（水文学及水资源专业论文）基于swmm模型的城市暴雨内涝研究——以东莞市典型小区为例.pdf

基于s w m m 模型的城市暴雨内涝研究 以东莞市典型小区为例 专业：水文学及水资源 作者：李江明 导师：陈洋波教授 摘要 由于城市化的快速发展，目前我国许多城市都承受着城市内涝灾害的困扰， 城市内涝严重危害了城市居民的生民财产安全，在很大程度上制约了城市的社会 经济发展。为了充分了解暴雨内涝在城市的产流、汇流和管道排水的过程，本文 主要从以下几个方面的对城市内涝进行分析和研究： ( 1 ) 总结国内外关于城市内涝的研究理论和成果。从水文学和水力学的角度归 纳了城市内涝计算理论，根据城市不同于流域的产汇流特点总结了城市产 汇流的计算方法和排水管网的计算方法。 ( 2 ) 目前有很多计算城市雨洪的模型，但是专门用来计算城市内涝积水过程的 模型并不是很多，本文主要介绍了几种可以用于城市内涝计算的模型， s w m m 模型、s t o r m 模型、沃林福特模型和天津市城区暴雨沥涝仿真系统模 型。 ( 3 ) 基于s v s t m 建立东莞市城市内涝计算模型，计算在不同设计暴雨情形下下 的内涝情况，并对计算结果进行分析。 ( 4 ) 分析总结出了引起东莞内涝的主要原因。 城市内涝是城市洪水的重要组成部分，城市暴雨内涝的研究对城市洪水管理 和洪水预警预报具有重要意义。 关键词城市内涝s w m m 模型s r t o r m 模型城市雨洪 u r b a ns t o r mw a t e rl o g g i n gs t u d yi nd o n g g u a nc i t yb a s e do ns w m m m a j o r ： a u t h o r ： s u p e r v i s o r ： h y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e s l ij i a n gm i n g p r o f e s s o ry a n g b oc h e n a b s t r a c t w i t hf a s td e v e l o p m e n t ，m o r ea n dm o r ec i t i e si nc h i n as u f f e rf r o ms e r i o u su r b a n p r o b l e m sf o rw a t e rl o g g i n g ；s e r i o u s l ye n d a n g e rt h es a f e t yo fu r b a nr e s i d e n t s u r b a n w a t e rl o g g i n g ，al a r g ee x t e n t ，r e s t r i c t e dt h ec i t y ss o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h r e e c o r r e l a t i v ep a r t so fs t u d i e sa r eu n d e r t a k e nt oh e l pt ok n o wt h er a i n s t o r m - r u n o f fa n d f l o wc o n c e n t r a t i o np r o c e s so fu r b a nw a t e rl o g g i n g ： f i r s t ，i n t r o d u c et h en e wt h e o r yo fu r b a nw a t e rl o g g i n g s u m m a r yt h em e t h o d so f c a l c u l a t i o no ft h e o r e t i c a lu r b a nw a t e rl o g g i n gf r o mt h eh y d r o l o g ya n dh y d r a u l i c p e r s p e c t i v e f o rt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e ro fu r b a nr u n o f fa n df l o wc o n c e n t r a t i o np r o c e s s f r o md r a i n a g ea r e a s ，s u m m a r yt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fu r b a na r e a s s e c o n d ，t h e r ea r em a n yk i n d so fu r b a nr a i n f a l lf l o o dm o d e l s ，b u tf e wo fc a n d i r e c tu s e dt oc a l c u l a t et h ew