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基于SWMM模型的暴雨洪水模拟研究摘要：针对暴雨导致的城市内涝问题，采用SWMM模型的城市暴雨洪水淹没分析计算方法，对郑州大学新校区暴雨内涝、淹没范围和淹水深度进行了模拟分析，对组成排水系统的排水管网、道路和河道水系等进行合理概化，构建了暴雨洪水淹没分析模型，对重现期分别为0.5、1、2、5、10a设计暴雨情形下的管道节点溢流和积水深度进行了模拟。
结果表明：郑州市区总体排涝标准较低，排涝能力严重不足；该模型能直观表现受涝区淹没范围和淹水深度，在城市排水管网规划、雨洪管理和灾后损失评估等方面具有一定的应用价值。
关键词：SWMM模型；淹没分析；郑州大学新校区自20世纪80年代以来 SWMM ( Storm Water Management Model)已广泛用于我国多数城市的暴雨径流模拟研究中，如北京、天津、成都等，均表明 SWMM 对于不同地区具有较强的适用性。
但是之前的研究多是基于实测数据来率定和验证模型参数，在一些小区域实测数据比较容易获得，而在大范围内测量降雨的径流过程操作起来难度很大。
本研究与其他研究的不同之处就在于，在没有径流过程实测资料的情况下，利用设计暴雨及雨型模拟郑州大学新校区的暴雨径流过程。
本文利用GIS的空间分析功能设计了基于DEM的洪水有源淹没算法，利用等体积法实现积水路段管网节点任意溢流水量下对应淹没范围及深度的推求，耦合SWMM模型输出的管网节点溢出水量来建立城市暴雨洪水淹没分析模型，并在郑州大学新校区进行了应用。
1 材料与方法1.1研究区域概况郑州大学新校区选址于郑州市西边的高新技术开发区内，郑州高新技术产业开发区位于郑州市西北部，南临西流湖，北接邙山，东与环城快速路联，西四环穿区而过，距市中心约12km，南距310国道2km，北邻连霍高速公路，对外交通条件优越。
郑州市属北温带大陆性季风气候，冷暖气团交替频繁，春夏秋冬四季分明。
冬季漫长而干冷，雨雪稀少；春季干燥少雨多春旱，冷暖多变大风多;夏季比较炎热，降水高度集中；秋季气候凉爽，时间短促。
SWMM模型在城市排水防涝规划中的应用采用SWMM模型对研究区内雨水管网进行系统概化研究，分别在现状和规划下垫面条件下，模拟了不同暴雨重现期下城市排水系统的运行状况，对模拟结果中低于设计标准的雨水管道进行重新规划设计，反复模拟校核，确保所有雨水管网满足设计重现期要求。
结合城市地形，利用不同暴雨重现期长历时雨型对城市内涝风险进行模拟分析，提出超标暴雨的应对措施，为合理制定排水防涝方案提供科学依据，同时可供其他城市排水防涝系统规划参考。
标签：SWMM模型；城市排水防涝规划；内涝评估【文献标志码】A1、引言随着我国城市化进程的加快，城市下垫面硬质化越来越严重，加上极端气候的出现，城市内涝灾害事件频频发生，发生的范围越来越广，造成的危害也越来越严重。
城市内涝很大部分原因在于在城市快速发展过程中，对城市排水防涝工作不够重视，排水管道建设标准过低，防治城市内涝的措施简单化，城市排水防涝规划不够科学合理。
在排水管网规划设计中，一般仍采用传统的雨水设计流量计算公式，该计算方法在计算管道非压力均匀流存在一定的缺点，一方面难以根据降雨过程线计算管道流量过程，另一方面当管道处于超载状态（即压力流）或受水体水位顶托时，不能应用于管道流量计算。
目前，很多发达国家已采用數学模型模拟降雨过程，把排水管渠作为一个系统考虑，并用数学模型对雨水管网进行系统规划管理。
因此，利用模型对城市暴雨径流进行模拟研究，为城市排水防涝规划提供科学依据，是未来城市排水防涝规划的主要研究方向之一。
本文基于暴雨洪水管理模型（SWMM），对研究区内排水管网排水能力进行模拟评估，在不同暴雨重现期下对城市排水防涝系统进行能力评估，模拟分析研究区内两条主要排水河道连通的必要性，旨在为研究区制定排水防涝规划方案提供技术参考。
2、SWMM模型简介暴雨洪水管理模型（SWMM）是由美国环境保护局（EPA）开发，免费向公众发布的一个动态降雨一径流水文水力模型，主要用于城市区域降雨径流水量和水质的单一事件或连续事件模拟。
