城市暴雨沥涝数学模型的研究与应用

为解决城市沥涝问题,以二维非恒定流方程为基本控制方程,按照水量平衡法改进的有限体积法思想,结合城市复杂的汇流特点,提出了一种分区分层的计算模式,构建了二维城市暴雨沥涝数学模型,包含了社区汇流、路网汇流、管网汇流和河道汇流4个计算模块。以天津市示范区段为研究对象,依次模拟了2009—2015年10次降雨过程,分析对比了验证点积水水位和湘江道的津河液位。模拟结果显示,河道液位模拟值与实测值变化趋势基本一致,两者平均值之间的误差均＜10 cm, 表明了模型具有一定的计算精度,可用于城市内涝监测预报,同时也为城市暴雨沥涝数学模型研究提供了新的方法和思路。     

南方平原河网区城市内涝的全过程监测与特征分析

南方平原河网区中普遍存在由堤防、闸坝以及泵站形成的高度城镇化圩区,圩区内受降雨过程和泵站启闭影响的城市内涝特征和模拟方法仍有待探索。本文以常州市城市产汇流与内涝实验基地为对象进行了降雨、管道及河道水位流量等全过程长期监测,并通过布设水位计和视频监控设备进行城市内涝积水深度和范围自动监测。监测数据表明圩区内管网和河道流动性很差,管网长期处于淹没状态,监测期间管道水深有75%时间大于0.76 m;在检查井未发生溢流冒水现象时,仍然会发生内涝积水且主要集中在雨篦子周围道路低洼处,其深度和范围主要受到降雨过程、地形、雨篦子收水能力和泵站启闭的影响;开启泵站在增大管网排水能力的同时也在一定程度上削减了内涝积水范围。因此,根据降雨预报与内涝积水实时监测信息及时调控圩区水位可以有效缓解内涝积水情况,在模拟城市内涝时也不应忽略雨篦子收水能力和泵站启闭对内涝过程的影响;本研究可为构建城市内涝全过程在线监测平台提供参考,也能为城市内涝过程的概化模拟方法提供依据。     

城市构筑物暴雨内涝分层模拟技术及应用

气候变化和城市快速发展,导致我国城市洪涝问题日益突出。城市洪涝模拟是当前城市洪涝灾害风险管理领域研究热点,但国内外依然缺乏针对城市多层构筑物的精细模拟技术和方法。城市立交桥,是一种典型的城市多层构筑物,极易遭受洪涝灾害,并对城市交通造成严重影响。以城市立交桥为代表,在现有全分布式城市暴雨内涝模型基础上,结合城市立交桥的特点,提出一种分层模拟技术,并从网格分层构建、分层产汇流计算、地表与管网分层耦合和上层网格排水等方面详细阐述了分层模拟技术。将该分层模拟技术应用于深圳市罗芳立交桥2018年“8.29”暴雨积水过程模拟,与单层模拟方法相比,多层模拟结果更接近上报积水信息。研究表明,分层模拟技术更能准确表达城市复杂多层建筑物的实际暴雨内涝过程。     

基于SWMM模型的城市内涝模拟——以广州市海珠区为例

城市内涝模型是当前城市内涝预警的主要技术手段，然而现阶段的城市内涝模型精度不高且较为复杂，因此建立一个精度高且简便的内涝模型是急需解决的重点问题。以SWMM一维模型作为研究基础，针对广州市海珠区历史内涝点建立内涝模型，实现了对城市内涝深度的模拟分析。结果表明，模型可准确推断出内涝等级及积水深度，实现对内涝积水的预警预报作用。该模型简化了传统复杂的地表二维模型，将暴雨对内涝积水点的影响转化为暴雨与管网之间的关系，大大减少了计算量。     

不同重现期下的银川市金凤区暴雨径流模拟研究

可视化地模拟城市暴雨径流可以揭示不同重现期下城市汇水区径流、节点溢流、管网排水和内涝风险的时空规律。以银川市金凤区中部为研究区,基于地理信息系统技术和SWMM模型,模拟了不同重现期下的子汇水区径流、排水管网排水能力和城市内涝风险。结果表明,总降雨量、地表蓄水量、地表径流量、径流系数均随重现期增加而增加,节点积水深度、积水时间、积水面积、内涝高风险区域面积、管网的最大满流深度和满流时长与降雨强度呈正相关关系,节点溢流主要分布在地势低洼、汇流面积较大、人口密集、不透水面积较大的地区。利用地理信息系统和SWMM能可视化地模拟不同重现期下的城市暴雨径流,评估排水管网的排涝能力和城市内涝风险,研究成果可为城市管网维护、内涝灾害防治和海绵城市建设提供借鉴。     

