城市洪水风险图编制方法与技术

水文学模型
水力学模型
1D+ 2D-
2D
2D+ 3D
求解二维非恒定流方程组
2D+考虑垂向速度
GIS数字地形技术分析方法
以水体由高向低运动的原理作为计算的 基本依据，所提供计算结果仅能反映洪 水运动的最后状态，不能详细描述洪水 的运动过程。
基本原理
连续方程：
基本方程
h M N q t x y
典型暴雨模拟 “2004.7.10” 暴雨模拟
2004年7月10日各站日降雨量(7-10-8:00-7-11-8:00)
日降雨量(mm)
120 100 83 80 60 40 20 0 29 58 46 30 32 11 12 56 57 77 62 68 57 114 110 101
羊坊闸
松林闸
龙潭闸
20:00 22:00 0:00 2:00
卢沟桥
4:00 6:00 8:00
时间
典型暴雨模拟
“2004.07.10”积水模拟结果表
积水点编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 积水点名称 红军营南路 六郎庄桥 积水潭桥 田村铁路桥 万寿路南延 京原路口 青塔桥 吴家村路 岳各庄桥 丽泽桥 菜户营桥 丰南桥 积水深度(m) 0.332 0.28 0.173 0.452 0.521 0.511 0.227 0.304 0.246 0.193 0.51 0.348 积水点编号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 积水点名称 科丰桥 马家楼桥西 公益桥 肖村桥 十八里店桥 成寿寺桥 永定门桥 红领巾桥 莲花桥 复兴门 阜成门 丰台南路 积水深度(m) 0.248 0.398 0.186 0.282 0.209 0.211 0.241 0.189 0.426 0.264 0.282 0.301
4
对建筑物分布对洪水影响的模拟
面积修正率
H
T 2 DT i
K 2DT 2DTqT DT T DT H Qi Lik 1 AXY Ai (1 AXY) k 1 k T i
DT DT QT vT HT max( AXY j1 , AXY j 2 ) ) j j j (1
(t 11.0911 ) 0.6645
编号 1 2 3 4 5
面积 (km2) 50.98 24.84 34.41 21.26 37.66
设计暴雨强度q [L/(s*ha)] 73.2 73.2 73.2 73.2 73.2 (mm/h) 26.4 26.4 26.4 26.4 26.4
雨水设计 流量 (m3/s) 224.0 109.2 151.2 93.4 165.5
0
4:00
降雨量(mm) 60
6:00 8:00
40
50
时间
10
6:00 8:00
20
30
40
50
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00
时间
降雨量(mm) 60
0
14:00
时间
16:00 18:00
有详细的排水网管分布和排水能力资料时，地下管网内按一维非恒 定流模拟，并与地面二维非恒定流耦合
8
对排水系统的模拟
无详细的排水网管分布和排水能力资料时，按等效的方法将地下排 水系统按虚拟的地下水库模拟 雨水设计流量： Qs qF 济南 1869 .916(1 0.7573lg P)
济南市 q 暴雨强度公式：
东直门
朝阳
龙潭闸
高碑店
右安门
石景山
葫芦垡
崇青
天安门
卢沟桥
黄村
三家店
沙河闸
乐家花园
顺义
10
20
30
40
50
0
8:00
降雨量(mm) 60
12:00
12:00 14:00 16:00 18:00
14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00
8:00 10:00
有限体积法求解 网格形心处计算水位 网格四周通道上计算流量
× × × × × × × × × × × ×
模型结构
数据前处理
城市洪涝仿真模型
主体计算模块
读入数据 文件
初始化
核心计算 模块
运行过程 监控展示
计算结果 输出
运行方式
模型运行方式
验证计算 历史降雨过程输入模型
