模型，在考虑排水管网抽排的基础上，模拟了武汉城区短历时 6 个重现期暴
雨内涝过程，基于 MapGIS 绘制了重现期暴雨内涝图，分析了内涝特征，并用近年实际暴雨内涝点对模拟内涝区进行了验
证，结果表明模拟效果较好。在此基础上，对业务中常用短时预报暴雨量进行了内涝模拟。结果可用于武汉城区暴雨内

科技成果——城市暴雨内涝监测预警系统

科技成果——城市暴雨内涝监测预警系统
对应需求
雷达降雨内涝预测技术
成果简介
该成果以城市雨量水位监测站网为基础、通讯系统为保障、城市降雨分析为依托、内涝数值模拟为核心、快速预警为目标，建立城市暴雨内涝监测预警系统。

通过实现对城市暴雨积水以及应对措施的客观、定量数值模拟和预测，可为防汛调度决策提供技术支持和科学决策依据，解决传统内涝管理中因不能实时预测导致应急处置不及时的问题。

适用于城市内涝预报和实时积水信息监测。

技术特点
该成果监测站为雨量站和水位站一体化集成，实现了对监测数据的实时预测。

1、云端部署，无需软硬件配置。

2、全天无人值守的自动化、智能化监测，能够实时传输测站雨量水位数据，实时筛选分析数据。

3、对各类人机交互操作均能够实时响应。

4、系统具有7×24小时的运行能力。

5、内涝模拟情景方案的制定时间在3分钟以内完成。

方案结果查询可在10秒钟以内完成。

6、模型设定参数后，运行一次至多在30分钟以内完成计算。

技术水平
实用新型专利1项，软件著作权2项。

应用情况
该成果在天津市空港经济区西南排水区暴雨内涝监测预警系统应用，实现了空港经济区西南排水区的降雨监测、内涝模拟与快速预警发布，为该区域内涝应急管理提供技术支持。

自正式运行以来，减少内涝经济损失7亿元；在老挝南俄5水电站水情水调自动化系统修复改造项目应用，将洪涝预报模型集成于老挝南俄5水电站水情水调自动化系统平台中，实现流域内入库洪水的监测与预报，为防洪决策提供有力支撑。