a t e rl o g g i n g i n d u c et h em o s tu s e ds t o r mr a i n f a l lm o d e l ， s u c ha ss w m m 、s t o r ma n dt h em a t h e m a t i c a lu r b a ns t o r mr a i n f a l lm o d e l d e v e l o p e db yi n s t i t u t eo f t i a n j i nm e t e o r o l o g i c a lb u r e a u t h i r d , b u i l dt h es t o r mw a t e rl o g g i n gm o d e lb a s e do ns w m mi nar e g i o no f d o n g g u a n c a l c u l a t et h ed i f f e r e n tf r e q u e n to fs t o r mr a i n f a l lr u n o f fp r o c e s s f i n a l l y , as u m m a r yi sg i v e na n ds o m ep r o b l e m st o b ef u r t h e rs t u d i e da r e d i s c u s s e d k e yw o r d s ：u r b a nw a t e rl o g g i n g s w m ms t o r mu r b a nr a i n f a l lf l o o d 原创性声明 本人郑重声明： 本人所呈交的学位论文，是本人在导师的悉心指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式表明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：签陟鲫 b 期：2 厕冬诵舀 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：摩汐明 导师签名： 日期： 第1 章绪论 1 1 研究背景及研究意义 随着城市化进程的加快，一方面，由于屋顶和硬质地面等不渗透面积的大幅 增加，出现地表渗水量变少、地表糙率系数变小、汇流时间缩短，洪水总量增多、 洪峰流量增加，尤其是地表汇流量增加，洪峰时间提前，使得城巾内涝的排蓄能 力不能适应快速城市化的步伐，这样便产生了城市内涝。城市内涝是一种严重的 自然灾害，一般因短时间内的集中强降雨形成，因降雨而产生的大量雨水超过城 市排水系统的排放能力，就会在城市内的一定区域发生积水，引起灾害。城市地 区由于人口稠密，建筑物密集，经济活动集中，部分地点还可能存贮有危险品， 一旦发生内涝，其危害极大，不但给局部地区带来严重的淹没损失，造成城市交 通中断，扰乱整个城市的正常生活和工作秩序，还会引起衍生和次生灾害，给人 民生命财产带来极大损害。 改革开发以来，一方面，我国城市化进程不断加快，城市规模越来越大，大 量人口迅速向城市集中，城市的商业化程度越来越高，一旦发生洪水，其损失将 越来越大；而另一方面，由于快速城市化，也引起城市下垫面的迅速变化，地面 建筑物不断增加、增高，铺砌面积不断扩大，不透水面积迅速增大，同样量级的 暴雨产生的洪水量级急剧增加。同时，由于快速城市化，城市排水系统的建设跟 不上城市的发展，发生城市洪水灾害的风险大大增加，城市内涝已成为了制约城 市建设和经济发展的重要因素。 内涝作为城市洪水灾害的重要组成部分对城市有着非常大的影响。由于内 涝计算的复杂性和对基础数据的高要求，内涝计算研究进展较为缓慢。传统的内 涝计算是从排水管网设计中演变而来的，是为了管道设计采用设计情况下的降雨 作为输入条件，着重强调管道流量的计算，而对产汇流过程则基本沿用流域产汇 流的计算方法。 东莞市是中国南方珠江三角洲地区快速城市化的一个典型，在短短的2 0 多 年时间内就从一个农业县发展成为一个拥有常住人口6 6 0 多万人的大都市， 2 0 0 6 年的g d p 达到2 6 2 4 亿元，综合经济实力居全国地级市第一位。而其过去5 年中，平均每年的洪水灾害损失超过5 亿元，仅2 0 0 6 年洪水的直接经济损失就 达到1 3 3 3 亿元，城市内涝己成为制约东莞市经济社会发展的重要冈素。因此， 开展东莞市内涝研究对于东莞市防灾减灾有着重要的意义。 1 2 研究进展 城市内涝研究与流域洪水研究有一定的联系，但也有很大的区别。城市内涝 研究可以从水文学角度，也可以从水动力学角度出发，但是一般都采用模型方法 进行研究。模型方法可以分为水文学内涝模型和水动力学内涝模型。传统的内涝 计算模型主要是在水文模型的基础上改进后发展出来的。国外常用的模型有 s w m m 模型、s t o r m 模型、沃林福特模型，这些模型发展时间较长，都是在传统的 水文学理论的基础上建立起来的。