（水工結(jié)構(gòu)工程專業(yè)論文）濟(jì)南市城市洪水?dāng)?shù)值模擬研究.pdf

原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下， 獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本 論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。 對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方 式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名：連 日期：絲芝：s 乏廣 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同 意學(xué)校保留或向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子 版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論 文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、 縮印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 敝儲虢船燧名鷲日期：地a 討 l i i i l l ：； l 4 ! ； 7 7 1 4 1 研究內(nèi)容7 1 4 2 技術(shù)路線8 2 城市洪水?dāng)?shù)值模擬的理論和方法9 2 1 理論基礎(chǔ)9 2 1 1 水流運(yùn)動規(guī)律的研究方法9 2 1 2 一維水動力模型9 2 1 3 二維水動力模型1 0 2 2m i k ell 水動力學(xué)原理1 1 2 3m i k e2 1 水動力學(xué)原理1 7 2 3 1 控制方程17 2 3 2 控制方程數(shù)值離散方法18 2 3 3 有限差分方法2 0 2 3 4 定解條件2 2 2 4m i k ef l o o d 耦合原理2 3 2 4 1 標(biāo)準(zhǔn)連接2 3 2 4 2 側(cè)向連接2 4 l 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 研究區(qū)域概況2 5 3 1 模擬區(qū)域介紹2 5 3 1 1 地理位置2 5 3 1 2 地形地貌2 5 3 1 3 水文氣象2 6 3 1 4 流域水系2 6 3 2 濟(jì)南市暴雨洪澇災(zāi)害成因分析2 7 3 2 1 自然因素2 7 3 2 2 人為因素2 8 4 濟(jì)南市洪水演進(jìn)模型的建立3 0 4 1 一維模型的建立。3 0 4 1 1 模擬計(jì)算區(qū)域3 0 4 1 2 河網(wǎng)概化31 4 1 3 降雨徑流模型的建立3 l 4 1 4 模型參數(shù)3 8 4 1 5 模型的率定3 9 4 1 6 結(jié)果分析。4 0 4 2 二維模型的建立4 0 4 2 1 基礎(chǔ)資料4 0 4 2 2 模擬計(jì)算區(qū)域4 1 4 2 3 地形概化4 2 4 2 4 網(wǎng)格劃分4 3 4 2 5 降雨徑流4 5 4 2 6 初始條件4 5 4 2 7 邊界條件4 6 4 2 8 模型糙率。4 6 4 2 9 模型參數(shù)敏感性分析算例4 7 4 2 10 模型驗(yàn)證5 5 4 3 一二維耦合模型的建立5 9 i t 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 3 1 模型設(shè)置5 9 4 3 2 降雨徑流6 0 4 3 3 初始條件6 l 4 3 4 邊界條件6 1 4 3 5 結(jié)果分析6 1 4 4 結(jié)論6 7 5 濟(jì)南市城市雨洪預(yù)警系統(tǒng)預(yù)案庫建立6 9 5 1 洪水仿真預(yù)案庫設(shè)計(jì)6 9 5 1 1 設(shè)計(jì)依據(jù)6 9 5 1 2 預(yù)案類型設(shè)計(jì)6 9 5 1 3 預(yù)案主要內(nèi)容7 0 5 2 雨型設(shè)計(jì)及降雨過程展布方法研究8 0 5 2 1 實(shí)際雨型8 0 5 2 2 設(shè)計(jì)雨型8 1 5 3 樣本方案簡介8 3 5 3 1 河道洪水模擬結(jié)果8 4 5 3 2 城區(qū)積水模擬結(jié)果8 6 5 4 結(jié)j 淪8 9 6 結(jié)論與展望9 0 6 1 結(jié)論9 0 6 2 展望9 1 參考文獻(xiàn)9 2 致 射9 5 i l i 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e a b s t r a c ti ne n g l i s h i i c h a p t e r1 ：i n t r o d u t i o n 1 1b a c k g r o u n d 1 2h i s t o r ya n ds t a t eo ft h ea r to fu