基于短时强降水进行城市内涝风险等级划分的科学性及检验方法论证

基于短时强降水进行城市内涝风险等级划分的科学性及检验方法论证短时强降水对城市内涝风险具有重要的影响。

为了科学地划分城市内涝风险等级，并对其进行检验，可以采取以下方法论证。

首先，需要建立一个合适的城市内涝风险等级划分指标体系。

这个指标体系应包含多个指标，如降雨强度、降雨持续时间、城市排水系统状况、城市地形特征等。

通过对这些指标的分析和权重确定，可以建立一个综合评价的城市内涝风险等级划分模型。

接下来，可以选择一定时间范围内的历史降水数据，根据这些数据来验证划分模型的科学性。

可以通过收集历史短时强降水事件的具体情况，并计算相应的指标数值。

然后将这些数据输入到划分模型中，对比划分结果和实际情况的差异，判断模型的科学性。

同时，也可以考虑将划分模型应用于当前或未来的降水事件中，以验证其预测准确性。

可以利用气象预报数据或降水模拟数据，输入到划分模型中，得到相应的城市内涝风险等级。

然后观察实际降水事件的发生情况，对比划分结果和实际情况的一致性和差异性。

除了验证模型的科学性和预测准确性，还可以采用统计分析方法，如回归分析、相关分析等，来研究降水指标和内涝风险等级之间的关系。

通过对大量数据进行分析，找出降水指标与内涝风险等级的相关性和影响程度，进一步验证划分模型的科学性。

此外，应该关注短时强降水事件对城市内涝风险等级划分的局限性。

可以将模型应用于不同地区、不同城市的短时强降水事件中，观察划分结果的差异，并分析其原因。

这样可以获取对于不同地区和城市的内涝风险等级划分的准确性和适用性。

综上所述，基于短时强降水进行城市内涝风险等级划分的科学性可以通过建立合适的指标体系和划分模型，并对其进行历史数据的验证、未来数据的预测、统计分析等方法来论证。

同时，还需关注划分模型的局限性和适用性，以提高划分结果的准确性和可靠性。

只有经过科学的论证和验证，才能使城市内涝风险等级划分更加科学、实用和可靠。

考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型

第35卷第2期2024年3月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.35,No.2Mar.2024DOI:10.14042/ki.32.1309.2024.02.006考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型王小杰1,夏军强1,李启杰1,侯精明2(1.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室,湖北武汉㊀430072;2.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西西安㊀710048)摘要:为准确模拟城市洪涝过程,以地表二维流动模型和SWMM 一维管流模型为基础,同时考虑地表径流与地下管流交换的3种模式,构建了城市地表与地下管流双向耦合的水动力学模型㊂采用水槽试验算例和理论算例对耦合模型进行验证,并将耦合模型应用到英国Glasgow 城市街区,分析排水管网和不同地表地下水流交换模式对城市洪涝过程的影响㊂结果表明:模型在试验算例和理论算例的模拟中均具有较好的精度和可靠性,模型能够准确地模拟具有排水管网的城市洪涝演进过程;与无排水系统相比,检查井简化法㊁雨水口法和雨水口-检查井法3种水流交换模式下Glasgow 城市街区模拟的最大淹没面积分别减少9.3%㊁23.2%和24.5%,其中对重度积水的消减作用更显著,淹没面积分别减少43.6%㊁79.9%和80.9%;检查井简化法的消减作用要远小于雨水口法和雨水口-检查井法,后两者差异较小㊂雨水口法和雨水口-检查井法比较符合实际情况,且雨水口-检查井法的计算效率更高更简单,因此,在城市洪涝模拟中采用雨水口-检查井法考虑地表径流与地下管流交换过程更符合实际㊂关键词:城市洪涝;SWMM;地表二维模型;模型耦合;地表径流与地下管流交换中图分类号:TU992;P333.2㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2024)02-0244-12收稿日期:2023-07-30;网络出版日期:2023-12-19网络出版地址:https:// /urlid /32.1309.P.20231219.1110.002基金项目:国家自然科学基金资助项目(41890823;52209098)作者简介:王小杰(1995 ),女,陕西西安人,博士研究生,主要从事城市洪涝方面研究㊂E-mail:wangxiaojie@ 通信作者:夏军强,E-mail:xiajq@受全球气候变化和人类活动的双重影响,短历时强降雨引起的洪涝灾害频发,造成了严重的经济损失和人员伤亡[1-2]㊂据‘中国水旱灾害公报“统计显示,2000 2022年中国平均每年因洪涝死亡1008人㊁受灾11549万人和直接经济损失1737亿元[3]㊂城市暴雨洪涝模拟是制定城市防洪减灾措施和暴雨洪涝预报的重要手段,及时准确地模拟城市暴雨洪涝过程,对提高洪涝风险防范能力和减少洪涝灾害损失具有重要意义[4]㊂城市洪涝模拟中,美国环保署(EPA)开发的暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model,SWMM)应用最为广泛,但该模型不能准确给出地表水深及淹没范围[4-5]㊂基于二维浅水方程的水动力模型可以表征复杂地形条件下地表径流运动过程,但该模型未考虑地下排水管网的影响㊂近年来,国内外众多学者集2种模型的优势,将SWMM 与地表二维模型进行耦合㊂根据二维模型是否对一维模型产生反馈,模型耦合可分为单向耦合和双向耦合[6]㊂对于单向耦合方式,模型间水流只能从节点处溢出到地表流动,而地表水流不能通过节点重新回流到管网中㊂例如,Hsu 等[7]采用单向耦合方式将SWMM 与地表二维模型耦合,水流从检查井处只能溢流到地表,而不能重新回流到管网;廖如婷等[8]采用单向松散耦合将SWMM 节点的溢流过程作为点边界条件输入InfoWorks ICM-2D 模型;王兆礼等[9]将SWMM 和TELEMAC-2D 模型进行单向耦合构建了TSWM 模型㊂对于双向耦合方式,地表水流与地下管流可通过节点进行相互交换㊂例如,Seyoum 等[10]采用双向耦合方式将SWMM 与地表二维模型进行耦合,地表与地下水流通过检查井相互交换;黄国如等[11]和Chen 等[12]采用动态链接库文件方式将SWMM 与地表二维模型进行侧向㊁正向和垂向耦合;Wu 等[13]以SWMM 和LISFLOOD-FP 模型为基础,采用双向耦合方式构建了城市洪涝水动力模型;Li 等[14]和侯精明等[15]将地表二维水动力模型和SWMM 管网一维水动力模型进行双向耦合,构建了GAST-SWMM 耦合模型㊂随着技术的不断发展,一㊁二维模型的耦合研究逐渐从早期单向耦合发展到双向耦合㊂此外,SWMM 与地㊀第2期王小杰,等:考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型245㊀表二维模型的时间步长不同,目前的研究主要集中在采用SWMM运行时间作为地表与地下水流交换的同步时间[7-10],SWMM与地表二维的耦合模型大部分在时间上未能实现实时同步㊂对于地表二维模型与一维管网模型的水流交换,国内外最常用的有检查井简化方法㊁雨水口方法和雨水口-检查井方法等[16]㊂例如,黄国如等[11]和Borsche等[17]将地表径流直接排入检查井,通过检查井进行地表径流与地下管流的相互交换(简称检查井简化方法);Dong等[18]模拟英国Glasgow城市洪涝时将地表径流通过雨水口流入距离最近的检查井,采用雨水口-检查井方法实现了地表径流和管道水流之间的相互交换;Bazin等[19]在城市洪涝演进概化模型试验和一㊁二维耦合水动力模型验证中将每个雨水口通过连接管与排水管道上的节点相连,进行地表与地下水流交换(简称雨水口方法)㊂地表径流与地下管流之间有多种交换模式,而考虑不同地表地下水流交换模式的研究较少㊂本文将地表二维模型与SWMM一维管网模型进行双向耦合,同时考虑地表径流与地下管流交换的3种模式,实现了一维与二维模型实时同步㊁严格对应和动态双向的数据交互㊂采用水槽试验算例和理论算例对耦合模型的可靠性和适用性进行验证,然后使用该耦合模型对英国Glasgow城市街区的洪涝事件进行模拟,分析排水管网和不同地表地下水流交换模式对城市洪涝过程的影响㊂1㊀模型构建1.1㊀二维地表水动力模型1.1.1㊀控制方程地表水动力模型控制方程为二维浅水方程,忽略风应力㊁科氏力和紊动项的影响,可表示为[20]:水流连续方程:∂η∂t+∂q x∂x+∂q y∂y=R-q m-q f(1)水流运动方程:∂q x ∂t+∂(βq2x/h)∂x+∂(βq x q y/h)∂y=-gh∂η∂x-gq x q2x+q2yh2C2(2)∂q y ∂t+∂(βq x q y/h)∂x+∂(βq2y/h)∂y=-gh∂η∂y-gq y q2x+q2yh2C2(3)式中:x㊁y分别为水平方向的横㊁纵坐标;t为时间;η为水位;q x㊁q y分别为流体在x㊁y方向的单宽流量;R为降雨强度;q m为排水强度;q f为下渗强度;β为动量修正系数;g为重力加速度;h为水深;C为谢才系数㊂1.1.2㊀数值方法采用TVD-MacCormack格式有限差分法求解二维圣维南方程组㊂MacCormack有限差分格式使用预测-校正两阶段方案可以很容易地处理源项,实现时间和空间上的二阶精度㊂在MacCormack格式的校正步骤中增加一个五点对称TVD项,可有效消除陡坡附近可能产生的数值振荡现象㊂模型能在急流㊁缓流㊁临界流各种流态条件中进行精确求解,可用于模拟急流和缓流共存的地表径流复杂流动情况[21]㊂在数值模拟过程中通过设置最小水深和判别计算网格干湿状态的阈值水深,将计算网格分为干网格㊁半干网格和湿网格,在每个时间步长对计算网格的干湿状态进行判别[20]㊂TVD-MacCormack格式为显式数值格式,计算时间步长在x㊁y方向上需同时满足CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)限制条件,模型采用自适应动态变化时间步长,确保在满足数值稳定性的同时提高计算效率[22]㊂本研究采用霍顿方程进行下渗计算,霍顿方程比较适合城区,且率定参数少,在国内外得到了广泛使用[4]㊂霍顿下渗公式为246㊀水科学进展第35卷㊀q f=fɕ+(f0-fɕ)exp(-k d t)(4)式中:fɕ为稳定下渗强度;f0为初始(最大)下渗强度;k d为衰减系数,与土壤的物理性质有关㊂参考SWMM 的水文模块,使用Newton-Raphson迭代法求解霍顿下渗公式㊂1.2㊀一维排水管网模型SWMM的管网水动力模块作为一款成熟且被广泛使用的一维水动力模块,适合各种复杂条件下的一维水流模拟,包括明渠流㊁有压流㊁明满交替流㊁枝状管网水流和环状管网水流等,对城市复杂管网的模拟能力得到广泛的验证和认可[23]㊂此外,SWMM具有能够处理各种水工建筑物(如泵站㊁水闸和堰等)㊁允许各种管渠几何形状(如圆形㊁矩形和三角形等)的优势,对不同连接方式的复杂人工管道具有很强的适应性和较好的模拟效果,且其源代码开放㊂因此,本研究采用SWMM的管网水动力模块作为耦合模型的一维排水管网模块㊂SWMM提供了恒定流㊁运动波和动力波3种水流运动模拟方法,用于支持不同复杂度管网系统中水流运动过程演算㊂动力波方法是通过求解完整的一维圣维南方程,从而得到理论上的精确解,能够计算管道蓄水㊁回水㊁有压满管流㊁逆向流㊁出口水位顶托和检查井溢流等,适合任何排水管网较短时间步长模拟,结果准确,适用性较强,本研究采用动力波法进行管网汇流计算[4,24]㊂SWMM将复杂的排水管网系统概化为由节点和管渠 2种要素构成㊂在管渠上满足连续方程和动量方程,在节点上满足连续方程㊂基于有限差分法离散方程,利用隐式欧拉法进行迭代求解㊂求解的圣维南方程为一维明渠非恒定流方程,当处理有压流问题吋,该方程不再适用,而需采用一维有压非恒定流方程㊂SWMM基于管渠-节点机制对节点水头的计算进行改进,从而实现一种简便的有压流模拟方法㊂SWMM管网模型控制方程及求解过程详见参考文献[24]㊂1.3㊀模型双向耦合地表二维模型与一维管网模型耦合实现的关键在于一㊁二维模型的时间同步及空间对应的水量交换[25],空间上对应的水量交换主要表现为地表径流与地下管流交换㊂1.3.1㊀时间同步SWMM管网模型和地表二维模型的时间步长不一致,且管网模型的时间步长一般大于地表二维模型㊂SWMM与地表二维模型耦合的时间同步方法大致可以分为3类[12]:第1类采用SWMM运行时间作为地表与地下水流交换的同步时间;第2类采用一维模型与二维模型中最小时间步长作为一㊁二维模型和水流交换时间步长,即耦合模型实时同步;第3类为设置固定同步时间,一维模型和二维模型的时间步长可采用两模型的最小时间步长,也可采用模型自身的时间步长[14]㊂本研究采用第2种方法进行一㊁二维模型耦合的时间同步㊂SWMM源代码采用C语言编写,二维模型代码采用Fortran语言编写㊂SWMM的时间步长是固定的,结果输出时间最小为1s;而地表二维模型的时间步长是动态变化的,计算时间步长可采用小数秒㊂为了实现一㊁二维模型和地表地下水流交换在时间上实时同步,SWMM管网水动力模块采用Fortran语言重新编写,并对时间步长㊁节点进流量和结果输出等部分进行修改㊂采用地表二维模型的动态变化时间步长作为管网模型和水流交换的时间步长,实现2项水动力过程实时同步㊁严格对应及动态双向的数据交互㊂自适应动态变化时间步长计算公式:Δt2D=CrΔx|q2x+q2y/h|+gh (5)Δt1D=Δt e=Δt2D(6)T1D=T e=T2D(7)式中:Δt2D为地表二维模型的自适应动态变化时间步长,s;Cr为库朗数;Δx为网格大小,m;Δt1D为一维管网模型的时间步长,s;Δt e为水流交换的时间步长,s;T2D㊁T1D和T e分别为二维模型㊁一维模型和水流交㊀第2期王小杰,等:考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型247㊀换的计算时间,s㊂1.3.2㊀地表径流与地下管流交换地表径流和地下管流模型是通过在节点处发生的溢流和泄流现象来交换水流㊂当地表水位大于管网节点水位时,进行泄流计算,水流从地表流向管网;当地表水位小于管网节点水位时,进行溢流计算,水流从管网流向地表;当地表水位等于管网节点水位时,不进行流量交换㊂(1)节点泄流近年来,众多学者基于水槽试验和理论分析开展了节点泄流能力研究,提出了适用于不同水流条件下的节点泄流计算公式㊂陈倩等[26]提出的雨水口泄流公式和姚飞骏[27]提出的孔流堰流公式适用于水深较大的计算工况,且与标准图集中雨水口泄流能力曲线相符效果较好,得到了广泛应用[22]㊂雨水口泄流公式:Q