基于MIKE URBAN的广州市东濠涌片区暴雨内涝模拟研究

随着城市化的不断发展,城市暴雨内涝灾害趋于严重。为了减少由此带来的经济损失和人员伤亡,对城市内涝灾害开展研究具有重大的实际意义。以广州市越秀区东濠涌排涝片区为研究对象,基于MIKE URBAN构建了能够模拟外江潮汐、内河涨退水、地面积水和管网排水过程的城市暴雨内涝模型,采用2011、2014年2场暴雨对模型模拟效果进行了检验,并以2011年"10·14"暴雨为应用实例,模拟了暴雨与珠江潮水遭遇、河道水位改变、湖泊汛期正常蓄水位改变等不同情况下的内涝积水情况,初步分析了区域内涝成因。研究结果表明该模型能够较好地模拟区域城市内涝积水情况,可有效分析城市暴雨内涝成因,可为城市内涝治理和内涝风险评估提供一定的参考。     

基于SWMM模型的葫芦岛市内涝交通影响分析

城市内涝是影响城市交通的最主要因素之一。本文以葫芦岛市"7·20"特大暴雨为例,应用SWMM雨洪模型模拟了龙港区龙湾公园附近的内涝积水情况,得到了研究范围内各个节点的积水深度过程曲线;提出交通影响度的概念,将积水深度曲线模拟数据输入至SUMO的交通仿真模拟平台,得到代表节点的交通影响度变化过程曲线。结果表明:计算的内涝积水深度和交通影响度与实际情况较为接近,为内涝情况下交通处理预案的制定提供了依据。     

内涝积水对城市交通路网邻域拓扑势的影响

为定量分析内涝积水对城市路网交通运行的影响，开展内涝积水下城市交通路网邻域拓扑势研究。首先，利用对偶拓扑方法将路段映射为点、交叉路口映射为边，构建城市路网的对偶拓扑图；其次，根据势函数原理，厘定节点间最短拓扑距离、地势高差传递权值、路网对偶节点吞吐量、势场影响因子等参数，构建内涝积水对城市交通影响的路网邻域拓扑势模型，并采用黄金分割优化算法对模型进行求解；最后，以宜昌市西陵区易涝地段为例，分析不同积水深度下城市路网拓扑势的演化趋势。结果表明：积水深度达到15 cm以上时，各路段拓扑势下降大于20%;随着高峰和平峰时积水深度的增大，节点拓扑势从平缓波动到急剧下降；从节点间的拓扑势值排序可以看出，积水路段西陵一路与一级领域的路段之间的拓扑势最大，而和其他路段之间的拓扑势随着距离的增加而减小。研究揭示了内涝积水对城市交通路网邻域拓扑势的影响规律，可为城市内涝治理及交通管制提供理论依据。     

基于Mike Urban的高度城市化地区内涝交通风险分析

近年来,在高速城市化和气候变化的共同作用下,区域极端降雨造成城市内涝频繁发生,引起了道路积水、交通拥堵等诸多不利影响,及时开展城市内涝预警管理非常必要,而数值模拟则是科学分析内涝特征的重要技术手段。以珠海市香洲区吉大—拱北街区为研究区,基于管网数据和实测积水数据构建了Mike Urban区域排水管网模型;以此为工具,模拟了不同重现期条件下研究区排水管网的溢流情况,在解析易涝路段数量及其积水深度的基础上评价了区域的内涝程度;同时应用速度衰减曲线模型得出不同积水深度下的行车速度衰减程度,进而评价得出区域易涝路段中交通拥堵的高风险区域和受影响的公交线路。研究成果可为城市市政管理部门在强降雨情况下完善公交调度和发布道路行车预警提供技术支撑和决策参考。     

