基于水動力學(xué)模型的城市洪澇分析

基于水動力學(xué)模型的城市洪澇分析

平原河網(wǎng)地區(qū)城市化水平高，人口眾多。河網(wǎng)湖泊密集，地勢較低，容易發(fā)生洪水。近年來,隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,暴雨造成的城市內(nèi)澇災(zāi)害日益突出,不僅加重了城市的防汛排澇的任務(wù),對經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活也造成較大影響。本文針對平原河網(wǎng)感潮地區(qū)水流的特點(diǎn),采用SWMM水文模型和MIKE11水動力學(xué)模型,對某研究區(qū)域內(nèi)降雨徑流及防洪排澇過程進(jìn)行了模擬計算。首先針對研究區(qū)域水系情況及下墊面特點(diǎn),對研究區(qū)域進(jìn)行分區(qū),采用SWMM模型對各分區(qū)分別進(jìn)行產(chǎn)匯流計算;隨后采用丹麥水利研究所開發(fā)的MIKE11軟件,建立一維河網(wǎng)水動力模型,將各分塊的徑流過程作為河網(wǎng)入流,為河網(wǎng)水動力學(xué)模型提供流量邊界條件,實(shí)現(xiàn)降雨徑流模型與水動力模型的耦合計算,模擬了研究區(qū)域水系的降雨徑流及防洪排澇情況,并對模擬計算結(jié)果進(jìn)行了分析。1swmm模型和ep11水動力學(xué)模型1.1swmm模擬SWMM(StormWaterManagementModel,暴雨洪水管理模型)是美國環(huán)保局為了設(shè)計和管理城市暴雨而研制的綜合性數(shù)學(xué)模型,可以模擬完整的城市降雨徑流過程,包括地面徑流和排水系統(tǒng)中的水流和雨洪調(diào)蓄過程,可以顯示系統(tǒng)內(nèi)和受納水體中各點(diǎn)的水流和水質(zhì)狀況。該模型曾在我國天津、上海、北京等很多地區(qū)有過應(yīng)用。SWMM模擬軟件主要由5個模塊組成。4個計算模塊分別為徑流模塊(Runoff),輸送模塊(Transport),擴(kuò)充輸送模塊(Extran)和儲存/處理(Storage/Treatment),可以對地面徑流、排水管網(wǎng)及污水處理單元等的水量水質(zhì)進(jìn)行動態(tài)模擬;1個服務(wù)模塊的主要功能是進(jìn)行一些計算后的處理,如統(tǒng)計、繪圖等,模塊之間的關(guān)系見圖1。模型的基本原理詳見參考文獻(xiàn)。1.2所有權(quán)的計算方法MIKE11水動力學(xué)模型依據(jù)一維非恒定水流基本運(yùn)動方程,即圣維南方程組:式中:x,t為距離和時間的坐標(biāo);A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;Q為流量,m3/s;h為水位,m;q為單位河長的均勻旁側(cè)入流(包括降雨產(chǎn)匯流);C為謝才系數(shù),m0.5/s;R為水力半徑,m;α為動量修正系數(shù);g為重力加速度,m/s2。數(shù)值離散模式采用六點(diǎn)隱式差分格式離散格式,在每個網(wǎng)格點(diǎn)并不同時計算水位和流量,而是按順序交替計算水位或流量,分別成為h點(diǎn)和O點(diǎn)。該格式無條件穩(wěn)定,可以在相當(dāng)大的Courant數(shù)下保持計算穩(wěn)定,可以取較長的時間步長以節(jié)省計算時間。2合作模型的構(gòu)建和應(yīng)用2.1河流水系現(xiàn)狀研究區(qū)域地處珠江三角洲地區(qū),區(qū)域內(nèi)東部、南部是沖積平原,西部和北部為丘陵臺地,地勢中北部稍高,漸向東南傾斜。境內(nèi)河網(wǎng)密布,河道縱橫交錯,內(nèi)河涌與外江交界處分別有1號和2號水閘。區(qū)域河流水系情況見圖2。該區(qū)域水系外圍的堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)滿足要求,目前水系主要為內(nèi)部排澇問題,是典型“不怕洪,就怕澇”的地區(qū)。由于城市化進(jìn)程加快,大量土地改變用途,導(dǎo)致容水面積大量減少;當(dāng)恰逢洪潮同期,澇水無法通過水閘排出,而引發(fā)內(nèi)澇災(zāi)害,為此,有必要對該區(qū)域進(jìn)行研究。2.2河網(wǎng)概化與計算工況(1)降雨徑流過程計算。研究區(qū)域總面積約為159.4km2,子匯水區(qū)的劃分應(yīng)考慮地形、水系下墊面情況、河網(wǎng)水系匯流、排水范圍及現(xiàn)有的水利工程布置等因素。