城區暴雨瀝澇仿真管理論文

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

本文開發的天津市城區暴雨瀝澇仿真模擬系統，是水利部門首次與氣象部門合作進行的由城市暴雨預報、監測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害或城市洪澇災害，為城市洪澇災害的系統及應用研究作了非常重要的探索和嘗試。

圖1仿真模型計算網格

本系統主要包括兩大部分：

(1)暴雨瀝澇仿真模型。該模型是在國家自然科學基金“八五”重大項目“城市與工程減災基礎研究”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，在仿真模型中進一步探討了城市排水系統的模擬，首次實現了城市暴雨內澇的地面積水模擬與城市管道水體模擬之間的結合，較好地模擬了天津市由于地面不均勻沉降造成的地勢低洼，排水管道能力不足等復雜因素形成的暴雨瀝澇的形成過程，它所提供的市區積水分布范圍、積水深度、積水時間等計算結果，為各級領導減災決策、市民防災等提供了很好的依據和參考；

(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據信息：它將天津市氣象局提供的降雨空間分布數據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算的降雨時間和降雨類型(預報值、監測值或其組合)，后者為仿真模型提供計算數據的編輯、修改等功能；后處理部分能夠為用戶提供暴雨瀝澇計算結果的不同形式的查詢，使系統成為完整的、開放式的應用軟件，大大提高了仿真模型的實用性。

1仿真模型

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

1.2仿真模型的控制運行方式仿真模型的運行主要由初始條件、邊界條件及控制參數3個數據文件控制。此外，本模型還將降雨信息作為特殊邊界條件。當選取不同的降雨信息后，模型便采取不同的運行方式，參見圖3.

(1)預報計算：選取不同的數值預報降雨過程，名字為PR*.DAT,*號分別用年月日時命名。該過程的空間定義方式是：將天津市區劃分為5km×5km的網格，每個網格的格點有一個預報過程，選取一個降雨預報數據后，系統自動將格點處的降雨過程插值到仿真模型的網格形心處，作為模型的降雨邊界條件，模型即可計算未來降雨情況下市區的瀝澇分布狀況；

(2)監測計算：通過雨量監測儀器得到的逐時降雨數據由網絡傳輸進入系統，名字為AR*.DAT,

*號以年月日命名，用戶可以任意選取其中的一段(包含若干個逐時的文件)，由于雨量站的空間位置已知，系統亦可經過處理生成仿真模型計算需要的數據，進行降雨瀝澇的實時監測計算；

圖2天津市暴雨瀝澇仿真模型結構

(3)預報與監測疊加計算：當在降雨過程中進行模擬計算時，可以選取一段已知的監測數據，再選取一段數值預報數據，兩者疊加后的計算結果可以提供未來降雨條件下市區瀝澇的分布狀況，其中監測數據對預報值的替換減小了預報數據誤差對計算結果的影響，使降雨預報和監測的服務作用同時得到發揮。

圖3模型三種運行方式框圖

1.3仿真模型中排水管網系統模擬方法的改進

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

(1)

式中：Qd為管道中的流量，可以為有壓流或明渠流；Hd為管道內平均水深，當流態是明流時，為管道內實際水深，當流態是有壓流時，為窄縫內壓強水頭；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排水管網的空間布置方式模型中地下排水管網需要針對具體劃分的網格進行合理概化。由于管道間的流量計算以網格中是否存在管道為判斷條件，因此需要在網格中定義管道間的關系。模型在管道數據中將含有管道的網格之間用網格號相互關聯，即每個含管道的網格都有一個數組用以輸入與其相連的網格號(該網格含有管道).管道有以下幾種布置形式：

①“I”型：有兩個含管道的網格與此網格相連；

②“T”型：有三個含管道的網格與此網格相連；

③“+”型：有四個含管道的網格與此網格相連。參見圖4.