实时监测计算 实时降雨数据输入模型
洪泛区管理和洪水保险（美国）
1
风险的 确 定
风险图
2
理
规划
风险 评价
转移风险
洪泛区 管
降低风险
评价现有与 未来风险
4
实施 规划
风险信息 发布
3
危险区划
(瑞士、法国等)
红区：高危险 — 禁止开发区 蓝区：中危险 — 限制开发区 黄区：低危险 — 警示区
日本福山市洪水避难地图
避难所 道路易积水点 警察署 开敞避难点
城市暴雨洪水风险分析方法
地形地势分析
洪水风险分析
关键技术 洪水模拟 洪灾损失评估
洪水影响分析
洪水来源分析
洪水淹没分析
洪水频率分析
模拟方法
无法反映区域内各处水力要素值的 差异和变化，如淹没水深、流速、 淹没历时等
维数 1D 描述 求解一维圣维南方程组 1D+河网外洪水存储单元 2D-动量方程 已有的软件 Infoworks RS(ISIS), Mike 11, HECRAS Infoworks RS(ISIS), Mike 11, HECRAS LISFLOOD-FP TUFLOW, MIKE21, TELEMAC 中国水科院的城市洪涝仿真模型 TELEMAC 3D CFX, FLUENT, PHEONIX
模 型 的 特 点
3 4 5
6
7
对阻水建筑物的模拟
对防洪工程体系的模拟
模型特点
8 9
对排水系统的模拟 对城区暴雨顺街行洪的模拟 对地下空间的模拟 对降雨、外洪、高潮位遭遇的模拟 对外部汇流的模拟 对洪水漫溢和堤防溃决的模拟
模 型 的 特 点
10 11 12 13
1
对降雨时空分布不均匀特征的模拟
模型采用距离加权反比插值法，
•技术先进
•应用广泛
美国、日本、欧洲等已 形成完备的风险图编制 技术规范和标准
•投资充足
风险图已被广泛应用于 洪水保险、洪水避难、 土地利用管理、公众风 险意识提高等方面
上海市世博园区洪水风险图—暴雨积水
：>0.50m ：0.30~0.50m ：0.15~0.30m ：0.05~0.15m
上海市洪水风险图-暴雨积水及撤离安排
“2004.07.10”模拟结果图
设计暴雨方案
依据北京市区防洪排水规划（1995年版），北京市城区雨水灌渠规划设 计采用的暴雨强度公式是1980年北京市市政设计研究院在收集整理40 多年降雨资料的基础上推导出来的，公式为：
2001 (1 0.811lg P) q (8 t ) 0.711
各设计重现期1小时降雨历时的暴雨强度及降雨量 P(年) 1 2 3 5 t(分钟) 60 60 60 60 q(mm/min) 0.60 0.74 0.83 0.94 1小时段降雨量(mm) 35.9 44.6 49.7 56.2
各设计重现期2小时降雨历时的暴雨强度及降雨量
P(年) 1 2 3 5 t(分钟) 120 120 120 120 q(mm/min) 0.38 0.47 0.53 0.60 2小时段降雨量(mm) 45.7 56.9 63.4 71.7
黄浦江溃堤
应用实例
上海
北京
实例1 —北京市城区暴雨积水模拟
研究范围
模型的建立
典型暴雨模拟
设计暴雨方案设定与模拟
研究范围
模型的建立
网格：9640 通道：20094 节点：10455 总面积： 约1000km2 网格平均面积： 约0.1km2
模型的特点
1、考虑降雨分布时空的不 均匀型特征 2、改进主要道路积水模拟 方法 3、图形化模型计算界面 4、动态显示降雨过程、道 路和区域的积水变化过 程 5、动态显示模型相关统计 参数
城市洪水风险图编制方法与技术
李 娜 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心 中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究所 二〇一二年十一月 中国深圳
洪水风险图
洪水风险图是反映洪水风险大小的地图，是一种有 效的非工程措施

洪水灾害风险公示 调整土地利用规划 实施洪水管理的基础 调整城市规划 指导城市防洪排涝规划 开展洪水保险的依据
预报计算 预报降雨信息输入模型
排水管网、闸门、 泵站工作状况 运行仿真模型
排水管网、闸门、 泵站工作状况
运行仿真模型
设定排水管网、闸 门、泵站工作状况
运行仿真模型
