城市雨洪综合模拟方法及应用

第35卷第6期Vol. 35No. 6水利水电科技进展

Advances in Science and Technology of Water Resources

2015年11月Nov. 2015

DOI:10.3880/j. issn. 10067647. 2015. 06. 011

城市雨洪综合模拟方法及应用

钱　 真, 谭　 琼, 贾卫红

(上海市水务规划设计研究院, 上海　 200233)

摘要:为综合模拟城市雨洪和分析其对区域内涝的影响, 在OpenMI 异构模型集成平台上动态耦合河网水文水动力模型和城市排水管网水力模型, 以上海14个水利分片之一的淀北片为例, 建立了淀北片雨洪耦合模型, 并应用此模型分析了不同雨潮组合对淀北片区域内涝的影响㊂ 淀北片雨洪综合模拟计算结果表明, 雨洪综合模拟较真实地反映了感潮河网城市地区的内涝情况, 可为城市防洪除涝工作提供参考㊂

关键词:区域除涝; 感潮河网; 水动力模型; 排水管网; OpenMI

中图分类号:P333.2　 　 　 文献标志码:A　　 　 文章编号:10067647(2015)06005705

Method for integrated simulation of urban storm water flow and its application //QIAN Zhen, TAN Qiong, JIA Weihong(Shanghai Water Planning and Design Research Institute , Shanghai 200233, China )

Abstract :In order to simulate urban storm water flow and analyze its influence on zonal waterlogging, a hydrological and hydrodynamic model for river networks and a hydraulic model for urban drainage networks were dynamically coupled using the OpenMI technology. Using the Dianbei zone, one of 14water conservation zones in Shanghai, as an example, a coupled urban storm water model was established. Then, the effect of the combination of different types of rainstorms and tides on zonal waterlogging in the Dianbei zone was analyzed using the model. The results indicate that the model can precisely simulate urban zonal waterlogging in tidal river networks and provide reference for urban flood control.

Key words :zonal waterlogging control; tidal river network; hydrodynamic model; drainage network; OpenMI

　 　 当发生暴雨㊁ 台风㊁ 洪水等灾害时, 平原感潮河严峻㊂ 随着城市的发展, 城市排水量和排水强度明

件和河网水文水动力模型软件, 取长补短, 发挥各自优势, 综合模拟城市雨洪㊂

本文采用水文水动力学方法建立城市感潮河网水流模型, 运用InfoWorks CS V12. 0建立城市小区排水管网系统模型, 利用OpenMI 技术对两者进行动态耦合从而实现城市雨洪综合模拟, 并应用该方法建立淀北片雨洪模型, 分析不同雨潮组合对淀北片区域内涝的影响, 为城市区域除涝规划和相关标准制定提供技术支撑和科学依据㊂

网地区往往会 因洪致涝”, 使得城市区域除涝形势显增大, 形成了城市小区和城市区域二级排水格局㊂ 区域除涝与城镇排水的有机结合才能真正解决城市内涝问题, 对两者进行统一模拟分析也是城市雨洪综合管理的一项重要内容[1⁃4]㊂

目前, 在城市排水管网系统模拟计算中国外有

不少成熟的商业软件, 并在排水实时模拟中得到应

用[5⁃7], 如MIKE URBAN㊁SewerGEMS 以及InfoWorks CS 等, 这些商业软件中也集成了相应模块模拟河网水流, 但由于国内外防洪体系及各地区水情差异等

1　 城市雨洪综合模拟

根据城市二级排水的格局, 城市雨洪综合模拟包括对城市河网水流和小区排水的计算, 以及两者1. 1　 城市河网水流计算

在感潮河网地区, 城市河网水流计算采用感潮河网水文水动力模型㊂ 根据不同的产流规律, 降雨径流模拟将区域下垫面分成水面(包括河道㊁ 湖泊之间的动态数据交换㊂

原因, 国外商业软件并不能完全适应我国水情分析的实际需求㊂ 就河网水文水动力学模型而言, 国内在模型研究方面有成熟先进的技术, 也在区域除涝分析评估和规划设计中得到应用[8⁃11]㊂ 利用OpenMI (openmodeling interface) 标准接口技术, 能够在较短时间内有效集成现有的城市排水管网水力模型软

基金项目:水利部公益性行业科研专项(201101052)

作者简介:钱真(1987 ),男, 浙江舟山人, 助理工程师, 硕士, 主要从事城市防洪与排水等研究㊂ E⁃mail:userqz987@ 163. com

水利水电科技进展, 2015, 35(6) 　 Tel :[1**********]　 E⁃mail :jz @hhu. edu. cn 　 http ://www. hehaiqikan. cn

