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基于pcswmm的葫芦岛市雨洪模型评估 摘要：采用3场次实测暴雨20150806内涝淹没资料,验证了基于PCSWMM的葫芦岛市雨洪模型,然后对葫芦岛市现状排水能力及城市内涝风险,选用同频率设计潮位和不同降雨组合进行模拟评估。研究表明:模型的可靠性和精准度较高,葫芦岛市低于1a一遇排水能力的系统管网为84.1%,可为揭示城市内涝风险等级在不同重现期暴雨的分布规律提供科学的依据。 0 引 言近年来,城市化发展和环境气候的变化使得暴雨、内涝等极端事件频发,并对区域可持续发展造成严重的威胁。为提升城市安全管理及防灾减灾能力,保障区域经济发展和财产安全有必要科学、准确的评估城市内涝风险状况。为准确水位变化、淹没范围、持续时间及径流形态等信息,城市排水设计规范和排水防涝规划大纲均推荐了水力模型,通过对多项或单一评价因子的叠加反映内涝灾害程度通过概化城区河道、排水管网及设定模型参数,美国环保局提出了的一种广泛应用的SWMM模型,该模型主要由存储/处理、扩充输送、输送、径流和处理5个子模块组成,这些子模块能够实现地表径流、污染物运输及汇流演进过程的模拟,但对于地表溢出量淹没区间和水深不能给予准确的计算1 PCSWMM模型简介1.1 模型结构在计算方法和理论方面,SWMM和PCSWMM雨洪模型总体相同,后者较前者增加了可视化和前、后处理的功能。概化地下一维和地表二维排水系统为构成PCSWMM应用的基本思路,通过设置大、小两个系统实现雨洪的模拟分析。传统的城市雨洪模型通常只有一套由节点、管网和漱口组成的排水系统,将城市地面概化为若干个“水库”为该模型的核心内容,通过排水管网实现“水库”与“水库”之间的水量交换。随后,研究者Djordjevic等将将道路引入传统模型,从而提出仅考虑道路的双重排水系统。然而,除此之外还存在其它二维淹没过程,由此确定的二维径流状态往往无法获取预期的模拟效果。将研究区概化为大、小双层排水系统不仅考虑了建筑物对水流的阻挡作用,而且在非道路部分和道路上方可分别建立一套排水系统。1.2 建模步骤步骤一:阻碍层的绘制。阻碍层的绘制为二维网格创建的基本条件,它体现了建筑物与水流之间的作用关系,在遥感影像上对于该区域标注且可不创建网格。步骤二:边界层的绘制。河道、草地和道路为城市主要地表类型,因存在不同的糙率其对水流的引导作用也存在一定差异。因此,有必要对不同地表类型的边界绘制,由此构造相应的边界层。步骤三:基本设置。①网格类型:PCSWMM网络主要存在定向网格、六边形、矩形和自适应4中类型,其中定向网格一般适用于河流、道路等窄长边界,为确定导流方向还需要的绘制定向网格的边界中心线;针对直接提取的CAD高程点或自行添加的二维节点类型,一般选用自适应网格类型;矩形或六角形应结合使用情况设定其边界。②设置采样因子m。生成的标高点的平均高程为井底标高,该过程中需要应用到m个采样点因子。③设置糙率、网格分辨率等参数。步骤四:二维检查井的创建。其创建宜居为DEM信息和二维节点,将经深设置为30m以确保不发生溢流现象,地表水位设定为井水深。在计算方法上SWMM和PCSWMM模型基本相同,在检查井深小于水深的情况下多余水量可从井内溢出或贮存于井上方,因此确定的淹没水深偏低。为确保内涝情况下水流不会从检查井溢出且淹没深不超过30m,检查井深设置值为不低于30m,也可设置为足够大的40m、50m等。步骤五:地表二维明渠和网格的创建。针对明渠管道的垂直平分线和相邻二维检查井,采用泰森多边形法和30m深明渠管道连接绘制。边界和明渠宽度为垂直平分线绞线及其网格边界长度,其面积为所有二维明渠总面积。步骤六:检查井底标高和网格的确定。选择标高点或节点高程作为井底和网格高程,若以标高点高程作为井底高程还应结合DEM数据生成,网格内所有标高的平均值为井底高程。步骤七:耦合连接一维二维。直接连接到一维检查井和使用底部孔口为PCSWMM模型一维二维耦合连接的两种方法,其中前者是以一维检查井为基准直接移动二维检查井,保持下沿标高不变而上沿标高增加30m,此连接方式适用于湖泊、河流的耦合;后者则应构建一个底部孔口,其入口偏移量为检查井下沿标高之差,始、终点设定为一维和二维检查井,由此以来能够较好的实现地面标高与孔口的准确连接,在非河网区具有较好的适用性。步骤八:一维检查井超载深度的设置。利用底部孔口连接一维、二维检查井时,为保证不发生溢流还要设置井超载深度,如20m。根据前文分析,在井深小于水深的情况下,多余水流量作为积水存储于井上方或从检查井溢出损失,则水无法通过孔口进入二维检查井。在超载深度设置以后,将不再发生一维检查井溢流现象,由此可实现水通过孔口进入二维检查井