计算结果后处理，并与实测 积水资料对比，修正误差
计算结果后处理
计算结果后处理
模型特点 1 2 对降雨时空分布不均匀特征的模拟 对河道洪水的模拟 对地形的模拟 对建筑物分布对洪水影响的模拟 对土地利用的模拟
树丛 0.065
道路 0.035
空地 0.035
河道 0.025-0.035
6
对阻水建筑物的模拟
街道 立交路段
济南
小清河堤防
阻水建筑物
按堰流公式计算
铁路 堤防
胶济铁路
红色代表阻水通道 蓝色代表内河河道通道 灰色代表道路通道 绿色为普通通道
7
对防洪工程体系的模拟(堤防和闸门)
上海
8
对排水系统的模拟
M (uM ) (vM ) Z n2u u 2 v 2 gh g 0 动量方程： 1/ 3 t x y x h
N (uN ) (vN ) Z n 2v u 2 v 2 gh g 0 1/3 t x y y h
采用非结构不规则网格对区域进行离散
排水体积 （万m3） 161 79 109 67 119
9
对城区暴雨顺街行洪的模拟
城市中的道路作为特殊通道处理 普通节点 特殊河道节点 特殊道路节点 外河河道内通道 特殊河道通道 特殊道路通道 阻水型通道（堤防） 特殊河道通道的水位计算单元 特殊道路通道的水位计算单元
9
对城区暴雨顺街行洪的模拟
北京 道路积水
5
对土地利用的模拟
网格类型
河道型 湖泊性 普通型
网格产流系数
按空间地表的不同情况线性内插，设在基本不透水 区域产流系数为0.9，天然植被集水区域为0.5，其 余部分按不透水面积比例（即面积修正率）线性内 插，其计算基本公式为：
CIM 0.5 (0.9 0.5) AXY
网格糙率
wenku.baidu.com
下垫面 糙率(n)
泥石流危险区
日本福山市海啸风暴潮风险图
福山市洪水避难地图宣传手册
发达国家风险图特点
美国在《防洪法》、《洪 水保险法》等法律法规中 明确要求制作风险图
•起步较早 •法规健全 •标准完善
美国自上世纪50年代开 始风险图编制
水力学模型、GIS技术、 网络技术等得到广泛应用
美国联邦政府投入约20亿 美元用于风险图编制与更 新，单价约为4000-6000 美元/km2
9
对城区暴雨顺街行洪的模拟
济南 道路流速
10
对地下空间的模拟
11
对降雨、外洪、高潮位遭遇的模拟
作为边界条件处理
12
对外部汇流的模拟
入口边界条件
9处边界入流
通过水文模型计算
13
对洪水漫溢和堤防溃决的模拟
模型前处理时设置相关参数
模型运行时实时设置相关参数
13
对洪水漫溢和堤防溃决的模拟
黄浦江漫溢
22:00 0:00 2:00 4:00
6:00
20 30 时间 25
降雨量(mm) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
8:00 10:00
10:00
天安门
石景山
20:00 6:00 8:00
降雨量(mm) 45 40 时间 35 30 25 20 15 10 5 0
10
15
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00
降雨量(mm) 35
0
5
8:00
12:00 14:00 16:00 18:00
松林闸
20:00 22:00 0:00 2:00
10 20 30
8:00 10:00 12:00
右安门
将离散的雨量站降雨量通过处理，
得到模型每个网格形心处的降雨 数据
2
对河道洪水的模拟
河道型网格
普通节点 特殊型河道节点 河道型通道 特殊型河道通道 阻水型通道（堤防） 特殊型通道的水位计算单元 水流方向
特殊河道型通道
矩形断面
3
对地形的模拟
模型采用无结构不规则网格对研究区域进行离散，网格布置更为灵 活，能更准确地反映计算域的地形特征。 网格高程可由DEM数据或高程点数据自动插值获得 济南
济南市洪水风险图—道路积水
佛山市内涝预警系统--禅城区内涝积水风险图绘制
全国洪水风险图 2005年，36个区域开展了洪水风险图编制试点 2008年6月-2011年5月，全国洪水风险图编制（一期）
•《洪水风险图编制导则》
•洪水风险分析软件 •洪水风险图绘制和管理系统
•20个试点区域洪水风险图
2011年8月，全国洪水风险图编制试点（二期）