国内内涝研究起步较晚，主要采用国外的模型， 但是国内内涝积水模型的发展时间较晚，起点相对要高，大都是基于水动力学方 程的模型，例如由中国水利水电科学研究院和天津市气象科学研究院联合开发的 城市内涝积水计算模型天津市沥涝仿真系统，就是基于水动力学方程的内涝 计算模型，模型可以模拟暴雨情况下的内涝积水范围和积水水深。 水文学内涝模型从计算流程一般可以划分为降雨、地表产流、地表汇流和管 道汇流。其中，降雨很多情况下都是采用一定频率下的设计降雨，产流和地表汇 流沿用了流域中产流和汇流计算方法，管网计算则是在传统的管道设计计算的基 础上，采用设计情况下的水流计算方法。水动力学模型，是随着计算机技术和数 值计算理论的不断进步而发展起来的，这类模型是建立在水动力学方程的基础 上，方程的求解需要采用数值计算方法。 另外，随着g i s 技术和分布式水文模型的发展，内涝计算模型在传统的水 文模型的基础上结合g i s 强大的空间表达能力，开发出了相应的具有空间分析、 数据存储、数据转换和可视化的模型，如由清华大学市政规划研究院在s w m m 模 型原理的基础上结合了g i s 技术，开发出了d i g i t a lw a t e r 模型，能够分析区域内 能承受的最大暴雨强度，分析不同暴雨情景下的积水点的位置、积水退去时间等。 2 第2 章内涝研究主要理论和方法 1 9 世纪末至2 0 世纪中叶，随着水文水力学理论发展和一系列水文水力数学 模型的提出，为城市内涝计算的发展奠定了基础。其中理论部分包括圣维南方程 组，曼宁公式、面雨量推求的方法、泰森多边形法、皮尔逊曲线选配频率曲 线、单位线方法、m u s k i n g u m 法、瞬时单位线、指数形式表达的暴雨强度公式等， 同时由于数值计算方法和计算机技术的不断发展，使得建立各种模型，并求解成 为可能，城市内涝研究正是在这一背景下不断发展的，下面就从降雨、产流、地 表汇流和管道汇流这些内涝计算的环节进行理论和方法分别总结和概括。 2 1 降雨 降雨，尤其暴雨，是引起城市内涝的主要原因，暴雨中心，暴雨历时，暴雨 强度等对于城市产汇流会产生很大的影响。由于城市化的影响，城市“热岛效应” 明显，改变了城市的下垫面条件，增加了空气中的凝结核，使得城市暴雨又呈现 出不同一般的特性口1 ： ( 1 ) 相比较天然流域，城市暴雨具有雨量偏大，区域覆盖面积小，分布更偏向不均匀的 特点。 ( 2 ) 城市排水设计所使用的设计暴雨，具有历时短、设计重现期低的特性。 ( 3 ) 城市设计暴雨一般不采用历史暴雨资料推求暴雨的方法，而采用暴雨强度公式。 城市暴雨同样属于水文循环现象，所以对于城市暴雨的分析也是通过水文学 的方法进行分析。对于降雨特性的分析，在水文学中，研究主要集中在对大暴雨 的频率分析和降雨的空间分布。暴雨频率分析是根据历史观测降雨量用频率分析 的方法确定一定频率下的径流量，并对洪水进行推求，如在水文学中经常使用的 用皮尔逊型频率曲线推求设计最大洪峰流量。对于降雨的空间分布，在水文 学中主要是分析降雨降落到地面后的空间分布情况，同样是通过地面的雨量观测 站点的观测资料来推求整个区域的降雨分布情况。常用的方法如等雨量线法、泰 森多边形法、反距离权重法等。 而在城市水文学中，对暴雨的研究主要是根据设计排水系统的要求，分析不 同历时相同频率的最不利降雨设计，目的是在某一历时、频率的最不利排水条件 下，排水系统仍然能够正常工作。 翔“2 南 前苏联：汪导 日本：i ：； 我国常使肭暴雨耕一南或z = 等铲 式中，i 为降雨强度a = a ( 1 + c l g t ) ，t 为重现期，t 为降雨历时，a 、c 、b 、c 为 参数，不同的城市有不同的参数值。 对暴雨的时程分配通常是采用设计暴雨雨型，简称设计雨型进行反映。在城 市雨水径流计算方法中，常采用的是推理公式法和降雨径流模型法乜3 。 推理公式假定降雨强度稳定，即不考虑暴雨时空分布的变化，这与大多数降 雨是不符的。因此，虽然推理公式比较简单，应用起来方便，但同时也带来了许 多问题。而使用降雨径流模型推求设计洪水过程，首先必须解决暴雨时程分配的 问题。降雨量随时间的变化过程即为降雨的时程分配。该变化过程又称雨型b 1 ， 它反映了降雨发生、发展、消亡的过程。由于受各种因素的影响，不同降雨过程 的形状是不一样的，降雨适合于哪一种公式，需要进行大量的统计分析总结出来。 雨型的种类和分类方法国内外都有很多种，并且每个地方都会有自己的设计暴雨 公式。 经常使用的暴雨雨型有：k e i f e r 和c h u 雨型，其基本公式为： 坐型 ( n 1 监l1 - 劐r ( 七十6 ) 1 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中：a 、b 、c 与暴雨公式中意义相同，r 为雨峰出现时刻，为峰前雨强，乞 为峰后雨强为峰前降雨历时，口为峰后降雨历时。 4 2 2 城市地表产流过程 城市地表的产流过程就是暴雨扣除损失过程h 。当降雨量满足截留和填洼且 雨强超过下渗强度时，地面开始积水，并形成地表径流。城市不透水面积比例较 大，透水面积上产生的地表径流很小，地表径流主要产生于不透水面积。影响降 雨损失过程的因素很多，情况比较复杂，目前在估算或选定损失参数时，主要采 用经验方法。