r b a nf l o o dm o d e l i n g 3 1 2 1h y d r o l o g i c a lm e t h o d s 4 1 2 2h y d r a u l i cm e t h o d s 4 1 2 3u r b a nf l o o dm o d e l i n ga th o m ea n da b r o a d 5 1 3 0 b j e c t so ft h es t u d y 7 1 4c o n t e n t sa n df r a m e w o r ko ft h es t u d y 7 1 4 1 ：o n t e n t s 7 1 4 2f r a m e w o r k 8 c h a p t e r2 ：m e h o d o l o g ya n dt h e o r y 9 2 1t h e o r e t i c a lb a s i s 9 2 1 1f l o wm o v e m e n tl a wr e s e a r c hm e t h o d 9 2 1 21 i ) f l o o dm o d e i 9 2 1 32 df l o o dm o d e l 1 0 2 2m i k e1 1h y d r o d y n a m i c sp r i n c i p l e 11 2 3m i k e2 1h y d r o d y n a m i c sp r i n c i p l e 1 7 2 3 1c o n t r o le q u a t i o n 1 7 2 3 2n u m e r i a ld i s c r e t i z a t i o nm e t h o d 1 8 2 3 3f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d 2 0 2 3 4s o l u t i o n - d e t e r m i n i n gc o n d i t o n s 2 2 2 4m i k ef l o o dc o u p l i n gp r i n c i p l e 2 3 2 4 1s t a n d a r dl i n k , ：! ：i 2 4 2l a t e r a ll i n k ：! q i c h a p t e r3 ：o v e r v i e wo ft h er e g i o n 2 5 i v j，11j1。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1i n t r o d u c t i o n 3 1 1g e o m e t i cl o c a l i t y 3 1 2t o p o g r a p h y 2 5 ：! ! ； ： ! ； 3 1 3h y d r o m e t e o r o l o g y 3 1 4r i v e rs y s t e m 3 2c a u s eo fu r b a nf l o o dd i s a s t e r si nj i n a nc i t y 3 2 1n a t u r a lf a c t o r s 3 2 2h u m a nf a c t o r s ：1 6 。2 6 c h a p t e r4 ：f l o o dr o u t i n gm o d e le s t a b l i s h m e n t 4 1i df l o o dr o u t i n gm o d e le s t a b i s h m e n t 2 7 2 7 2 8 ：i o 4 1 1c o m p u t a t i o n a ld o m a i n 3 0 4 1 2n e t w o r k g e n e r a l i z a t i o n 3 1 4 1 3r a i n f a l l r u n o f fm o d e le s t a b l i s h m e n t 3 1 4 1 4m o d e lp a r a m e t e r 3 8 4 1 5m o d e lc a l i b r a t i o n 3 9 4 1 6r e s u l ta n a l y s i s 4 0 4 22 df l o o dr o u t i n gm o d e le s t a b i s h m e n t 4 0 4 2 1b a s i ci n f o r m a t i o n 4 ( i 4 2 2c o m p u t a t i o n a ld o m a i n 4 1 4 2 3t o p o g r a p h yr e p r e s e n t a t i o n 4 2 am e s hg e n e r a t i o n 4 2 5r a i n f a l b r u n o 仃 4 2 6i n i t i a lc o n d i t i o n 4 2 7b o u n d a r ye o n d i t o n 4 2 8r o u g h n e s s 4 2 9s e n s i t i v i t ya n a l y s i so fm o d e lp a r a m e t e r z l ： 4 3 4 5 。