s=auAFr b(8)式中:Q s为节点泄流量,m3/s;a和b为泄流参数;A为节点过水面积,m2;u为箅前流速,m/s;Fr为箅前弗劳德数,Fr=u/gh㊂孔流堰流公式:Q s=min(C w Ph1.5,C o A2gh)(9)式中:C w为堰流系数;P为节点湿周,m;C o为孔流系数㊂为保证模型计算的稳定性,对节点泄流量添加限制性条件[11]:Q s=min(Q s,V c/Δt e)(10)式中:V c为节点所在地表网格内的当前水量,m3㊂(2)节点溢流采用孔口流量公式计算节点溢流量,公式如下所示:Q o=C o A m2g(h nod-h sur)(11)式中:Q o为节点溢流量,m3/s;A m为节点过水面积,m2;h nod为节点水位,m;h sur为地表水位,m㊂为保证模型计算的稳定性,对节点溢流量添加限制性条件[11]:Q o=min(Q o,V o/Δt e)(12)式中:V o为SWMM节点的溢流水量,m3㊂(3)地表径流与地下管流交换模式地表径流与地下管流之间有多种交换模式,检查井简化方法㊁雨水口方法和雨水口-检查井方法是最常用的3种交换模式[16],如图1所示㊂检查井简化方法忽略了雨水口作用,地表径流和地下管流直接通过检查井进行交换,即节点泄流和溢流均通过检查井进行(图1(a))㊂雨水口方法中,地表径流通过多个雨水口泄流至单个检查井后流向排水管网,管网水流通过检查井分流至与之相连的多个雨水口后溢流到地表(图1 (b))㊂雨水口-检查井方法中,地表径流通过多个雨水口泄流至单个检查井后流向排水管网,管网水流直接通过检查井溢流到地表(图1(c))㊂地表水流进入排水系统节点的流量为Q j=ðN i=1Q i,s-Q m,o(13)式中:Q j为地表水流进入排水系统单个节点的流量,m3/s;Q m,o为与排水系统节点相对应的检查井溢流量, m3/s;Q i,s为与检查井相连的第i个雨水口的泄流量,m3/s;N为检查井相连的雨水口个数,若为检查井简化方法,N=1,此时Q i,s表示检查井的泄流量㊂地表单个网格进入排水系统的流量为Q c=ðK k=1Q k(14)248㊀水科学进展第35卷㊀Q k =Q k ,s -Q k ,o (15)Q k ,o =Q m,o ,检查井简化方法/雨水口-检查井方法Q m,o /N ,雨水口方法{(16)式中:Q c 为地表单个网格进入排水系统的流量,m 3/s;K 为单个网格中的节点个数;Q k 为网格中第k 个节点进入排水系统的流量,m 3/s㊂Q k ,s ㊁Q k ,o 分别为节点的泄流量和溢流量,若为雨水口-检查井法,当节点为雨水口时Q k ,o =0,当节点为检查井时Q k ,s =0;若为雨水口法,当节点为检查井时Q k ,s ㊁Q k ,o 均为0;若为检查井简化法,当节点为雨水口时Q k ,s ㊁Q k ,o 均为0㊂图1㊀地表径流与地下管流交换模式Fig.1Exchange modes of surface runoff and underground pipe flow 1.3.3㊀模型双向耦合实现方式耦合模型是以水量交换为纽带,将节点泄流/溢流量作为源项加入地表二维模型中,同时也作为一维管网模型节点的外部入流/出流量加入排水管网系统中[11]㊂地表二维模型和一维管网模型双向耦合过程中具体步骤如下:(1)设置地表二维模型和一维管网模型的边界条件和初始条件㊂设置地表径流与地下管流交换模式,将地表节点坐标和地下管网节点坐标进行对应,保证地表节点泄流/溢流和管网节点入流/出流在空间位置上严格对应㊂此外,还需要注意的是SWMM 排水管网模型需启用节点积水功能㊂(2)读取地表二维模型和一维管网模型输入文件,获取并初始化地表和排水管网的属性信息㊂(3)根据地表网格水位和单宽流量等,采用CFL 条件计算动态时间步长㊂(4)将时间步长㊁管网节点水深和溢流量等信息与地表网格水位和单宽流量等信息输入到地表径流与地下管流交换模块,根据地表径流与地下管流交换模式,计算地表径流与地下管流交换水量㊂(5)将计算得到的交换水量和时间步长输入到排水管网模型㊂运行排水管网模型,推进1个时间步长㊂计算得到节点水深和管道流量等信息,用于下一时间步长模拟㊂(一维模型演进1步)(6)获取排水管网模型计算得到的节点水深和溢流量等信息,用于水量交换计算㊂(7)计算地表网格下渗率㊂(8)将计算得到的时间步长交换水量和下渗率输入到地表二维模型㊂运行地表二维模型,推进1个时间步长㊂计算得到网格水位和单宽流量等信息,用于下一时间步长模拟和水量交换计算㊂(二维模型演进1步)(9)判断模拟时间是否到达结束时刻㊂若未到达结束时刻,重复上述(3) (8)计算步骤;若到达结束时刻,输出计算结果,关闭程序㊂2㊀模型验证采用试验算例和理论算例对构建的城市地表径流与地下管流双向耦合模型进行验证㊂选取的试验算例水流在地表演进过程中部分从节点下泄至排水管网,汇流至管道出口排出;选取的理论算例管网水流从节点顶㊀第2期王小杰,等:考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型249㊀部溢出,在地表上流动,并经其余节点重新汇入管道,在管网溢流量和回流量达到平衡后,管道顶部地表区域水流最终趋于平衡状态[28]㊂2.1㊀试验算例采用Dong等[18]开展的城市洪涝地表与地下排水系统双层结构试验数据对耦合模型进行验证㊂试验模型整体几何比尺为1ʒ10,地表部分包含水库㊁闸门㊁道路㊁人行道㊁房屋等结构,地下部分包含雨水箱㊁连接管㊁排水干管等结构,地表和地下排水管道之间采用10个雨水口连接,雨水口沿水槽中轴对称分布,前后间距1.8m(模型布置平面示意图详见文献[18])㊂地表水槽从上游至下游布置了7个水位测点(P1 P7),排水干管底部布置了1个压力水头测点(P8),8个测点的具体坐标详见文献[18]㊂水库内初始水深为0.3m,闸门下游和地下排水管道内初始水深为0m,模拟时间为340s㊂地表和排水管道的曼宁系数均为0.011s/m1/3㊂建筑物采用真实地形法表示,地表下游边界和排水系统下游出口边界均为自由出流,其余边界为固壁边界条件㊂节点泄流和溢流中的参数随着节点型式的不同而变化,因此,在不同的算例中需对公式中的参数进行率定㊂经过率定,采用综合流速公式(a=0.225,b=-2.063)和孔口流公式(C o=0.15)进行节点泄流和溢流计算㊂不同测点模拟水深与实测水深变化过程对比结果如图2所示(仅展示了部分测点,P1 P7为地表测点, P8为管道测点)㊂将采用二维模型动态变化时间步长作为管网模型和水流交换时间步长(Δt2D,即耦合模型实时同步)的模拟结果与采用固定时间步长(1㊁0.6㊁0.2s)的模拟结果进行对比,分析耦合模型是否实时同步对洪涝过程的影响㊂管网模型采用固定时间步长时,管网模型运行时间作为地表与地下水流交换同步时间的具体实现过程可参考文献[10]㊂可以看出,固定时间步长的大小对模拟结果有着显著影响,且对管道的影响要大于地表㊂当固定时间步长较小时,固定时间步长与动态变化时间步长的模拟结果基本一致,即耦合模型是否实时同步对洪涝过程基本无影响㊂随着固定时间步长的增大,固定时间步长与动态变化时间步长的模拟结果相差越来越大,且与实测水深的误差也在增大㊂总的来说,固定时间步长的准确性取值对于模拟结果的精度至关重要,且相较于固定同步时间,实时同步的耦合模型模拟的水深与实测水深更为接近㊂图2㊀不同测点模拟和实测水深比较Fig.2Comparisons of simulated and measured water depths at different measuring points250㊀水科学进展第35卷㊀将实时同步的耦合模型模拟结果与实测值进行对比,地表测点P1 P7的水深模拟值与实测值变化过程基本一致,上游水库水深随时间不断降低,下游城市街区水深随时间先增加后减小,其中地表测点的水深模拟值在上下游水深较小时略微低于实测值,且测点P3模拟结果相对较差㊂这是因为测点P3位于房屋上游边壁处,水流撞击边壁后产生强烈的紊动与空气掺混现象,具有三维特征水流运动,本文模型使用的二维浅水控制方程难以反映此类现象[22]㊂管道测点P8的水深模拟值与实测值变化过程较为一致,相比于地表水深变化,管道模拟结果的误差相对更大,这可能是因为地表水流下泄汇流至管道过程中产生的误差对管道模拟结果造成了一定的影响㊂相较于实测水深,管道测点的水深模拟值略大,退水过程略微滞后,其原因可能与管道水流的进口流量有关㊂在水槽试验中地表水流经雨篦子流入雨水井后,通过侧支管与排水干管相连接㊂本文模型未考虑雨水井内部的水量平衡过程及其产生的水头损失,从而使得管道的水深模拟值略大,退水过程略微滞后㊂此外,采用纳什效率系数(E NS )进一步评估模型的计算精度㊂地表测点P1 P7的水深模拟值与实测值的E NS 均在0.90以上,其中测点P3的E NS 最小,为0.92,管道测点P8的水深模拟值与实测值的E NS 为0.76,表明本模型的计算精度较高,能够准确模拟具有排水管道的城市洪涝演进过程㊂2.2㊀理论算例采用喻海军[28]开展的理论算例对耦合模型进行验证㊂该算例地表区域为边长200m 的正方形,管网系统由6个节点和6条管道组成(图3)㊂地表与管道水流之间通过节点2㊁3㊁4和5的泄流和溢流来进行交换㊂节点1㊁6分别为入流节点和出口节点,节点1的入流流量在模拟开始前10min 内由0逐渐增加至1.0m 3/s,随后保持恒定不变,节点6设置为自由出流㊂地表和管道初始水深为0m,地表曼宁糙率系数为0.025s /m 1/3,地表区域四周为固壁边界条件,模拟时间为48h㊂管道和节点属性信息详见文献[28]㊂经过率定,采用综合流速公式(a =0.046,b =-0.935)和孔口流公式(C o =0.67)进行节点泄流和溢流计算㊂图3㊀算例示意[28]Fig.3Diagram of theoretical case 将本文模型与InfoWorks ICM 计算结果进行对比,表1为稳定状态时管道流量和节点水深㊂可以看出,管道流量和节点水深最大相对误差不超过10%,节点水深相对差值更小,不超过5%,误差可能来源于地表地下耦合算法及网格划分的差异㊂本文模型与InfoWorks ICM 计算的稳定状态时地表区域水位分布基本一致,地表内均存在约0.12m 的水深,节点2的顶部区域水位较高,节点3㊁4和5的水位略低于平均水位,其他区域水位基本相等㊂总的来说,本文模型与InfoWorks ICM 计算结果基本吻合,耦合模型具有较高的可靠性㊂表1㊀稳定状态时管道流量和节点水深Table 1Pipe discharge and node water depth in steady state 编号管道流量节点水深本模型/(m 3/s)InfoWorks /(m 3/s)绝对差值/(m 3/s)相对差值/%本模型/m InfoWorks /m 绝对差值/m 相对差值/%1 1.000 1.0000㊀㊀0㊀㊀ 1.521 1.5000.021 1.4020.4530.4130.0409.69 1.447 1.3960.051 3.6530.4530.4130.0409.690.9740.991-0.017-1.7240.4820.4710.011 2.340.9740.990-0.016-1.6250.4820.4720.010 2.120.7720.779-0.007-0.9060.993 1.000-0.007-0.700.5700.574-0.004-0.70㊀第2期王小杰,等:考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型251㊀3㊀模型应用3.1㊀研究区概况采用城市地表径流与地下管流双向耦合模型,模拟英国Glasgow城市街区(1.0kmˑ0.4km)发生在2002年7月30日的洪涝过程㊂该过程水流从Q点处涵洞溢出到研究区域的街区中,最大流量为10m3/s,总泄水量约8554m3,持续时间不超过60min,Q点流量曲线详见文献[29]㊂因缺少实际管网资料,本文根据室外排水设计标准[30]和文献[18],在城市主要道路两侧每隔50m添加1对尺寸为0.75mˑ0.45m的雨水口,主要道路中间每隔100m添加1个检查井,相邻2个检查井之间添加直径为1.0m的圆管㊂排水系统由140个雨水口㊁36个检查井㊁2个排放口和38条管道组成(图4)㊂由带有建筑物高度的2m分辨率地形图可看出,研究区整体东部高西部低,按照地表高程将检查井㊁雨水口和排水管道沿道路由东北向西南布置㊂地表和排水管道的曼宁糙率系数分别为0.020和0.013s/m1/3㊂建筑物采用真实地形方法表示,研究区域四周设为固壁边界条件,地表设置了4个水深监测点(ST1 ST4,与文献[29]位置相同)㊂地表和管道初始水深为0m,模拟时间为2h㊂采用综合流速公式(a=0.302,b=-0.816)[26]和孔口流公式(C o=0.67)[27]推荐的参数计算节点泄流和溢流㊂图4㊀英国Glasgow某街区地形及排水系统布置Fig.4Topography and sewer drainage system structure in Glasgow,UK3.2㊀结果分析采用检查井简化方法㊁雨水口方法和雨水口-检查井方法分别计算地表径流与地下管流之间的交换水流,对比无排水系统的结果,分析排水管网和不同地表地下水流交换模式对城市洪涝过程的影响㊂4种情况下各监测点处的水深变化过程如图5所示㊂检查井简化方法㊁雨水口方法和雨水口-检查井方法与无排水系统的对比,最大水深在测点1处分别减小了3.16%㊁12.7%和12.7%,在测点2处分别减小了4.87%㊁20.2%和20.4%,在测点3处分别减小了23.4%㊁49.3%和50.3%,在测点4处分别减小了7.62%㊁27.4%和28.5%㊂此外,3种水流交换模式对洪涝到达时间有一定的延迟作用,检查井简化方法的延迟作用最小,其次为雨水口方法和雨水口-检查井方法,且离洪涝源头越远延迟作用越显著㊂总的来说,排水管网可以有效地减少地表水深,3种水流交换模式对地表水深的影响存在显著差异,检查井简化方法对地表水深的减少作用要远小于雨水口方法和雨水口-检查井方法,雨水口方法比雨水口-检查井方法略低,但两者差异较小,且2种方法的地表水深变化过程基本一致㊂与此同时,对4种情况下研究区域的最大淹没范围及水深进行分析,结果如图6所示㊂检查井简化方法㊁雨水口方法和雨水口-检查井方法与无排水系统对比,最大淹没面积分别减小了9.25%㊁23.2%和。