MIKE URBAN模型在城市内涝分析中的应用作者：朱学虎海霞来源：《城市建设理论研究》2014年第29期摘要：基于ArcGIS平台，采用城市雨水管网模型（MIKE URBAN），结合芝加哥雨型设计工具，建立了吴忠市雨水管网模型。
对不同重现期雨水管网负荷情况、排水泵站排水能力等进行了模拟计算，对城市易涝点进行统计分析，计算结果较为合理可靠。
MIKE URBAN模型模拟及其分析方法可全面反应研究区域雨水系统的服务性能，为城市雨水管网现状评估、改造及规划等提供决策依据。
关键词：MIKE URBAN；管网负荷；泵站排水能力；易涝点中图分类号：TU984文献标识码： A城市排水管网水力模型（MIKE URBAN）是一门集排水工程、计算机、信息等为一体的新技术[1]。
管网设计者可以借助水力模型仿真模拟现状排水管网的运行状态并对其排水能力进行评估，结合实际可实施性，在水力模型平台上制定改造方案并对其进行校核。
国内外很多城市排水研究者和管理者构建了大量的水力模型，辅助排水系统的评估、规划等[2-5]。
目前，我国城市排水管网规划、设计及改造等大多是在人工现场调查的基础上结合理论基础进行，以主观决策为主，对于水力模型的应用较少。
本文以宁夏吴忠市为例,利用MIKE URBAN模型对不同重现期（市政）降雨条件下现状排水设施的服务能力进行了系统的评估、结合实地勘测情况对规划区域的排水设施进行了详细的规划（包括管径、流向、泵站等），并将改造和规划方案进行了校核；利用MIKE URBAN和MIKE21的耦合，对研究区域的地面积水状况做了详尽的分析并提出改造方案。
1MIKE URBAN模型介紹MIKE URBAN是丹麦DHI Water&Environment&Health独立开发研制，它可以和二维模型MIKE21整合，是一个动态耦合的模型系统。
模型可以同时模拟排水管网、明渠，泵站等，由雨水井承担接收地面降雨。
排水管网模型在城市内涝风险分析中的应用排水管网模型技术作为新兴技术手段，具有效率高、耗时少、通用、直观等优点，可以科学、合理地模拟排水系统运行状态，为城市内涝积水的风险分析提供多方面依据，对于确保人民生命财产安全、维持城市安全运行具有重要意义。
本文以Infoworks CS排水模型为例，对其在城市内涝风险分析中的应用进行深入探究。
标签：Infoworks CS；排水模型；排水防涝规划1 研究背景及意义近年来，城市内涝频发，暴露出城市雨洪系统存在的诸多风险和问题；同时，传统研究方法相对落后，庞大的地下排水管网数据缺少智能化信息平台进行整合、分析[1]，需要應用数字化模型对排水防涝系统进行全面评估和校核，对城市排水系统的近远期规划设计进行有针对性的分析和指导。
2 排水模型在城市排水防涝规划中的应用以沈阳市排水系统为例，在现状数据普查的基础上，应用Infoworks CS排水软件建立城市排水管网水力模型，对现状排水管网、泵站、河道等设施进行模拟与评估，为规划改造方案的制定提供科学依据。
2.1 城市排水系统模型的建立准确、详细的数据资料是模型建立的前提和重要基础，对于排水模型，所需数据主要包括：2.1.1 降雨数据。
对研究区域内1951～2012年61年5000场次降雨数据（含小时降雨量）、2005～2012年8年降雨数据（含10分钟间隔降雨量）进行收集整理，确定不同降雨历时下沈阳市降雨雨型。
2.1.2 排水系统及水系数据。
收集完善研究范围内DN500以上共1035公里排水管网，现状50座区域排水泵站、10处地道桥泵站的相关数据，对城市范围内主要水系的断面、水深、坡度、流量等资料进行收集整理。
2.1.3 历史积水数据。
对研究范围积水片区、街路、节点共300余处进行整理，作为模型校核修正的参考依据。
在以上各类数据的基础上，应用Infoworks排水软件建立了沈阳市城市雨水管网水力模型。
模型中检查井8455个，管道8752根，长度约1035公里，流域面积共220平方公里。
