導(dǎo)語：城區(qū)暴雨瀝澇仿真管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

天津市位于海河流域下游，是我國北方重要的工業(yè)城市。由于其特殊的地理位置和低洼的地勢(shì)條件，加上近幾年快速的城市化發(fā)展，使天津市的城市瀝澇災(zāi)害日趨嚴(yán)重。減輕城市洪澇災(zāi)害，已成為天津市發(fā)展迫切需要解決的問題。

本文開發(fā)的天津市城區(qū)暴雨瀝澇仿真模擬系統(tǒng)，是水利部門首次與氣象部門合作進(jìn)行的由城市暴雨預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)到城市暴雨瀝澇仿真模擬的研究，改變了以往單純研究城市氣象災(zāi)害或城市洪澇災(zāi)害，為城市洪澇災(zāi)害的系統(tǒng)及應(yīng)用研究作了非常重要的探索和嘗試。

圖1仿真模型計(jì)算網(wǎng)格

本系統(tǒng)主要包括兩大部分：

(1)暴雨瀝澇仿真模型。該模型是在國家自然科學(xué)基金“八五”重大項(xiàng)目“城市與工程減災(zāi)基礎(chǔ)研究”502子專題的研究成果之上[1]，以原有的城市洪澇仿真模型為基礎(chǔ)，在仿真模型中進(jìn)一步探討了城市排水系統(tǒng)的模擬，首次實(shí)現(xiàn)了城市暴雨內(nèi)澇的地面積水模擬與城市管道水體模擬之間的結(jié)合，較好地模擬了天津市由于地面不均勻沉降造成的地勢(shì)低洼，排水管道能力不足等復(fù)雜因素形成的暴雨瀝澇的形成過程，它所提供的市區(qū)積水分布范圍、積水深度、積水時(shí)間等計(jì)算結(jié)果，為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)減災(zāi)決策、市民防災(zāi)等提供了很好的依據(jù)和參考；

(2)圖形信息管理模型。該部分包括圖形信息的前后處理模型，其中前處理部分包括處理降雨資料信息和模型數(shù)據(jù)信息：它將天津市氣象局提供的降雨空間分布數(shù)據(jù)離散為仿真模型需要的降雨邊界條件，并可按用戶的要求任意選取計(jì)算的降雨時(shí)間和降雨類型(預(yù)報(bào)值、監(jiān)測(cè)值或其組合)，后者為仿真模型提供計(jì)算數(shù)據(jù)的編輯、修改等功能；后處理部分能夠?yàn)橛脩籼峁┍┯隇r澇計(jì)算結(jié)果的不同形式的查詢，使系統(tǒng)成為完整的、開放式的應(yīng)用軟件，大大提高了仿真模型的實(shí)用性。

1仿真模型

1.1仿真模型的邏輯結(jié)構(gòu)與信息過程天津市暴雨瀝澇仿真模型總體結(jié)構(gòu)與信息流程見圖2.

1.2仿真模型的控制運(yùn)行方式仿真模型的運(yùn)行主要由初始條件、邊界條件及控制參數(shù)3個(gè)數(shù)據(jù)文件控制。此外，本模型還將降雨信息作為特殊邊界條件。當(dāng)選取不同的降雨信息后，模型便采取不同的運(yùn)行方式，參見圖3.

(1)預(yù)報(bào)計(jì)算：選取不同的數(shù)值預(yù)報(bào)降雨過程，名字為PR*.DAT,*號(hào)分別用年月日時(shí)命名。該過程的空間定義方式是：將天津市區(qū)劃分為5km×5km的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的格點(diǎn)有一個(gè)預(yù)報(bào)過程，選取一個(gè)降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)自動(dòng)將格點(diǎn)處的降雨過程插值到仿真模型的網(wǎng)格形心處，作為模型的降雨邊界條件，模型即可計(jì)算未來降雨情況下市區(qū)的瀝澇分布狀況；

(2)監(jiān)測(cè)計(jì)算：通過雨量監(jiān)測(cè)儀器得到的逐時(shí)降雨數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)入系統(tǒng)，名字為AR*.DAT,

*號(hào)以年月日命名，用戶可以任意選取其中的一段(包含若干個(gè)逐時(shí)的文件)，由于雨量站的空間位置已知，系統(tǒng)亦可經(jīng)過處理生成仿真模型計(jì)算需要的數(shù)據(jù)，進(jìn)行降雨瀝澇的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)算；

圖2天津市暴雨瀝澇仿真模型結(jié)構(gòu)