城市流域的径流损失主要包括植物截留、洼地填蓄、下渗、蒸发等 部分。同时由于一次降雨中的蒸发损失不大，故一般不单独考虑。以下几种主要 损失类型： 2 2 1 截留 截留是指停留在植物的叶和其他地面覆盖物上的降雨量，它消耗于蒸发。超 过截留能力的降雨量才能到达地面，形成下渗、填洼或径流。小流域上，截留可 能是造成径流滞后现象的原因之一。通常认为，截留的水量全部集中在降雨的最 初部分。霍顿( h o r t o n ) 曾测量和绘制了单次暴雨对各类树木的降雨一截留关系， 此关系表达式为： i ，= a + b p 甩 ( 2 3 ) 式中l 截留量( 英寸) p 降雨量( 英寸) a 、b 、刀参数。 2 2 2 填洼 城市地表的小沟、池塘等大大小小洼地，在降雨中当降雨强度大于地面下渗 能力时，洼地拦蓄雨水的过程称为填洼，当每一洼地达到其最大容量后，后续降 雨就会产生洼地出流，填洼量最终消耗与蒸发和下渗。为了模拟填洼过程中洼蓄 量的变化过程，林斯利( 1 i n s l e y ) 等人提出了洼蓄量的累积过程的计算公式： 只 = h ae 百 。( 2 - 4 ) 式中 净雨， 5 2 2 3 下渗 s d 最大洼蓄量 下渗是指在定的供水条件下( 比如降雨或者灌溉) 所发生的水分通过土壤 面( 例如地面) 向土中运动的过程，运动方向有垂直和水平两种。下渗是计算产 流的重要一环，下面介绍几种在城市内涝模型中主要计算下渗的方法： h o r t o n 方法 霍顿方法是计算下渗普遍被采用的一种方法，这种方法主要是基于观察经验 得来的，方程中下渗量是随着降雨从最大下渗率到最小下渗率的指数次方递减， 直到土壤达到饱和为止。该方法需要确定研究区域的最大下渗率、最小下渗率、 入渗衰减系数和最大下渗量1 。 六= z + 抚一z 一 ( 2 5 ) 式中：石暴雨开始时的最大下渗率； 五稳定下渗率 七经验参数 t 降雨历时 g r e e na m p e t 方法 g r e e n _ a m p e t 方法是根据d a r c y 定律推导出来的一种近似计算公式，最初是 针对地面积水、深厚均质土层以及初始含水量均匀分布条件下的下渗建立的，该 方法假定在土壤层中存在一个土壤含水量急剧变化的干湿界面，湿界以上土壤是 饱和的，以下土壤水分保持不变，这个方法要求输入的参数有：土壤初始亏水量、 土壤水利传导度以及湿界处的负压水头 川 - + 华 协6 ， 式中：卜有效水力传导度 母湿润锋面处的有效吸力 妒土壤孔隙率 只初始含水量 卜累积入渗量 产- 入渗率 6 s c s 曲线号码方法 这个方法是从美国农业部水土保持局( s c s ) 在2 0 世纪5 0 年代研制，又称 为s c s 径流曲线数法，主要用于无降雨过程资料的径流计算。该方法中只有一个 反映流域特征的综合参数c n ，它与流域土壤类型、植被覆盖、土地利用、地形 等因素有关。它假定一类土壤的总下渗能力可以从曲线号码中得出。要求输入的 参数有：曲线的号码、土壤水利传导度和土壤含水率从零到饱和所用的时间。 这种方法结构简单，计算方便，随时可以考虑土地利用类型变化对产流的影 响。因此该方法成为目前应用广泛的经典径流计算方法。美国很多模型都是用这 种方法，如：h e c 、e p i c 、c r e a m s 、a b n p s s w a t 模型等。曲线号码方法来计算径 流的公式如下： q ：了( r - 0 百2 s ) 2 ( 2 - 7 )。 j r + 0 8 s ) 式中，q 径流量 尺降雨量 s 水土保持参数 水土保持参数s 在空间上与土壤类型、土地利用类型、农田管理措施以及地 面坡度有关，在时间上与土壤含水量有关，可由一个无量纲的参数c n 求得，其 计算公式为： s = 2 _ = 5 4 _ 0 0 2 5 4 ( 2 - 8 ) c n 该方法从c n 表中可以查到每种土壤的总下渗能力。在一次降雨过程中，该 能力随降雨而损耗，直到一定的限值，输入参数为c n 值，土壤的水力传导率。 径流系数法 这种方法是比较简单的产流计算方法，在工程计算中被普遍应用的方法，是 我国现行的室外排水设计规范推荐使用的方法，并且在一些城市水文模型中采 用，如s t o r m 模型。这种方法通过把城市地表分为几种类型，每一种地表类型赋 予不同的径流系数，计算时用径流系数乘以降雨强度来进行扣损”。 在城市集水区域，下垫面各处差别很大，径流系数也各自不同。在城市，径 流系数与地面透水性有很大关系，地面不透水性越强，则径流系数越大。除了下 7 垫面透水程度，径流系数大小还与降雨特性、土壤含水量、地下水埋深等特性有 关。 小结 城市地区的产流特点与流域存在着很大的区别，城市范围相对于流域而言比 较小，地表覆盖相对于流域要复杂；城市地区产流一般分为透水面积产流、不透 水面积产流及混合区产流。通常情况下，不透水面积所占的比重比流域要大很多。 由于地表硬化面积比重大，产流模式基本上以降雨扣除损失为主，而损失的水量 可以通过长期的观测给出一个相对稳定的值，产流计算相对流域可以相对简化。 