基于降雨情景模拟的城市社区尺度暴雨内涝研究

第1期
石小芳，等：基于降雨情景模拟的城市社区尺度暴雨内涝研究
27
1 研究区概况
宁波市位于长江三角洲南翼，地势整体呈西南高东北低，中部为平原，河网密集，城内三江交汇，降水主要分布在汛期（5—10 月），占全年降水量的 65%。选取位于宁波市鄞州区的贺丞社区为研究区（图 1），总面积约为 27.4 万 m2。社区包含演武花园、贺丞小区等 10 个小区，镇安小学、镇安菜场等教育生活配套设施，是典型的居住型社区。贺丞社区建成于 20 世纪末，排水系统设计重现期较小，且紧邻河网，易遭受暴雨内涝侵袭。如 2018 年受台风“山竹”影响，导致社区多处积水，成为内涝重灾区。
关键词：暴雨内涝；台风暴雨情景；社区尺度；SWMM 模型；宁波市
中图分类号：P429
文献标志码：A
文章编号：1009-640X(2021)01-0026-10
全球气候变化和海平面不断上升的背景下，频繁发生的城市暴雨内涝灾害已经引起了国际社会和各国政府的高度重视和广泛关注，成为自然灾害领域的研究热点[1-2]。基于情景分析的内涝模拟与预测是深入研究暴雨内涝形成机理、有效应对城市暴雨内涝灾害的重要技术手段，极大地提高了内涝灾害风险评估的精度，既可应用于灾害预警预报、动态监测、灾情调查评估，也可应用于不同灾害情景下灾情的预测[3]。诸多学者采用情景分析方法对城市内涝进行研究，Bakhshipour 等[4] 利用 GBI 模型，用若干设计风暴来评估不同方案的弹性和可持续性，为评估和决策提供依据。Jang 等[5] 对比了 3 种进水口模拟洪水从降雨到地表径流和下水道的水流动力学。杨辰等[6] 基于 1~24 h 内的不同降雨情景，构建上海内涝评估模型，模拟了暴雨内涝的积水范围和积水深度。王颖等[7] 通过同频率放大方法构建暴雨情景，利用 SWAT 模型获取了不同重现期的洪峰过程以及积水淹没情况。

