（水工结构工程专业论文）济南市城市洪水数值模拟研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。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科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：连 日期：丝芝：s 乏广 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝储虢船燧名鹫日期：地a 讨 l i i i l l ：； l 4 ! ； 7 7 1 4 1 研究内容7 1 4 2 技术路线8 2 城市洪水数值模拟的理论和方法9 2 1 理论基础9 2 1 1 水流运动规律的研究方法9 2 1 2 一维水动力模型9 2 1 3 二维水动力模型1 0 2 2m i k ell 水动力学原理1 1 2 3m i k e2 1 水动力学原理1 7 2 3 1 控制方程17 2 3 2 控制方程数值离散方法18 2 3 3 有限差分方法2 0 2 3 4 定解条件2 2 2 4m i k ef l o o d 耦合原理2 3 2 4 1 标准连接2 3 2 4 2 侧向连接2 4 l 山东大学硕士学位论文 3 研究区域概况2 5 3 1 模拟区域介绍2 5 3 1 1 地理位置2 5 3 1 2 地形地貌2 5 3 1 3 水文气象2 6 3 1 4 流域水系2 6 3 2 济南市暴雨洪涝灾害成因分析2 7 3 2 1 自然因素2 7 3 2 2 人为因素2 8 4 济南市洪水演进模型的建立3 0 4 1 一维模型的建立。3 0 4 1 1 模拟计算区域3 0 4 1 2 河网概化31 4 1 3 降雨径流模型的建立3 l 4 1 4 模型参数3 8 4 1 5 模型的率定3 9 4 1 6 结果分析。4 0 4 2 二维模型的建立4 0 4 2 1 基础资料4 0 4 2 2 模拟计算区域4 1 4 2 3 地形概化4 2 4 2 4 网格划分4 3 4 2 5 降雨径流4 5 4 2 6 初始条件4 5 4 2 7 边界条件4 6 4 2 8 模型糙率。4 6 4 2 9 模型参数敏感性分析算例4 7 4 2 10 模型验证5 5 4 3 一二维耦合模型的建立5 9 i t 山东大学硕士学位论文 4 3 1 模型设置5 9 4 3 2 降雨径流6 0 4 3 3 初始条件6 l 4 3 4 边界条件6 1 4 3 5 结果分析6 1 4 4 结论6 7 5 济南市城市雨洪预警系统预案库建立6 9 5 1 洪水仿真预案库设计6 9 5 1 1 设计依据6 9 5 1 2 预案类型设计6 9 5 1 3 预案主要内容7 0 5 2 雨型设计及降雨过程展布方法研究8 0 5 2 1 实际雨型8 0 5 2 2 设计雨型8 1 5 3 样本方案简介8 3 5 3 1 河道洪水模拟结果8 4 5 3 2 城区积水模拟结果8 6 5 4 结j 沦8 9 6 结论与展望9 0 6 1 结论9 0 6 2 展望9 1 参考文献9 2 致 射9 5 i l i 山东大学硕士学位论文 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。 山东大学硕士学位论文 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 山东大学硕士学位论文 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 ， 盖j 0 山东大学硕士学位论文 摘要 近年来，由于城市化过程改变了城市区域的暴雨径流条件，使得径流总量增 大，洪峰流量提高，洪峰出现时间提前；而大部分城市前期规划不够完善，城市 基础性设施抗洪能力薄弱，城市洪水灾害所带来的直接或间接损失越来越大。城 市洪水淹没模拟是洪水管理中比较重要的部分，它可以预测和评价城市洪灾风 险，为相关部门管理洪水提供有力的技术支撑。济南市地势南高北低，南有广袤 群山承接降水，北有黄河大堤阻隔洪水去路，小清河是洪水的唯一出路，自古就 有南洪北涝的说法。本文利用d h im i k e 软件建立了一维河网模型、二维地面径 流模型以及完整的一二维耦合的济南市城市洪水淹没模型。 首先，建立了济南市一维城市河流模型，并利用一维模型对n a m 、u r b a n 两种水文模型进行了对比分析。