圖4排水管網概化布置

此外，為保證仿真模型的通用性，使新增數據不影響原數據的結構和使用，模型還專門開發了處理這一數據集的程序，它可以在網格基礎數據之外進行輸入、修改，完成輸入和修改后點擊這一選項，即可完成管網數據對原網格數據的更新，進行新方案的計算。

1.3.3特殊通道上排水泵站及閘門的計算模型中尺度較小的排水渠可以概化成特殊通道，其兩岸排水設施也同樣可以設計排水泵站或閘門(參見圖5)，將網格與通道間的計算流量中加入泵站或閘門的排水量，每個通道所屬的節點單元分別疊加排水量的二分之一，使其成為通道內部的循環水體。泵站的計算排水量以網格或管道內水量為控制條件，排水能力大于水量時，計算流量將自動調節；閘門的計算流量值同樣按自流口門的設計流量和網格及管道內水量為條件進行調節。

1.3.4網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，將其概化為網格參數需要根據網格的面積、高程以及建筑物分布狀況等不同情況進行設定。根據城市排水管道設計規范[3]，模型中取天津市排水管道設計標準為(2800～3800)m3/km2，并計算出相應網格的管道長度。

1.3.5管道端排水泵站的計算方法模型中管道的模擬使泵站可以與排水管網的計算有機地結合起來：

圖5特殊通道計算示意

地面積水向管道內泄水，管道沿各自系統匯合至出口處，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低洼處管網的排水效果。計算過程參見圖6.

圖6管道計算框圖

2仿真模型的驗證與應用

2.11995年8月16～17日暴雨過程的驗證為驗證模型的基本屬性數據和汛期各泵站、閘門、管道系統及其調度運行規則數據化后的合理性，根據天津市氣象科學研究所提供的資料，選取1995年8月16～17日的暴雨過程作為驗證的計算邊界條件，如圖7所示。

本方案的計算初始條件為：一級河道水位1.0m(選用大沽高程系)；管道內基本騰空；所有排水泵站、閘門均開啟。計算過程中一級河道由上下游水位控制，河道內最高水位控制在2.0m；二級河道內最高水位控制在1.5m.驗證結果見表1.由表1可以看出，52個測點中，40處水深的絕對誤差在0.10m以下，占所選點數的77%.10處水深的絕對誤差在0.10～0.20m之間，占19%.即水深的計算誤差值在0.20m以下的占96%.

除上述驗證的結果外，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行了比較。通過對比表明，分布圖中34處主要的積水片在模擬結果中都包括，一些小面積積水區域，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，但有實測積水資料，在計算結果得到了反映。因此模型對市區積水范圍的模擬結果是較為準確的。

圖71995年8月16日14：00-17日13：00降雨過程

2.2驗證小結通過對驗證結果的分析，我們得到以下結論：

(1)模型可以較為合理地模擬天津市的暴雨瀝澇過程，可以用來進行暴雨瀝澇的監測及預報模擬；

(2)天津市目前的暴雨瀝澇十分嚴重。通過模擬發現，當發生強度為1995年8月16～17日的降雨時，市區將出現大面積的積水，積水深度在0.20m以上的積水片多達40多處；

表1“1995年8月16～17日”降雨過程水深驗證(單位：m)

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積水地點實測水深計算水深絕對誤差積水地點實測水深計算水深絕對誤差

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衛津路0.300.23-0.07天善社大街0.300.29-0.01

二號路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

揚橋街0.300.21-0.09三水道0.300.18-0.12

勞動道0.400.38-0.02平山道0.300.31+0.01

增產道0.400.31-0.09新春街0.500.41-0.09

富強道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，而天津市市區現有雨量站10個，主要分布在中環線以內，內差法求得的雨量空間場弱化了降雨的“點”特征，不能完全反映降雨的空間分布特征，形成計算結果的誤差；

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

③城市排水管網是由支、干管網組成的非常復雜的樹枝狀系統，管道的分布間距遠遠小于網格的尺度。由于仿真模型中每個網格都包含幾條支管或幾條支管與干管，管道參數就成為概化值，從而影響計算的精度。如果在網格的設計時兼顧考慮管道的分布，使之能反映管道的特征，可以減小該項誤差；

④目前氣象部門雨量的監測儀器的精度直接影響監測值的準確性，從而影響仿真模型計算結果的準確性。此外，一些人為因素也會造成誤差，如降雨過程中實際水深值和積水時間的測量精度等。減小此類誤差也是提高仿真模型模擬精度的重要環節。

3仿真模型信息前處理

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

劃分網格后，系統利用數字化儀，將網格節點輸入到計算機，由系統自動進行網格編號，生成網格及與其相關的通道和節點，再將特殊網格和通道的屬性信息添加到數據文件中，形成完整的模型計算所需要的網格數據文件。網格檢查模塊是利用一些基本原則對網格數據文件的正確性進行檢查并給出錯誤信息，方便修改。

網格信息的正確與否，關系到模型運行的可靠性。而且這些信息要根據地形地物的變化經常變動，因此及時更新信息十分重要。但直接打開數據文件進行修改，麻煩而且容易出錯。因此，系統采用VisualBasic5.0編程語言，利用VisualBasic5.0控件和WindowsAPI函數，實現了以圖形的方式管理這些信息的功能，包括：網格圖和通道圖顯示；網格和通道屬性信息顯示(圖9)；網格和通道屬性信息修改(圖10)；網格形狀修改；修改數據保存；圖形放大、縮小和漫游。

圖8仿真模型前處理系統組成

圖9網格、通道屬性顯示

圖10網格、通道屬性修改

另外，本系統降雨信息主要有三種來源：數值預報雨量信息、雨量站實時雨量信息和數值預報雨量+實時雨量(混合模式).這三種雨量進入系統時都有各自固定的格式，數值預報雨量信息給出的是5km×5km格點上的點雨量，實時雨量信息給出的是自動雨量站的點雨量，而仿真模型中所要求的是每一網格上的面雨量，因此，考慮采用Shepard的局部逼近方案[4]，將雨量站的點雨量插值到數值預報模型的格點上，再由格點插值到每一網格的形心處，并以網格形心處的雨量值代表整個網格的面雨量。對這三種不同方式的雨量資料，設計了不同的轉換方法。對數值預報模型采用直接選取雨量文件進行轉換，對實時雨量資料模式和混合模式采用對話框進行人機對話，見圖11，用戶只需輸入開始降雨和降雨結束的年、月、日、時，模型可自動按照約定的規則尋找相應的雨量文件進行轉換，增強了模型的靈活性。

圖11實時的雨量信息轉換

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算結果，如不同網格在不同時刻的水深、流速等，系統開發了后處理軟件[5]，主要功能包括(見圖12)：

(1)計算結果顯示。用一系列透明的不同深淺的顏色來表示網格水深的大小、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，來表示計算結果。對一次暴雨過程，可以動態地連續顯示，也可以顯示各個網格在整個暴雨過程中的最大值；

(2)計算結果查詢。系統可以對任意網格和用戶關心的重點區域進行查詢，查詢內容包括最大值和過程。任意網格的計算結果用線圖來表示，重點區域的計算結果則是以該處的標志性建筑物或街道的照片作為背景，加上有刻度的標尺，用透明的顏色疊加到照片上來表示；

(3)圖形管理。主要對背景地圖和計算結果圖形進行管理，實現了圖形的放大、縮小、移動和存儲功能。背景地圖和計算結果圖形能夠同時放大、縮小、移動，圖形存儲的是窗口內顯示的圖形。

5結語

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與城市氣象預報監測技術相結合，是未來研究減輕城市暴雨內澇的重要而有益的嘗試。通過驗證計算表明，模型對天津市暴雨瀝澇的模擬結果是可靠、可信的，模型的計算結果，如市區瀝澇時空分布、河道水情變化等信息，可以直接為城市各相關職能部門提供決策依據，并可通過媒體向市民實時的災情信息，實施防災措施，對天津市城市防洪排澇規劃、調度以及城市防災減災具有重要意義。

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

作者簡介：仇勁衛(1970-)，女，甘肅平涼人，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和幫助，在此深表感謝。

參考文獻：

[1]程曉陶，仇勁衛，李娜，等。城市洪澇仿真模型開發研究總結報告[R]。國家自然科學基金重大項目“城市與工程減災基礎研究”502子題，1997.

[2]李玉慶。城市排水系統內非恒定流數值模擬[D]。北京：清華大學碩士學位論文，1997.

[3]劉仲亮，王中民。城市排水管道設計手冊[S]。北京：城市建設出版社，1957.

[4]黃友謙。曲線曲面的數值表示和逼近[M]。上海：上?？茖W技術出版社，1984.