【城市内涝模拟研究的国内外文献综述6100字】

城市内涝模拟研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u28249城市内涝模拟研究的国内外文献综述 1246401.1城市内涝模拟模型研究进展 178971.2MIKE模型城市内涝模拟研究进展 3180681.3管网评估和内涝灾害风险评估研究进展 48911.4城市内涝灾害应对措施研究进展 521615参考文献 61.1城市内涝模拟模型研究进展为了提高城市应对暴雨产生内涝灾害的能力，国内外关于城市暴雨内涝问题的研究由从关注内涝的产生机理、数理统计的方法逐渐转向基于高精度数值模型模拟和结果实时动态分析[11]。发达国家出现城市化现象较早，因此对城市内涝问题特性和演变规律、内涝防治等研究起步较早[12]，早在20世纪60年代，降雨径流现象和雨水内涝灾害现象开始引起发达国家的重视，其中美国是最早对城市内涝灾害研究的国家之一[13]，到20世纪80年代后期，美国、英国等气象学家开始研究城市的内涝积水问题，随着水文水利方面的理论发展以及现代科学技术的进步，内涝积水问题的研究由手工计算逐步转变为应用计算机和数值模型模拟的方式[14]。目前在研制模型对满足城市排水、防洪等方面已取得较大进展，很多数值模拟模型已经在雨水管道系统规划设计和城市地表规划方面广泛应用[15]。雨洪模型的发展由最初的基于监测数据的黑箱模型逐步转向通用的排水模型，并在各个典型区域进行实际应用中得到不断完善[16]。这些应用较为广泛的模型主要有：SWMM模型、HSPF、InfoWorks模型、MIKE模型等[17]。SWMM模型SWMM降雨径流模型是在美国环保署（EnvironmentalProtectionAgency）简称EPA支持下，由三个单位联合开发研究的较为完善的城市雨洪综合性数值模型，该模型通过非恒定产汇流模块和水动力模块组成，动态模拟降雨流过地表、管网及处理措施后复杂的流量和水质情况[18]。随着SWMM模型应用于城市排水及环境整治方面的广泛性，模型研究和发展得到不断的完善[19-20]。SWMM模型的内置参数较多，包括产流模块（前损后损法）、汇流模块（非线性水库法）、水动力模块（动力波模拟法）三个模块，设计到的参数主要包括透水性、不透水性地表洼蓄量、衰减系数、最大最小下渗率、地表曼宁粗糙系数、局部水头损失系数、边界条件、沿程损失系数以及需实测获得的汇水区面积、宽度等参数[21]。HSPF模型HSPF水文模拟模型是在美国环保署的设计和论证下经过长期的优化完善开发的，该模型包括GIS信息处理部分、气象分析部分、分布式水文模拟部分及外部支持部分四个单元。主要模拟了降雨径流的水文效应、水力传导及下垫面、河流、水库等的水质变化过程[22]。在GIS信息处理部分，主要对区域内的数字高程模型（DEM）、土地利用类型、土壤条件进行提取和处理，在气象分析部分主要进行气象数据的导入和处理，具有在现有的气象数据的基础下进行衍生和扩散功能，在分布式水文模拟部分主要进行不同下垫面类型的降雨水流模拟和污染物的累积过程、冲刷过程的模拟，在外部支持部分主要对相关软件开放数据接口，将数据输出和输入，与其他相关软件结合紧密，极大地提高了模型的便捷性和实用性[23]。InfoWorks模型InfoWorks水力模型是由WallingFord公司进行设计、论证和开发的，该模型共具有产流模块（固定径流系数法、变径流系数法、前损后损法）、汇流模块（线性水库法）和水动力模块（动力波法）三个模块模拟城市的水文循环过程。该模型功能全面，为市政给水排水管网系统提供了一套全面的模拟工具。MIKE模型MIKE模型是丹麦水利研究设计开发的软件包。其系列包括MIKE11、MIKE21、MIKEUrban等，MIKEFlood为各种模块提供多种连接模式。该模型在城市内涝模拟、溃坝洪水模拟等领域应用广泛。MIKEUrban模型基于ArcGIS对一维给水排水过程进行模拟，反映城市管网非恒定水流的全过程[24]，还具有对雨量、水质、和布置LID措施后的模拟，是目前模拟计算的一种可靠高效的模型[25-27]；MIKE21基于ArcGIS对城市二维地表进行处理使模型中地形更贴合实际状态，反映城市化后的地表漫流过程；MIKEFlood模型为一维管网和二维地表提供连接，能够更好地反映真实的地表地下水流的交换过程。