(3)預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)疊加計(jì)算：當(dāng)在降雨過程中進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，可以選取一段已知的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，再選取一段數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，兩者疊加后的計(jì)算結(jié)果可以提供未來降雨條件下市區(qū)瀝澇的分布狀況，其中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)報(bào)值的替換減小了預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，使降雨預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)的服務(wù)作用同時(shí)得到發(fā)揮。

圖3模型三種運(yùn)行方式框圖

1.3仿真模型中排水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬方法的改進(jìn)

1.3.1明、滿流共存的計(jì)算方法為解決同一管段內(nèi)有壓流與明渠流的交替計(jì)算問題，模型借鑒了Preissmann提出的“明窄縫”(openslot)的概念[2]：假設(shè)在每一網(wǎng)格內(nèi)的管道頂端有一個(gè)連續(xù)的、狹長的窄縫，存在一個(gè)自由水面，管道內(nèi)的水頭用窄縫內(nèi)的水頭表示，計(jì)算流量時(shí)采用窄縫內(nèi)的水頭，則有壓流可以轉(zhuǎn)換為明渠流計(jì)算。由于窄縫的寬度假設(shè)為非常小，因此窄縫的存在將不影響連續(xù)方程的計(jì)算。具體計(jì)算步驟見參考文獻(xiàn)[1]，其中管內(nèi)流量Qd的計(jì)算修正為：

(1)

式中：Qd為管道中的流量，可以為有壓流或明渠流；Hd為管道內(nèi)平均水深，當(dāng)流態(tài)是明流時(shí)，為管道內(nèi)實(shí)際水深，當(dāng)流態(tài)是有壓流時(shí)，為窄縫內(nèi)壓強(qiáng)水頭；ld為管道的長度；nd為管道糙率；Ad為過水面積，R為水力半徑。

1.3.2排水管網(wǎng)的空間布置方式模型中地下排水管網(wǎng)需要針對(duì)具體劃分的網(wǎng)格進(jìn)行合理概化。由于管道間的流量計(jì)算以網(wǎng)格中是否存在管道為判斷條件，因此需要在網(wǎng)格中定義管道間的關(guān)系。模型在管道數(shù)據(jù)中將含有管道的網(wǎng)格之間用網(wǎng)格號(hào)相互關(guān)聯(lián)，即每個(gè)含管道的網(wǎng)格都有一個(gè)數(shù)組用以輸入與其相連的網(wǎng)格號(hào)(該網(wǎng)格含有管道).管道有以下幾種布置形式：

①“I”型：有兩個(gè)含管道的網(wǎng)格與此網(wǎng)格相連；

②“T”型：有三個(gè)含管道的網(wǎng)格與此網(wǎng)格相連；

③“+”型：有四個(gè)含管道的網(wǎng)格與此網(wǎng)格相連。參見圖4.

圖4排水管網(wǎng)概化布置

此外，為保證仿真模型的通用性，使新增數(shù)據(jù)不影響原數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和使用，模型還專門開發(fā)了處理這一數(shù)據(jù)集的程序，它可以在網(wǎng)格基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之外進(jìn)行輸入、修改，完成輸入和修改后點(diǎn)擊這一選項(xiàng)，即可完成管網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)原網(wǎng)格數(shù)據(jù)的更新，進(jìn)行新方案的計(jì)算。

1.3.3特殊通道上排水泵站及閘門的計(jì)算模型中尺度較小的排水渠可以概化成特殊通道，其兩岸排水設(shè)施也同樣可以設(shè)計(jì)排水泵站或閘門(參見圖5)，將網(wǎng)格與通道間的計(jì)算流量中加入泵站或閘門的排水量，每個(gè)通道所屬的節(jié)點(diǎn)單元分別疊加排水量的二分之一，使其成為通道內(nèi)部的循環(huán)水體。泵站的計(jì)算排水量以網(wǎng)格或管道內(nèi)水量為控制條件，排水能力大于水量時(shí)，計(jì)算流量將自動(dòng)調(diào)節(jié)；閘門的計(jì)算流量值同樣按自流口門的設(shè)計(jì)流量和網(wǎng)格及管道內(nèi)水量為條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.3.4網(wǎng)格管道排水能力的確定由于城市排水管道信息只提供部分主要排水管道的分布及管徑，將其概化為網(wǎng)格參數(shù)需要根據(jù)網(wǎng)格的面積、高程以及建筑物分布狀況等不同情況進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)城市排水管道設(shè)計(jì)規(guī)范[3]，模型中取天津市排水管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為(2800～3800)m3/km2，并計(jì)算出相應(yīng)網(wǎng)格的管道長度。

1.3.5管道端排水泵站的計(jì)算方法模型中管道的模擬使泵站可以與排水管網(wǎng)的計(jì)算有機(jī)地結(jié)合起來：

圖5特殊通道計(jì)算示意

地面積水向管道內(nèi)泄水，管道沿各自系統(tǒng)匯合至出口處，出口處由泵站向河道抽水或閘門向河道泄水，形成“雨水→地面積水→管道中水→河道中水”的過程模擬。這樣不僅可以使積水排泄的模擬更為合理，而且可以較好地反映出地勢(shì)低洼處管網(wǎng)的排水效果。計(jì)算過程參見圖6.

