城市洪涝水文水动力模型构建与洪涝管理关键问题研究

发布时间：2020-11-22 06:04

　　 洪涝是全球发生次数最多的自然灾害之一,随着城市化进展加快以及资源往城市愈发集中,城市洪涝造成的经济和财产损失也逐渐增多。由于城市洪涝的危害性以及频发性,城市洪涝已经成为当前研究的热点,而城市洪涝管理更是成为洪涝研究的焦点问题。随着计算机技术和数值计算技术的发展,数值模型已经成为研究城市洪涝问题的重要手段。国内外学者在城市洪涝方面做了相当多的研究工作,不断促进着城市洪涝管理的发展与进步。本文在深入剖析前人研究的基础上,总结出目前研究的一些不足之处和值得后人解决的问题,构建了能够完整模拟城市洪涝过程的一、二维耦合城市洪涝模型,利用该模型研究城市洪涝的形成与发展,深入分析洪涝管理手段的优点和不足,得到了一些有价值的结论。(1)本文在深入研究SWMM模型与SWM模型计算原理的基础上探讨SWMM模型与SWM模型的耦合方法,提出了基于dll文件的模型便捷耦合策略,成功搭建了基于SWMM模型与SWM模型的一、二维耦合模型。采用三个理论案例和三个实际研究区域对模型进行验证,结果表明耦合模型在验证案例中具有良好的表现,模拟结果与现有的商业软件模拟结果一致,本文模型具有较高的精度以及稳定性。(2)模型模拟了在不同类型降雨情景下管网系统的运行状态以及地表积水的情况,研究管网运行状态和地表积水的变化过程,挖掘两者之间的潜在关系,探索降雨强度和雨型对城市洪涝形成与发展造成的影响,分析城市洪涝形成与发展机理。通过阐述雨型-地下管网-地表淹没三者之间的关系,揭示了其内在原因,雨峰出现时间越晚,雨峰到来时管网排水能力越不足,造成的内涝越严重。结合我国设计暴雨雨峰系数取值规范进行分析,本文认为我国的设计暴雨雨峰系数取值较为合理。(3)利用耦合模型构建研究区域的暴雨内涝模型,分析其现状降雨内涝情况,结合深隧的运行工况及管网改造方案,模拟两者对该区域洪涝的控制效果,从中深入分析深隧、管网改造等灰色基础设施在城市洪涝管理中的优点和不足。结果表明,深隧建设和管网升级改造都可以缓解城市内涝,但深隧仅能缓解由水位顶托作用造成的内涝淹没,而管网升级改造只能缓解由于管网能力不足造成的内涝淹没。排水管网升级改造会给下游带来更多的雨水,从而增加下游的防洪排涝压力。在洪涝管理过程中,源头控制、泵站能力提升等措施都对其洪涝控制有非常重要的作用。(4)结合海绵城市建设手段,利用数值模型对研究区域绿色基础设施的水文特征进行深入研究,分析绿色基础设施对城市降雨径流的控制作用。结果表明绿色基础设施在降雨量较小的场次降雨中能够有效削减径流量以及径流量峰值,随着降雨量增大,径流削减效果逐渐减弱。在降雨量相差不大的场次降雨中,降雨时间较长、降雨强度较小的场次降雨中绿色基础设施对径流量和径流峰值的控制效果更好。通过对未来情景进行分析,生物滞留池和湿塘的建设数量需要增加,绿色屋顶和植草沟的数量需要减少,而透水铺装和雨水罐的建设数量变化不大。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU998.4;TU992
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 气候变化与城市化
        1.1.2 城市洪涝灾害频发
        1.1.3 海绵城市的提出
    1.2 研究意义
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 城市洪涝模型
        1.3.2 城市洪涝模拟
        1.3.3 存在的一些问题
    1.4 主要研究内容
    1.5 本章小结
第二章 城市洪涝水文水动力耦合模型构建
    2.1 SWMM模型
        2.1.1 SWMM模型概述
        2.1.2 SWMM模型计算原理
    2.2 SWM模型
        2.2.1 二维浅水方程
        2.2.2 数值离散方法
        2.2.3 边界条件
        2.2.4 动边界处理
    2.3 模型耦合
        2.3.1 水平方向耦合
        2.3.2 垂直方向耦合
        2.3.3 模型耦合实现方式
    2.4 本章小结
第三章 城市洪涝水文水动力耦合模型验证
    3.1 引言
    3.2 垂向连接算例
    3.3 正向连接算例
    3.4 侧向连接算例
    3.5 排水小区算例
        3.5.1 历史暴雨内涝分析
        3.5.2 排水口流量过程分析
        3.5.3 管网运行情况分析
    3.6 流域雨洪算例一
        3.6.1 设计暴雨
        3.6.2 内涝淹没分析
        3.6.3 出水口流量过程
    3.7 流域雨洪算例二
        3.7.1 历史暴雨洪涝
        3.7.2 河道流量分析
        3.7.3 内涝积水分析
        3.7.4 节点溢流分析
    3.8 本章小结
第四章 城市洪涝对设计暴雨雨型响应分析
    4.1 引言
    4.2 研究区域
    4.3 研究方法与资料
        4.3.1 研究方法
        4.3.2 地形资料
        4.3.3 排水系统资料
        4.3.4 历史降雨洪涝资料
        4.3.5 设计暴雨资料
    4.4 结果与讨论
        4.4.1 模型率定与验证
        4.4.2 不同雨型下的淹没结果
        4.4.3 淹没水量与满管比例相关性分析
        4.4.4 不同雨型情景下的满管比例
        4.4.5 我国雨峰系数合理性分析
        4.4.6 城市洪涝管理
    4.5 本章小结
第五章 灰色基础设施对城市洪涝的缓解作用
    5.1 引言
    5.2 研究区域
    5.3 研究方法与资料
        5.3.1 研究方法
        5.3.2 降雨资料
        5.3.3 排水系统资料
        5.3.4 地形资料
    5.4 结果分析
        5.4.1 模型率定与验证
        5.4.2 洪涝空间分布
        5.4.3 溢流点分布
    5.5 讨论分析
        5.5.1 洪涝成因分析
        5.5.2 深隧对洪涝的缓解作用
        5.5.3 管网改造的负面效果
        5.5.4 城市洪涝管理
    5.6 本章小结
第六章 绿色基础设施对城市雨洪的控制作用
    6.1 引言
    6.2 研究区域
    6.3 模型及资料
        6.3.1 模型介绍
        6.3.2 降雨资料
        6.3.3 土地利用分类
        6.3.4 子流域划分
        6.3.5 排水管网设置
        6.3.6 降雨径流设置
        6.3.7 集合式LID措施
        6.3.8 情景设置
    6.4 结果与讨论
        6.4.1 历史降雨径流模拟结果
        6.4.2 未来情景分析
    6.5 本章小结
结论与展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件

【参考文献】

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本文编号：2894246