2 3 城市地表汇流过程 降雨过后，只有极少部分雨水直接进入雨水管道系统，大部分降雨降落到地 面后要经过地表汇流后才能流入雨水管道系统的集水口，这一过程就是地表汇流 过程。城市地区由于地表覆盖复杂，不透水面积比重比较大，所以径流路径复杂。 在计算地表汇流时，壤中流和地下径流可以忽略。目前，城市地表汇流的计算主 要有两种思路，一种是从水文学角度，另外一种是从水力学角度3 。水文学方法 计算主要是把城市划分为不同的汇水区域，每一个汇水区域相当于水文学上的子 流域，降雨在汇水区中一般是通过单位线计算汇水区域出口处的流量过程。水力 学方法的汇流计算则是建立在水动力学方程的基础上，一般通过求解简化的圣维 南方程，推算汇流过程。 2 3 1 水文学方法 水文学方法不研究微观的水流运动，它是从宏观角度考察流域的汇流规律， 具体的计算方法有很多，主要有以下几种m 3 ： 1 推理公式法 该方法基于以下假定：降雨径流面积线性增加；径流系数保持不变；流量发 生在全面积产流时，根据推导出的公式为：q = y f i 。当该方法应用于求雨水 口的流量过程线时，又称直接积分法。即：如雨水径流的地表汇流时间为彳，暴 雨公姚f = 等铲，汇流面积线性增长孰厂= ，贝 j 推理法推求 雨水口的流量过程线函数为嘲： 当t f 时： 酗叫6 7 驴址m 缈瓢+ c l g t 7 ) 南协9 ， 当t 0 7 1 时，应把超过量平均分配到 全部子区域面积上，即： 口透= 口一0 7 木i = = o 7 + ( 2 - 4 9 ) 得出子区域各类面积的地表径流系数后，便可通过折算得出相应的暴雨损失。降 雨减去损失便可以算出净雨。 第四步，地面对净雨过程的调蓄计算，采用非线性水库演算方法。地表蓄量 与出流量之间满足下式： ， v = k q 7 3 ( 2 5 0 ) 式中：v 为地表蓄量；q 为出流量；k 为库容常数。 屋顶面积的库容常数取0 0 4 ，铺砌面积和透水面积库容常数用以下经验公 式计算： k = 0 0 51 j _ 0 2 3 么o 2 3 ( 2 5 1 ) 式中：j 为坡度，为雨水口平均控制面积 2 2 4 天津市城区暴雨沥涝仿真模型简介 天津市沥涝仿真系统是由中国水利水电科学研究院和天津市气象科学研究 院联合开发的城市内涝积水计算模型“”1 。模型是以二维非恒定流方程为基础，采 用不规则无结构网格。模型主要由暴雨沥涝仿真模型和信息前后处理模型组成。 暴雨沥涝仿真模型是模型主要的组成部分。实现了城市暴雨内涝的地面积水 模拟和城市管道水体之间的结合，能够比较好的模拟由于地表不均匀沉降造成的 地势低洼、排水能力不足等复杂因素形成的暴雨沥涝的形成过程。信息前后处理 模块，该部分包括图形信息的前后处理模型，其中前处理部分包括处理降雨资料 信息和模型数据信息。它能把空间分布数据离散为仿真模型需要的降雨边界条件， 并可按计算的要求任意选取计算的降雨时间和降雨类型。后处理模块为仿真模型 提供计算数据的编辑、修改等功能：后处理部分能够提供暴雨沥涝计算结果的不 同形式的查询，使系统成为完整的、开放式的应用软件，大大提高了仿真模型的 实用性。 降两手秘值ii 降焉预l 撤值f 椿求王l 信息l l 媲理产息ii 一控产施 域啦化信息l l i j1 信。童蔚翘理 j ， j 酶瓣熬摆赣挺 。抽 ” 簟 l 。1 一 i 藏圈生碱l i。i职7q】藿t蠢恳i ll f 隧薅数箬转换 i 棒水管道锆息i 一 嬲锯壤整 陵甬数挺辕 恕 l 相美节点信息l | 每， 寝型终雨边弊象释 l 数糍怒理 l ：= _ 熬镌投骏嗣格催患 j s d a l l y 人 n | 嗣格计算l l 久鞔j c 尊话 一 ； 计算边井条件数挺艇 下j f w f ；m 苗g 警 运j j 投剜条件村j 绨gq 沁燃穗结掩信息鹣格空网经息 反瀚信息 1 丁 识。l 娥- i 1 j 埘丁j w g j g 。1 ) a t1 w g 残 i ，a 1 i l y i 铷置 一 天津帝曩爵额涝仿真攘墅 j 00 计算蹴话信息许算鲢榘文俘 l ， o l - i 1 ) a q 、l wi m a x d a t 一 一 j ”- ” ， ytvy恫糟，r 贩嘲靠橛l绂熙露掰络幕缀孬煞鬃矗诲锻袭钉印熙形文俘绘制输出 ， ，- 。4 一，+ ，4 4 。，- ? 图2 2 天津暴雨沥涝仿真模型结构乜8 1 模型能够以预报运算，实时检测计算和预报计算三种方式进行运算模型的运 行，主要由初始条件、边界条件及控制参数三个数据文件控制。此外，模型还将 降雨信息作为特殊边界条件当选取不同的降雨信息后，模型便采取不同的运 行方式。 确定计算方案类整t 验t d e 计算燮时篮蔫计算、预报计算 验谤计算 il实时熬蔫计算 给出黪南过摇确定 计算的起止l 寸网 鲶粗l 撂水管谨聚站， 嗣门一作状况 运行仿真横塑 计算铭晨詹处理。并与 实灞资料对比。