基于InfoWorks ICM模型的北京市东城区海绵城市改造效果分析与研究

以北京市东城区为研究区,基于InfoWorks ICM模型开展海绵城市改造效果分析研究,通过2018年8月11日、12日的场次降雨实测流量过程、积水深度来验证模型的适用性,对研究区降雨重现期为1 a、3 a、5 a和10 a的管网排水能力评估发现,引起研究区内涝频发的主要原因有:研究区管网排水能力普遍偏低、不透水下垫面面积占比高、局部微地形低凹等因素。通过模型模拟发现,当研究区内的新建、改建项目按照《雨水控制与利用工程设计规范》(DB 11685-2013)中要求实施后,排水能力不足1年一遇管网长度比例减少12%,1年一遇至3年一遇、大于10年一遇管网长度比例提高了2%、10%。"2016.7.20"场次暴雨的内涝积水模拟结果显示,改造后内涝最大积水深度减小了0.31 m,积水范围减小了8.67 hm~2,积水总量减少了3.22万m~3。     

石家庄市暴雨内涝精细化水动力模型应用

近年来石家庄市极端天气逐渐增多,局部短历时强降雨的发生愈加频繁,造成城区大范围积水,损失严重。基于高精度DEM数据,采用小尺寸结构化网格建立石家庄市暴雨内涝精细化水动力模型。模型精确反映了房屋建筑、城市道路、立交系统和排水渠系等典型城市地物;采用分区径流系数和糙率体现不同下垫面的影响;通过将排水分区精细划分至各雨水干管实际控制街区模拟管网实际排水过程,并设置点源模拟城市立交泵站。模型高精度地模拟了该市主城区房屋阻水、庭院雨水出流、地道桥等低洼处汇水积涝、路面行涝、管网排水以及泵站抽排水等具有典型城市特征的水流现象,计算统计了城区积涝面积、积水点及积水路段。将该市内涝危险性等级划分为高、中、低三级,结合模拟结果进行风险分析及等级划分,分析结果为石家庄市防涝减灾工作和内涝风险管理提供信息支持,具有重要实用价值。     

基于“内涝点”的城市防洪排涝模式研究

为探究新的城市防洪排涝理念及防洪排涝模式,基于前人积水计算模型研究及城市洪涝灾害特点分析,在对"内涝点"重点治理的城市防洪排涝理念的基础上,建立基于"内涝点"的城市防洪排涝模式。以太原理工大学迎西校区为试验区域,以太原市某次典型降雨为算例,对所建积水计算模型进行验算。结果表明:使用模型计算得到的"内涝点"积水深度和积水历时均与实测资料符合,由此验证了模型的合理性。     

基于示踪方法的沿海城市内涝防灾方案研究

针对沿海城市日益突出的内涝灾害防治需求,开展基于示踪方法并考虑复杂河网系统水量交换的城市内涝防灾方案研究,以排水分区为分析单元,构建耦合示踪方法的城市内涝模型,显性化城市排水分区间复杂的水量关联性.以海口市龙昆沟排水系统为例,采用PCSWMM构建耦合示踪方法的城市内涝模型,结果表明:模型可定量识别内涝积水来源,得到不同...     

基于城市洪涝仿真模型的天津中心城区内涝特征分析

摸清城市内涝特征是内涝风险管理、防涝应急决策的重要基础。水动力学数值模型是研究城市内涝特征的重要手段。以天津中心城区为研究区,针对超大城市下垫面地物密集、排水系统庞大等特征,基于阻/导水通道、等效管网模拟技术,在不加密网格的基础上,构建可体现顺街行洪、构筑物挡水、全部干支管网排水作用的城市内涝模型,模拟了不同重现期暴雨下天津中心城区的内涝情况。结果表明：研究区在遭遇10 a、20 a、50 a、100 a一遇暴雨情景下,区内最大积水量达1 967.1万～4 011.0万m³,将有20.2%～49.1%的地区产生积水,其中,22.7%～40.3%的淹没区水深超过30 cm。积水道路长193.5～317.5 km,其中,主干道占46.3%～50.5%。31.7%～57.3%的积水道路水深超过30 cm,其中,主干道有28.7～85.9 km。内涝主要分布在老城区内的地势低洼区及环老城区的排水管网空白区,积水道路主要分布在老城区内高程较低的路段。     

