城市洪涝精细化模拟体系研究

发布时间：2020-05-18 09:06

【摘要】：在全球气候变化加剧和我国城市化水平不断提升的大背景下,洪涝问题已经成为影响城市正常运行和发展的最重要自然灾害之一。随着城市化水平不断提升,洪涝灾害通常造成严重的人员伤亡和巨大经济损失,社会公众对城市洪涝管理提出了更高要求,如何通过城市精细化管理降低城市洪涝造成的人员伤亡和财产损失备受关注。作为城市洪涝问题研究的重要技术手段,如何通过构建城市洪涝精细化模拟模型为城市洪涝防治科学决策提供支撑,已经成为当前水文和防灾减灾领域最为迫切解决的技术问题之一。结合当前城市洪涝模拟存在的问题,针对当前城市洪涝模拟过于概化的现状,论文从降雨产流、地表坡面汇流、河道汇流、管网汇流、防洪工程调度、模型间物理机制连接等方面研究构建了具有物理机理的城市洪涝精细化模拟技术体系。针对城市复杂多层构筑物,展开了地表网格分层计算技术研究。面对城市市政管网数据条件复杂及街区管网资料难以获取的现状,结合“地表-管网”排水物理机制与概化模式,给出了区分街区与道路的不同资料条件下城市地表排水模拟方法。结合城市地表复杂的排水物理过程,提出静态概念的五种基本城市雨水汇水区和动态概念的地表任一位置汇水区,并研究了其划分方法。针对城市洪涝计算的数据资料、边界条件等复杂现实问题,从模型嵌套模拟方法与模块化建模两方面提出了城市洪涝精细化模型集成技术框架,并应用于四种不同地表排水模式下城市洪涝精细化模型的案例计算。论文取得了以下主要成果:(1)结合洪涝模拟原理与方法,研究了具有物理机制的城市洪涝精细化模拟方法体系。首先结合城市地表产汇流现状,着重从具备实物含义的地表网格模型构建、产流模型构建、地形模型构建等方面提出了地表产汇流精细化模型构建方法;从高精度的数据资料获取与处理方法、精细化河道模型构建两方面给出了河道精细化模型构建方法;从雨水口、雨水检查井、管网排水口、地下蓄滞水体、雨水排水管(渠)方面研究了管网模型精细化构建方法;提出了缺失资料条件下水体的相对“水位-库容”关系构建方法;研究了模型间纵向、横向、竖向的物理机制连接方法;最后,从闸坝调度、泵站调度、联合调度等方面提出了城市防洪排涝工程调度精细化模拟方法。(2)为实现复杂多层构筑物的分层产流、汇流过程模拟,从地表网格分层、地表分层产流、地表分层汇流、地表与管网分层耦合及上层地表排水等方面提出了地表分层建模技术。以立交桥为例,实现了具有物理机制的多层构筑物洪涝模型构建。并将地表分层网格建模方法应用在立交桥积水计算,其计算结果明显优于单层网格模型。(3)研究了不同数据条件下城市地表排水模拟方法。基于“地表-雨水口-管网”物理机制排水模拟方法,提出了基于检查井/雨水口汇水区的“地表-管网”概化排水模拟方法和基于排水口汇水区的“地表-河道”概化排水模拟方法;结合影响管网模型排水计算的关键因素,从雨水排水设施资料的完整程度和准确性两方面给出了管网资料质量综合评估方法,在此基础上提出了不同管网资料质量条件下道路排水的计算方法;最后,针对街区内部管网资料难以获取的现状,结合雨水市政管网数据条件和道路积水模型建模方式,进一步提出了城市街区地表排水计算的概化方法,来模拟街区内管网资料缺失条件下地表排水能力。(4)结合城市地表复杂的产汇流过程,研究了城市雨水汇水区动态概念和静态概念的精细化划分方法体系。在数据收集与标准化处理、管网连通性分析、地表分水岭分析等工作基础上,按照“汇水路径最短”原则,同时借助虚拟检查井技术综合水系、水体(湖泊、调蓄水体等)、地形(阻水道路等)、排水工程(泵站等)等多要素对现有的汇水区划分方法进行改进,提出了这五种城市基本汇水区静态概念的划分方法。然后,结合城市地表汇流物理过程,在城市洪涝精细化模型辅助下,分别基于瞬时积水贡献概念和累计积水贡献概念提出了动态概念的地表任一位置雨水汇水区划分方法,并应用于城市地表内涝点分析。最后,对泵站排水服务区提取方法展开了研究。(5)从嵌套模拟方法和模块化建模方法两方面提出了城市洪涝精细化模型集成技术框架。从模型机理、模型间耦合方式、计算对象的空间尺度三个方面研究了城市洪涝嵌套模拟方法。针对城市洪涝计算中较为复杂的地表二维水力学模型、管网模型提出了模块化建模方法。最后,基于城市洪涝精细化模型集成技术,构建了罗湖小区所在深圳河流域的全流域宏观模型和罗湖小区四种不同排水模式的城市洪涝精细化模型,并对计算结果进行了对比分析,区分街区的地表混合排水机制城市洪涝模型计算结果的精细化程度与精度最优。
【图文】：

城市防洪,中国水利水电科学研究院,受淹,研究报告

日降雨量４６０邋ｍｍ，接近５００年一遇［３８］；暴雨形成积水点４２６处，中心城区道路积水逡逑点６３处［２９］。此次暴雨给居民正常生产生活带来较大影响，京港澳高速公路北京长阳段因逡逑积水断路，损失惨重。暴雨造成的部分灾情现场见图１－２。逡逑

特大暴雨,灾情,泉城,济南

－－逡逑…—Ｌ—＿．逡逑图１－２北京“２０１２．７．２１”特大暴雨灾情现场（左图为京港澳高速，右图为朝阳区某小区）逡逑２００７年７月１８日，济南市区遭遇特大暴雨，其中市政府站最大１小时降雨量达１５１ｍｍ，逡逑约为“１９８７１２６”特大暴雨的１．５倍，最大２小时降水１６７．５ｍｍ，最大３小时降水１８０ｍｍ，逡逑均超过有气象记录数据的极值［３９］。市区南高北低，南部坡度大，北部较为平坦，，突如其逡逑来的暴雨洪水排泄不及，造成了低洼地区积水严重，许多路段交通被阻断［４（）］，暴雨造成逡逑的部分灾情现场见图１－３。逡逑
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU992

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