傣芷靛菱 援报计算 将降爵整剜信患输入系统， 并输入拜雨射段 符数值殒撮的终掰过捏 输入系境选取所蔫文件 携捧承管道，鬣继闻门当时 豹工作状况输入边秀条件 埂定棒承管道、聚站蹭门 的工作状况输入边再条幸字 运行仿真援翟 = = 二工= 二 计算结果后处理 运行仿真模型 二二= = 正 计算结聚屠处理 图2 2 模型三种运行方式框图 模型在解决同一段管道内有压流和明渠流的交替问题借鉴了p r e i s s m a n n 提 出的明窄缝概念：假设在每一个网格内的管道顶端有一个连续的、狭长的窄缝， 存在一个自由水面，管道内的水头用窄缝内的水头表示，计算流量时采用窄缝内 的水头，则有压流可以转换为明渠流计算由于窄缝的宽度假设为非常小，因此窄 缝的存在将不影响连续方程的计算。其中管内流量q d 的计算修正为： 吉警刊等一掣 协5 2 ， 式中，q d 为管道中的流量，可以为有压流或明渠流；h d 为管道内平均水深( 当流态为明渠 流时，为管道内实际水深；当流态为有压流时，为窄缝内压强水头) ；乞为管道长度；为 管道内糙率；以为过水断面面积，r 为水力半径。 第3 章s w m m 模型计算原理 3 1 模型概化过程 图3 1 模型概化示意图 建模过程是先提取计算区域的排水管网系统，并作一定的概化，使之能够反 映整个排水区域的排水情况。然后根据排水网络把计算区域划分成相对独立的排 水区域。排水区域的大小要根据排水网络以及实际的地表情况划分。划分的排水 区域地表覆盖情况要尽量一致，这样划分是为了后续的排水区域参数的确定方 便。节点的确定要根据排水网络来确定，排水网络交叉的地方一般都要有节点， 其他节点要根据需要添加，添加节点总量要越少越好。因为模型中内涝积水主要 是通过节点是否涌水和管道水头是否超过排水能力来判断，所以，在地形较为低 洼的地区要多添加节点，以便于结果的观测。 3 2 模型结构 s w m m 模型的核心部分主要包括径流模块( r u n o f fb l o c k ) ，输送模块 ( t r a n s p o r tb l o c k ) ，扩展输送模块( e x t r a nb l o c k ) 和储存处理模块 ( s t o r a g e t r e a t m e n tb l o c k ) 四部分。以计算机程序形式表达，最初的版本采 用f o r t r u n 语言，后改为c 语言。最初版本没有运行界，在5 0 版之后，开发出 了在v i n d o w s 操作系统下运行的有界面的可执行程序。 3 2 1 “径流”程序块 图3 - 2s w 删模型结构2 9 1 模拟地面径流子系统对降雨的扣损和调蓄，以及降雨洗刷引起的雨洪污染负 荷。在地表径流子系统中，排水区域概化为数块单元集水区，每一块单元区由透 水面、具有洼地蓄水容量的不透水面、无洼地蓄水容积不透水面三部分组成。每 一单元区域三块面积地表径流均进入一条排水沟。上游区域排水进入下游单元区 域的排水渠道、全部排水区域产汇流推演自上游向下游进行，直至流域出口。这 样，只要输入降雨过程线及其与之关联的污染负荷，就可以得出经地表径流子系 统调节过的排水区域出流过程线。 程序中的基本方程为水量平衡方程和曼宁公式。在输入降雨过程线后，首先 对各单元区域三种平面进行产流计算和调蓄演算，它们的流量之和，加上上游的 来水流量，形成该单元区域排水沟的入流过程线，经排水沟调蓄计算后得出该单 元流域出口流量过程线。对排水区域自上游向下游逐单元区域进行演算，最终得 出总的出流过程线。 3 2 2 “输送”和“扩充输送”子程序块 s w m m 原来仅设置“输送”程序块，主要是考虑排水管网不存在回水、环流， 在不超载的正常运行情况下，采用圣维南方程组的差分形式对通过管网系统的流 量过程线进行演算，而对超载情况仅进行简单处理。后来，根据用户需要，又研 制出“扩充输送”程序块，可以对发生回水、环流、超载诸情况下的管网进行流量 演算。 “扩充输送”程序块中的地下输送子系统是把排水管网系统用“输送管”和“节 点”来简化，输送管代表管道，节点代表雨水井或管道交叉点。径流演算基本方 程采用明渠缓变非恒定流方程和连续方程。在程序中采用的是方程的差分形式， 根据管网系统径流的边界条件和初始条件求解。 在具体应用时，如果排水系统的设计或分析中无须研究超载情况，并且不存 在回水、环流等复杂水流状态时，一般采用“输送”程序块，因为它计算速度快而 且节省运算费用。只有需要考虑超载或复杂水流情况时，才需要调用“扩充输送” 程序块进行运算。 3 2 3 “蓄水 子程序块 该程序块主要模拟污水处理设施对“输送”或“扩充输送”程序块得出的径流 过程线和“污染过程线”的调蓄与降解作用。使用者可根据实际情况应用程序。程 序可模拟下列内容：污水蓄水池、拦污格栅、筛网、上浮和气浮、砂滤、高速过 滤、旋流分离器、涡旋浓缩、加氯器以及其它一些化学处理设施等。只要使用者 输入处理设施的尺寸和所要求的处理程序，程序可自动进行计算。“蓄水”程序块 还同时兼有计算各项处理设施工程费用、土地利用费用以及运行与维护费用的功 能。 3 2 4 “承受水体”子程序块。 它的输入是“输送”或“扩充输送”程序块的出流( 分流制排水系统出流或合流 制排水系统溢流) ，也包括“蓄水”程序块的出流( 即经污水处理厂处理过的污水 出流) 。程序计算它们对承受水体水质的影响。承受水体一般为广阔的水体，可 描述成与排水系统相连的节点网络系统进行分析，其边界条件可以是堰闸或某种 潮汐水流条件。 