鉴于济南市下垫面南北差异大，地形地貌复杂， 建立河流模型时我们采用了n a m 水文模型，模拟结果较好的符合实测数据； 次之，建立了济南市二维地面径流模型，并利用济南市地形雨洪资料对 m i k e 2 1 软件两种计算网格、计算地形地物地貌的概化方式、网格尺寸和糙率 等参数进行了可行性论证以及敏感性分析，并成功的应用到济南市模型； 再次，建立了济南市一二维耦合的城市洪水演进模型，应用模型进行了济南 市城市洪水的数值模拟。模拟结果表明模型能够很好的模拟济南市二环以内的降 雨积水情况，反映出了符合实际的低洼地段的积水情形，验证了一二维耦合的地 面径流模型的可靠性； 最后，利用本文建立起的耦合模型，依据济南城区有资料以来的雨水情信息， 设计了济南市典型降雨过程，推求出适合济南市的长历时和短历时设计暴雨雨 型。并基于济南典型设计降雨过程和历史典型降雨过程，设计了济南市城市雨洪 预警预案库。防汛部门可根据气象预报信息查询预案库预知洪涝分布情形，及早 布置防汛抢险调度措施。 关键词：城市雨洪；河流模型；地面径流模型；耦合模型；预案库 山东大学硕士学位论文 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 ，鲥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 删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 洪涝灾害是人类社会中主要的自然灾害，洪水往往分布在人口稠密、河流集 中、降雨丰富的地区。中国地形复杂，季风气候显著，是世界上水灾频发影响范 围广泛的国家之一。全国存在大范围工农业生产经常受到洪水的威胁，并且洪涝 灾害所造成的人员伤亡财产损失居各种灾害之首i l 】。 图1 1 给出了1 9 9 1 年以来我国历年洪灾损失，由图1 1 可知，随着社会的发 展，人员伤亡和洪灾损失有所减少，但洪灾带来的损失仍然很严重【2 1 。 襄g 承葛长券客馨蜜8g2 ；g 苫器嚣g 霉蛊譬霉霉署霉霉墨冠冠曷2 盆舄竞冠 一死亡人数 ( 人) 直接经济 损失( 亿 元) 图l - l 1 9 9 1 年以米我国历年洪灾损失 我国是农业大国，以往防洪重心放在农业上。然而，现在的情况已发生了改 变，特别是近一二十年来，随着社会经济的发展快速发展，我国城市化进程逐步 加快，城市化率由新中国成立初期的2 0 上升到2 0 0 5 年的4 3 6 ，而且在未来 的2 0 3 0 年里，我国城市化率可能超过6 0 【3 4 】。城市是社会政治经济和文化的 中心，人口和社会财富高度集中，对防洪也提出了更高的要求。城市洪涝灾害是 洪涝灾害的一种，长期以来，由于城市洪水灾害不属于突发性洪水灾害，通常不 会造成较大的人员伤亡、社会经济损失，所以不被人们所重视1 5 1 。但长远来看， 由城市洪涝灾害造成的损失更为严重，图1 2 给出了2 0 世纪美国历年洪灾损失， 由图可知，随着美国城市化的发展，美国洪灾损失也逐渐增加【6 】。 o 约硇蚴 山东大学硕士学位论文 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；荨晶罱罱暑3 暑3 譬高蛊窖葛富宝鲁磊拳g 昌 暑0 窖叠署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 图l - 22 0 世纪美国历年洪灾损失( 亿美元) 因暴雨以及排水系统设计能力不足所引发的城市洪水问题是全球性的生态 灾害之一，严重威胁着人类生存和社会发展。城市洪灾使交通系统面临瘫痪，毁 坏各类基础设施，直接威胁到居民的人身安全【碉。近年来，特别是改革开放以 来，中国的城市化在快速发展。由于城市化过程改变了城市区域的暴雨径流条件， 使得径流总量增大，洪峰流量提高，洪峰出现时间提前；而大部分城市前期规划 不够完善，城市基础性设施防洪能力薄弱，城市防洪问题逐渐彰显出来。城市洪 灾使交通系统面临瘫痪，毁坏各类基础设施，直接威胁到居民的人身安全，尤其 对于人口非常密集的大中城市，洪水灾害带来的直接或间接损失更是难以估算。 2 0 0 7 年7 月，重庆、济南接连发生洪灾。两场暴雨造成将近百人失去生命，折射 出了中国城市处于转型期的困境：脆弱的地质条件、市政建设管理不善、城市人 口超常规增长、区域过快融合等，如何在发展经济、实现城市化和遏制自然灾害 之间取得平衡成为城市发展面临的重要问题。如何针对城市发展的特点，进行洪 水管理成为城市管理者迫在眉睫的任务1 9 捌。 