基于Green-Ampt和稳渗不同入渗模型下的城市内涝影响数值模拟

为分析Green-Ampt和稳渗两种入渗模型对城市内涝的影响,以陕西省西咸新区沣西新城核心区为研究区域,应用基于水文及水动力方法的城市雨洪过程数值模型模拟城市暴雨致涝过程。以Green-Ampt入渗模型计算产流,模拟研究区内涝积水过程,发现计算数据与实测数据吻合度高,内涝积水点均实现精确的模拟。计算了1a、2a、5a、10a、20a、50a6种不同重现期设计降雨在两种不同入渗模型下的内涝积水总量与总面积的变化,结果表明:城市内涝积水达到峰值时,不同降雨重现期下Green-Ampt入渗下相较于稳渗内涝积水总量分别减少28.41%、26.49%、26.39%、21.04%、17.28%、15.02%,Ⅲ级及以上内涝积水总面积分别减少31.5%、28.6%、28.3%、20.7%、16.3%、12.7%。本研究应用不同入渗模型揭示了内涝积水程度在不同降雨重现期下的变化规律,对更合理地开展数值模型模拟以及城市雨洪管理工作具有重要借鉴意义。     

城市内涝应对措施改善效果分析——以清河上清桥为例

近日,城市暴雨内涝事件日渐突显,城市内涝减控成为当今研究的热点和难点。以北京市典型积水区上清桥区域为例,构建城市精细化洪涝模型并验证了其适用性,模拟研究区在增设泵站、管网系统改建、低影响开发措施建设以及闸坝洪水调度4种内涝减控措施条件下的内涝改善情况。分析结果表明,增设泵站的改善效果最好,管网改建和海绵措施的改善效果相似,闸坝洪水调度改善效果最小;海绵措施建设在内涝积水面积方面改善效果显著;添设泵站和改建管网在内涝积水时间方面改善效果显著。     

基于SWMM模型的南京典型易涝区暴雨内涝模拟

选取南京市易涝区—鼓楼区广州路段为研究区,构建基于SWMM的一维雨洪模型,利用南京市2011年"7·18"暴雨资料,模拟暴雨形成的内涝情况,拟合地表积水量与最大积水深度的函数关系,计算得到易涝区积水开始时间、积水持续时间、最大积水深度,并与南京市100年一遇设计暴雨形成的积水过程进行比较。结果表明:提出的快速推算最大积水深度的方法能够较高精度地实时动态计算研究区"7·18"暴雨形成的积水过程,及时有效支撑防洪除涝应急决策;相较于"7·18"暴雨,100年一遇设计暴雨形成的易涝区最大积水深度更深,积水持续时间更长。     

InfoWorks ICM在城市排水系统雨水管网改造中的应用

为解决城市暴雨内涝灾害问题,以宁德市主城区为例,构建了基于Infoworks ICM的城市综合流域排水模型,利用该模型对2、3、5、30a4种不同设计重现期的暴雨情景下研究区域排水管网系统的排水能力和积水深度进行模拟。结果表明,该模型能较好地评估研究区域的排水能力。经模型模拟,采取管网改造方案等综合性措施以后,可降低宁德市主城区内涝风险,保障城市安全。     

苏南运河上游河网区洪水淹涝模型建立及应用

通过创建"滞涝单元"和"内涝单元"两类区域淹涝模拟方法,以苏南运河上游镇江段及其周边河网区域作为研究对象,构建了水文、水动力及洪水淹涝计算模块相互耦合的洪水淹涝模型.以2021年台风"烟花"实况雨水情、工情为基础开展代表站水位过程模拟验证,并针对台风"烟花"影响期间受淹面积及洪涝灾害成因进行分析,为苏南运河上游河网区防...     

城市道路降雨积水深度变化规律模拟研究

伴随着城市现代化进程,城市内涝问题日益突出,我国大部分城市都发生过城市内涝。而专家学者和民众对内涝的认识却存在一定的偏差,很多人没有认识到内涝是由降雨积水发展到一定程度而产生的,把积水和内涝等同。本文基于InfoWorks ICM软件构建了城市道路降雨径流模型,模拟了不同坡度以及不同重现期降雨情况下的道路积水发展过程,阐明了地面积水深度的变化规律和积水与内涝的关系。可帮助人们对于积水内涝过程的理解,也有利于有关部门进行内涝防治工作。