圖6管道計(jì)算框圖

2仿真模型的驗(yàn)證與應(yīng)用

2.11995年8月16～17日暴雨過程的驗(yàn)證為驗(yàn)證模型的基本屬性數(shù)據(jù)和汛期各泵站、閘門、管道系統(tǒng)及其調(diào)度運(yùn)行規(guī)則數(shù)據(jù)化后的合理性，根據(jù)天津市氣象科學(xué)研究所提供的資料，選取1995年8月16～17日的暴雨過程作為驗(yàn)證的計(jì)算邊界條件，如圖7所示。

本方案的計(jì)算初始條件為：一級(jí)河道水位1.0m(選用大沽高程系)；管道內(nèi)基本騰空；所有排水泵站、閘門均開啟。計(jì)算過程中一級(jí)河道由上下游水位控制，河道內(nèi)最高水位控制在2.0m；二級(jí)河道內(nèi)最高水位控制在1.5m.驗(yàn)證結(jié)果見表1.由表1可以看出，52個(gè)測(cè)點(diǎn)中，40處水深的絕對(duì)誤差在0.10m以下，占所選點(diǎn)數(shù)的77%.10處水深的絕對(duì)誤差在0.10～0.20m之間，占19%.即水深的計(jì)算誤差值在0.20m以下的占96%.

除上述驗(yàn)證的結(jié)果外，模型還將積水的范圍與天津市排水管理處提供的積水片分布圖進(jìn)行了比較。通過對(duì)比表明，分布圖中34處主要的積水片在模擬結(jié)果中都包括，一些小面積積水區(qū)域，如長江道附近、小馬路一帶、平山道一帶、民安街附近等處，不包含在34處積水片中，但有實(shí)測(cè)積水資料，在計(jì)算結(jié)果得到了反映。因此模型對(duì)市區(qū)積水范圍的模擬結(jié)果是較為準(zhǔn)確的。

圖71995年8月16日14：00-17日13：00降雨過程

2.2驗(yàn)證小結(jié)通過對(duì)驗(yàn)證結(jié)果的分析，我們得到以下結(jié)論：

(1)模型可以較為合理地模擬天津市的暴雨瀝澇過程，可以用來進(jìn)行暴雨瀝澇的監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)模擬；

(2)天津市目前的暴雨瀝澇十分嚴(yán)重。通過模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生強(qiáng)度為1995年8月16～17日的降雨時(shí)，市區(qū)將出現(xiàn)大面積的積水，積水深度在0.20m以上的積水片多達(dá)40多處；

表1“1995年8月16～17日”降雨過程水深驗(yàn)證(單位：m)

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積水地點(diǎn)實(shí)測(cè)水深計(jì)算水深絕對(duì)誤差積水地點(diǎn)實(shí)測(cè)水深計(jì)算水深絕對(duì)誤差

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衛(wèi)津路0.300.23-0.07天善社大街0.300.29-0.01

