城区暴雨沥涝仿真管理论文

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天津市位于海河流域下游，是我国北方重要的工业城市。由于其特殊的地理位置和低洼的地势条件，加上近几年快速的城市化发展，使天津市的城市沥涝灾害日趋严重。减轻城市洪涝灾害，已成为天津市发展迫切需要解决的问题。

本文开发的天津市城区暴雨沥涝仿真模拟系统，是水利部门首次与气象部门合作进行的由城市暴雨预报、监测到城市暴雨沥涝仿真模拟的研究，改变了以往单纯研究城市气象灾害或城市洪涝灾害，为城市洪涝灾害的系统及应用研究作了非常重要的探索和尝试。

图1仿真模型计算网格

本系统主要包括两大部分：

(1)暴雨沥涝仿真模型。该模型是在国家自然科学基金“八五”重大项目“城市与工程减灾基础研究”502子专题的研究成果之上[1]，以原有的城市洪涝仿真模型为基础，在仿真模型中进一步探讨了城市排水系统的模拟，首次实现了城市暴雨内涝的地面积水模拟与城市管道水体模拟之间的结合，较好地模拟了天津市由于地面不均匀沉降造成的地势低洼，排水管道能力不足等复杂因素形成的暴雨沥涝的形成过程，它所提供的市区积水分布范围、积水深度、积水时间等计算结果，为各级领导减灾决策、市民防灾等提供了很好的依据和参考；

(2)图形信息管理模型。该部分包括图形信息的前后处理模型，其中前处理部分包括处理降雨资料信息和模型数据信息：它将天津市气象局提供的降雨空间分布数据离散为仿真模型需要的降雨边界条件，并可按用户的要求任意选取计算的降雨时间和降雨类型(预报值、监测值或其组合)，后者为仿真模型提供计算数据的编辑、修改等功能；后处理部分能够为用户提供暴雨沥涝计算结果的不同形式的查询，使系统成为完整的、开放式的应用软件，大大提高了仿真模型的实用性。

1仿真模型

1.1仿真模型的逻辑结构与信息过程天津市暴雨沥涝仿真模型总体结构与信息流程见图2.

1.2仿真模型的控制运行方式仿真模型的运行主要由初始条件、边界条件及控制参数3个数据文件控制。此外，本模型还将降雨信息作为特殊边界条件。当选取不同的降雨信息后，模型便采取不同的运行方式，参见图3.

(1)预报计算：选取不同的数值预报降雨过程，名字为PR*.DAT,*号分别用年月日时命名。该过程的空间定义方式是：将天津市区划分为5km×5km的网格，每个网格的格点有一个预报过程，选取一个降雨预报数据后，系统自动将格点处的降雨过程插值到仿真模型的网格形心处，作为模型的降雨边界条件，模型即可计算未来降雨情况下市区的沥涝分布状况；

(2)监测计算：通过雨量监测仪器得到的逐时降雨数据由网络传输进入系统，名字为AR*.DAT,

*号以年月日命名，用户可以任意选取其中的一段(包含若干个逐时的文件)，由于雨量站的空间位置已知，系统亦可经过处理生成仿真模型计算需要的数据，进行降雨沥涝的实时监测计算；

图2天津市暴雨沥涝仿真模型结构

(3)预报与监测叠加计算：当在降雨过程中进行模拟计算时，可以选取一段已知的监测数据，再选取一段数值预报数据，两者叠加后的计算结果可以提供未来降雨条件下市区沥涝的分布状况，其中监测数据对预报值的替换减小了预报数据误差对计算结果的影响，使降雨预报和监测的服务作用同时得到发挥。

图3模型三种运行方式框图

1.3仿真模型中排水管网系统模拟方法的改进

1.3.1明、满流共存的计算方法为解决同一管段内有压流与明渠流的交替计算问题，模型借鉴了Preissmann提出的“明窄缝”(openslot)的概念[2]：假设在每一网格内的管道顶端有一个连续的、狭长的窄缝，存在一个自由水面，管道内的水头用窄缝内的水头表示，计算流量时采用窄缝内的水头，则有压流可以转换为明渠流计算。由于窄缝的宽度假设为非常小，因此窄缝的存在将不影响连续方程的计算。具体计算步骤见参考文献[1]，其中管内流量Qd的计算修正为：