4 5 4 6 4 6 4 2 1 0m o d dv e r i f i c a t i o n 5 5 4 31 d - 2 dc o u p l i n gm o d e le s t a b l i s h m e n t 4 3 1m o d e ls e t u p 5 9 v 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 3 2r a i n f a l la n dr a i n o f f 4 3 ：ii n i t i a lc o n d i t i o n 4 3 4b o u n d a r yc o n d i t o n 6 1 4 3 5r e s u l ta n a l y s i s 4 4c o n c l u s i o n6 7 c h a p t e r5 ：e s t a b l i s h m e n to ff l o o dp r e - w a r n i n gs y s t e ma n dp r e - p l a nd a t a b a s e 6 9 5 1p r e - p l a nd a t a b a s ed e s i g n 5 1 1d e s i g nb a s i s 5 1 2p r e - p l a nt y p ed e s i g n 5 1 3m a i nc o n t e n t so f p r e - p l a nd a t a b a s e 6 9 6 9 6 9 7 0 5 2r a i n f a l ld e s i g na n di n t e r p o l a t i n gp r e c i p i t a t i o nm e t h o dr e s e a r c h 8 0 5 2 1a c t u a lr a i n f a l lr e g i m e s 5 2 2d e s i g nr a i n f a l lr e g i m e s 5 3i n t r o d u c t i o no fs a m p l i n gm e t h o d 5 3 1s i m u l a t i o nr e s u l t so fr i v e rf l o w 5 3 2s i m u l a t i o nr e s u l t so fc i t yw a t e r l o g 5 4c o n c l u s i o n c h a p t e r6 ：c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 6 1c o n c l u s i o n 6 2p r o s p e c t r e f e r e n c e s 8 3 泓 8 6 9 0 9 0 a c k n o w l e d g e m e n t v l 9 l 毒，1-_1-11 ， 蓋j 0 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 近年來，由于城市化過程改變了城市區(qū)域的暴雨徑流條件，使得徑流總量增 大，洪峰流量提高，洪峰出現(xiàn)時(shí)間提前；而大部分城市前期規(guī)劃不夠完善，城市 基礎(chǔ)性設(shè)施抗洪能力薄弱，城市洪水災(zāi)害所帶來的直接或間接損失越來越大。城 市洪水淹沒模擬是洪水管理中比較重要的部分，它可以預(yù)測和評價(jià)城市洪災(zāi)風(fēng) 險(xiǎn)，為相關(guān)部門管理洪水提供有力的技術(shù)支撐。濟(jì)南市地勢南高北低，南有廣袤 群山承接降水，北有黃河大堤阻隔洪水去路，小清河是洪水的唯一出路，自古就 有南洪北澇的說法。本文利用d h im i k e 軟件建立了一維河網(wǎng)模型、二維地面徑 流模型以及完整的一二維耦合的濟(jì)南市城市洪水淹沒模型。 首先，建立了濟(jì)南市一維城市河流模型，并利用一維模型對n a m 、u r b a n 兩種水文模型進(jìn)行了對比分析。鑒于濟(jì)南市下墊面南北差異大，地形地貌復(fù)雜， 建立河流模型時(shí)我們采用了n a m 水文模型，模擬結(jié)果較好的符合實(shí)測數(shù)據(jù)； 次之，建立了濟(jì)南市二維地面徑流模型，并利用濟(jì)南市地形雨洪資料對 m i k e 2 1 軟件兩種計(jì)算網(wǎng)格、計(jì)算地形地物地貌的概化方式、網(wǎng)格尺寸和糙率 等參數(shù)進(jìn)行了可行性論證以及敏感性分析，并成功的應(yīng)用到濟(jì)南市模型； 再次，建立了濟(jì)南市一二維耦合的城市洪水演進(jìn)模型，應(yīng)用模型進(jìn)行了濟(jì)南 市城市洪水的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明模型能夠很好的模擬濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)的降 雨積水情況，反映出了符合實(shí)際的低洼地段的積水情形，驗(yàn)證了一二維耦合的地 面徑流模型的可靠性； 最后，利用本文建立起的耦合模型，依據(jù)濟(jì)南城區(qū)有資料以來的雨水情信息， 設(shè)計(jì)了濟(jì)南市典型降雨過程，推求出適合濟(jì)南市的長歷時(shí)和短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨 型。