s w m m 程序还有一个辅助性子程序块，它的主要作用是根据用户要求把各 程序块连接起来，并兼有定义一些函数的作用。 此外最新的s w m m 5 提供了一些服务模块，如统计模块、绘图模块、联合 模块、降雨模块等。各模块的配置关系如下图阳川： 统计模块 一。i 径流。7 、 s t a t i s t i c sb l o c kr u n o f fb l o c k 绘图模块 g r a p hb l o c k输送模块 执行模块 t r a n s p o r tb l o c k 联合模块e x c u t i v e 一 r c o m b n eb l o c kb l o c k 扩充输送模块 e x t ra nb l o c k l 降雨模块 r a i nb l o c k 贮存处理模块 s t o r a g e 厂i r e a n 以e n t i 运行模块 i 。 b l o c k t e m pb l o c k j 1 3 3 模型内涝计算原理 3 3 1 产汇流计算 图3 - 3s w 姗程序配置关系 在s w m m 模型中，首先要把研究区域划分为若干个汇水区域，根据子汇水 区域的特点分别计算径流过程，再通过流量演算方法汇总到各个子流域的出口。 不 一宽度l 2 + 一宽度l 3 图3 - 4 子汇水区域概化图 每个子汇水区域包括洼蓄透水面积( s ，) ，洼蓄不透水面积( s ：) ，无洼蓄不 透水面积( s 。) 三个部分。其中，s 。的宽度为l l ，而s 。和s 。的宽度l 2 、l 。与他们 各自的面积占总不透水面的比例成正比，如上图所示。 妒彘“铲击。 ( 3 - 1 ) 在s w m m 模型中，产流计算是按照上述三类地表类型分别进行计算，然后通 过面积加权平均后获得汇水区域的径流量。对于无洼蓄不透水面积，降雨量除地 面蒸发外基本上都转化为径流量；对于有洼蓄不透水面积，降雨量首先满足地面 最大洼蓄量后才开始形成径流；对于透水面积，降雨量首先满足地表入渗要求， 当降雨强度大于入渗强度时，地面开始积水，至洼地最大滞水量时，形成地表径 流。地表汇流计算，模型采用非线性水库方法。这种方法，前文已有详述，这里 就不作介绍。 3 3 2 内涝计算原理 城市暴雨内涝积水研究主要解决两个问题： 1 超过雨水管网排水能力的积水量的计算 2 雨水管网排水量的计算。 而在两者中，只要清楚了雨水管网的排水情况，根据雨水管网中节点水头是 否超过节点地面高程就可以判断是否有内涝积水现象的发生。然后再根据节点处 的流量平衡方程，即：q 入= q 出，结合连续性方程就可以计算出地面积水量。所以， 雨水管网的流量演算就成为了内涝计算的核心部分。 3 3 2 1 简单管段流量演算 在s w m l d 模型中，内涝主要体现在节点水头和管段内是否是有压流动。当考 虑一段无旁侧入流的简单管段的流量演算时，方程如下： 塑+ 塑：o 出b x ，、 ( 3 2 ) 害+ 塾毫型+ 鲥警+ 鲥s ，+ 鲥吮= 。 “。 其中，s ，用曼宁公式求解： 驴舞 = 爰 c s 一3 ) 式中：a 为管段过水断面面积，q 单宽流量，h 水头，s f 摩阻坡度，h l 单位管段水头损失量， r 水力半径，v 流速，n 曼宁系数，k 为单位转换系数( 公制单位为1 ，英制单位为1 4 9 ) ，k 为在管段x 处的损失系数。 当给定管段的形状后，根据水深可以确定a ，水力半径和水深可以用单宽流 量和水头表示。所以，方程就变成单宽流量q 和水头h 关于x 和t 的函数。所以 上面方程的求解就可以采用差分的方法求解。求解方程之前还应该给出初始时刻 的单宽流量q 和水头h ，以及边界条件：x = o 和x = l 。 3 3 2 2 有节点连接的正常条件下流量演算 当计算管网系统流量时，模型假定节点和连接节点的管段内的水面是连续 的，忽略降雨直接进入节点的雨量，则节点处水头和流量存在以下关系： 百d h = 器 仔4 ) 式中：缸。表示节点横断面面积，a s 表示连接节点的管道中与节点有水力联系的管 段1 2 高处横断面面积，q 表示流入节点的净流量( q 藏八q 菠出) 图3 - 5皿型竹点一话。段连接小意罔 幽3 - 6 节点涌水示意图 模型中方程( 34 ) 的求解思路是采用差分的方法，在管道处计算流量，在 节点处计算水深，管段流量演算公式为： 其中 q 一= 鬻矬睁孙 a = g a ( 且一h 2 ) t l q i m 删= 2 矿( 互一4 ) + 矿2 ( 4 4 ) f 三 = 韶 k i 阻 = 上面_ 式中：j 在正常情况下，取管道内过水断面平均断面面积，当管段全部充满时，段面面积 取管段最宽处的断面面积；r 为平均水力坡度；v 管段的平均流速：k 离起始点i 的流速；k 离起始点k 处的损失系数；i - i , ，致分别为连接节点的上下管段水头； 4 ，4 分别连接节点的上下管段的断面面积 节点处的水头变化公式为： 只矿皿+ 函忑a v 豇o l 瓦 6 ) 其中： a v o l = 0 5 【- ( q ) ，+ ( q ) 坩j f 在求解( 3 - 5 ) 、( 3 - 6 ) 演算方程式时，5 0 以前的版本中，模型中的计算思 路是在a t 2 时刻计算流量，时刻计算水头。