211222534_城市内涝风险模拟与预警研究进展及展望

２０２３年４月第２５卷第２期㊀㊀沈阳建筑大学学报(社会科学版)㊀㊀ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＳｏｃｉａｌＳｃｉｅｎｃｅ)Ａｐｒ.㊀２０２３Ｖｏｌ.２５ꎬＮｏ.２㊀㊀收稿日期:２０２２－１２－１６㊀㊀基金项目:国家自然科学基金面上项目(５１８７８４１８)㊀㊀作者简介:初亚奇(１９８６ )ꎬ女ꎬ山东蓬莱人ꎬ博士ꎮ文章编号:１６７３－１３８７(２０２３)０２－０１８０－０６ｄｏｉ:１０.１１７１７/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７３－１３８７.２０２３.０２.１１城市内涝风险模拟与预警研究进展及展望初亚奇１ꎬ王㊀曦２ꎬ曹晓妍２ꎬ石铁矛２ꎬ３(１.沈阳大学建筑工程学院ꎬ辽宁沈阳１１００４４ꎻ２.沈阳建筑大学建筑与规划学院ꎬ辽宁沈阳１１０１６８ꎻ３.沈阳建筑大学空间规划与设计研究院ꎬ辽宁沈阳１１０１６８)摘㊀要:城市内涝风险模拟与预警是指导城市减灾工作的重要依据ꎮ基于对国内外相关研究的梳理ꎬ发现在城市内涝风险模拟中技术模型需要从二维平面模型转换为三维空间模型ꎬ研究关注点需要从暴雨预报㊁灾损评估转化到内涝风险预警层面ꎮ在未来发展趋势中ꎬ要建立多源数据－精准分析－动态预警的研究体系ꎬ进一步针对研究区域的地域化特征ꎬ提取并叠加多种影响因子ꎬ融合城市地理㊁水文㊁气象㊁交通㊁规划等学科多源数据进行耦合分析ꎬ在多尺度系统中利用空间三维模型进行多情景内涝风险模拟ꎬ实现内涝风险动态预警ꎬ为韧性城市发展提供新思路ꎮ关键词:城市内涝ꎻ风险模拟ꎻ预警技术ꎻ韧性城市中图分类号:ＴＵ９９２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀由于全球气候突变与城镇化持续扩张ꎬ城市自然水文循环被严重破坏ꎬ城市水生态系统的自我调节能力急剧降低[１]ꎬ极端降雨频次和强度剧增ꎬ导致城市蓄排能力短板突显ꎬ城市内涝灾害频发[２]ꎮ«中国水旱灾害公报»公布的２０１１２０１８年中国每年平均受到严重内涝影响城市已达到１５４个ꎬ直接经济损失约为每年ＧＤＰ总数的０.３５％[３]ꎮ２０１２年７.２１北京暴雨㊁２０１４年９.１重庆暴雨以及２０２１年７.２０郑州暴雨灾害皆造成了严重人员伤亡和经济损失[４－６]ꎮ２０２１年４月ꎬ国务院办公厅发布的«关于加强城市内涝治理的实施意见»(国办发２０２１１１号)中强调[７]:治理城市内涝事关人民群众生命财产安全ꎬ既是重大民生工程ꎬ又是重大发展工程ꎮ因此ꎬ由暴雨引发的城市内涝已然成为制约城市化发展的重要因素之一ꎬ对城市内涝风险进行模拟与预警将成为指导城市减灾工作的重要依据ꎮ城市内涝风险模拟与动态预警是通过计算机技术建立城市降雨－径流模拟模型ꎬ对即将发生的内涝灾害及潜在风险向政府与公众进行实时预报警示和提前预判ꎬ尽可能减轻对人民生命财产安全和社会经济的负面影响ꎮ侯天宇等[８]通过智能物联网技术实时获取天津市积水监测数据ꎬ基于机器㊁神经网络模型和城市内涝风险等级划分理论ꎬ研发了天津市积水监测预警系统ꎻ周聂等[９]基于预报降雨校正模块和水文水动力模型ꎬ构建了城市内涝模拟预报模型ꎬ并以陕西省西咸新区部分区域为研究对象ꎬ通过３场实测检验了暴雨模型的预报性能ꎻ曹雪健等[１０]基于综合观测的城市内涝风险预警系统ꎬ以北京市清河流域为例ꎬ融合降雨观测技术ꎬ采用水第２期初亚奇等:题城市内涝风险模拟与预警研究进展及展望１８１㊀文模型模拟ꎬ为交通系统提供实时积水深度数据并预测其风险等级ꎮ综上可见ꎬ城市内涝风险模拟与预警研究对城市减灾工作具有极其重要的作用ꎮ研究通过梳理城市内涝风险的相关概念ꎬ对国内外内涝风险模拟与预警技术进行评述和分析ꎬ总结研究中存在的问题ꎬ同时展望城市内涝风险模拟与预警的发展方向ꎬ为构建韧性城市提供理论支撑ꎮ一㊁城市内涝风险影响因子城市内涝是由于短时强降雨或者连续型降雨超出城市排水能力ꎬ导致城市内产生积水灾害的现象[１１]ꎮ城市内涝灾害包含致灾因子㊁承灾体与孕灾环境ꎬ三者之间相互作用和相互影响形成的灾害体系如图１所示ꎬ其共同作用导致城市内涝灾害风险具有复杂化㊁动态化以及多维化等明显特征ꎮ图１　内涝灾害系统及其要素结构㊀㊀其中ꎬ致灾因子为引发灾害的主要因素ꎬ通常包括降雨强度㊁径流量和下渗率ꎮ①降雨强度在气象学角度通常是按照降水量１２ｈ或２４ｈ来划定并区分为小雨到特大暴雨共６个等级ꎻ②径流量是在指定时间段内的地表或地下河流水系某一断面的水体总量ꎻ③下渗率指单位面积下渗到土地中的水量ꎮ孕灾环境包括城市中的地形地貌㊁下垫面等一系列地表环境ꎮ承灾体通常指根据环境㊁用地等受损度确定洪涝灾害承受力ꎮ从城市内涝灾害产生机理角度出发ꎬ在灾害具有潜在风险阶段ꎬ快速城市化对孕灾环境造成了一定的影响ꎬ一定程度地增加了内涝灾害的产生ꎻ在灾害产生阶段ꎬ致灾因子可能引发城市内涝ꎻ在灾害发展阶段ꎬ承灾体的较为脆弱导致灾害继续发展ꎻ内涝灾害是致灾因子和孕灾环境相互作用㊁风险叠加ꎬ并给承灾体带来消极影响的过程ꎮ中国内涝风险等级一般基于积水深度和积水时间进行划分[１２]ꎬ每个等级对应不同的积水深度和时间ꎬ同时代表受灾害影响的程度ꎬ可用于道路交通㊁城市基础设施等预警ꎮ二㊁国内外研究进展１.城市暴雨内涝风险模拟研究城市内涝风险模拟是依据地理信息系统(ＧｅｏｌｏｇｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍꎬＧＩＳ)对城市空间与水文过程进行分析模拟的技术方法[１３]ꎮ目前ꎬ大量研究是基于ＧＩＳ分析手段在研究区域进行空间数据提取㊁调整与收集等[１４]ꎬ同时利用ＧＩＳ系统数据与其他水文数字模型相结合ꎬ对不同降雨重现期的情景进行模拟ꎬ预测其不同情景的雨洪情况ꎬ再通过相关分析方法对区域风险进行评价与预判[１５]ꎬ对城市内涝灾害防控有着积极作用ꎮ而相关的国内外研究主要集中于运用水文模型对城市降雨时空变化过程进行分析模拟ꎬ以求得其灾害风险变化状态[１６－１７](见图２)ꎮ城市水文模型正在向整体化㊁综合化㊁集成化发展ꎬ这一趋势将对数据的多元性㊁研究尺度的复杂性提供较强的技术支撑ꎮ目前常用的模型主要包括暴雨洪水管理模型(ＳｔｏｒｍＷａｔｅｒＭａｎａｇｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌꎬＳＷＭＭ)㊁ＭＩＫＥＵＲＢＡＮ㊁Ｉｎｆｏ￣Ｗｏｒｋｓ㊁ＭＵＳＩＣ等[１８－１９](见表１)ꎬ其中ꎬＳＷＭＭ模型可结合ＧＩＳ软件数据进行交互对接ꎬ多用于城市管网的水力学模拟[２０]ꎻＭＵＳＩＣ模型可基于ＤＥＭ模型数据进行模拟ꎬ如施露等[２１]采用ＭＩＫＥＦＬＯＯＤ模型模拟了不同降雨条件下ꎬ传统开发模型和低影响开发模式下引发的降雨径流量的量化对比ꎮ梁志承等[２２]提出了蚁群算法与ＳＣＳ－ＣＮ水文模型耦合优化不透水面空间格局的方法ꎬ增加地面雨水入渗量ꎬ应用于景１８２㊀㊀㊀㊀沈阳建筑大学学报(社会科学版)第２５卷图２　水文水力学模型研究进展表１　城市水文模型分类开发时间开发机构名称应用方向优点和缺点１９７１美国国家环保署ＳＷＭＭ模拟城市降雨径流过程ꎻ动态降雨－径流水质水量预测和管理应用最广泛的分布式水文模型ꎬ但地表汇流过程简略ꎬ无法描述具体的雨洪空间流动过程１９７２美国农业部水土保持局ＳＣＳ￣ＣＮ模拟流域水文过程中下垫面与降雨径流的关系需求数据和内部模型结构简单ꎬ快速计算集水区径流ꎬ但需要根据不同地块进行参数校准１９７６荷兰Ｄｅｌｆｔ大学Ｄｅｌｆｔ３Ｄ降雨洪水㊁污染扩散过程模拟较好适应曲面结构ꎬ操作便捷便于设计调试ꎬ稳定性高ꎬ但不适用于大尺度环境１９７８英国Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄ水利学所Ｉｎｆｏ￣Ｗｏｒｋｓ城市水文水力模拟等有效模拟城市管道流及复杂的水文循环过程ꎬ但需要参数较多１９８４丹麦水力研究所ＭＯＵＳＥ模拟城市径流㊁管道水流的城市暴雨径流模型可连续模拟暴雨事件ꎬ但更侧重于灰色基础设施１９９４美国农业部ＳＷＡＴ分布式流域水文模拟ꎻ非点源污染模拟等分单元㊁分环节模拟ꎬ便于进行模型扩展ꎬ但更适用于水质污染分析２０００中国水利水电科学研究院和天津市气象局ＵＦＤＳＭ城市雨洪模拟对中国雨洪条件适应性较强ꎬ但是应用检验相对少２００３ＵＳＥＰＡＳＵＳＴＡＩＮ城市暴雨处理及分析集成模型ꎬ针对低影响开发的水文㊁水力和水质评估可评估ＬＩＤ和ＢＭＰ设施下水量水质达标所需造价ꎬ对降雨过程模拟完整ꎬ但是不适用于城市大尺度２００６ＤＨＩ公司ＭＩＫＥＦＬＯＯＤ动态耦合的城市雨洪模型ꎬ地表水流域的三维模拟可比较前后水文循环效果ꎬ但不适用于不规则边界地形观格局指数对不透水面空间格局的分析ꎬ对不同重现期下１ｈ连续降雨事件进行模拟ꎬ对比景观格局优化前后的方案发现ꎬ优化后的方案在不同重现期下对径流系数均有一定程度的消减ꎮ目前ꎬ大量国外学者在研究从计算机领域引入大数据模型来处理复杂且海量的数据ꎬ探索运用大数据方法进行城市内涝模拟ꎮＢｅｈｚａｄ等[２３]以墨尔本市东南地区作为研究区域ꎬ运用ＭＩＫＥＦＬＯＯＤ模型进行内涝模拟ꎬ在高精度ＤＥＭ数据基础之上对二维水动力进行了计算ꎬ准确㊁快速地模拟该城市内涝过程ꎮ梅超等[２４]将ＳＷＭＭ与地表淹没模块进行耦合ꎬ构建了研究区城市内涝淹没数值模型ꎬ模拟两种重现期情景下的内涝过程ꎬ对比不同重现期下高峰期与平峰期路网运行状态ꎬ发现两种重现期下高峰期道路平均通行速度比平峰期分别下降了１９.３％和３７.４％ꎮ根据对城市内涝风险模拟相关技术方法进行的梳理研究ꎬ可以看出研究正逐渐转向大数据综合分析空间信息㊁水文信息与环境信息ꎬ并将上述多源信息数据纳入城市空间第２期初亚奇等:题城市内涝风险模拟与预警研究进展及展望１８３㊀规划决策的技术过程ꎮ２.城市暴雨内涝风险预警研究针对城市暴雨内涝风险预警的研究主要集中于减少因内涝造成的人员与财产损失㊁提升城市减灾能力等方面ꎮ美国国家环保署依托ＧＩＳ平台开发了ＳＷＭＭ的预处理及后处理软件ꎬ辅助开展损失评估[２５]ꎮＪｏｎｋｍａｎｓ等[２６]使用水力模型并根据灾害损失曲线ꎬ对荷兰南部洪水灾害损失进行了评估ꎬ不仅能估算直接经济损失ꎬ还可考量间接经济损失和人员伤亡ꎻＢｉｓｈｔ等[２７]通过综合环境脆弱性和应灾能力评估洪水风险ꎬ并利用空间显式贝叶斯网络模型对洪水风险进行了建模ꎬ该模型可用于评估和改进现有预警的效果ꎻ纪颖波等[２８]以北京某大学为研究区域ꎬ构建了基于情境假设的城市暴雨灾害模拟模型ꎬ并通过引入径向基函数网络构建了警情分析模型ꎬ利用数理统计方法寻求致灾风险要素与警情指标之间的关系ꎬ从而建立了城市内涝风险预警指标体系ꎬ对提升城市内涝灾害应急减灾能力有一定的研究价值ꎮ目前ꎬ国内外学者对城市内涝风险预警的研究基本是以暴雨预报的形式为主ꎬ关注点相对集中于内涝风险的灾损情况ꎬ对于城市内涝风险预警还没有达到一定的精准性与针对性ꎮ因此ꎬ在城市内涝风险预警方面ꎬ应从韧性城市理论角度出发ꎬ通过气象云图变化数据㊁交通车辆的扰动数据以及城市下垫面等多元数据进行耦合分析ꎬ对城市内涝风险区或风险点实行实时动态预警ꎮ三㊁未来研究趋势展望现阶段针对城市暴雨内涝风险的模拟研究虽然成果较多ꎬ但中国地域差异性较大ꎬ区域多元化特征明显ꎬ地域性内涝灾害影响因素研究仍显不足ꎬ没有充分结合不同地域的实际情况ꎬ存在基础数据缺失㊁测量数据误差㊁模拟软件精度不足以及计算误差等一系列问题ꎬ模拟过程中大多应用二维平面水文模型进行模拟ꎮ在未来研究中应运用三维空间水文分析模型ꎬ开发更为精准化的模型技术ꎮ在城市暴雨内涝风险预警层面ꎬ现有研究主要集中于气象预报与灾损评估方面ꎬ多为单要素线性分析ꎬ具有一定的局限性ꎬ缺少多种要素影响下的城市内涝分析以及整体变化趋势分析ꎮ研究应从系统化㊁体系化角度切入ꎬ针对不同区域城市内涝灾害机理进行更为深入的研究ꎬ将气象数据㊁交通数据以及城市下垫面等多源数据与城市内涝紧密联系ꎬ利用多源数据进行定量分析ꎬ探寻多源数据耦合分析下的城市内涝风险规律ꎬ建立实时监测㊁精准诊断㊁动态预警技术路线ꎬ对韧性城市建设中将要或可能出现的内涝风险进行精准预判ꎮ１.基于城市空间三维模型的城市暴雨内涝风险模拟㊀㊀基于城市遥感影像数据㊁气象数据㊁绿地系统㊁水系统㊁建筑物空间容量㊁道路系统以及排水基础设施等多源数据ꎬ将地质地貌㊁大气云图㊁城市空间格局㊁车辆扰动㊁汇水㊁排水等多种要素耦合叠加ꎬ对城市内涝风险区进行不同安全等级划分ꎻ在区域流域－城市－城区多尺度耦合体系中ꎬ利用ＧＩＳ技术㊁遥感技术与水文模拟技术等多种技术ꎬ如结合ＭＩＫＥＦＬＯＯＤ㊁ＳＷＭＭ等城市水文模型对不同重现期下的暴雨径流进行模拟ꎬ用于识别城市内涝风险区或内涝风险点ꎻ基于城市内涝多源数据融合ꎬ运用多种技术方法ꎬ提高数字模型的精确化程度ꎬ为城市内涝风险预警提供数据支撑ꎮ２.