并基于濟(jì)南典型設(shè)計(jì)降雨過程和歷史典型降雨過程，設(shè)計(jì)了濟(jì)南市城市雨洪 預(yù)警預(yù)案庫。防汛部門可根據(jù)氣象預(yù)報(bào)信息查詢預(yù)案庫預(yù)知洪澇分布情形，及早 布置防汛搶險(xiǎn)調(diào)度措施。 關(guān)鍵詞：城市雨洪；河流模型；地面徑流模型；耦合模型；預(yù)案庫 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t 1 1 1 eu r b a n i z a t i o np r o c e s sb e c o m e sq u i c k e ri nr e c e n ty e a r s ，w h i c hi st h er e a s o n t h a tt h en u m b e ro ff l o o dd i s a s t e r sw o r l d w i d eh a sb e e ni n c r e a s i n gs i g n i f i c a n t l y 耽e i n c r e a s i n gv o l u m eo fs u r f a c er u n o f fa n df l o o dp e a kd i s c h a r g ea n dt h ea p p e a r a n c et i m e o ff l o o dp e a ka h e a da r et h em a i np h e n o m e n a b e s i d e s ，m a n yp r o b l e m so ff l o o d p r o t e c t i o no fc i t ya p p e a rd u et ol e s su r b a ni n f r a s t r u c t u r ef o rf l o o dp r e v e n t i o na n d d e f i c i e n tc i t y sc o n s t r u c t i o np l a n f l o o di n u n d a t i o nm o d e li st h em a i np a r to ff l o o d m a n a g e m e n ts y s t e ma n dc o u l dp r o v i d ef o r e c a s t i n ga n de v a l u a t i o no fc i t yf l o o dr i s k f o rr e l a t i v ed e p a r t m e n t j i n a nc i t yh a si t so w ns p e c i a lt e r r a i nw h e r et h e r ea r eh i l l si n t h es o u t ha n dh u a n gr i v e rd a mi nt h en o r t ha n dx i a o q i n gr i v e ri st h eo n l yo u t l e tf o r w a t e r - f l o w t h i sp a p e rs e tu pf l o o di n u n d a t i o nm o d e l si n c l u d i n g1dr i v e rn e t w o r k m o d e l ，2 ds u r f a c er u n o f fm o d e la n d1d 一2 dc o u p l i n gm o d e lf o rj i n a nc i t yw i t hd h i m i k es o f h v a r e f i r s t l y , d e v e l o p i n gt h eo n e d i m e n s i o nf i v e rm o d e la n dc o m p a r e dt w od i f f e r e n t h y d r o l o g i c a lm o d e l sw h i c ha r en a m a n du r b a n g i v e nt ot h ec o m p l i c a t e dt e r r a i ni n j i n a nc i t yw h e r et h e r ea r eb i gd i f f e r e n tu n d e r l i n gs u r f a c e sb e t w e e nn o r t ha n ds o u t h ， n a mm o d e lw a su s e dt os e tt h er i v e rm o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t si ng o o da g r e e m e n t w i t ht h em e a s u r e dd a t a s e c