雨洪模型在我国的起步较晚，研究始于20世纪60、70年代。20世纪80年代以来，随着城市化的发展和内涝灾害的加剧，人们在80年代后期进行了较为系统的研究，在独立开发模型方面也取得了一些成果。20世纪80年代，北京水利城市建设部门基于北京市实际情况和雨洪状况下提出雨洪调控调度方案[28]。1990年，岑国平等基于北京市某区域利用ILLUDAS模型进行了详细计算，首次提出由我国自主设计、论证、研发的城市雨水管道计算模型（SSCM）[29-30]。1997年，周玉文等人基于排水管网的研究建立了分析管网系统工况的城市地表径流模型（CSYJM）[31-32]。1998年，徐向阳等人在多种雨洪过程研究的基础上提出适合平原的雨洪模型，此模型将区域划分为多个单元，每个单元设置一个出流口，降雨通过单元产流汇流流入出流口，进而汇入管网的调蓄节点[32-33]。同年，我国针对天津市开发研制出水动力与气象监测预报一体化的天津市内涝仿真模型[34]，是我国首个城市管网水流与内涝积水结合的动态模拟系统。2000年，天津气象局等合作设计研制了基于GIS的采用网格划分方法的城市暴雨模拟系统（UFDSM），模型在天津市进行区域模拟，结果较为可靠[34-35]。近年随着3S技术的发展与普及，我国研究院开发出管网规划设计、动态水流模拟、GIS数据空间分析一体化的数字排水平台。综上所述，国内雨洪模型与国外模型相比仅具有核心模块，使用范围仅限于开发团队内部应用，未达到广泛推广和应用，且在模型前后处理过程中的功能不够强大，导致与发达国家的技术存在较大差异。1.2MIKE模型城市内涝模拟研究进展我国目前应用MIKE模型对城市内涝模拟进行了大量研究，重点模拟MIKEUrban模型在不同条件下的管道流量过程、节点溢流、管道超载状况。以通过MIKEUrban和MIKE21耦合的MIKEFlood模型考察研究区二维地表积水状况，探讨研究区在现状条件下的管网排水能力和地表积水状况，对产生内涝状况进行预测并提出解决措施。王丹[36]建立MIKEFlood耦合模型对西安市曲江新区内涝状况进行模拟和评估，从西安市降雨特性与内涝特征入手，基于GIS和大比例尺地形基础资料，搭建了MIKE21快速评估模型模拟计算以径流系数为主和以五种下垫面为主的两种情，对研究区两种情景下的内涝结果进行评估；依据管网资料搭建MIKEUrban模型对不同工况下的管流进行模拟，通过管道充满度和节点溢流度对研究区排数管网能力进行划分；最后通过二者的耦合对研究区的内涝积水进行模拟评估，针对易涝区进行详细的原因分析并提出相对应的解决措施对管网进行优化。王英[37]以北京科学城为研究对象，搭建一维、二维及其耦合模型实现了研究区管网和地表水流的交互过程，通过径流系数、管道水位流量和排水口流量过程线对模型进行了详细的率定，依据走访获取的积水深度值对模型参数进行了完整的验证，所构建的模型精度优良，为研究区的后续内涝淹没范围和深度提供了较好的模拟预测，并对研究区域的风险区域进行了等级划分。熊厚庭[38]以银川某城区的现状下垫面、河道、管网和泵站等为基础，构建研究区短历时和长历时两种降雨情境下的内涝模型，针对区域排水和积水模拟情况提出以雨水花园、绿色屋顶、植草沟、蓄水池为主的方案，进行不同方案的对比分析和方案优选，为解决研究区的内涝问题提供参考。赵燕霞[39]以大连市三个区域为研究对象，构建MIKE系列模型对研究区易涝点的瓶颈管网进行识别，并提出以改造成本相同为控制条件下的蓄水池除涝方案、泵站方案、不同比例绿色措施方案及管道扩建四种除涝方案，分析在不同降雨强度、不同城市化程度和管网沉淀情景下的三种条件下的除涝效果分析，对方案的在不同条件下的适用性进行评估分析。孙樱姗[40]以北京老城区合流制管网为基础，以年均溢流次数为控制标准优选出最适用于区域的MIKEUrban模型，通过使用实测管道流量对模型进行参数调整及验证后的模型对区域管网的径流情况、年均溢流次数以及溢流情况下的污染物进行分析，并提出多套相应的规划方案，以环境效果为最终评选依据制定出最适合研究区的规划方案，并对最适合的方案采用专家打分系统建立评估体系证明方案的在研究区的可行性。