水动力学模型在佛山市内涝预警中的应用研究杜文印;李娜;王静【摘要】The two-dimensional unsteady flow dynamics model uses Saint-Venant equations for basic mathematical equation to simulate open channel flow law of motion. Taking Foshan City center as range of study, future short-term rainfall which is predicted is one of the input conditions. Combining with high precision GIS city map, underground drainage network data, freshwater river and outer river water level, pumping station operation and so on, the two-dimensional unsteady flow dynamics modelis used to simulate the effect of city by storm. City rainstorm waterlogging models and urban waterlogging warning system are used for urban waterlogging warning. Through the real-time monitoring and management of hydrological information, rainstorm waterlogging simulation, flood warning, hazard mapping and GIS applications etc, it provides decision-making basis and technical support for flood control, waterlogging forecast and emergency dispatch in Foshan.% 二维非恒定流水动力学模型以圣维南方程组为基本数学方程模拟明渠水流运动规律。
城市暴雨洪涝灾害特征与风险评估研究进展1. 内容描述城市暴雨洪涝灾害的特征分析：通过对国内外大量文献的梳理，总结城市暴雨洪涝灾害的主要特征，包括降雨强度、降水时间分布、径流过程、洪峰流量、洪水过程等。
城市暴雨洪涝灾害的风险评估方法：介绍目前常用的城市暴雨洪涝灾害风险评估方法，包括基于气象数据的定量风险评估方法、基于地理信息系统的空间风险分析方法、基于模型的风险评估方法等。
城市暴雨洪涝灾害风险评估的应用：结合国内外实际案例，探讨城市暴雨洪涝灾害风险评估在城市规划、建设、管理等方面的应用，以期为我国城市暴雨洪涝灾害的防治提供科学依据。
未来研究方向：针对当前城市暴雨洪涝灾害特征与风险评估研究中存在的问题和不足，提出未来研究的方向和重点，包括提高风险评估方法的准确性和可靠性、加强多源数据融合、发展智能预警技术等。
1.1 研究背景随着城市化进程的加快，城市面临着越来越多的自然灾害风险。
暴雨洪涝灾害是城市最为常见的自然灾害之一，其发生频率和灾害损失呈现逐年上升的趋势。
城市暴雨洪涝灾害不仅给人们的生命财产安全带来严重威胁，还会影响城市的正常运行和社会稳定。
对城市暴雨洪涝灾害特征和风险评估进行研究，对于提高城市防灾减灾能力、保障城市可持续发展具有重要意义。
随着全球气候变化和城市化进程的推进，城市暴雨洪涝灾害呈现出新的特征。
极端气候事件频发，暴雨强度、频率和持续时间都有所增加；另一方面，城市化导致的地表覆盖变化、不透水地面增加等问题加剧了城市洪涝灾害的发生和严重程度。
对城市暴雨洪涝灾害特征和风险评估的研究已经成为当前城市安全领域的重要课题。