o n d l y , 2 ds u r f a c em o d e li su s e dw i t hm i k e 2 1s o f t w a r e t w ok i n d so f c o m p u t a t i o n a lg r i da r ea p p l i e da n df e a s i b i l i t ys t u d ya n ds e n s i b i l i t ya n a l y s i sw e r eu s e d f o rt o p o g r a p h yg e n e r a l i z a t i o n ，鰣ds i z ea n dr o u g h n e s s ，a n di ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o t h em o d e lo fj i n a nc i t ym o d e l t h i r d l y , d e v e l o p i n gt h ec o u p l e d 1da n d2 dm o d e la n ds i m u l a t e dt h ef l o o d i n u n d a t i o no fj i n a ne i t y 耽em o d e ls o l v e dt h ep r o b l e mo fi n t e r a c t i o n sb e t w e e nt w o c o m p o n e n t sw h i c hi n c l u d e ss t r e e t s ，s e w e rs y s t e ma n dr i v e r sa n dt h er e s u l ts h o w s d i s t r i b u t i o no fw a t e rl o g g i n gw h e nr a i n f a l lc o m i n gw i t h i nt h es e c o n dr i n gr o a do f j i n a n ，w h i c hr e f l e c t st h er e a ls i t u a t i o ni nl o w - l y i n ga r e a s 刪sm o d e la l s ov e r i f i e d i i a r r a n g es c h e d u l eo ff l o o dp r o t e c t i o na n de m e r g e n c yi na d v a n c e k e yw o r d ：u r b a nf l o o d ；r i v e rn e t w o r km o d e l ；s u r f a c er u n o f fm o d e l ；c o u p l e dm o d e l ； p r e - p l a nd a t a b a s e 1 1 研究背景 洪澇災(zāi)害是人類社會中主要的自然災(zāi)害，洪水往往分布在人口稠密、河流集 中、降雨豐富的地區(qū)。中國地形復(fù)雜，季風(fēng)氣候顯著，是世界上水災(zāi)頻發(fā)影響范 圍廣泛的國家之一。全國存在大范圍工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常受到洪水的威脅，并且洪澇 災(zāi)害所造成的人員傷亡財(cái)產(chǎn)損失居各種災(zāi)害之首i l 】。 圖1 1 給出了1 9 9 1 年以來我國歷年洪災(zāi)損失，由圖1 1 可知，隨著社會的發(fā) 展，人員傷亡和洪災(zāi)損失有所減少，但洪災(zāi)帶來的損失仍然很嚴(yán)重【2 1 。 襄g 承葛長券客馨蜜8g2 ；g 苫器囂g 霉蠱譬霉霉署霉霉墨冠冠曷2 盆舄競冠 一死亡人數(shù) ( 人) 直接經(jīng)濟(jì) 損失( 億 元) 圖l - l 1 9 9 1 年以米我國歷年洪災(zāi)損失 我國是農(nóng)業(yè)大國，以往防洪重心放在農(nóng)業(yè)上。然而，現(xiàn)在的情況已發(fā)生了改 變，特別是近一二十年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展快速發(fā)展，我國城市化進(jìn)程逐步 加快，城市化率由新中國成立初期的2 0 上升到2 0 0 5 年的4 3 6 ，而且在未來 的2 0 3 0 年里，我國城市化率可能超過6 0 【3 4 】。城市是社會政治經(jīng)濟(jì)和文化的 中心，人口和社會財(cái)富高度集中，對防洪也提出了更高的要求。城市洪澇災(zāi)害是 洪澇災(zāi)害的一種，長期以來，由于城市洪水災(zāi)害不屬于突發(fā)性洪水災(zāi)害，通常不 會造成較大的人員傷亡、社會經(jīng)濟(jì)損失，所以不被人們所重視1 5 1 。但長遠(yuǎn)來看， 由城市洪澇災(zāi)害造成的損失更為嚴(yán)重，圖1 2 給出了2 0 世紀(jì)美國歷年洪災(zāi)損失， 由圖可知，隨著美國城市化的發(fā)展，美國洪災(zāi)損失也逐漸增加【6 】。 