我国目前在MIKE模型在城市内涝模拟方面已经有了很大的进步，不止在现状管网和地表内涝的模拟方面，更在于规划、设计、优化和评估阶段。目前丹麦水利开发设计适用于中国SCAD模块，可额外获取区域添加LID措施后的消减效果，是雨洪模型中可靠和有效的模型[25-27]。1.3管网评估和内涝灾害风险评估研究进展城市排水系统是从收集到排放雨污水的工程系统，对城市的日常运转和生活具有及其重要的作用，管网系统由于建设标准不同以及年代久远、老化、损坏等原因，其排水能力高低有着很大差异，进而很大程度上影响着城市遭遇暴雨时的发生内涝灾害的轻重程度，因此，通过数值模拟技术找出排水管网的瓶颈之处，对相应瓶颈管网的排水能力进行评估工作迫在眉睫，可为后期管网系统的改造提供依据。薛偲琦、张瑛[41]等人基于SWMM模型模拟了三种典型暴雨情况下的南京市秦淮河中段的排水管网模型，以不同暴雨强度下的检查井和管道的超载情况和超载时间为衡量标准对管网能力进行了评估，为南京市的城市管网改造提供了依据；段梦、齐珊娜[42]等人应用InfoWorksCIM模型对枣庄市城区建设年代久远的管网现状进行模拟评估，找出城市易涝区域所对应的排水能力不足管网，分析总结其原因，为研究区后期管网改造和管理提供有效的依据；孟明群[43]等人基于供水管网GIS系统、SCADA系统、管网水力模型一体的管网信息化水质平台，实现了对水质监测点的预测、管网水质化学和生物稳定性的评估，可依据管道中的管壁衰减系数项对老化管道进行评估和排序，建立了科学有序的老化管道评估系统；戴雷杰等人基于GIS分析系统，采用因子评价方法实现了对管网的安全评估，为管网漏损的降低提供了科学参考和依据。现如今，内涝灾害已经引起各个国家的注意和重视，如何依据城市内涝灾害的机理对内涝灾害进行风险评估已经成为多个国家灾害研究学者亟需解决的问题，这有利于针对性地提出适合城市的内涝风险应对措施框架[44]。杜鹃[45]等基于灾害的自然属性、社会环境、特性三方面，完成了内涝灾害的风险评估体系，并应用于湘江流域取得了较为良好的评估结果；黄诗峰[46-47]应用P-Ⅲ曲线基于城市历史灾情数据，完成了洪灾损失频率的拟合和分析，并运用加速遗传算法完成参数的评估；张继权、李宁[48-49]等人以日本山口县为研究对象，运用两种灾情评价方法对雨洪灾害进行了区划研究，进而得到了有效的评估结果；黄崇福、史培军[50]等人采用模糊集字段方法，提出了一、二级模型的城市地区洪水风险评估方法，为城市洪水评估提供一定的思路和方法；陈鹏、孙滢悦[51]等人在哈尔滨市采用马尔科夫链数学计算模型模拟、分析了该市11年的洪灾风险等级和风险指数，得到哈尔滨市洪灾风险的时空演变规律；陈晓丽[52]等人应用GIS系统的辅助，采用SWMM模型对武汉市不同降雨下的城市内涝进行模拟，根据模拟结果进，划分了洪涝灾害等级，绘制了洪涝灾害风险分布图。综上所述，随着国内外对城市内涝灾害的重视度不断提升，利用数值模型技术实现对市政管网和城市积水的模拟越来越广泛，为了针对性解决排水管网能力不足问题和地表积水问题，对模拟管网排水能力结果和内涝积水结果进行风险评估十分必要。1.4城市内涝灾害应对措施研究进展在自然灾害中，城市洪涝灾害对人类生活的影响是最频繁最常见的[53]。洪水是由自然因素决定的，如气候的变化导致的暴雨增加，但也伴随着人类的干涉，在众多的影响因素中，气候变化和城市规划建设在城市洪涝风险中最具有影响力。城市在遭遇短历时强降雨或持续性降雨时产生内涝灾害的主要原因在两个方面。一方面是在城市化初期的规划设计中，有管网设计不合理、标准偏低等现象以及当降雨超标时的应对措施不足等因素，例如一般城区及其重要的道路的排水管网设计一般为0.5～1年一遇降雨重现期，当遭遇超出其设计降雨重现期的暴雨时，城市的市政管网抵御超标雨水的能力不足，不能高效地排走地表产生的雨水，导致部分道路和低洼区域容易产生积水。另一方面是随着城市发展速度加快，导致不透水下垫面增加，当遭遇极端降雨时地流量和流速汇集速度加大，进而形成地表积水状态，并且伴随着全球气温上升导致的极端局部暴雨和强降雨等气候频频发生，对城市排水系统造成了排水压力，城市排水系统与气候异常现象不相匹配程度增加。因此应对城市内涝灾害的措施应从提高管网系统的排水能力和对地表添加LID“绿色”措施来改变地表下垫面类型进而达到减小不透水率两个方面考虑。