基于多源数据的城市内涝风险动态预警在城市内涝风险预警方面ꎬ对城市内涝与多种影响因子之间的内在关联进行深入分析ꎬ并通过数字模型进行定量模拟ꎬ更为系统性地反映城市内涝的综合情况ꎮ除了提取一般影响因子以外ꎬ还需要进一步探寻城市内涝风险的特殊影响因子ꎬ主要包括:①通过气象云图变化数据预测城市空间降雨量ꎬ并利用专业仪器实时监测内涝点的水深与急流风险区ꎻ②通过交通系统中机动车辆行驶对道路积水的扰动ꎬ研究其扰动对降雨径流以及内涝加剧速率的影响ꎻ③通过地面建筑物的１８４㊀㊀㊀㊀沈阳建筑大学学报(社会科学版)第２５卷空间容量与特征对雨水径流的影响ꎬ识别城市内涝风险区范围边界ꎻ④研究城市地表(绿地㊁透水土壤等)自然滞蓄能力对地表径流的减缓影响ꎮ通过将一般影响因子与特殊影响因子叠加综合ꎬ进行周期性变化分析ꎬ得到多情景模型推测结果ꎮ最终基于多源数据进行耦合系统分析与多情景模拟ꎬ运用城市地理㊁水文㊁气象㊁交通㊁规划等学科交叉的动态数据分析方法ꎬ精准识别城市内涝风险区ꎬ实现城市内涝风险实时动态预警ꎮ四㊁结㊀语目前ꎬ针对城市暴雨内涝风险模拟与预警的研究已取得较多成果ꎬ但也存在一定的不足ꎬ从暴雨预报㊁灾损评估向内涝风险动态预警转变仍需要进行深入研究ꎬ对城市微气候变化对降雨量时空变化的影响㊁城市下垫面与内涝风险区的空间关系㊁机动车行驶过程对道路积水扰动后的径流变化等方面学术界尚无相关研究ꎮ在下一步研究中ꎬ将以多源数据－精准分析－动态预警为体系ꎬ针对研究区域的地域化特征ꎬ对城市内涝机理进行更为深入的分析ꎬ提取并叠加多种影响因子ꎬ基于地理㊁水文㊁气象㊁交通㊁规划等学科多源数据进行耦合分析ꎬ在多尺度系统中利用空间三维模型进行多情景模拟ꎬ实现城市内涝风险实时动态预警ꎬ最大程度提升城市的弹性空间ꎬ为韧性城市发展提供新思路ꎮ参考文献:[１]㊀夏军ꎬ翟金良ꎬ占车生.我国水资源研究与发展的若干思考[Ｊ].地球科学进展ꎬ２０１１ꎬ２６(９):９０５－９１５.[２]㊀杨冬冬ꎬ曹磊ꎬ赵新ꎬ等.灰绿基础设施耦合的海绵系统示范基地构建:天津大学阅读体验舱景观规划设计[Ｊ].中国园林ꎬ２０１７ꎬ３３(９):６１－６６.[３]㊀孔锋.我国城市暴雨内涝灾害风险综合治理初探[Ｊ].中国减灾ꎬ２０２１(１７):２３－２７. 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[１７]ＺＨＡＮＧＱＦꎬＷＵＺＦꎬＧＵＯＧＨꎬｅｔａｌ.Ｅｘｐｌｉｃｉｔｔｈｅｕｒｂａｎｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇｓｐａｔｉａｌｖａｒｉａｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｄｒｉｖｉｎｇｆａｃｔｏｒｓ:ｔｈｅｓｔｅｐｗｉｓｅｃｌｕｓｔｅｒａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌａｎｄｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓａｐｐｒｏａｃｈ[Ｊ].Ｓｃｉｅｎｃｅｏｆｔｈｅｔｏｔａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬ２０２１ꎬ７６３:１４３０４１.[１８]ＬＩＮＪＹꎬＨＥＰꎬＹＡＮＧＬꎬｅｔａｌ.Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｆｕｔｕｒｅｕｒｂａｎｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ￣ｐｒｏｎｅａｒｅａｓｂｙｃｏｕｐｌｉｎｇｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｅｎｔｒｏｐｙａｎｄＦＬＵＳｍｏｄｅｌ[Ｊ].Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｃｉｔｉｅｓａｎｄｓｏｃｉｅｔｙꎬ２０２２ꎬ８０:１０３８１２.第２期初亚奇等:题城市内涝风险模拟与预警研究进展及展望１８５㊀[１９]ＣＡＭＩＬＬＡＴꎬＮＯＲＡＳꎬＨＡＲＲＩＫꎬｅｔａｌ.Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｓｔｏｒｍｗａｔｅｒｐｏｌｌｕｔａｎｔｌｏａｄｓａｎｄｓｏｕｒｃｅａｒｅａｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｗｉｔｈｓｔｏｒｍｗａｔｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ(ＳＷＭＭ)[Ｊ].Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍａｎａｇｅｍｅｎｔꎬ２０１９ꎬ２３３:７１９－７２７. [２０]王慧亮ꎬ吴泽宁ꎬ胡彩虹.基于ＧＩＳ与ＳＷＭＭ耦合的城市暴雨洪水淹没分析[Ｊ].人民黄河ꎬ２０１７ꎬ３９(８):３１－３５.[２１]施露ꎬ董增川ꎬ付晓花ꎬ等.ＭｉｋｅＦｌｏｏｄ在中小河流洪涝风险分析中的应用[Ｊ].河海大学学报(自然科学版)ꎬ２０１７ꎬ４５(４):３５０－３５７. 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[２８]纪颖波ꎬ钟炜ꎬ姜腾腾ꎬ等.面向预案响应机制的城市内涝可控及推演机制研究[Ｊ].中国给水排水ꎬ２０１５ꎬ３１(１０):８－１１.ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｏｆＵｒｂａｎＷａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇＲｉｓｋＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＥａｒｌｙＷａｒｎｉｎｇＣＨＵＹａｑｉ１ꎬＷＡＮＧＸｉ２ꎬＣＡＯＸｉａｏｙａｎ２ꎬＳＨＩＴｉｅｍａｏ２ꎬ３(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅꎬＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１００４４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＵｒｂａｎＰｌａｎｎｉｎｇꎬＳｈｅｎｙａｎｇＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１０１６８ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｔｉａｌＰｌａｎｎｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎꎬＳｈｅｎｙａｎｇＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１０１６８ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｕｒｂａｎｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇｒｉｓｋｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｂａｓｉｓｆｏｒｇｕｉｄｉｎｇｕｒｂａｎｄｉｓａｓｔｅｒｒｅｄｕｃｔｉｏｎ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｖｉｅｗｏｆｒｅｌｅｖａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄꎬｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｕｒｂａｎｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇｒｉｓｋｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｎｅｅｄｓｔｏｂｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｆｒｏｍｔｗｏ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｌａｎｅｍｏｄｅｌｔｏｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｐａｃｅｍｏｄｅｌꎬａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｃｕｓｎｅｅｄｓｔｏｂｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｆｒｏｍｒａｉｎｓｔｏｒｍｆｏｒｅｃａｓｔａｎｄｄｉｓａｓｔｅｒｌｏｓｓａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｔｏｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇｒｉｓｋｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇ.Ｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄꎬｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈａｒｅｓｅａｒｃｈｓｙｓｔｅｍｏｆｍｕｌｔｉ￣ｓｏｕｒｃｅｄａｔａ￣ｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ￣ｄｙｎａｍｉｃｗａｒｎｉｎｇ .Ｆｕｒｔｈｅｒꎬａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｇｉｏｎａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａꎬｖａｒｉｏｕｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓａｒｅｅｘｔｒａｃｔｅｄａｎｄｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄꎬａｎｄｍｕｌｔｉ￣ｓｏｕｒｃｅｄａｔａｏｆｕｒｂａｎｇｅｏｇｒａｐｈｙꎬｈｙｄｒｏｌｏｇｙꎬｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙꎬｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎꎬｐｌａｎｎｉｎｇａｎｄｏｔｈｅｒｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅｓａｒｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｆｏｒｃｏｕｐｌｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓ.Ｉｎｔｈｅｍｕｌｔｉ￣ｓｃａｌｅｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｓｐａｔｉａｌｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｉｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｍｕｌｔｉ￣ｓｃｅｎａｒｉｏｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇｒｉｓｋꎬｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｏｆｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇｒｉｓｋꎬａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｎｅｗｉｄｅａｓｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒｅｓｉｌｉｅｎｔｃｉｔｉｅｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｕｒｂａｎｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ:ｒｉｓｋｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ:ｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ:ｒｅｓｉｌｉｅｎｔｃｉｔｉｅｓ(责任编辑:王丽娜㊀英文审校:林㊀昊)。