o 約硇蚴 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 0 0 0 0 s 4 5 0 0 0 s 4 0 0 0 0 s 3 5 0 ，o o $ 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 s 2 0 0 0 0 s 1 5 0 ，o o 1 0 0 0 0 s 5 0 0 0 s o ，0 0 答芎害= ：= = 高葛高景篇篙帛髻；蕁晶罱罱暑3 暑3 譬高蠱窖葛富寶魯磊拳g 昌 暑0 窖疊署2 昌02 昌譬0 暑昌霉22 霉0 昌22 署2 霉0 昌2 昌暑0 昌窖昌昌 圖l - 22 0 世紀(jì)美國歷年洪災(zāi)損失( 億美元) 因暴雨以及排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力不足所引發(fā)的城市洪水問題是全球性的生態(tài) 災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著人類生存和社會發(fā)展。城市洪災(zāi)使交通系統(tǒng)面臨癱瘓，毀 壞各類基礎(chǔ)設(shè)施，直接威脅到居民的人身安全【碉。近年來，特別是改革開放以 來，中國的城市化在快速發(fā)展。由于城市化過程改變了城市區(qū)域的暴雨徑流條件， 使得徑流總量增大，洪峰流量提高，洪峰出現(xiàn)時(shí)間提前；而大部分城市前期規(guī)劃 不夠完善，城市基礎(chǔ)性設(shè)施防洪能力薄弱，城市防洪問題逐漸彰顯出來。城市洪 災(zāi)使交通系統(tǒng)面臨癱瘓，毀壞各類基礎(chǔ)設(shè)施，直接威脅到居民的人身安全，尤其 對于人口非常密集的大中城市，洪水災(zāi)害帶來的直接或間接損失更是難以估算。 2 0 0 7 年7 月，重慶、濟(jì)南接連發(fā)生洪災(zāi)。兩場暴雨造成將近百人失去生命，折射 出了中國城市處于轉(zhuǎn)型期的困境：脆弱的地質(zhì)條件、市政建設(shè)管理不善、城市人 口超常規(guī)增長、區(qū)域過快融合等，如何在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)城市化和遏制自然災(zāi)害 之間取得平衡成為城市發(fā)展面臨的重要問題。如何針對城市發(fā)展的特點(diǎn)，進(jìn)行洪 水管理成為城市管理者迫在眉睫的任務(wù)1 9 捌。 濟(jì)南作為山東省的政治、經(jīng)濟(jì)中心，是全省政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科技、教育 和金融中心，是華北和華東、沿海和內(nèi)地的陸路交通樞紐。濟(jì)南歷史上的洪澇災(zāi) 害頻繁發(fā)生。新中國成立前的1 8 4 0 1 9 4 8 年的1 0 8 年中，濟(jì)南市共發(fā)生水災(zāi)2 2 次， 平均4 9 年一次，其中。連續(xù)性洪災(zāi)4 次，特大水災(zāi)發(fā)生8 次，中等水災(zāi)發(fā)生1 3 次。 新中國成立后自1 9 4 9 2 0 0 7 年的5 8 年中，濟(jì)南發(fā)生洪澇災(zāi)害2 8 次，平均兩年一次， 2 歷城1 1 6 7 m m ，長清7 1 4 m m ，最大降雨點(diǎn)位于市政府，降雨量高達(dá)1 8 2 7 m m 。此 次降雨歷時(shí)短、強(qiáng)度高，1 h 最大降雨量達(dá)n 1 5 1 m m ，2 h 最大降雨量達(dá)至i j l 6 7 5 m m ， 3 h 最大降雨量達(dá)n 1 8 0 m m ?！? 0 0 7 0 7 1 8 ”特大暴雨洪災(zāi)給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造 成了嚴(yán)重?fù)p失，是濟(jì)南歷史上破壞性最大的自然災(zāi)害之一。此次暴雨災(zāi)害共造成 3 7 人死亡，1 7 1 人受傷，5 7 1 8 戶住房受淹，受災(zāi)群眾約3 3 3 萬人【l o l 。洪災(zāi)的發(fā)生 既反映出了濟(jì)南防洪工程措施的不足，也折射出濟(jì)南市以洪水預(yù)警管理為主的非 工程措旌方面的欠缺。 本文依托濟(jì)南市區(qū)為研究對象，選取了“濟(jì)南市城市洪水?dāng)?shù)值模擬研究 為 題展開研究。通過運(yùn)用地理信息系統(tǒng)，整合城市地區(qū)地形、道路以及建筑物等空 間信息，建立基于m i k e 軟件的城市1 d - 2 d 水動力地面徑流耦合模型，預(yù)測和評 估濟(jì)南市城市洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，為相關(guān)部門管理洪水提供有力的技術(shù)支撐。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著城市化的程度的提高，大量人口向城市聚居，工商業(yè)快速發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn) 生了“雨島效應(yīng)”和“熱島效應(yīng) ，建筑物的增多，透水面積逐漸減小，增加了 城市洪災(zāi)發(fā)生的可能性【5 】。