通过对城市暴雨洪涝灾害特征的分析和研究，可以更好地了解灾害的发生机制和影响因素，为制定有效的防灾减灾措施提供科学依据。
风险评估作为灾害管理的重要组成部分，可以帮助决策者更加全面、准确地评估城市暴雨洪涝灾害的风险程度，为制定针对性的防灾减灾策略和措施提供重要参考。
国内外学者已经开展了大量的城市暴雨洪涝灾害特征和风险评估研究，并取得了一系列重要成果。
楚雄师范学院本科生毕业论文题目：超大型城市暴雨特征及模型研究系（院）：教育学院专业：教育技术学学号：学生姓名：李玉刚指导教师：职称：讲师论文字数：20149完成日期：2017年5月教务处印制中文摘要近些年来，城市洪涝灾害频频发生，我国各大城市几乎都遭受了严重的损失。
究其原因，不外乎自然因素和社会因素两类，一方面，随着全球气候发生急剧的变化，极端气象灾害愈发频繁；另一方面，在城市规划建设中缺乏全面的考虑，对可能发生的内涝灾害没有有效的预防措施和手段。
城市，特别是超大型城市，其洪涝灾害已成为最具威胁和频繁发生的自然灾害之一。
因此，women在应对城市洪涝灾害的时候，要提高对城市洪涝的认识，在城市规划建设中统筹兼顾，在避免灾害的同时要开发利用雨洪资源。
数值模拟是城市洪涝管控规划、预测和防范的不可缺少的重要手段之一。
本文在深入研究分析了国内外在城市降雨径流过程的模拟方法和手段的基础上，基于二维浅水方程SWE，利用TVD-MacCormack显式差分格式构建了数值计算模型。
该模型以研究区域的地形数据为基础，以道路、明渠水流、建筑、草地为主要模拟对象，能够反映复杂的流速变化和积水过程的演变。
通过结合泥沙馆水槽试验模型模拟了三种简单的工况，利用所测数据对构建的模型进行了校正和分析。
本文首先将模型应用在清华园的模拟中，利用RTK移动测量技术对清华园的道路进行了详细的测量。
通过以ArcGIS为工具，对清华园地形图的处理和分析，整理出不同下垫面条件的区域，在模拟计算时为其附加不同的属性，特别是高程属性。
模拟计算结果显示清华园在面对强降雨时不会出现大范围水位较深的积水点。
本文还对北京市降雨的特征做了简要的概括，并利用RTK测量了北京五环及以内中心城区的道路高程数据，并做了简要的处理分析，由于时间所限，暂时没有利用所建模型模拟计算北京市在面对强降雨时的积水点分布特征和产汇流过程。
本文所做的工作是基础性的、应用性的研究，可以为构建北京城市防洪体系提供技术支持，也对城市的规划建设和雨洪资源的利用具有积极的意义，同时，随着我国城市建设的快速发展，研究结果也能为全国各大城市降低洪水灾害提供支持。
武汉市暴雨内涝数学模型的研究与应用 刘晓 （湖北工业大学，湖北，武汉，120330270） 摘要：暴雨内涝对城市的影响日益严重，为了城市能够更好的应对暴雨带来的冲击，本文以城市的街道路面与河道水流的运动为对象进行模拟，建立了武汉市暴雨内涝积水数学模型。模型以平面二维非恒定流基本方程和不规则网格划分技术为框架，采用简化分类处理的方法，将通道分为路面型、河道型以及特殊通道型，根据不同类型简化动量方程，求任一网格各个通道上的单宽流量。根据不规则网格的方法，按照武汉市的地形进行多边形计算网格的设计。介绍了数学模型在武汉市的应用和误差分析以及城市路面降雨量的计算。 关键词：城市暴雨 内涝灾害 数学模型 误差分析 武汉市 Research and Application of Wuhan Waterlogging Mathematical Model Liu Xiao (,Hubei University of Technology, Hubei,Wuhan,120330270) Abstract:Waterlogging increasingly serious impact on the city, in order to respond to storm the city the impact of urban road surface better and the main river flow motion simulation