模拟雨水下渗实验，探究城市内涝问题

模拟雨水下渗实验，探究城市内涝问题作者：罗婵娟罗媛媛韩恩来源：《广东教学报·教育综合》2021年第127期【摘要】本文从不同地表性质对下渗的影响，这个角度分析，通过对比实验让学生更好的明白城市内涝产生的机理，以及会分析用到的相关地理原理知识，并且能够培养学生观察探究能力。

【关键词】城市内涝;下渗;地理实验一、设计理念《普通高中地理课程标准（2017版）》指出考察、实验、调查等是地理学重要的研究方法，也是地理课程重要的学习方式。

《义务教育地理课程标准》强调地理课程要具有实践性。

地理课程含有丰富的实践内容，包括图表绘制、学具制作、实验、演示、野外观察、社会调查和乡土考察等，是一门实践性很强的课程。

不管是初中还是高中地理课程标准中都强调了地理实验的重要性。

《义务教育地理课程标准（2011版）》强调生活性的地理。

地理课程内容紧密练习生活实际，突出反应学生生活中经常遇到的地理现象和可能遇到的地理问题，有助于提升学生的生活质量和生存能力。

因此，选取生活中常见的城市内涝现象作为探究问题。

城市内涝的原因主要有三个：一是城市所在区域多暴雨。

二是城市化发展迅速，排水设施跟不上城市化的发展，或者部分老城市排水设施老化。

三是城市大面积土地地表硬化。

由于城市内涝的致灾因素的多样性，如降水强度的大小，降水持续时间的长短，下垫面性质，地形坡度等，加之学生综合思维能力薄弱，因此本实验选取下垫面性质的变化对下渗的影响这个角度来进行设计实验。

二、地理实验方案设计（一）地理实验原理1.水循环：水循环的环节包括水汽输送、降水、地表径流、下渗、地下径流、蒸发和植物蒸腾，在这些环节中最容易直接受到人类干扰的是下渗环节和地表径流环节、进而影响其他的环节。

2.植被的功能：具有涵养水源，减缓地表径流，保护地表土壤的功能。

植物的根系能够影响土壤中水分的下渗。

3.土壤的功能：土壤具有蓄水功能，土壤越深，且孔隙度越大，土壤蓄水量越大。

（二）地理实验用具根据实验内容，以及选取的实验变量，选择的实验器材有：500ml矿泉水瓶、计时器、量杯、水泥、本地红壤、25cm×25cm的自种草皮、沙土、接水托盘4个等。

极端暴雨下城市内涝模拟与应急响应能力评估

排水系统优化
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。
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研究结论与展望
研究结论回顾
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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

我国暴雨洪涝灾害风险评估研究进展

我国暴雨洪涝灾害风险评估研究进展周月华; 彭涛; 史瑞琴【期刊名称】《《暴雨灾害》》【年(卷),期】2019(038)005【总页数】8页(P494-501)【关键词】暴雨洪涝; 灾害风险评估; 灾前评估; 灾中跟踪评估; 灾后评估【作者】周月华; 彭涛; 史瑞琴【作者单位】中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室武汉430205; 武汉区域气候中心武汉430074【正文语种】中文【中图分类】S42引言据统计，目前全球各种由自然灾害导致的损失，暴雨洪涝灾害所占比重约为40%。