概化后的分區(qū)共計56個,見圖3(從2開始編號),通過SWMM徑流模型可得到各個分區(qū)出口處在不同降雨條件下的徑流過程。(2)河網(wǎng)概化。河網(wǎng)概化的基本原則是概化河網(wǎng)要基本反映天然河網(wǎng)的水力特性,即概化后的河網(wǎng)、湖泊在輸水能力和調(diào)蓄能力2個方面必須與實(shí)際河網(wǎng)、湖泊相近或基本一致。在平原河網(wǎng)區(qū)的水系,河道縱橫交錯,河道水流沒有固定的方向,河系成環(huán)狀結(jié)構(gòu),為環(huán)狀河網(wǎng)。在河網(wǎng)內(nèi)部往往還有湖泊、塘壩和水閘、涵洞等水工建筑物。河網(wǎng)計算時一般概化為節(jié)點(diǎn)、河道、水工建筑物3類要素。根據(jù)河網(wǎng)概化的基本原則和重點(diǎn)關(guān)注的河道資料情況,對研究區(qū)域河網(wǎng)進(jìn)行合理的概化。概化后的河網(wǎng)見圖4。(3)計算工況。該研究區(qū)域是典型的平原河網(wǎng)地區(qū),水系互相溝通,地勢相對低洼,地面高程情況基本相同。河道流速緩慢,水流流向往復(fù)不定,水流不暢,受邊界控制建筑物及外部潮汐影響顯著。汛期,遇大暴雨時,由于外部受潮水頂托影響自排困難,澇水積蓄在內(nèi)河涌,只有趁外江落潮時伺機(jī)排水,往往形成澇災(zāi)。若天文大潮與內(nèi)部澇水及臺風(fēng)增水影響相遭遇,則外江高水位持續(xù)時間更長,高潮潮位更高,將造成更加嚴(yán)重的內(nèi)澇災(zāi)害。計算區(qū)澇水與潮水的成因不同,它們之間沒有必然的聯(lián)系,同時澇水與潮水遭遇的現(xiàn)象發(fā)生的概率與現(xiàn)象產(chǎn)生的后果的概率不一致,也沒有必然的聯(lián)系?？紤]到研究區(qū)域內(nèi)澇水與潮水遭遇沒有因果的必然聯(lián)系,根據(jù)該研究區(qū)域排澇規(guī)劃的習(xí)慣做法,本次計算洪(澇)潮組合擬定2個計算工況。工況一為10年一遇澇水遭遇5年一遇高潮位,工況二為20年一遇澇水遭遇2年一遇高潮位。此外,通過在1號、2號水閘位置增設(shè)泵站,分析無泵站及不同泵站抽排流量下,內(nèi)河涌的水位變化情況,擬定了3種計算方案。無泵站情況:即維持現(xiàn)狀,僅有1號水閘和2號水閘。方案A:在現(xiàn)有的1號水閘和2號水閘的基礎(chǔ)上,新建1號泵站,以增加澇水的外排能力,規(guī)劃泵站的抽排能力為50m3/s;新建2號泵站,以增加澇水的外排能力,規(guī)劃泵站的抽排能力20m3/s。方案B:在現(xiàn)有的1號水閘和2號水閘的基礎(chǔ)上,新建1號泵站,以增加澇水的外排能力,規(guī)劃泵站的抽排能力為95m3/s;新建2號泵站,以增加澇水的外排能力,規(guī)劃泵站的抽排能力30m3/s。綜合考慮,本文擬定的計算工況如表1所示。2.3計算結(jié)果和分析2.3.1表斷面基水位計算結(jié)果代表斷面位置見圖5,工況一和工況二下河網(wǎng)代表斷面瞬時最高水位計算結(jié)果見表2和表3。計算結(jié)果表明,設(shè)置泵站后,內(nèi)河涌的瞬時最高水位有明顯降低,且抽排量越大,水位降低值越大。3.3.2受外江潮位影響的河段水位(1)無泵站情況下。部分河涌在工況一及工況二下水面線,見圖6～圖7。(2)方案A。部分河涌在工況一及工況二下水面線見圖8～圖9。(3)方案B。部分河涌在工況一及工況二下水面線見圖10～圖11。模型計算工況一是上游10年一遇降雨與下游5年一遇潮位的組合,工況二是上游20年一遇降雨與下游2年一遇潮位的組合,計算中發(fā)現(xiàn),無泵站情況下,在工況一遭遇10年一遇暴雨時,由于其外江潮位高于工況二的外江潮位,某些河涌的某部分河段水位反而高于工況二遭遇20年一遇暴雨時的水位,受外江潮位影響的河涌范圍見圖12;新建泵站后,受外江高潮位影響的河涌范圍見圖13～圖14,圖中可以看出,外江潮位的作用明顯減小,河涌水位主要受降雨量和泵站抽排能力的影響。3涌的水位與無泵站的情況比較本文運(yùn)用SWMM降雨徑流模型及MIKE11水動力模型對研究區(qū)域水系的河網(wǎng)匯流及排澇過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。得到主要結(jié)論如下:(1)有泵站情況下,內(nèi)河涌的水位與無泵站的情況相比有了明顯的降低,并且,泵站的抽排量越大,水位降低值越大。(2)無泵站情況下,在工況一遭遇10年一遇暴雨時,由