二號(hào)路0.200.11-0.09新開路0.400.38-0.02

起士林0.250.33+0.08互助道0.300.18-0.12

大沽路0.100.04-0.06西站前0.500.41-0.09

煙臺(tái)道0.150.03-0.12小大橋道0.400.36-0.04

八一禮堂0.400.27-0.13程林莊地道0.300.28-0.02

黃河戲院0.700.61-0.09同儀大街0.350.31-0.04

中國戲院0.700.64-0.06小郭莊大街0.350.31-0.04

南大道0.900.70-0.20復(fù)興莊大街0.350.38+0.03

靶擋道0.700.46-0.23西南樓0.500.46-0.04

大水溝0.700.74+0.04福建路0.300.21-0.09

北草壩0.400.23-0.17紀(jì)莊子大道0.250.11-0.14

烈士路0.400.31-0.09老河口0.200.21+0.01

葫蘆罐0.500.51+0.01海地一帶0.300.18-0.12

城隍廟0.500.51+0.01洪澤路0.300.31+0.01

鴻順里0.500.31-0.19永安道0.400.400.00

揚(yáng)橋街0.300.21-0.09三水道0.300.18-0.12

勞動(dòng)道0.400.38-0.02平山道0.300.31+0.01

增產(chǎn)道0.400.31-0.09新春街0.500.41-0.09

富強(qiáng)道0.400.31-0.09五愛道0.450.53-0.08

小王莊0.500.46-0.04華興街0.300.29-0.01

昆緯路0.300.27-0.03李家房子0.200.10-0.10

建國道0.600.52-0.08東平街0.200.18-0.02

北站地道0.300.22-0.08四新道0.150.13-0.02

劉家花園0.350.22-0.13西關(guān)外0.500.43-0.07

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(3)誤差原因分析：

①由于城市短期暴雨往往在空間分布上存在較大變化，而天津市市區(qū)現(xiàn)有雨量站10個(gè)，主要分布在中環(huán)線以內(nèi)，內(nèi)差法求得的雨量空間場(chǎng)弱化了降雨的“點(diǎn)”特征，不能完全反映降雨的空間分布特征，形成計(jì)算結(jié)果的誤差；

②模型網(wǎng)格大小帶來的誤差：網(wǎng)格的設(shè)計(jì)主要考慮市區(qū)街道、建筑物和地形分布，但考慮到模擬計(jì)算穩(wěn)定性和計(jì)算時(shí)間的要求，網(wǎng)格尺度不能過小。本模型中網(wǎng)格一般大于或接近于200m×300m，因此如果積水片面積較小，則該處網(wǎng)格高程就會(huì)坦化該處地勢(shì)，使計(jì)算水深值不能反映出低洼點(diǎn)的實(shí)際積水深度，造成計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏小，驗(yàn)證結(jié)果中計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏小的點(diǎn)占總數(shù)的83%.減小該誤差最好的方法是將實(shí)際地形圖輸入系統(tǒng)，用計(jì)算水位值反映積水情況，水位與不同高程的差(即水深值，每個(gè)網(wǎng)格可以有多個(gè))就可以將積水的空間變化更好地反映出來；

③城市排水管網(wǎng)是由支、干管網(wǎng)組成的非常復(fù)雜的樹枝狀系統(tǒng)，管道的分布間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于網(wǎng)格的尺度。由于仿真模型中每個(gè)網(wǎng)格都包含幾條支管或幾條支管與干管，管道參數(shù)就成為概化值，從而影響計(jì)算的精度。如果在網(wǎng)格的設(shè)計(jì)時(shí)兼顧考慮管道的分布，使之能反映管道的特征，可以減小該項(xiàng)誤差；

④目前氣象部門雨量的監(jiān)測(cè)儀器的精度直接影響監(jiān)測(cè)值的準(zhǔn)確性，從而影響仿真模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，一些人為因素也會(huì)造成誤差，如降雨過程中實(shí)際水深值和積水時(shí)間的測(cè)量精度等。減小此類誤差也是提高仿真模型模擬精度的重要環(huán)節(jié)。

3仿真模型信息前處理

仿真模型前處理系統(tǒng)主要包括網(wǎng)格生成、圖形顯示與編輯及雨量信息轉(zhuǎn)換三部分，見圖8.

劃分網(wǎng)格后，系統(tǒng)利用數(shù)字化儀，將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)輸入到計(jì)算機(jī)，由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格編號(hào)，生成網(wǎng)格及與其相關(guān)的通道和節(jié)點(diǎn)，再將特殊網(wǎng)格和通道的屬性信息添加到數(shù)據(jù)文件中，形成完整的模型計(jì)算所需要的網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件。網(wǎng)格檢查模塊是利用一些基本原則對(duì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件的正確性進(jìn)行檢查并給出錯(cuò)誤信息，方便修改。

網(wǎng)格信息的正確與否，關(guān)系到模型運(yùn)行的可靠性。而且這些信息要根據(jù)地形地物的變化經(jīng)常變動(dòng)，因此及時(shí)更新信息十分重要。但直接打開數(shù)據(jù)文件進(jìn)行修改，麻煩而且容易出錯(cuò)。因此，系統(tǒng)采用VisualBasic5.0編程語言，利用VisualBasic5.0控件和WindowsAPI函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了以圖形的方式管理這些信息的功能，包括：網(wǎng)格圖和通道圖顯示；網(wǎng)格和通道屬性信息顯示(圖9)；網(wǎng)格和通道屬性信息修改(圖10)；網(wǎng)格形狀修改；修改數(shù)據(jù)保存；圖形放大、縮小和漫游。