而另一方面，城市化的提高，發(fā)展了城市的經(jīng)濟(jì)，城 市經(jīng)濟(jì)類型的多元化及資產(chǎn)的高密集性使城市的綜合承災(zāi)能力變得脆弱，損失總 量必然增大。目前，城市暴雨產(chǎn)生的積澇問題，不僅僅是城市排水系統(tǒng)問題，已 經(jīng)成為城市發(fā)展規(guī)劃中必須綜合考慮與治理的問題。因此，城市洪災(zāi)問題引起了 全世界普遍關(guān)注，許多國家都不同程度地開展了城市洪水模擬的相關(guān)研究。 城市暴雨積水模擬是一個復(fù)雜的時(shí)空模擬問題，并且因房屋等建筑物、公路、 公園等下墊面的復(fù)雜性以及城市雨島的產(chǎn)生，使得城市區(qū)域的暴雨積水模擬相比 蓄滯區(qū)的洪水模擬更有難度。城市暴雨積水模擬問題，傳統(tǒng)上屬于水文水力學(xué)研 究范疇。它是普通積水模擬方法在城市區(qū)域的特殊應(yīng)用，通過相關(guān)改進(jìn)使之適合 于城市區(qū)域。概括起來，主要有水文學(xué)方法、水力學(xué)方法以及耦合的水文水力學(xué) 方法等三類方法【1 1 1 。 3 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 水文學(xué)方法發(fā)展的較早，得到了廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水力 學(xué)方法被逐漸應(yīng)用到城市洪水模擬中來。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，且具有互補(bǔ)性， 隨著技術(shù)的進(jìn)步，將兩種方法耦合起來又發(fā)展成了水文水動力學(xué)方法【5 1 。 1 2 1 水文學(xué)方法研究現(xiàn)狀 2 0 世紀(jì)初以來，世界范圍的大規(guī)模工程建設(shè)促進(jìn)了工程水文學(xué)的發(fā)展和成 熟，降雨徑流模擬技術(shù)日臻完善。降雨徑流模擬技術(shù)的發(fā)展可分為三個階段：由 以s h e r m a n ( 1 9 3 2 ) 的單位線法和n a s h ( 1 9 5 7 ) 的瞬時(shí)單位線法和線性水庫法為代 表的經(jīng)驗(yàn)性的“黑箱 模型的分析方法；發(fā)展到6 0 8 0 年代的以美國的s t a n f o r d 模型、我國的新安江模型等為代表的概念集總式“灰箱 模型；以及8 0 年代以后 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的以s w m m 模型、t o p m o d e l 模型 為代表的分布式流域水文模型【1 2 】。 傳統(tǒng)上水文學(xué)方法，根據(jù)水量平衡原理，利用模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)反映降雨經(jīng)過流 域時(shí)入滲、地面徑流和管道徑流的各環(huán)節(jié)。即依據(jù)流域系統(tǒng)輸入、輸出的實(shí)測資 料分析各個具體流域的產(chǎn)匯流特性f 1 3 】，由建立的參數(shù)、公式、模型，預(yù)報(bào)或計(jì)算 一次暴雨積水過程。包括等流時(shí)線法、時(shí)段單位線法等具體方法。概念性水文模 型方法發(fā)展較早，模型結(jié)構(gòu)較簡單，能大大地簡化計(jì)算量，因此應(yīng)用廣泛。如常用的 城市雨水徑流模型，是基于實(shí)測資料的瞬時(shí)單位線法【1 4 】，用概念性水文模型中的非 線性水庫方程模擬城市地表匯涮1 5 1 。 水文學(xué)方法已成為分析水資源的有力工具，比較著名的模型有美國陸軍工程 兵團(tuán)水文學(xué)中心開發(fā)的暴雨模型( s t o r m ) ，美國環(huán)保局的雨水管理模型 ( s w n 廈一s t o r m ) ，英國環(huán)境部及全國水資源委員會的( w a l l i n g f o l m ) 模型 以及國內(nèi)的新安江模型和陜北模型等。這些模型已經(jīng)在城市化流域排水系統(tǒng)的規(guī) 劃、設(shè)計(jì)和評價(jià)方面取得了良好的應(yīng)用效果【5 1 。 1 2 2 水力學(xué)方法研究現(xiàn)狀 早在一百多年前人們對流體運(yùn)動有了基本的認(rèn)識，n a v i e r ( 1 8 2 2 ) 、 p o i s s o n ( 1 8 2 9 ) 、s a i n t v e n a n t ( 1 8 4 3 ) 和s t o k e s ( 1 8 8 5 ) 等的研究，奠定了流體運(yùn)動一般 規(guī)律的理論基礎(chǔ)。2 0 世紀(jì)初s t e m e c k 等人給出了一維流體運(yùn)動的數(shù)值解法，并 4 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 取得了良好的效果【1 6 1 。