(1)

式中：Qd为管道中的流量，可以为有压流或明渠流；Hd为管道内平均水深，当流态是明流时，为管道内实际水深，当流态是有压流时，为窄缝内压强水头；ld为管道的长度；nd为管道糙率；Ad为过水面积，R为水力半径。

1.3.2排水管网的空间布置方式模型中地下排水管网需要针对具体划分的网格进行合理概化。由于管道间的流量计算以网格中是否存在管道为判断条件，因此需要在网格中定义管道间的关系。模型在管道数据中将含有管道的网格之间用网格号相互关联，即每个含管道的网格都有一个数组用以输入与其相连的网格号(该网格含有管道).管道有以下几种布置形式：

①“I”型：有两个含管道的网格与此网格相连；

②“T”型：有三个含管道的网格与此网格相连；

③“+”型：有四个含管道的网格与此网格相连。参见图4.

图4排水管网概化布置

此外，为保证仿真模型的通用性，使新增数据不影响原数据的结构和使用，模型还专门开发了处理这一数据集的程序，它可以在网格基础数据之外进行输入、修改，完成输入和修改后点击这一选项，即可完成管网数据对原网格数据的更新，进行新方案的计算。

1.3.3特殊通道上排水泵站及闸门的计算模型中尺度较小的排水渠可以概化成特殊通道，其两岸排水设施也同样可以设计排水泵站或闸门(参见图5)，将网格与通道间的计算流量中加入泵站或闸门的排水量，每个通道所属的节点单元分别叠加排水量的二分之一，使其成为通道内部的循环水体。泵站的计算排水量以网格或管道内水量为控制条件，排水能力大于水量时，计算流量将自动调节；闸门的计算流量值同样按自流口门的设计流量和网格及管道内水量为条件进行调节。

1.3.4网格管道排水能力的确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径，将其概化为网格参数需要根据网格的面积、高程以及建筑物分布状况等不同情况进行设定。根据城市排水管道设计规范[3]，模型中取天津市排水管道设计标准为(2800～3800)m3/km2，并计算出相应网格的管道长度。

1.3.5管道端排水泵站的计算方法模型中管道的模拟使泵站可以与排水管网的计算有机地结合起来：

图5特殊通道计算示意

地面积水向管道内泄水，管道沿各自系统汇合至出口处，出口处由泵站向河道抽水或闸门向河道泄水，形成“雨水→地面积水→管道中水→河道中水”的过程模拟。这样不仅可以使积水排泄的模拟更为合理，而且可以较好地反映出地势低洼处管网的排水效果。计算过程参见图6.

图6管道计算框图

2仿真模型的验证与应用

2.11995年8月16～17日暴雨过程的验证为验证模型的基本属性数据和汛期各泵站、闸门、管道系统及其调度运行规则数据化后的合理性，根据天津市气象科学研究所提供的资料，选取1995年8月16～17日的暴雨过程作为验证的计算边界条件，如图7所示。

本方案的计算初始条件为：一级河道水位1.0m(选用大沽高程系)；管道内基本腾空；所有排水泵站、闸门均开启。计算过程中一级河道由上下游水位控制，河道内最高水位控制在2.0m；二级河道内最高水位控制在1.5m.验证结果见表1.由表1可以看出，52个测点中，40处水深的绝对误差在0.10m以下，占所选点数的77%.10处水深的绝对误差在0.10～0.20m之间，占19%.即水深的计算误差值在0.20m以下的占96%.