圖8仿真模型前處理系統(tǒng)組成

圖9網(wǎng)格、通道屬性顯示

圖10網(wǎng)格、通道屬性修改

另外，本系統(tǒng)降雨信息主要有三種來源：數(shù)值預(yù)報(bào)雨量信息、雨量站實(shí)時(shí)雨量信息和數(shù)值預(yù)報(bào)雨量+實(shí)時(shí)雨量(混合模式).這三種雨量進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)都有各自固定的格式，數(shù)值預(yù)報(bào)雨量信息給出的是5km×5km格點(diǎn)上的點(diǎn)雨量，實(shí)時(shí)雨量信息給出的是自動(dòng)雨量站的點(diǎn)雨量，而仿真模型中所要求的是每一網(wǎng)格上的面雨量，因此，考慮采用Shepard的局部逼近方案[4]，將雨量站的點(diǎn)雨量插值到數(shù)值預(yù)報(bào)模型的格點(diǎn)上，再由格點(diǎn)插值到每一網(wǎng)格的形心處，并以網(wǎng)格形心處的雨量值代表整個(gè)網(wǎng)格的面雨量。對(duì)這三種不同方式的雨量資料，設(shè)計(jì)了不同的轉(zhuǎn)換方法。對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)模型采用直接選取雨量文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)實(shí)時(shí)雨量資料模式和混合模式采用對(duì)話框進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，見圖11，用戶只需輸入開始降雨和降雨結(jié)束的年、月、日、時(shí)，模型可自動(dòng)按照約定的規(guī)則尋找相應(yīng)的雨量文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)了模型的靈活性。

圖11實(shí)時(shí)的雨量信息轉(zhuǎn)換

圖12仿真模型后處理組成

4仿真模型信息后處理

為用戶方便地查詢仿真模型的計(jì)算結(jié)果，如不同網(wǎng)格在不同時(shí)刻的水深、流速等，系統(tǒng)開發(fā)了后處理軟件[5]，主要功能包括(見圖12)：

(1)計(jì)算結(jié)果顯示。用一系列透明的不同深淺的顏色來表示網(wǎng)格水深的大小、水位的高低等信息，以城市的地圖作為背景，并將兩者相疊加，來表示計(jì)算結(jié)果。對(duì)一次暴雨過程，可以動(dòng)態(tài)地連續(xù)顯示，也可以顯示各個(gè)網(wǎng)格在整個(gè)暴雨過程中的最大值；

(2)計(jì)算結(jié)果查詢。系統(tǒng)可以對(duì)任意網(wǎng)格和用戶關(guān)心的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行查詢，查詢內(nèi)容包括最大值和過程。任意網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果用線圖來表示，重點(diǎn)區(qū)域的計(jì)算結(jié)果則是以該處的標(biāo)志性建筑物或街道的照片作為背景，加上有刻度的標(biāo)尺，用透明的顏色疊加到照片上來表示；

(3)圖形管理。主要對(duì)背景地圖和計(jì)算結(jié)果圖形進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了圖形的放大、縮小、移動(dòng)和存儲(chǔ)功能。背景地圖和計(jì)算結(jié)果圖形能夠同時(shí)放大、縮小、移動(dòng)，圖形存儲(chǔ)的是窗口內(nèi)顯示的圖形。

5結(jié)語

本文建立的天津市暴雨瀝澇仿真模型，將城市洪澇仿真模擬技術(shù)與城市氣象預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，是未來研究減輕城市暴雨內(nèi)澇的重要而有益的嘗試。通過驗(yàn)證計(jì)算表明，模型對(duì)天津市暴雨瀝澇的模擬結(jié)果是可靠、可信的，模型的計(jì)算結(jié)果，如市區(qū)瀝澇時(shí)空分布、河道水情變化等信息，可以直接為城市各相關(guān)職能部門提供決策依據(jù)，并可通過媒體向市民實(shí)時(shí)的災(zāi)情信息，實(shí)施防災(zāi)措施，對(duì)天津市城市防洪排澇規(guī)劃、調(diào)度以及城市防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

(作者單位：1.中國水利水電科學(xué)研究院災(zāi)害與環(huán)境研究中心；2.天津市氣象科學(xué)研究所)

作者簡介：仇勁衛(wèi)(1970-)，女，甘肅平?jīng)鋈?，工程師，碩士，主要從事城市暴雨洪澇仿真模型研究。

致謝本文得到了劉樹坤、陸吉康、苑希民等專家的指導(dǎo)和幫助，在此深表感謝。

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