基于管网概化的城市洪水风险分析技术研究

基于管网概化的城市洪水风险分析技术研究基于管网概化的城市洪水风险分析技术研究（张念强1,2,3，马建明1,3，陆吉康1,3）（1.中国水利水电科学研究院北京100048；2.河海大学江苏南京210098；3.水利部防洪抗旱减灾研究中心北京100048；）摘要：本文基于城市暴雨积涝等洪水的特点，提出了基于管网概化的城市排水模型，并与水文模型和二维水动力模型耦合，建立了城市洪水风险分析模型，能够模拟城市外洪、内涝或二者的组合，并以蚌埠市为例，开展示范研究，计算结果与实际情况相符，证明了模型的适用性。关键词：城市；管网概化；模型耦合；洪水风险分析StudyforUrbanFloodRiskAnalysisBasedonGeneralizedPipesSystemsMaJian-ming1,3,ZhangNian-qiang1,2,3,LuJi-kang1,3(1.ChinaInstituteofWaterResouresandHydropowerResearch,Beijing100048;2.HoHaiUniversity,Nanjing210098;3.ResearchCenteronFloodandDroughtReduction,Beijing100048)Abstract:Basedonthecharacteristicsofurbanflood,asimplifiedurbandrainagemodelisproposedbasedongeneralizedpipessystemsandurbanfloodriskanalysismodelisbuiltthroughcouplingwithSCShydrologymodeland2-dimensionalshallowwaterhydrodynamicmodel.Themodelcansimulateurbanfloodfromexternalrivers,internalwaterloggingortheircombination.WithBengbuCityasanexample,themodelisapplied,anditssimulationresultisinagreementwithactualsituation,proofingitsapplicability.Keywords:Urban;Flood;Model;Floodriskmap;Floodriskanalysis;1前言洪涝灾害对城市发展造成了严重威胁，从上世纪50年代至今，我国城市水灾呈逐步上升趋势[1]，近年来，极端降雨事件在多个城市造成了严重的灾害损失。分析城市洪水风险，编制洪水风险图，是城市防洪减灾的一项主要措施。依据《洪水风险图编制导则》（SL483-2021），本文中的洪水风险主要指某种概率洪水的淹没水深、流速、淹没历时等洪水特征信息。城市洪水由外洪和内涝两种类型，或者是两种洪水的组合[2]，由于成灾机理和风险影响因素的差异，针对这两种洪水的模拟和分析方法并不相同。由外洪引起的洪水，一般只需用二维水动力学模型模拟，方法较为简单。由内涝引起的洪水，需要综合考虑排水管网、排涝泵站，以及防洪工程调度等对洪水的影响，并且内涝洪水多由区间暴雨引起，需要分析暴雨形成有效降雨和在地面上汇流积水的过程，分析方法更为复杂。当前针对城市洪水模拟已有较多研究。张新华等[3]基于二维浅水波方程,利用多边形网格剖分，有限体积离散，建立的模型可以模拟城市外洪。张行南等[4]分析了城市洪水致灾因子，利用多边形叠置和聚类分析等手段，比较了城市不同区域的洪水风险。李传奇等[5]利用MIKE软件建立了一、二维耦合的水动力学模型，用NAM模型对降雨径流进行模拟作为二维模型的边界，分析了济南市不同重现期河道洪水造成的淹没。曹玲[6]等建立了苏州市二维洪水演进模型，并通过局部更改网格来考虑城市排水，对场次降雨后的积水情况进行模拟，但对于高分辨率、大容量网格，建模过程非常繁琐。