真正意義上的數(shù)值模擬是在計(jì)算機(jī)誕生后， 術(shù)的迅速發(fā)展，水動力數(shù)值模擬在研究應(yīng)用中得到了長足的發(fā)展。 機(jī)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，城市洪水模擬的水力學(xué)方法逐漸發(fā)展起 模型因其能夠提供詳細(xì)的城市洪水過程的優(yōu)勢而越來越得到重視。 假定單元面積內(nèi)各點(diǎn)具有相同的損失率、糙率和坡度，用水力學(xué)方 單元的均勻平面面積上的徑流過程【1 7 】。一般降雨在城市地表的徑流 恒定的寬淺明渠水流，水流形態(tài)隨地表徑流水深而變化。水流形態(tài) 紊流、次臨界流或超臨界流、恒定流或非恒定流。數(shù)學(xué)上不穩(wěn)定流 通常用圣維南方程組或淺水波方程組來描述【5 】。 目前，一維水動力學(xué)模型主要用來模擬河流的水流運(yùn)動過程，主要優(yōu)點(diǎn)是可 以快速、準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜河網(wǎng)的水位、流量過程，但流動路線具有“線性 特征。 對于城市地區(qū)，由于水流運(yùn)動復(fù)雜，人工建筑物常常改變水流的流向，一維模型 明顯存在局限性。二維水動力模型能夠較好地模擬水平漫流過程【1 8 。2 1 1 ，可按照指 定的時(shí)間間隔生成淹沒深度的時(shí)間序列。但二維模型的應(yīng)用也存在計(jì)算速度慢， 需高分辨率的地形數(shù)據(jù)支持【2 2 ，2 3 】等問題，并且模型在表征地表形態(tài)方面具有很 大的局限性，不能象一維模型一樣對水工設(shè)施進(jìn)行精確計(jì)算【2 4 1 ，國內(nèi)外的一些 2 d 水動力模型，在地形條件輸入方面，通常未針對城市區(qū)域建筑物可能對水流 運(yùn)動的影響加以考慮，因此模擬的結(jié)果無法充分反映實(shí)際水流運(yùn)動情況。隨著計(jì) 算機(jī)運(yùn)算能力的快速提高，地理信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，高分辨率的地形數(shù)據(jù)的支 持，開發(fā)高精度2 d 水動力模型成為發(fā)展趨勢。 為了解決一二維模型分別使用時(shí)經(jīng)常遇到的空間分辨率和計(jì)算精度等問題， 發(fā)揮出各自的特色和優(yōu)勢，國內(nèi)外研究者建立了水動力耦合模型，比較成功的如 s o b e k 、l i s f l o o d 和m i k ef l o o d 。將一維模型和二維模型耦合后，模型系 統(tǒng)可以自動分析由于分洪對河道水位的影響，以及反之，河道水位下降對城市、 蓄滯洪區(qū)分洪量的影響，提高模擬精度和可靠性。 1 2 3 國內(nèi)外城市雨洪模型研究現(xiàn)狀 在城市雨洪模擬技術(shù)研究方面，發(fā)達(dá)國家從六十年代起開始研制滿足城市排 水、防洪等各方面要求的城市雨洪模型，許多模型已得到廣泛應(yīng)用。在七十年代 5 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 初出現(xiàn)了幾種通用的雨洪模型，并在其后的實(shí)際應(yīng)用與深入研究中得到逐步完 善，這些模型主要包括【2 5 2 6 】：英國的沃林福特模型和公路研究所模型，美國環(huán)保 局的暴雨雨水管理模型，美國陸軍工程兵團(tuán)的蓄水、處理與溢流模型，伊利諾城 市排水區(qū)域模擬模型，美國地質(zhì)勘察局的擴(kuò)散式雨水徑流模型，辛辛那提大學(xué)城 ， 市徑流模型，水文計(jì)算模型，丹麥的m i k e 系列模型。較常用模型及特點(diǎn)如下 【2 7 - 2 9 】： ( 1 ) s w m m 模型 s w m m 是美國環(huán)境保護(hù)局于2 0 世紀(jì)7 0 年代由麥特卡夫一埃迪有限公司、佛 羅里達(dá)大學(xué)和美國水資源有限公司三個單位共同研制的一個比較完善的城市暴 雨模型。該模型可以模擬完整的城市降雨徑流運(yùn)動過程，包括地面徑流、排水系 統(tǒng)中的水流、雨洪的調(diào)蓄處理以及受納水體模式。該模型主要包括徑流模塊、輸 送模塊、調(diào)蓄模塊等【3 0 1 。 ( 2 ) s t o r m 模型 s t o r m 模型可以計(jì)算徑流過程，適用于工程規(guī)劃階段對流域長期徑流過程 的模擬。該模型根據(jù)土壤類別、土地利用情況等較易確定的資料，便可計(jì)算出凈 雨過程，但不適于估算一次暴雨中凈雨增量，對于中、低徑流事件，此法預(yù)報(bào)偏 低【3 l 】。 ( 3 ) t r r l 模型 t r r l 是英國公路研究所根據(jù)a t 徑流演算方法提出的一種城市徑流模型。 這一方法忽略全部透水地表面積和不與排水系統(tǒng)直接連接的不透水地表面積。 t r r l 模型估算的洪峰流量和徑流量偏低。t r r l 法基本上是線性運(yùn)動波演算， 假設(shè)管道水流在瞬間是恒定均勻的，允許某瞬時(shí)流量過程線變形和流量衰減，但 是不考慮回水影響和管道蓄水，該模型在預(yù)測