除上述验证的结果外，模型还将积水的范围与天津市排水管理处提供的积水片分布图进行了比较。通过对比表明，分布图中34处主要的积水片在模拟结果中都包括，一些小面积积水区域，如长江道附近、小马路一带、平山道一带、民安街附近等处，不包含在34处积水片中，但有实测积水资料，在计算结果得到了反映。因此模型对市区积水范围的模拟结果是较为准确的。

图71995年8月16日14：00-17日13：00降雨过程

2.2验证小结通过对验证结果的分析，我们得到以下结论：

(1)模型可以较为合理地模拟天津市的暴雨沥涝过程，可以用来进行暴雨沥涝的监测及预报模拟；

(2)天津市目前的暴雨沥涝十分严重。通过模拟发现，当发生强度为1995年8月16～17日的降雨时，市区将出现大面积的积水，积水深度在0.20m以上的积水片多达40多处；

表1“1995年8月16～17日”降雨过程水深验证(单位：m)

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积水地点实测水深计算水深绝对误差积水地点实测水深计算水深绝对误差

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卫津路0.300.23-0.07天善社大街0.300.29-0.01

二号路0.200.11-0.09新开路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

烟台道0.150.03-0.12小大桥道0.400.36-0.04

八一礼堂0.400.27-0.13程林庄地道0.300.28-0.02

黄河戏院0.700.61-0.09同仪大街0.350.31-0.04

中国戏院0.700.64-0.06小郭庄大街0.350.31-0.04

南大道0.900.70-0.20复兴庄大街0.350.38+0.03

靶挡道0.700.46-0.23西南楼0.500.46-0.04

大水沟0.700.74+0.04福建路0.300.21-0.09

北草坝0.400.23-0.17纪庄子大道0.250.11-0.14

烈士路0.400.31-0.09老河口0.200.21+0.01

葫芦罐0.500.51+0.01海地一带0.300.18-0.12

城隍庙0.500.51+0.01洪泽路0.300.31+0.01

鸿顺里0.500.31-0.19永安道0.400.400.00

扬桥街0.300.21-0.09三水道0.300.18-0.12

劳动道0.400.38-0.02平山道0.300.31+0.01

增产道0.400.31-0.09新春街0.500.41-0.09

富强道0.400.31-0.09五爱道0.450.53-0.08

小王庄0.500.46-0.04华兴街0.300.29-0.01

昆纬路0.300.27-0.03李家房子0.200.10-0.10

建国道0.600.52-0.08东平街0.200.18-0.02

北站地道0.300.22-0.08四新道0.150.13-0.02

刘家花园0.350.22-0.13西关外0.500.43-0.07

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(3)误差原因分析：

①由于城市短期暴雨往往在空间分布上存在较大变化，而天津市市区现有雨量站10个，主要分布在中环线以内，内差法求得的雨量空间场弱化了降雨的“点”特征，不能完全反映降雨的空间分布特征，形成计算结果的误差；

②模型网格大小带来的误差：网格的设计主要考虑市区街道、建筑物和地形分布，但考虑到模拟计算稳定性和计算时间的要求，网格尺度不能过小。本模型中网格一般大于或接近于200m×300m，因此如果积水片面积较小，则该处网格高程就会坦化该处地势，使计算水深值不能反映出低洼点的实际积水深度，造成计算值比实测值偏小，验证结果中计算值比实测值偏小的点占总数的83%.减小该误差最好的方法是将实际地形图输入系统，用计算水位值反映积水情况，水位与不同高程的差(即水深值，每个网格可以有多个)就可以将积水的空间变化更好地反映出来；

③城市排水管网是由支、干管网组成的非常复杂的树枝状系统，管道的分布间距远远小于网格的尺度。由于仿真模型中每个网格都包含几条支管或几条支管与干管，管道参数就成为概化值，从而影响计算的精度。如果在网格的设计时兼顾考虑管道的分布，使之能反映管道的特征，可以减小该项误差；

④目前气象部门雨量的监测仪器的精度直接影响监测值的准确性，从而影响仿真模型计算结果的准确性。此外，一些人为因素也会造成误差，如降雨过程中实际水深值和积水时间的测量精度等。减小此类误差也是提高仿真模型模拟精度的重要环节。

3仿真模型信息前处理

仿真模型前处理系统主要包括网格生成、图形显示与编辑及雨量信息转换三部分，见图8.