总体上，已有研究主要考虑了城市外洪或河道洪水，未考虑城市暴雨和由此引起的内涝积水，不能满足国内大多数城市的洪水风险分析需求。本文在对上述方法研究和归纳的基础上，提出了城市排水的概化模型，并与水文、水动力学模型相耦合，建立了城市洪水风险分析模型，能够分析区间暴雨形成有效降雨、汇流、排水、低洼区域积水的过程，以及河道洪水漫溢和溃堤的过程，并对子模型的耦合与实现技术进行了研究。2水文~水动力~城市排水模型耦合2.1模型的提出针对城市外洪，主要考虑过境河道洪水导致的城市建成区淹没，采用二维水动力学模型进行模拟。针对城市内涝，主要考虑由区域暴雨引起的低洼区积水、排水不畅或不及时导致的积水，除二维水动力学模型外，还需用水文模型模拟雨水的产流，用城市排水模型模拟排水管网、泵站等的排水情况，各类模型在城市洪水风险中的模拟路线见图1。降雨经水文模型模拟后形成有效降雨；有效降雨分两部分，一部分经排水模型模拟后排入城市外河，不再参加城市洪水的计算，或者排入城市内河，与城市湖泊等进行交换，漫溢后由水动力学模型模拟其淹没情况；另一部分未排至排水管网的洪水，则由水动力学模型模拟其淹没情况。图1模型运行原理结构图2.1.1水文下渗模型水文模拟采用SCS（SoilConservationService）模型[7]。该模型由美国农业水土保持局在20世纪50年代开发，它充分考虑研究区的下垫面类型，输入的参数少，对水文数据要求低，计算简单，在国内外城市水文中得到了广泛应用[8~12]。SCS模型的计算原理如下：根据公式（1）求得各时刻的径流量。SPRSPSPSPR2.0,02.0,8.0)2.0(2=≥+-=（1）式中，P为降雨量，R为径流量，S为流域当时的最大可能滞留量，利用公式（2）求得。25425400-=CNS（2）式中，CN值为反映降雨前流域特征的综合参数，它与流域前期土壤湿润程度AMC、土壤类型、植被和土地利用现状等有关。2.1.2水动力学模型洪水冲击波影响范围广，淹没水深相对其影响范围比较小，水流在水深方向上的变化可以忽略，具有典型的浅水波特性[13]，本次选用浅水波二维连续方程（5）和动量方程（6）、（7）描述洪水的演进过程，分别表示如下：qyvhxuhtz=++??????)()(（5）03/4222=++??+??+??+??hvuungxzgyuvxuutu（6）03/4222=++??+??+??+??hvuvngyzgyvvxvutv（7）式中，Z为水位，h为水深，u、v分别为x和y方向的水流流速，q为源、汇项；gnuuvh22243+/、gnvuvh22243+/分别为x、y方向的水流运动阻力，n为曼宁糙率系数。当前针对上述公式已有多种求解方法，本次选用有限体积法进行离散，在本文的前期研究文献[14]中已有阐释，不再冗述。2.1.3城市排水模型为建立简化的城市排水模型，假设城市按排水分区排水，并提出等效排水管网的概念，表示排水区排水管网的蓄水和排水能力。排水区与单元网格相关联。排水区内的网格排泄有效降雨至等效排水管网，排入的雨水达到一定容积后，按排水能力将雨水排至河道、湖泊或其余的排水区内，完成排水过程。根据上述原理，分别用公式表示如下：（1）排水区的单位面积排水能力排水区的最大排水能力等于设计排水能力，单位面积排水能力为：DQ(i)=MaxQD（i）/DA(i)（8）式中，DQ（i）为i排水区单位面积排水能力；MaxQD（i）为i排水区的设计排水能力；DA(i)为i排水区的面积。（2）单元格的排水能力单元格的排水能力为排水区的单位面积排水能力和单元格面积的积，用式（9）表示：CQ(i,j)=DQ(i)*CA(i,j)（9）式中，CQ(i,j)和CA(i,j)分别为i排水区j单元格的排水能力和面积。（3）排水泵的排水能力与排水过程排水泵主要用于排泄单个或多个排水区的积水，通过指定排水泵的排水对象来实现，排水泵的开启控制条件根据排水对象的属性设置，如城市内湖水位、等效管网的容积等，排水泵的实际排水能力用式（10）表示：PQ（m）=K(i)*MaxPQ(i)（10）式中，PQ（m）为第m个排水泵的实际排水能力，MaxPQ(m)为第m个排水泵的设计排水能力，K为比例系数，与排涝对象的排涝条件有关。（4）等效管网的容积等效管网的容积在每个计算步长中发生变化，与排水区内网格排入的水和泵站抽排的水有关，用式（11）表示：VUR（t+△t）=VUR（t）+ΣCQ（i，j）*△t-ΣPQ(m)*△t（11）式中，VUR（t）为t时刻等效管网的容积，△t为计算时间步长。2.2模型的耦合将模型以模块的方式组织，分为水文、水动力和城市排水三个模块，建模时根据洪水风险分析的需求进行选择。计算时，模块的耦合由网格对象[14]实现，按时间步长计算网格的水深、流量，并将计算结果保存在网格对象的属性里，用概念公式（12）表示：H(t+△t)=H（t）+△H+[P(t)-f(t)-CQ(t)]*△t（12）式中，H（t）为t时刻单元格的水深，△H为从单元格流入和流出的水量差（用水深表达），P(t)、f(t)、CQ(t)分别为t时刻单元格上的雨强、下渗能力和排水能力。其中，△H由水动力学模型计算，P(t)为降雨输入数据，f(t)由水文下渗模型计算，CQ(t)由城市排水模型计算。2.3基于对象的模型实现在模型软件中，按照统一的对象进行组织，每一类对象根据计算需求设置不同的属性，通过计算和记录对象的属性，实现模型的运转和不同模型的耦合。模型中主要设有降雨分区、排水分区、排水泵、网格对象和部分辅助性子对象。降雨分区对象用于水文模型，有描述降雨和水文模型参数的两类属性。排水分区和排水泵对象用于排水模型，前者包括排水区的排水能力、设计排水标准属性和等效管网子对象，后者包括泵站的设计和实际排水能力、排水对象、排水条件等属性。网格主要用于水动力学模型，包括点、边和面（规则或不规则网格）三种子对象，其中边对象设置流量属性，面对象设置高程、水位、水深属性，以及网格面积、糙率等。不同类型的对象之间紧密耦合，图2表示了它们之间的关联关系，降雨分区分为多个排水分区，排水分区被剖分为多个网格，泵站设在排水分区或者由多个网格组成的城市内湖泊或河流上。通过模型软件，将实际下垫面概化为模型对象并设置相应参数。降雨分区网格排水分区排水分区排水分区排水分区泵站图2模型中对象的相互关系3应用与实例3.1研究区概况模型的应用区域为安徽省蚌埠市淮河以南约76km2的市区。市区内自西向东有八里沟，席家沟和龙子河等河沟洼地，后两条河流分别在市区形成张公山大塘和龙子湖，防洪工程主要为城市防洪圈堤、市内河流堤防、排涝泵站、排水管网和排涝涵闸。由蚌埠市的洪灾特性，需要分析区间暴雨引起的低洼区域积水、因淮河洪水顶托排水不畅引起的内河洪水漫溢等洪水风险，选用水文、水动力和城市排水三种模型进行模拟。3.2模型的建立3.2.1网格剖分模型在市区南以防洪圈堤，西、北和东以主要道路为计算范围边界，以堤防、公路、铁路等阻水建筑物为内边界，选用20m的不规则四边形网格进行剖分，网格总数超过15万个，图3为研究区范围和计算网格。图3研究区范围与剖分后的网格3.2.2高程设置剖分后的网格由两种类型的边组成，一类是普通边，另一类是边界边，对它们分别设置高程。单元和普通边的高程值选用1:10000的高程点和等高线数据。边界边按堤防和主要道路的实际高程设置。市内张公山大塘和龙子湖两个湖泊由于无实测湖底高程，按水位~面积~容积曲线设置。3.2.3水文模型设置水文模型的设置主要是输入降雨过程和水文模型的参数。降雨过程按降雨分区输入，设为八里沟、迎河-张公山大塘-席家沟、沿淮和龙子湖4个降雨分区，同一降雨分区内所有网格的降雨值相等。选用24小时10年一遇的暴雨，降雨量为202mm，降雨过程见图4。研究区域位于淮河南岸，汛期时雨水多，按前期土壤湿润程度等级划分，选为湿润（AMCIII）。蚌埠市主要为黄棕壤土，土壤类型为D类。研究区域除两个湖泊外，主要为城市居民区