object, the mathematical model of urban storm water waterlogging.The basic equation model for unsteady flow and irregular unstructured meshing technology as the backbone, the use of simplified classification method,the channel into the river type, road type,special channel type, depending on the type of simplified momentum equation,seeking grid unit discharge any individual channel.According unstructured irregular grid design ideas, according to the terrain features are designed in Wuhan polygon computational grid.Describes analysis methods and mathematical models to calculate surface rainfall in the city of Wuhan and application errors. Keywords: urban storm; waterlogging disasters; mathematical model;model error analysis;Wuhan
1 引言 城市内涝是由于强降雨超过城市排水能力而产生的城市内积水的灾害。降雨强度大是造成城市内涝的原因客观原因，范围集中。降雨强度较大、时间较长有可能形成积水，降雨急的地方也可能形成积水。近年来，暴雨对城市内涝灾害的影响日益严峻，不仅加重了城市的防汛排涝的任务，同时对经济建设和城市居民的日常生活也造成了较大影响。因此，为了进一步提高城市排水的服务能力和水平，对城市内涝进行研究已然十分必要，从而减少暴雨对城市的影响。 1.1国内外的经验 巴黎的下水道始建于1854年，用时24年巴黎修建了600多公里的下水道。截止今日，巴黎的下水道总长度近2300公里，相当于巴黎到伊斯坦布尔的距离。巴黎的下水道位于地面以下50米。水道纵横交错，密如蛛网，下水道十分宽敞，中间是宽约3米的排水道，两侧是宽约1米的供检修人员通行的便道。巴黎的下水道按沟道大小可以分为小下水道、中下水道和排水渠三种。每天有120亿立方米的水经此管道排出，这些下水道犹如这座大城市的消化系统。因此，暴雨不会使巴黎的形成内涝。 青岛是目前被认为是管道设置最合理的城市，青岛率先采用雨水污水分流的排水模式。德式排污管道设计巧妙，管道为倒置的鸭蛋型，上大下小，下半部分呈“V”型，在流量相同的情况下，污水流速更快，即使污水流量比较小，污水依然能保持一定的速度，使得污水中所夹杂的污物被冲击的没有沉淀的机会，有效保证了管道的畅通。 1.2武汉市的现状 武汉湖泊的减少，大大减小了城市的调蓄能力，从而大大增加了城市内涝的发生率。1950年代，武汉市湖泊面积达到1581平方公里，城中湖有127个，80年代已经缩减到874平方公里。近30年来，又减少了228.9平方公里，城中湖也缩减为38个。与之相对应的却是，城市建成区总面积从220平方公里增加到475平方公里。天上的雨水没有减少，调蓄的湖泊在减少，城市建成区的面积却在增加，如果抽排能力没有加强，城市内涝就不可避免。 1.3城市暴雨内涝数学模型的基本原理及网格划分 以城市的河道水流与街道路面的运动为对象进行模拟，建立了城市暴雨内涝积水的数学模型。模型以平面二维非恒定流基本方程和不规则网格划分技术为主要方法。一般的数值模式计算，基本上采用规则矩形网格或三角形网格对计算区域进行划分，但是城市的局部地区往往地形复杂，河流、街道分布也各不相同，对于建筑物，尤其是防洪排涝工程在南、北方有着巨大的差异，对径流的形成影响很大。