划分网格后，系统利用数字化仪，将网格节点输入到计算机，由系统自动进行网格编号，生成网格及与其相关的通道和节点，再将特殊网格和通道的属性信息添加到数据文件中，形成完整的模型计算所需要的网格数据文件。网格检查模块是利用一些基本原则对网格数据文件的正确性进行检查并给出错误信息，方便修改。

网格信息的正确与否，关系到模型运行的可靠性。而且这些信息要根据地形地物的变化经常变动，因此及时更新信息十分重要。但直接打开数据文件进行修改，麻烦而且容易出错。因此，系统采用VisualBasic5.0编程语言，利用VisualBasic5.0控件和WindowsAPI函数，实现了以图形的方式管理这些信息的功能，包括：网格图和通道图显示；网格和通道属性信息显示(图9)；网格和通道属性信息修改(图10)；网格形状修改；修改数据保存；图形放大、缩小和漫游。

图8仿真模型前处理系统组成

图9网格、通道属性显示

图10网格、通道属性修改

另外，本系统降雨信息主要有三种来源：数值预报雨量信息、雨量站实时雨量信息和数值预报雨量+实时雨量(混合模式).这三种雨量进入系统时都有各自固定的格式，数值预报雨量信息给出的是5km×5km格点上的点雨量，实时雨量信息给出的是自动雨量站的点雨量，而仿真模型中所要求的是每一网格上的面雨量，因此，考虑采用Shepard的局部逼近方案[4]，将雨量站的点雨量插值到数值预报模型的格点上，再由格点插值到每一网格的形心处，并以网格形心处的雨量值代表整个网格的面雨量。对这三种不同方式的雨量资料，设计了不同的转换方法。对数值预报模型采用直接选取雨量文件进行转换，对实时雨量资料模式和混合模式采用对话框进行人机对话，见图11，用户只需输入开始降雨和降雨结束的年、月、日、时，模型可自动按照约定的规则寻找相应的雨量文件进行转换，增强了模型的灵活性。

图11实时的雨量信息转换

图12仿真模型后处理组成

4仿真模型信息后处理

为用户方便地查询仿真模型的计算结果，如不同网格在不同时刻的水深、流速等，系统开发了后处理软件[5]，主要功能包括(见图12)：

(1)计算结果显示。用一系列透明的不同深浅的颜色来表示网格水深的大小、水位的高低等信息，以城市的地图作为背景，并将两者相叠加，来表示计算结果。对一次暴雨过程，可以动态地连续显示，也可以显示各个网格在整个暴雨过程中的最大值；

(2)计算结果查询。系统可以对任意网格和用户关心的重点区域进行查询，查询内容包括最大值和过程。任意网格的计算结果用线图来表示，重点区域的计算结果则是以该处的标志性建筑物或街道的照片作为背景，加上有刻度的标尺，用透明的颜色叠加到照片上来表示；

(3)图形管理。主要对背景地图和计算结果图形进行管理，实现了图形的放大、缩小、移动和存储功能。背景地图和计算结果图形能够同时放大、缩小、移动，图形存储的是窗口内显示的图形。

5结语

本文建立的天津市暴雨沥涝仿真模型，将城市洪涝仿真模拟技术与城市气象预报监测技术相结合，是未来研究减轻城市暴雨内涝的重要而有益的尝试。通过验证计算表明，模型对天津市暴雨沥涝的模拟结果是可靠、可信的，模型的计算结果，如市区沥涝时空分布、河道水情变化等信息，可以直接为城市各相关职能部门提供决策依据，并可通过媒体向市民实时的灾情信息，实施防灾措施，对天津市城市防洪排涝规划、调度以及城市防灾减灾具有重要意义。

(作者单位：1.中国水利水电科学研究院灾害与环境研究中心；2.天津市气象科学研究所)

作者简介：仇劲卫(1970-)，女，甘肃平凉人，工程师，硕士，主要从事城市暴雨洪涝仿真模型研究。

致谢本文得到了刘树坤、陆吉康、苑希民等专家的指导和帮助，在此深表感谢。

参考文献：

[1]程晓陶，仇劲卫，李娜，等。城市洪涝仿真模型开发研究总结报告[R]。国家自然科学基金重大项目“城市与工程减灾基础研究”502子题，1997.

[2]李玉庆。城市排水系统内非恒定流数值模拟[D]。北京：清华大学硕士学位论文，1997.

[3]刘仲亮，王中民。城市排水管道设计手册[S]。北京：城市建设出版社，1957.

[4]黄友谦。曲线曲面的数值表示和逼近[M]。上海：上海科学技术出版社，1984.