基于水动力学模型的城市洪涝分析

基于水动力学模型的城市洪涝分析

平原河网地区城市化水平高，人口众多。河网湖泊密集，地势较低，容易发生洪水。近年来,随着社会经济的快速发展,暴雨造成的城市内涝灾害日益突出,不仅加重了城市的防汛排涝的任务,对经济建设和人民生活也造成较大影响。本文针对平原河网感潮地区水流的特点,采用SWMM水文模型和MIKE11水动力学模型,对某研究区域内降雨径流及防洪排涝过程进行了模拟计算。首先针对研究区域水系情况及下垫面特点,对研究区域进行分区,采用SWMM模型对各分区分别进行产汇流计算;随后采用丹麦水利研究所开发的MIKE11软件,建立一维河网水动力模型,将各分块的径流过程作为河网入流,为河网水动力学模型提供流量边界条件,实现降雨径流模型与水动力模型的耦合计算,模拟了研究区域水系的降雨径流及防洪排涝情况,并对模拟计算结果进行了分析。1swmm模型和ep11水动力学模型1.1swmm模拟SWMM(StormWaterManagementModel,暴雨洪水管理模型)是美国环保局为了设计和管理城市暴雨而研制的综合性数学模型,可以模拟完整的城市降雨径流过程,包括地面径流和排水系统中的水流和雨洪调蓄过程,可以显示系统内和受纳水体中各点的水流和水质状况。该模型曾在我国天津、上海、北京等很多地区有过应用。SWMM模拟软件主要由5个模块组成。4个计算模块分别为径流模块(Runoff),输送模块(Transport),扩充输送模块(Extran)和储存/处理(Storage/Treatment),可以对地面径流、排水管网及污水处理单元等的水量水质进行动态模拟;1个服务模块的主要功能是进行一些计算后的处理,如统计、绘图等,模块之间的关系见图1。模型的基本原理详见参考文献。1.2所有权的计算方法MIKE11水动力学模型依据一维非恒定水流基本运动方程,即圣维南方程组:式中:x,t为距离和时间的坐标;A为过水断面面积,m2;Q为流量,m3/s;h为水位,m;q为单位河长的均匀旁侧入流(包括降雨产汇流);C为谢才系数,m0.5/s;R为水力半径,m;α为动量修正系数;g为重力加速度,m/s2。数值离散模式采用六点隐式差分格式离散格式,在每个网格点并不同时计算水位和流量,而是按顺序交替计算水位或流量,分别成为h点和O点。该格式无条件稳定,可以在相当大的Courant数下保持计算稳定,可以取较长的时间步长以节省计算时间。2合作模型的构建和应用2.1河流水系现状研究区域地处珠江三角洲地区,区域内东部、南部是冲积平原,西部和北部为丘陵台地,地势中北部稍高,渐向东南倾斜。境内河网密布,河道纵横交错,内河涌与外江交界处分别有1号和2号水闸。区域河流水系情况见图2。该区域水系外围的堤防防洪标准已经满足要求,目前水系主要为内部排涝问题,是典型“不怕洪,就怕涝”的地区。由于城市化进程加快,大量土地改变用途,导致容水面积大量减少;当恰逢洪潮同期,涝水无法通过水闸排出,而引发内涝灾害,为此,有必要对该区域进行研究。2.2河网概化与计算工况(1)降雨径流过程计算。研究区域总面积约为159.4km2,子汇水区的划分应考虑地形、水系下垫面情况、河网水系汇流、排水范围及现有的水利工程布置等因素。概化后的分区共计56个,见图3(从2开始编号),通过SWMM径流模型可得到各个分区出口处在不同降雨条件下的径流过程。(2)河网概化。