城市洪涝水文水动力耦合模型构建与评估 .pdfVIP

第３２卷第３期水科学进展Ｖｏｌ.３２ꎬＮｏ.３

２０２１年５月ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＷＡＴＥＲＳＣＩＥＮＣＥＭａｙ２０２１

ＤＯＩ:１０ခ１４０４２/ｊခｃｎｋｉခ３２ခ１３０９ခ２０２１ခ０３ခ００２

城市洪涝水文水动力耦合模型构建与评估

１ꎬ２１３

黄国如ꎬ陈文杰ꎬ喻海军

(１.华南理工大学土木与交通学院ꎬ广东广州５１０６４０ꎻ２.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室ꎬ广东广州５１０６４０ꎻ

３.中国水利水电科学研究院ꎬ北京１０００３８)

摘要:为降低暴雨洪涝灾害损失ꎬ利用数值模拟方法研究城市洪涝过程ꎬ提前获取可靠的洪涝水情信息ꎬ具有重

要的现实意义ꎮ根据城市洪涝过程的水文水动力学原理和方法ꎬ以ＳＷＭＭ模型与自主研发的二维模型为基础ꎬ提

出一、二维模型耦合的具体方法ꎬ通过水平和垂直方向的连接构建水文水动力耦合模型ꎮ研究提出基于ＤＬＬ的一、

二维模型耦合策略ꎬ以垂向连接问题为理论案例ꎬ将模拟结果与ＩｎｆｏＷｏＩＣＭｒ软件结果ｋｓ进行对比分析ꎬ阐明该垂

向连接方式的合理性ꎮ以广州市东濠涌流域为实际案例ꎬ构建了东濠涌流域城市洪涝水文水动力耦合模型ꎬ选用２

场实测降雨对模型进行模拟分析ꎬ发现模型在一维排水系统排水能力和二维地表积水的模拟均具有较好的精度和

可靠性ꎮ结果表明所提出的连接算法合理可行ꎬ所构建的水文水动力耦合模型具有一定的可靠性ꎬ对城市洪涝模

拟分析具有较好的应用价值ꎮ

关键词:城市洪涝ꎻ水文水动力耦合模型ꎻ垂向连接ꎻ东濠涌流域

中图分类号:ＴＶ８７７文献标志码:Ａ文章编号:１００１￣６７９１(２０２１)０３￣０３３４￣１１

随着全球气候变化加剧以及城市化迅速发展ꎬ中国城市洪涝问题十分突出ꎬ为减少洪涝灾害对城市区域

的影响ꎬ亟需建立一套高效稳定的城市洪涝模型ꎬ对城市区域的暴雨洪涝过程进行模拟ꎬ为城市防洪排涝、

ꎮ城市雨洪模拟方法主要可归结为水文学方法、水动力学方法以及水文水动力

抢险救灾等提供决策依据[１￣３]

学方法ꎮ水文学方法是最早被采用的方法ꎬ其基于水文学原理进行流域产汇流计算ꎬ结构简单ꎬ效率较高ꎬ

但仅能得到流域出口处的流量过程ꎬ无法给出特定位置的水力特征要素ꎻ水动力学方法基于网格单元进行地

表产流计算ꎬ分别利用二维浅水方程和圣维南方程进行地表及排水管网水流汇流计算ꎬ该方法计算精度较

高ꎬ但计算效率较低ꎻ而水文水动力学方法集合了上述２种方法的优势ꎬ其以子流域为水文响应单元计算地

表产汇流ꎬ水流进入地下管网后采用水动力学方法进行计算ꎬ溢流到地表的水流则采用二维浅水方程进行计

ꎮ

算ꎬ该方法具有较好的水文学基础ꎬ同时计算效率较高[４￣６]

针对一、二维模型的耦合方式ꎬ国内外已有学者研究提出了一些较为符合实际的耦合理论并构建了耦合

ꎮ对于管网模型与地表二维模型耦合ꎬ主要存在垂向水流交换ꎬ即水流在检查井、雨水篦处的交

模型[７￣９]

[１０]

换ꎮ早期Ｈｓｕ等将ＳＷＭＭ模型与地表二维模型耦合ꎬ模型间水流交换是单向的ꎬ当管网能力超载时ꎬ水

流从检查井处溢出到地表流动ꎻ当地下管网有足够的过流能力时ꎬ地表水流也不能通过检查井重新回流到管

网中ꎮ随着研究的不断深入以及技术手段的不断创新ꎬ逐渐出现一批能够实现地下地表水流双向交换的耦合

[１１]

模型ꎮＳｅｙｏ等ｕｍ将ＳＷＭＭ模型与自主开发的二维地表模型耦合ꎬ克服了地表和地下管网水流交换的困

难ꎬ实现了真正意义上的一、二维水流交换ꎮ目前最常见的垂向交换水量计算方法主要为堰流公式和孔口流

ꎬ通过泄流试验比较各种雨水口泄流计算方法的优缺点及适用范围ꎬ为垂向交换水量计算方法

量公式[１２￣１４]

ꎮ对于一维河网模型与二维模型耦合ꎬ其水流交换主要存在水平方向上的正向