我国是暴雨洪涝灾害最为频发、多发的地区之一，每年汛期暴雨及其引发的洪涝及次生灾害给社会经济发展和人民生命财产安全造成了严重的损失和威胁(葛全胜等，2008；韩平和程先富，2012)。

1998年发生在长江流域的特大洪涝灾害造成的直接经济损失超过1600亿元，死亡人数超过3000人。

2012年7月21—22日，北京遭遇罕见暴雨内涝灾害，190万人受灾，79人死亡，经济损失达百亿元以上。

同年7月，受长江上游地区强降雨影响，三峡水库遭遇建库以来的最大洪峰7.12×104m3·s-1，国家防总启动防汛Ⅱ级应急响应，四川、重庆分别转移群众15万人和6.6万人。

2016年汛期我国暴雨洪涝灾害南北齐发，长江流域发生1998年以来最大洪水，全国有26省(区、市)1192县遭受洪涝灾害，受灾人口3282万人，直接经济损失约1470亿元，与2000年以来同期均值相比，直接经济损失偏多51%。

目前暴雨及其诱发的灾害已成为中国实现可持续发展的严重障碍。

受天气气候、地形地貌、区域地质、植被覆盖等自然因素及社会经济发展、防洪抗洪设施等社会因素的共同影响，暴雨洪涝灾害的成因变得极为复杂，其发生具有很强的随机性和不确定性。

为了分析评估暴雨洪涝灾害发生的可能性及可能造成的损失，尽可能减小灾害所造成的危害，如何有效地开展暴雨灾害风险评估与区划等研究工作日益受到相关学者和政府部门的重视，成为当前研究热点问题(高庆华等，2007；章国材，2013；Yin et al.,2015)。

基于水力模型的城市大型调蓄湖泊退水时间测算方法

基于水力模型的城市大型调蓄湖泊退水时间测算方法
肖君健
【期刊名称】《城市道桥与防洪》
【年(卷),期】2024()5
【摘要】调蓄湖泊在城市内涝防治中发挥着重要作用。

当城市遭遇多场长历时强降雨时,若调蓄湖泊未及时腾空库容而漫溢,易引发系统性内涝灾害。

为评估调蓄湖泊应对多场长历时强降雨时的防灾韧性水平,结合武汉市实际,提出了湖泊退水时间评价指标。

以武汉市最大的3个湖泊水系为例,基于构建的湖泊水系水动力模型,模拟了100 a一遇不同超长历时设计降雨下的重点湖泊水位变化。

结果表明:遭遇1 d设计降雨时,汤逊湖、东湖模拟最高洪水位均未超过控制最高水位,但退水时间较长,分别达到9 d、3 d+6 h;退水期间,再次遭遇强降雨时,存在较大内涝风险。

该研究可为平原河网地区排涝标准的制定及排涝设施规模的设计提供参考。

【总页数】4页(P141-143)
【作者】肖君健
【作者单位】武汉设计咨询集团有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU992
【相关文献】
1.基于时间序列的大型灌区日退水量预测模型研究
2.基于水力模型的雨水调蓄泵站规模确定
3.基于水力模型的城市雨水调蓄池设置研究
4.基于水力模型的合流制溢流调蓄池运行效能评估
5.基于水力模型的深层调蓄隧道系统提标方案优化
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武汉城市强降水内涝仿真模拟系统研制

增大。因此，用科学方法建立城市暴雨洪涝监测、采预
拟对象。基本控制方程以平面二维非恒定流的基本方
程为骨架。同时，对小于离散网格尺度的排水渠针
报、害风险评估一体化降水内涝仿真模拟系统研制
陈波，光柳冯
（国气象局武汉暴雨研究所，汉４０７）中武３０４
摘
要：通过采集武汉市城市地理、道地形、程设施、象监测、河工气防洪调度等基础空间信息，建完整的武汉市暴雨内构
涝数学模型，映了降雨量分布、汇流原理、面流、反产地河道明渠流、流等多种工程情况及其相互连接问题。外，择典堰此选
型的暴雨个例作为降雨边界条件，人模型中进行计算。模型的计算结果和实测结果进行比较，析两者的绝对误差及代将分
计算模型的开发上．最有代表性的是美国城市暴雨雨
水管理模型（ＷＭＭ）对城市排水系统有很强的模Ｓ嘲，
映城市暴雨径流的特点。模型应用有限体积法【的该】思想，用无结构不规则网格设计计算区域［。网格采１４１可以设计成三边形、四边形或五边形。网格各边定义成通道。其法线方向可为任意方向。图１示。照如所按

武汉市排水防涝专项规划的编制实践

车行入口高程高于周边地面0.2米以上人行入口高程高于周边地面0.45米以上
第三届城市排涝与雨洪利用技术研讨会—交流材料
三、规划的主要内容
（二）防涝系统
到武汉来看海！
第三届城市排涝与雨洪利用技术研讨会—交流材料
一、规划编制的背景
其后，北京、成都、南京、广州等特大城市相继出现严重的城市内涝问题，城市排水防涝问题需要提高到一个新的高度来审视、检讨、应对。 7月3日—成都 7月18日—南京
武汉市政府提出，用3年时间使武汉市的排水防涝能力有显著提高。
• 排水设施
可实施性评价
• 蓄水设施
社会接受程度
• 调度维护
第三届城市排涝与雨洪利用技术研讨会—交流材料
三、规划的主要内容
（二）防涝系统
采用的（递进模式）：
源头控制
径流控制竖向控制
排水设施
（含湖泊调蓄）
模型评估
其他工程
调度维护
第三届城市排涝与雨洪利用技术研讨会—交流材料
三、规划的主要内容
控制目标
新建一般地区与传统方式相比下降30%以上已建待改造区域比改造前下降20%以上已建保留地区下降10%左右
第三届城市排涝与雨洪利用技术研讨会—交流材料
三、规划的主要内容
（二）防涝系统
1. 径流控制控制途径（源头控制部分）
规划阶段：在规划用地条件中，增加径流系数控制要求设计阶段：在设计方案审查中，增加径流系数核定环节验收阶段：在项目竣工验收中。增加径流控制工程的验收内容已建保留地区：政府示范项目及政策支持推进
用地类别代码 R A B M W S、U G 控制径流系数上限其他地区湖泊汇流范围内二环线以内二环线以外 0.5 0.6 0.5 0.5 0.6 0.5 0.5 0.65 0.6 0.5 0.65 0.6 0.5 0.65 0.6 0.5 0.65 0.6 0.15 0.2 0.15 0.15 0.2 0.15

基于SWMM技术的雨水系统仿真模型研究

基于 SWMM技术的雨水系统仿真模型研究摘要：近年來，由于气候变化，城市暴雨及连续性强降雨频率增加，同时由于城市下垫面条件改变等原因，导致因城市降雨强度及地表径流量超出雨水管网排水能力引起的城市道路积水现象严重且频繁发生，对道路交通、行人安全造成了很大危害。

城市道路积水深度过大，容易造成车辆熄火、引发交通拥堵和通行困难，存在造成人员伤亡及经济损失的隐患。

因此，加强对城市道路积水点分析及监测，对新建、改建道路进行洪水影响分析，合理有效地安排潜在积水点应急排水设施及抢险措施，缓解因道路积水造成的交通压力及消除不安全因素是非常必要的。

关键词：SWMM;路面积水;内涝分析1引言采用SWMM模型对新建道路进行内涝分析，确定新建道路潜在积水点，适时调整管网及道路设计方案确保方案经济合理，并具可实施性;根据分析结果，对潜在积水点进行实时监测，并制定预警方案，一旦发生超标准洪水致使路面积水发生内涝，可迅速做出应急抢险反应，降低危害发生，减小经济损失。

同时，在分析结果的基础上，道路设计方案要综合考虑透水铺装、绿化隔离带、雨水调蓄水池、初雨设施等措施，使降雨尽可能就地消纳或蓄存起来加以利用，减小项目区外排水量，减轻项目建设对周边环境的影响，降低内涝风险。

项目实施前对建设方案进行洪水影响分析，避免外水对本项目的威胁，降低项目建设对周边环境影响，避免经济损失。

2ＳＷＭＭ的原理ＳＷＭＭ主要由径流模块、输送模块、扩展输送模块和贮存处理模块等４个计算模块以及用于统计分析和绘图的一个服务组成，可以根据输入的降雨量、土壤条件、土地利用等资料模拟完整的城市降雨径流过程，输出任何断面的流量过程线和污染过程线ＳＷＭＭ的核心模拟过程包括：地表产流过程、地表汇流过程、管网汇流过程、水质模拟过程。

其中地表产汇流模块综合处理各子流域所产生的降水、径流和污染负荷；管网汇流模块则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等进行传输。

该模型可以模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水质和水量，以及每个管道和河道中水的流量、水深及水质等情况。

基于系统动力学的城市内涝灾害应急管理模型

基于系统动力学的城市内涝灾害应急管理模型下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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