河网概化的基本原则是概化河网要基本反映天然河网的水力特性,即概化后的河网、湖泊在输水能力和调蓄能力2个方面必须与实际河网、湖泊相近或基本一致。在平原河网区的水系,河道纵横交错,河道水流没有固定的方向,河系成环状结构,为环状河网。在河网内部往往还有湖泊、塘坝和水闸、涵洞等水工建筑物。河网计算时一般概化为节点、河道、水工建筑物3类要素。根据河网概化的基本原则和重点关注的河道资料情况,对研究区域河网进行合理的概化。概化后的河网见图4。(3)计算工况。该研究区域是典型的平原河网地区,水系互相沟通,地势相对低洼,地面高程情况基本相同。河道流速缓慢,水流流向往复不定,水流不畅,受边界控制建筑物及外部潮汐影响显著。汛期,遇大暴雨时,由于外部受潮水顶托影响自排困难,涝水积蓄在内河涌,只有趁外江落潮时伺机排水,往往形成涝灾。若天文大潮与内部涝水及台风增水影响相遭遇,则外江高水位持续时间更长,高潮潮位更高,将造成更加严重的内涝灾害。计算区涝水与潮水的成因不同,它们之间没有必然的联系,同时涝水与潮水遭遇的现象发生的概率与现象产生的后果的概率不一致,也没有必然的联系。考虑到研究区域内涝水与潮水遭遇没有因果的必然联系,根据该研究区域排涝规划的习惯做法,本次计算洪(涝)潮组合拟定2个计算工况。工况一为10年一遇涝水遭遇5年一遇高潮位,工况二为20年一遇涝水遭遇2年一遇高潮位。此外,通过在1号、2号水闸位置增设泵站,分析无泵站及不同泵站抽排流量下,内河涌的水位变化情况,拟定了3种计算方案。无泵站情况:即维持现状,仅有1号水闸和2号水闸。方案A:在现有的1号水闸和2号水闸的基础上,新建1号泵站,以增加涝水的外排能力,规划泵站的抽排能力为50m3/s;新建2号泵站,以增加涝水的外排能力,规划泵站的抽排能力20m3/s。方案B:在现有的1号水闸和2号水闸的基础上,新建1号泵站,以增加涝水的外排能力,规划泵站的抽排能力为95m3/s;新建2号泵站,以增加涝水的外排能力,规划泵站的抽排能力30m3/s。综合考虑,本文拟定的计算工况如表1所示。2.3计算结果和分析2.3.1表断面基水位计算结果代表断面位置见图5,工况一和工况二下河网代表断面瞬时最高水位计算结果见表2和表3。计算结果表明,设置泵站后,内河涌的瞬时最高水位有明显降低,且抽排量越大,水位降低值越大。3.3.2受外江潮位影响的河段水位(1)无泵站情况下。部分河涌在工况一及工况二下水面线,见图6～图7。(2)方案A。部分河涌在工况一及工况二下水面线见图8～图9。(3)方案B。部分河涌在工况一及工况二下水面线见图10～图11。模型计算工况一是上游10年一遇降雨与下游5年一遇潮位的组合,工况二是上游20年一遇降雨与下游2年一遇潮位的组合,计算中发现,无泵站情况下,在工况一遭遇10年一遇暴雨时,由于其外江潮位高于工况二的外江潮位,某些河涌的某部分河段水位反而高于工况二遭遇20年一遇暴雨时的水位,受外江潮位影响的河涌范围见图12;新建泵站后,受外江高潮位影响的河涌范围见图13～图14,图中可以看出,外江潮位的作用明显减小,河涌水位主要受降雨量和泵站抽排能力的影响。3涌的水位与无泵站的情况比较本文运用SWMM降雨径流模型及MIKE11水动力模型对研究区域水系的河网汇流及排涝过程进行了数值模拟。得到主要结论如下:(1)有泵站情况下,内河涌的水位与无泵站的情况相比有了明显的降低,并且,泵站的抽排量越大,水位降低值越大。(2)无泵站情况下,在工况一遭遇10年一遇暴雨时,由