济南作为山东省的政治、经济中心，是全省政治、经济、文化、科技、教育 和金融中心，是华北和华东、沿海和内地的陆路交通枢纽。济南历史上的洪涝灾 害频繁发生。新中国成立前的1 8 4 0 1 9 4 8 年的1 0 8 年中，济南市共发生水灾2 2 次， 平均4 9 年一次，其中。连续性洪灾4 次，特大水灾发生8 次，中等水灾发生1 3 次。 新中国成立后自1 9 4 9 2 0 0 7 年的5 8 年中，济南发生洪涝灾害2 8 次，平均两年一次， 2 历城1 1 6 7 m m ，长清7 1 4 m m ，最大降雨点位于市政府，降雨量高达1 8 2 7 m m 。此 次降雨历时短、强度高，1 h 最大降雨量达n 1 5 1 m m ，2 h 最大降雨量达至i j l 6 7 5 m m ， 3 h 最大降雨量达n 1 8 0 m m 。“2 0 0 7 0 7 1 8 ”特大暴雨洪灾给人民群众的生命财产造 成了严重损失，是济南历史上破坏性最大的自然灾害之一。此次暴雨灾害共造成 3 7 人死亡，1 7 1 人受伤，5 7 1 8 户住房受淹，受灾群众约3 3 3 万人【l o l 。洪灾的发生 既反映出了济南防洪工程措施的不足，也折射出济南市以洪水预警管理为主的非 工程措旌方面的欠缺。 本文依托济南市区为研究对象，选取了“济南市城市洪水数值模拟研究 为 题展开研究。通过运用地理信息系统，整合城市地区地形、道路以及建筑物等空 间信息，建立基于m i k e 软件的城市1 d - 2 d 水动力地面径流耦合模型，预测和评 估济南市城市洪灾风险，为相关部门管理洪水提供有力的技术支撑。 1 2 国内外研究现状 随着城市化的程度的提高，大量人口向城市聚居，工商业快速发展，进而产 生了“雨岛效应”和“热岛效应 ，建筑物的增多，透水面积逐渐减小，增加了 城市洪灾发生的可能性【5 】。而另一方面，城市化的提高，发展了城市的经济，城 市经济类型的多元化及资产的高密集性使城市的综合承灾能力变得脆弱，损失总 量必然增大。目前，城市暴雨产生的积涝问题，不仅仅是城市排水系统问题，已 经成为城市发展规划中必须综合考虑与治理的问题。因此，城市洪灾问题引起了 全世界普遍关注，许多国家都不同程度地开展了城市洪水模拟的相关研究。 城市暴雨积水模拟是一个复杂的时空模拟问题，并且因房屋等建筑物、公路、 公园等下垫面的复杂性以及城市雨岛的产生，使得城市区域的暴雨积水模拟相比 蓄滞区的洪水模拟更有难度。城市暴雨积水模拟问题，传统上属于水文水力学研 究范畴。它是普通积水模拟方法在城市区域的特殊应用，通过相关改进使之适合 于城市区域。概括起来，主要有水文学方法、水力学方法以及耦合的水文水力学 方法等三类方法【1 1 1 。 3 山东大学硕士学位论文 水文学方法发展的较早，得到了广泛的应用。随着计算机技术的发展，水力 学方法被逐渐应用到城市洪水模拟中来。两种方法各有优缺点，且具有互补性， 随着技术的进步，将两种方法耦合起来又发展成了水文水动力学方法【5 1 。 1 2 1 水文学方法研究现状 2 0 世纪初以来，世界范围的大规模工程建设促进了工程水文学的发展和成 熟，降雨径流模拟技术日臻完善。降雨径流模拟技术的发展可分为三个阶段：由 以s h e r m a n ( 1 9 3 2 ) 的单位线法和n a s h ( 1 9 5 7 ) 的瞬时单位线法和线性水库法为代 表的经验性的“黑箱 模型的分析方法；发展到6 0 8 0 年代的以美国的s t a n f o r d 模型、我国的新安江模型等为代表的概念集总式“灰箱 模型；以及8 0 年代以后 随着计算机技术发展技术的发展而发展起来的以s w m m 模型、t o p m o d e l 模型 为代表的分布式流域水文模型【1 2 】。 传统上水文学方法，根据水量平衡原理，利用模型结构和参数反映降雨经过流 域时入渗、地面径流和管道径流的各环节。即依据流域系统输入、输出的实测资 料分析各个具体流域的产汇流特性f 1 3 】，由建立的参数、公式、模型，预报或计算 一次暴雨积水过程。包括等流时线法、时段单位线法等具体方法。概念性水文模 型方法发展较早，模型结构较简单，能大大地简化计算量，因此应用广泛。如常用的 城市雨水径流模型，是基于实测资料的瞬时单位线法【1 4 】，用概念性水文模型中的非 线性水库方程模拟城市地表汇涮1 5 1 。 水文学方法已成为分析水资源的有力工具，比较著名的模型有美国陆军工程 兵团水文学中心开发的暴雨模型( s t o r m ) ，美国环保局的雨水管理模型 ( s w n 厦一s t o r m ) ，英国环境部及全国水资源委员会的( w a l l i n g f o l m ) 模型 以及国内的新安江模型和陕北模型等。