资源描述：
《城市暴雨内涝数学模型的研究与应用.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第16卷第3期水科学进展Vol116,No132005年5月ADVANCESINWATERSCIENCEMay,2005城市暴雨内涝数学模型的研究与应用12134134解以扬,李大鸣,李培彦,沈树勤,殷剑敏,韩素芹,曾明剑,辜晓青(11天津市气象科学研究所,天津300074;21天津大学建工学院,天津300072;31江苏省气象台,江苏南京210008;41江西省气象科学研究所,江西南昌330046)摘要:以城市地表与明渠、河道水流运动为主要模拟对象,研制了模拟城市暴雨内涝积水的数学模型。模型以平面二维非恒定流
2、的基本方程和无结构不规则网格划分技术为骨架,同时,针对小于离散网格尺度的河道或明渠,应用了一维非恒定流方程的算法。采用分类简化处理的方法,将通道分为河道型、路面型、特殊通道型(城市内的二级河道),根据不同类型简化动量方程,求任意网格各个通道上的单宽流量。采用一维非恒定流方程模拟地下排水管网内的水流,并给出泵站、闸门、淹没出流管道等排水系统的处理方法。根据无结构不规则网格的设计思路,按照天津、南京、南昌三市的地形地貌特征分别设计多边形的计算网格。介绍了城市面雨量的计算方法以及数学模型在天津市、南京市、南昌市的应用
3、情况和误差分析。关键词:城市暴雨;内涝灾害;数学模型;天津;南京;南昌中图分类号:P33312文献标识码:A文章编号:100126791(2005)0320384207近年来,暴雨造成的城市内涝灾害日益突出,不仅加重了城市的防汛排涝的任务,对经济建设和人民生活也造成较大影响。为进一步提高城市气象服务水平和能力,天津市气象科学研究所曾与中国水利水电科学研究[1]院合作研制了城市暴雨内涝灾害仿真模型,将水动力学与暴雨监测和预报结合起来,直接模拟或预报暴雨造成的内涝灾害,增强了气象服务的能力。在此基础上,天津市气象科
4、学研究所又与天津大学建筑工程学院、江苏省气象台、江西省气象科学研究所等单位合作,共同开发了适用的城市暴雨内涝数学模型,分别建立了天津、南京、南昌三市的城市暴雨内涝灾害的仿真模拟系统,并于2003年汛期在3个城市开展了准业务试验。1城市暴雨内涝数学模型的基本原理及网格划分城市暴雨内涝数学模型以城市地表与明渠、河道水流运动为主要模拟对象,其基本控制方程以平面二维非[2]恒定流的基本方程为骨架。同时,针对小于离散网格尺度的排水渠系或河道,在二维模型中结合一维明渠非恒定流方程的算法。传统的数值模式计算,通常采用规则矩形
5、网格或拟一致的三角形网格对计算区域进行剖分。但是城市局部地区地形复杂,街道、河流分布各异,各种建筑物,特别是各种防洪排涝工程设施在南方和北方城市差异很大,对暴雨形成径流影响较大。为了更好地反映城市暴雨径流的特点,模型应用有限体积法的思路,采用无结[3]构不规则网格。根据城市不同的地形地貌特征将网格设计成三边形、四边形或五边形,网格各边定义成通道。取网格单元为控制体,在网格中心处计算水位H,在网格周边通道的中点处计算流量Q。水位具有网格平均值的含义,流量具有通道平均值的含义。另外,水位和流量在时间上采取时间交错计
6、算方式。根据天津、南京、南昌三市不同的地形地貌特征分别设计计算网格。天津市地形平缓,海河较宽的一级河道贯穿全市,设为河道型网格,较窄的二级河道和明沟为特殊通道。南昌市地形也较平缓,市内较窄的河道均设为特殊通道,较大的坑塘设为湖泊型网格。南京市内小丘较多,将其划分成沿山脚的多边形网格,网格高程收稿日期:2004202220;修订日期:2004205230作者简介:解以扬(1955-),女,天津人,高级工程师,主要从事天气预报研究。E2mail:tjxyy2002@yahoo1com1cn第3期解以扬等:城市暴雨内
7、涝数学模型的研究与应用385取山脚高程以避免较大的地形差;长江为外边界,市内河道均为特殊通道。天津、南京、南昌三市的计算区域的网格数分别为2281、678、646个。2基本方程的离散格式连续方程根据高斯定理转化为KT+2dtT2dtT+dtHi=Hi+6QikLik+2qidt(1)Aik=1式中Ai为i单元网格面积;Lik为i单元第k条通道长度,即多边形网格的边长;Qik为i单元第k条通道上的流量;Hi为i单元的水深;qi为i单元的源或汇;dt为T时刻的时间增量。Qik按简化的动量方程离散格式计算。在平面浅水
8、运动中,对流项作用很小,通常可忽略不计。对不规则网格,如严格按动量方程计算任意方向通道上的流量,计算量较大。模型中采用分类简化处理的方法。假定同一时段内同一网格的水位变化不大,采用分类处理的方法求任意网格各个通道上的单宽流量。通道分为河道型、路面型、特殊通道型(城市内的二级河道)、其他型(含堤坝、泵站、闸门、淹没出流管道等),根据不同类型[4,5]简化动量方程,计算流量。河道型通道的动