在5 0 版本以后，模型采用了新 的数值求解方法。该方法是假定了一个松弛变量q ，采用逐次逼近的算法求解方 程( 3 5 ) 和( 3 - 6 ) 中的流量和水头。该方法的求解步骤如下： 首先根据t 时刻的水头、面积和流速求解方程( 3 - 5 ) 中t 时刻的流量，根 据这个流量假定f + 血时刻的流量q k 。同理，根据t 时刻的流量、面积和流速 求解方程( 3 - 5 ) 中t 时刻的水头，并根据这个水头假定f + 出时刻的水头h m 。 第二步，用上一步的方法再一次求解方程( 3 - 5 ) 中的流量和水头，得出的 流量和水头分别记做：q 一和h f i “，同时假定一个松弛变量q ( 0 q l ，模型中 取1 2 ) ，然后根据下式计算新的q ”和h ”。 q 一= ( 1 一q ) q 蛔+ q q 一 ( 3 7 ) 日”= f 1 一q ) 触+ 鲫哪 第三步，用新的q ”。和h ”再代入( 3 5 ) 和( 3 - 6 ) 中继续叠代，当q “- q h “， h “h h “时，停止叠代。此时的流量和水头即是要计算的下一时亥l j t + a t 的流量和 水深。 模型考虑到计算的收敛性，采用水头为0 0 0 4 英寸为收敛条件，并且规定连 接节点的管段数不得超过四个。 3 3 2 3 积水条件下流量演算 在模型中，内涝积水的判别条件是节点处水深是否超过节点顶部高程。当满 足这个条件时，与节点连接的管段中满水管段的平均面积j 取最宽处的断面面 积。在积水条件下，水头是一个不断变化的量，水头的大小还要根据地面积水深 度来确定，则方程( 3 - 6 ) 不成立，需要假定新的水头演算方程。模型假定了另 外一种连续性条件，即单位时间内流迸节点的流量和流出节点处的流量之和为 0 ，根据这个假定，得出以下节点连续性方程 h 碧崩) - 0 日：望 ( 3 _ 8 ) 胡2 赫 喝 式中，胡是节点上内涝积水水深。管段流量演算方程可以改写为： 塑：二丝型墨 ( 3 9 ) a 日 1 + q 加。咖。+ q 妇。 在模型中，管道流量演算方法有三种可以选择：运动波法、扩散波法和动力 波法。当采用动力波法时，需要建模者选择对空间惯性项的处理，模型中提供了 三种方法：忽略、减小和保持不变。对于管道流量演算，模型还考虑了缓流和急 流条件下的方程处理。在无压流动的管段内，管段内的水流一般为缓流，模型中 判断管段内水流是否为急流，有两个条件： 1 管段内水面坡度是否大于管道底部高程； 2 弗汝德数是否大于l 。 另外，模型提供了两种积水情况下的排水管段摩阻损失计算方法： h a z e n - w i1 1ia m s 方程和d a r c y - w e is b a c h 方程。 第4 章基于s w m m 的东莞市区内涝模型 4 1 东莞市区基本概况 4 1 1 地形地貌 东莞市域地形属平原丘陵型，地势自东南向西北倾斜。境内地形多样，有低 山、丘陵、台地、平原、滩涂和水域等。从分布情况看，东南部多山岭，尤以东 部为最，且集中连片，起伏较大，海拔多在2 0 0 一- - 6 0 0 米之间，坡度3 0 。左右； 中部为丘陵地区，以成片低山丘陵为特色；东北部接近东江河滨，陆地和河谷平 原分布其中，海拔在3 0 - - - 8 0 米之间，是地势起伏和缓，易于积水的埔田区：西 北部是东江冲积而成的三角洲平原，地势低平，是水网纵横的围田区；西南部是 滨临珠江口的冲积平原，地势平坦低洼，是受潮汐影响较大的沙咸田地区。 东莞市市区位于丘陵山区与河湖水网交界地带，地势东南高，西北低。东南 部是山地、丘陵，标高在4 , - - 一6 m 以上，其中最高黄旗峰为1 8 4 5 m ，西部是河湖 水网低洼地，一般标高在2 ，- - 3 m 左右，中间是冲积缓冲地带。 4 1 2 气候条件 东莞市地处北回归线以南，属亚热带海洋性季风气候。冬暖夏长而不酷热， 阳光充足，雨量充沛且多暴雨，温差振幅小，季风明显。多年平均降雨1 7 8 6 毫 米，最大年降雨量是2 7 4 7 毫米，最小年降雨量9 7 2 2 毫米，最大为最小的2 8 2 倍，年际间相差较大。年内降雨主要集中在4 9 月，占全年降雨的8 0 以上。 雨量分布呈“双峰型 。常受台风、暴雨、春秋干旱、寒露风及冻害的侵袭。 盛行东风，东北风次之，瞬间风速最大1 2 级( 3 5 米秒) ，平均风速最大l o 级( 2 6 米秒) 。台风是东莞主要的灾害性天气之一，年平均有2 - 3 个台风对东莞带来 影响。 4 1 3 市区水系 市区内河网均属珠江水系，主要干流有东江南支流和东莞水道。东江南支流 3 5 于城区北端由东向西过境入珠江口，东莞水道于城区北端从东江南支流由北向南 穿过东莞市区。另一条人工水系一东莞运河，从东北至西南横贯东莞市。运河目 前的主要功能是防洪排涝、沿线农业灌溉用水和沿线城镇污水排放。 莞城区是东莞市的中心城区，区内的雨水是通过排水管网系统和内河涌( 已 加盖) 排入东莞运河。由于地势低洼，一旦遭遇暴雨运河水位超过排水口的水 位，便会0 i 起内涝。选取莞城区的一片相对独立的排水片区作为_ = f