㊃ 57㊃

等水面)㊁ 水田㊁ 旱地或绿地及城镇道路等有覆盖的下垫面, 按照水文学的原理和方法分块计算区域的产汇流[8⁃9]㊂ 河网水动力模拟基本方程为Saint⁃Venant 式, 使用矩阵标识法求解河网节点水位方程组[11]㊂

ìïB ∂ Z +Q =q ï∂ t ∂ x í

Q 2+gA ∂ Z =-gAS ï∂ Q +∂ α ïf

î∂ t x ∂ x A

方程组(式(1)),数值离散采用成熟的四点线性隐格

InfoWorks CS 构建的城市排水管网水力学模型(new 接口文件, 并为上述双向连接定义对应关系(图

1)㊂

model to omi) 和感潮河网水文水动力模型(dbp) 的

()

(1)

式中:B 为断面河宽; Z 为断面水位; Q 为断面流量; q 为单位河长上的区间入流; α 为动量校正系数; A 为过水断面面积; g 为重力加速度; S f 为摩阻比降㊂

1. 2　 小区排水计算

本文以InfoWorks CS 构建城市排水管网水力学模型, 通过划分子集水区, 针对不同产流特性的表面采用固定比例径流模型Horton 渗透模型的组合模拟产流㊁ Green⁃Ampt 渗透模型及模拟采用双线性水库(Wallingford) , 对各表面的汇流模型和SWMM 径流模型的组合㊂ 通过完全求解Saint⁃Venant 方程组计算小区管网内的水流运动, 对于超负荷的模拟采用Preissmann Slot 方法㊂ 基于TVD 格式应用二维有限体积法求解浅水方程组来演算小区地面积水过程, 并在网格单元尺度上模拟水量的垂向交换:降雨1和下渗[17]. 3　 耦合方法

㊂

城市河网水流计算和小区排水计算采用不同结构的模型, 无法直接通信㊂ 为了准确地模拟计算城市雨水排水与河网蓄排水的相互关系, 建立完整的城市雨洪模型, 本文利用OpenMI 系统平台, 集成现有的㊁ 相对独立的雨水排水管网水力模型和河网水力模型, 实现不同模型间的动态交互并行计算, 提高模拟计算精度㊂ OpenMI 是水环境模型开发研究领域的开放的公共接口标准, 通过其提供的模型包装功能, 可将原模型包装为兼容模型, 在统一的平台上动态耦合集成多个异构模型, 发挥各个模型的优势[12⁃16]InfoWorks , 并被不少国外商业软件所兼容, 使用OpenMI CS㊁MIKE㊂

如开放式模型接口为感潮河网水文

水动力模型和以InfoWorks CS 建立的城市排水管网水力学模型实现每个时间步长内的数据交换提供公共平台㊂ 异构模型的数据交换为双向, 即在每个计算时间步长内, 城市排水管网水力学模型的排放口出流量值输出给感潮河网水文水动力模型作为断面的入流量, 感潮河网水文水动力模型运行后将断面的水位值反馈给城市排水管网水力学模型作为排放口的水位边界㊂ 在OpenMI 平台中, 分别导入㊃ 58㊃

水利水电科技进展, 2015, 35(6) 　 Tel :[1**********]　 图1　 OpenMI 模型耦合配置界面

2　 淀北片雨洪模型

2. 1　 模型构建

淀北片为上海市14个水利分片之一, 位于苏州河以南㊁ 淀浦河以北㊁ 小涞港以东㊁ 黄浦江以西, 总面积179. 28km 2河道总长261. , 35呈西北向东南的斜长形km, 河道密度达到1. 46(图km 2)㊂ /km 片内2湖面积达到5. 37km 2河网槽蓄量约1084. 68, 河网率达到万m 3河道(㊂ 本河网模型共概化2. 99%, 常水位, 河36个㊂

段)146条, 计算节点228个, 可控水工建筑物

图2　 淀北片示意图淀北片雨水排水系统主要包括该片闵行区域㊁ 长宁区域㊁ 徐汇区域的排水系统, 根据3区的雨水排水规划, 片内规划强排系统51个, 自流排水系统11个, 规划泵排流量约671. 77m 3桥为典型排水系统建立InfoWorks /s㊂ CS 以罗秀排水模型㊁ 梅陇, 概化㊁ 长节点个2708个, 管段2700条, 地面网格11548个, 集水区310个, 每个集水区进行独立产汇流计算㊂ 2. 2　 模型率定及验证

采用2012年8月1 13 日 海葵” 台风暴雨期间和2013年10月1 15 日 菲特” 台风暴雨期间的降雨㊁ 水文同步监测资料进行模型参数的率定与验证㊂ 根据上海市降雨径流计算相关研究[5⁃6], 确定城

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