这些模型已经在城市化流域排水系统的规 划、设计和评价方面取得了良好的应用效果【5 1 。 1 2 2 水力学方法研究现状 早在一百多年前人们对流体运动有了基本的认识，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，奠定了流体运动一般 规律的理论基础。2 0 世纪初s t e m e c k 等人给出了一维流体运动的数值解法，并 4 山东大学硕士学位论文 取得了良好的效果【1 6 1 。真正意义上的数值模拟是在计算机诞生后， 术的迅速发展，水动力数值模拟在研究应用中得到了长足的发展。 机及计算机技术的发展，城市洪水模拟的水力学方法逐渐发展起 模型因其能够提供详细的城市洪水过程的优势而越来越得到重视。 假定单元面积内各点具有相同的损失率、糙率和坡度，用水力学方 单元的均匀平面面积上的径流过程【1 7 】。一般降雨在城市地表的径流 恒定的宽浅明渠水流，水流形态随地表径流水深而变化。水流形态 紊流、次临界流或超临界流、恒定流或非恒定流。数学上不稳定流 通常用圣维南方程组或浅水波方程组来描述【5 】。 目前，一维水动力学模型主要用来模拟河流的水流运动过程，主要优点是可 以快速、准确地模拟复杂河网的水位、流量过程，但流动路线具有“线性 特征。 对于城市地区，由于水流运动复杂，人工建筑物常常改变水流的流向，一维模型 明显存在局限性。二维水动力模型能够较好地模拟水平漫流过程【1 8 。2 1 1 ，可按照指 定的时间间隔生成淹没深度的时间序列。但二维模型的应用也存在计算速度慢， 需高分辨率的地形数据支持【2 2 ，2 3 】等问题，并且模型在表征地表形态方面具有很 大的局限性，不能象一维模型一样对水工设施进行精确计算【2 4 1 ，国内外的一些 2 d 水动力模型，在地形条件输入方面，通常未针对城市区域建筑物可能对水流 运动的影响加以考虑，因此模拟的结果无法充分反映实际水流运动情况。随着计 算机运算能力的快速提高，地理信息系统的广泛应用，高分辨率的地形数据的支 持，开发高精度2 d 水动力模型成为发展趋势。 为了解决一二维模型分别使用时经常遇到的空间分辨率和计算精度等问题， 发挥出各自的特色和优势，国内外研究者建立了水动力耦合模型，比较成功的如 s o b e k 、l i s f l o o d 和m i k ef l o o d 。将一维模型和二维模型耦合后，模型系 统可以自动分析由于分洪对河道水位的影响，以及反之，河道水位下降对城市、 蓄滞洪区分洪量的影响，提高模拟精度和可靠性。 1 2 3 国内外城市雨洪模型研究现状 在城市雨洪模拟技术研究方面，发达国家从六十年代起开始研制满足城市排 水、防洪等各方面要求的城市雨洪模型，许多模型已得到广泛应用。在七十年代 5 山东大学硕士学位论文 初出现了几种通用的雨洪模型，并在其后的实际应用与深入研究中得到逐步完 善，这些模型主要包括【2 5 2 6 】：英国的沃林福特模型和公路研究所模型，美国环保 局的暴雨雨水管理模型，美国陆军工程兵团的蓄水、处理与溢流模型，伊利诺城 市排水区域模拟模型，美国地质勘察局的扩散式雨水径流模型，辛辛那提大学城 ， 市径流模型，水文计算模型，丹麦的m i k e 系列模型。较常用模型及特点如下 【2 7 - 2 9 】： ( 1 ) s w m m 模型 s w m m 是美国环境保护局于2 0 世纪7 0 年代由麦特卡夫一埃迪有限公司、佛 罗里达大学和美国水资源有限公司三个单位共同研制的一个比较完善的城市暴 雨模型。该模型可以模拟完整的城市降雨径流运动过程，包括地面径流、排水系 统中的水流、雨洪的调蓄处理以及受纳水体模式。该模型主要包括径流模块、输 送模块、调蓄模块等【3 0 1 。 ( 2 ) s t o r m 模型 s t o r m 模型可以计算径流过程，适用于工程规划阶段对流域长期径流过程 的模拟。该模型根据土壤类别、土地利用情况等较易确定的资料，便可计算出净 雨过程，但不适于估算一次暴雨中净雨增量，对于中、低径流事件，此法预报偏 低【3 l 】。 ( 3 ) t r r l 模型 t r r l 是英国公路研究所根据a t 径流演算方法提出的一种城市径流模型。 这一方法忽略全部透水地表面积和不与排水系统直接连接的不透水地表面积。 t r r l 模型估算的洪峰流量和径流量偏低。t r r l 法基本上是线性运动波演算， 假设管道水流在瞬间是恒定均匀的，允许某瞬时流量过程线变形和流量衰减，但 是不考虑回水影响和管道蓄水，该模型在预测