许多研究学者采取单一的排水管网改造的快排思想或者单一的LID措施从源头控制水流思想对研究区提出相应的措施，亦有将两者结合起来对区域提出内涝应对方案。如李彦伟、尤学一[54]等人采取对管道方面改造的单一快排思想提出改变研究区域的节点高程值或者增大管径措施，对城市排水除涝效果应用SWMM模型进行效果分析；蔡剑波、林宁[55]等人采取LID措施的源头控制思想对研究区设置不同深度的下凹式绿地措施，分析该措施对径流总量、径流系数的削减效果；王晓婷[56]采取快排思想与源头控制思想相结合的方法，对上海某商务区通过增大管径和设置低影响开发措施应用SWMM模型模拟对管网优化的效果，通过分析径流总量、洪峰流量、检查井溢流个数等指标表明对该区域的内涝削减效果较为明显。综上所述，频频发生的内涝灾害已经对日常生活造成了较大的影响，采取提高市政管网系统的排水能力和对城市进行LID措施的海绵城市改造已经成为城市发展的一大趋势，尽早对城市提出相应的应对措施缓解内涝问题势在必行。参考文献[1]FieldCB,BarrosVR,ChangeIPC.IPCC,2014:ClimateChange2014:Impacts,Adaptation,andVulnerability.PartA:GlobalandSectoralAspects.ContributionofWorkingGroupIItotheFifthAssessmentReportoftheIntergovernmentalPanelonClimateChange.guangdongagriculturalsciences,2014.[2]石小芳,赵明洁,杨青青,张菲菲,吴燕娟,高超.基于降雨情景模拟的城市社区尺度暴雨内涝研究[J].水利水运工程学报,2021(01):26-35.[3]黄国如,吴思远.基于InfoworksCS的雨水利用措施对城市雨洪影响的模拟研究[J].水电能源科学,2013,31(05):1-4+17.[4]张念强,马建明,陆吉康,刘建刚,万金红.基于多类模型耦合的城市洪水风险分析技术研究[J].水利水电技术,2013,44(07):125-128+133.[5]方晨.极端天气与北京暴雨[J].科学世界,2012(09):4-7.[6]张正涛,崔鹏,李宁,刘远,邹强,黄承芳,吴圣楠.武汉市“2016.07.06”暴雨洪涝灾害跨区域经济波及效应评估研究[J].气候变化研究进展,2020,16(04):433-441.[7]李振星.城市洪涝灾害危机成因及对策研究——以南京市为例[J].中共桂林市委党校学报,2018,18(02):62-65.[8]谭玲,姚帏之,李廉水,吴先华.城市暴雨洪涝灾害直接经济损失的文献计量分析[J].灾害学,2020,35(03):179-185.[9]蒋国民,于询鹏,李克.城市内涝的成因及对策[J].工程建设与设计,2020(05):85-86+89.[10]姜仁贵,韩浩,解建仓,朱记伟,李斌.变化环境下城市暴雨洪涝研究进展[J].水资源与水工程学报,2016,27(03):11-17.[11]OrtwinRenn,PietSellke.Risk,SocietyandPolicyMaking:RiskGovernanceinaComplexWorld[J].InternationalJournalofPerformabilityEngineering,2011,7(4).[12]杨东.基于GIS的成都城市暴雨内涝预报预警系统研究开发[D].电子科技大学,2010.[13]S.M.CHARLESWORTH,E.HARKER,S.RICKARD.AReviewofSustainableDrainageSystems(SuDS):ASoftOptionforHardDrainageQuestions?[J].Geography,2003,88(2).[14]ChI.4IPCCWORKINGGROUP1(2001)ClimateChange2001:theScientificBasisINIPCC(Ed.),CambridgeUniversityPress.Ch.1.2p91.[15]王磊.基于模型的城市排水管网积水灾害评价与防治研究[D].北京工业大学,2010.[16]