因此，根据城市暴雨径流的特征，模型选取无结构不规则网格。同时，根据城市各异的地貌特征可将网格设计为三边形、四边形或五边形，网格的各边则定义为通道。选择网格单元为研究体，取网格中心位置得水位为计算水位H，取网格周边的通道中点处得流量为计算流量Q。水位代表网格的平均值，流量也表示通道的平均值。此外，在时间上，流量和水位采取时间交错的计算方式。根据武汉市的地形设计计算网格。武汉市地形平缓，海河较宽河道设为河道型网格，较窄的明沟和河道为特殊通道。 2 基本方程 由高斯定理可将连续方程转化为
dtqLQAHHdtTiikkKkiiTidtTi2dt212 (1)
式中Hi——i单元的水深； iA——i单元的网格面积；
Qik——i单元的第k条通道上的流量； ikL——i单元的第k条通道长度；
qi——i单元的源； dt——T时刻时间的增量。 根据简化的动量方程的离散格式来计算Qik。对于不规则的网格，如果按动量方程严格计算任一方向通道的流量，则计算量太大，所以该模型中采取简化分类处理的方法。假设同一时段同一网格水位的变化不大，采取分类处理的方法去求任一网格各通道上的单宽流量。通道分为路面型、河道型、特殊通道型、其他型，由不同类型的简化动量方程，计算流量。 河道型通道对应的动量方程：
dtHQQngdtdLZZgHQidtTikdtTikikikTikTikidtTikdtTk37212i22Q (2)
式中 g——重力加速度； Zik1、Zik2——为i单元的第k条通道左右侧1、2断面的水位； dLik——i单元的第k条通道左右侧单元形心距离； nik——i单元的第k条通道上的糙率。 地面型通道对应的动量方程：
dtTdNkNjddtTdikdtTikdiTdiiijijLQLQAdtHq22/2Q1212dtTik (3)
对于有缺口堤或连续堤的通道，其流量采取宽顶堰流的计算公式，即 2/3ik2бQiikdtTikHgm (4)
式中Σik——i单元的第k条通道下游淹没系数； mik——i单元的第k条通道流量系数。 武汉市较窄的河道认为是特殊通道，它与其左右侧网格之间的流量，选取宽顶堰流公式(4)进行计算；对于河道的单宽流量Qs选择与河道型通道的动量方程式(2)相近的公式来计算；此外，特殊单元水深则按照以下的离散格式计算：
dtLQLQAdtHdtTdNkNjddtTdikdtTikdTddtTiijijiiiq22/2H1212
d (5)
式中Hdi——i特殊单元的水深； Adi——i特殊单元的面积； Qdij——i通道周边的单宽流量； Ldij——i通道周边的边长； qdi——i特殊单元上的降雨强度，一般选取其特殊节点处的降雨强度来作为这个单元的平均值。
3 武汉市的排水系统 武汉市的排水系统由水井、管道、泵站、明沟、闸门等组成，排水管道错综复杂，通过雨水井来承担和接收来自地面的水，通过泵、闸或淹没出流管道来实现管道水的排出。对于地下排水管网内的水流，一般选用一维非恒定流方程进行计算。地面单元与地下排水管网的水量交换，一般可以通过连续方程源汇项来进行控制，即可将源汇项分成单元排水强度和有效降雨强度两部分。单元的排水量可依据单元的最大排水能力、单元积水深度，以及降雨强度来确定：当单元最大排水能力大于降雨强度并且单元积水相对较浅时，降雨量将全部转化成排水量流入到地下管网，故单元排水强度则为降雨强度；反之，当单元最大排水能力小于降雨强度且单元的积水相对较深时，单元排水强度可达到最大的排水强度，单元最大排水强度与降雨强度之差则转化成地表径流。 对于计算管道内的流量选用一维非恒定流方程的离散形式：
dtRAQQngdtdLZZgAQpipidtTpidtTpiiTiTipidtTpi3/4212dtTpi22Q （6）
式中Qpi——计算管道的断面流量； dLi——相临的两网格的形心到通道中点的距离之和； Rpi——水力半径； 计算管道内的水深一般选用连续方程的离散形式:
