一维二维水动力模型耦合的城市洪水模拟

基于水动力模型的城市洪涝过程数值理论概述水动力模型是一种数学模型，用于模拟和分析水流在复杂地形和城市环境中的运动过程。

在城市洪涝过程中，水动力模型可以帮助城市规划者和防洪管理者更好地了解和预测洪水的变化规律，提高城市防洪系统的效率和韧性。

水动力模型基于一系列物理方程和数学模型，描述水流在流域中的运动过程。

这些方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、瞬时流速方程等，以及河流和城市水系的几何特征和地形特征。

通过求解这些方程，可以模拟不同条件下水流的波动、流速、水深等参数的变化过程。

在城市洪涝过程中，水动力模型通常采用二维或三维数值方法来模拟城市区域内水流的运动过程。

其中，二维模型考虑水流在水平平面上的运动，适用于城市区域较为平坦的情况；而三维模型则考虑了水流在垂直方向上的运动，可以更好地模拟城市区域复杂的地形和建筑物影响。

水动力模型的数值方法通常包括有限差分法、有限元法和边界元法等。

这些方法通过将城市区域划分为离散的网格单元，将物理方程离散化和数值化求解，以模拟城市洪涝过程中水流的运动态势和水位变化。

城市洪涝过程的数值模拟通常包括以下步骤：1.地形数据准备：通过高程数据和数字地图，构建城市区域的数字地形模型，包括地势高低和水系网络。

2.参数设定：设置水动力模型的参数，如水流动力学粘度系数、摩擦阻力系数、初始条件、边界条件等。

3.网格划分：将城市区域划分为离散的网格单元，确定网格大小和分辨率，以便计算和模拟水流的运动过程。

4.数值求解：采用水动力模型的数值方法，对城市区域内水流的运动过程进行离散化求解，计算水流的速度、流量、水位等参数随时间的变化。

5.模拟结果分析：分析模拟结果，包括水位变化、水深分布、洪水范围、水流速度等，评估城市区域内洪水的可能影响和危害程度。

通过水动力模型的数值模拟，可以对城市洪涝过程的发展趋势和潜在风险进行预测和评估，为城市规划和防洪管理提供科学依据和决策支持。

同时，水动力模型也可以用于设计城市防洪设施和水工结构，优化城市洪涝防治措施，提高城市洪水的防范和应对能力。

MIKE FLOOD 一二维耦合计算溃堤笔记本：MIKE创建时间：2015/9/23 10:05更新时间：2015/9/23 11:10作者：wushangqingliang@一二维耦合计算，分别用一二维建模，然后连接。

一维模型可先按照mike11建模，先不考虑溃口对一维模型的影响，将模型调试通过，率定等。

二维模型尽量不设置开边界，溃口流量通过两个模型连接传递。

二维模型优先选用矩形网格。

****************************************************************************************一维模型一维模型建成后，在network文件中设置溃口位置和溃口基本信息。

由图可知，溃坝采用的是溃坝模型，然后通过侧连接（side structure）与洪泛区连接。

Dam Geometry 设置溃堤堤防的顶高程和溃口宽度，breach calc.Method 设置溃堤的计算方法，有能量方程法和NWS 溃堤算法。

Failure Moment and Mode栏，主要设置溃堤控制条件——某时刻溃堤或者某水位溃堤，Failure Mode设置采用时间序列控制溃堤过程还是根据堤防冲刷能力控制，一般选用时间序列控制。

一维模型里，还需要在Bondary文件里设置溃堤接口设置建筑物边界，溃坝模式，Branch name的位置，需要填SS_河道名称_溃口累加距（SS应该是side structure的缩写，累加距需要保留一位小数，并加M），Chaigage一般给50，GateID要与network里的一致。

Dam break level、width、slope分别代表溃堤的高程，宽度和溃口两侧的坡比。

可以把这三个要素做到一个dfs0文件里，格式如下溃堤水位，一般比最高水位低一些（5cm或者其他）。

增加了溃口以后，即便溃口不溃，也会影响局部水面线——有点类似在两个断面中又加了一个断面。

防洪保护区水动力一二维精细化模拟模型及应用张庆梓;刘小龙;陈俊鸿;彭思韦【摘要】为准确合理地进行洪水演进模拟,完成防洪保护区的洪水风险图编制工作,本文建立了能够对防洪保护区溃堤洪水进行模拟的一、二维耦合水动力学模型.一维水动力学模型采用有限差分法求解,二维水动力学模型采用二维有限体积法求解浅水流方程组.模拟结果表明,与传统方法相比该模型能有效提高复杂区域内模型计算效率,所得信息可为防洪决策部门提供参考依据.【期刊名称】《治淮》【年(卷),期】2016(000)009【总页数】3页(P19-21)【关键词】水动力学;一、二维耦合模型;洪水风险分析;药湖联圩【作者】张庆梓;刘小龙;陈俊鸿;彭思韦【作者单位】河海大学南京 210098;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京 210029;河海大学南京 210098;河海大学南京 210098【正文语种】中文水动力数值模拟技术可以广泛地应用于灾害预警、避险转移、洪水影响评价、洪泛区管理等方面，为相关部门提供有力的决策支撑。

目前，一维动力学模型主要用于长河段的洪水演进预报，主要优点是可以快速、准确地模拟复杂河网的水位、流量过程，同时在处理河道上的一些建筑物（如闸门、泵站等）时非常灵活方便。

但溃堤后的洪水具有明显的二维特性，对于防洪保护区，水流运动复杂，人工建筑物（如房屋、道路等）常常改变水流流向，二维动力学模型更适宜进行此类复杂的水流运动模拟。

相对于一维水动力学模型而言，二维水动力学模型能够提供更加丰富的计算信息，如洪水到达时间、淹没范围、淹没水深、淹没历时等。

但二维水动力学模型也存在计算时间较长、对地形资料要求较高、在洪水风险图系统中数据调用效率较低等问题。

对于解决具有多空间尺度的实际问题（如河道溃堤及溃堤水流演进问题），针对不同的研究区域，运用不同的数学模型，充分发挥模型各自的优势，满足实际需要与提高模型计算效率很有必要。

本文运用地理信息系统，整合防洪保护区地形、道路及建筑物等空间信息，建立基于防洪保护区一维河网模型与二维保护区模型一、二维水动力耦合模型，对道路进行抽稀处理后，将道路和堤防作为保护区内的挡水建筑物处理。

武汉大学硕士学位论文一二维洪水演进数学模型研究及应用姓名：谢作涛申请学位级别：硕士专业：水力学及河流动力学指导教师：张小峰谈广鸣20030501 内容提要中国是一个水灾频繁的国家，上世纪末１９９８年长江、嫩江、松花江流域均发生了大洪水，给国民经济造成了重大损失。

为有效防御洪水，保证人民生命和财产及水利工程的安全，除大力加强堤防、分蓄洪区及河道整治等防洪基础设施建设外，水文预报等非工程措施也是必不可少的。

洪水演进是水文预报的重要研究课题之一，因此建立洪水演进模型，准确预报河段洪水传播过程，控制分蓄洪区运用，掌握河段洪水演进规律，对减少洪灾损失具有重要意义。

论文研究建立了一二维洪水演进数学模型，并将模型应用于长江荆江河段洪水演进计算及糯扎渡溃堰洪水计算中，主要内容如下：第１章介绍了洪水演进计算研究现状，对洪水演进计算的的主要方法包括水文学方法、水动力学方法等传统方法及人工神经网络等新方法均进行了叙述。

第２章对数值格式进行了初步探讨。

从一维对流方程的数值求解方法出发，针对Ｈｏｌｌｙ．Ｐｒｅｉｓｓｍａｒｍ格式，运用待定系数法对Ｈｏｌｌｙ．Ｐｒｅｉｓｓｍａｎｎ格式进行了改进，补充了流速为负时的Ｈｏｌｌｙ—Ｐｒｅｉｓｓｍａｎｎ格式，并在该格式基础上建立了新的计算保守型对流方程的数值格式。

第３章本章采用有限体积法建立了模拟洪水演进的一维数学模型及平面二维数学模型，并分别对一二维模型进行了精度分析，结果表明模型模拟洪水演进时具有较高精度。

第４章首先运用一维模型进行荆江干流洪水演迸计算，计算河段为长江宜昌至螺山河段。

严格讲应采用江湖联算的方法，但由于洞庭湖区地形复杂，河网交错，缺少地形资料，比较难以实现，有效的办法是将江湖分离只计算长江干流的洪水传播过程，将三口分流与洞庭湖城陵矾入流作为旁侧分汇流处理。

在１９９３年河道地形的基础上，根据１９９３年资料对模型糙率进行了率定，进一步对宜昌至螺山河段１９９６年、１９９８年大洪水过程进行了复演，复演结果表明模型能较好地模拟河段洪水传播过程。

城市雨洪的水动力耦合模型研究共3篇城市雨洪的水动力耦合模型研究1城市雨洪的水动力耦合模型研究随着城市化进程的加快，城市雨洪问题也越来越突出，城市雨洪灾害给城市的生产生活带来了很大的影响。

为了更好地控制城市雨洪问题，大量的研究者进行了计算机模拟，提出了很多水动力模型。

但是目前的研究很少考虑到城市的特殊地理环境和城市内部的复杂结构特点，这就使得水动力模型难以在城市实际环境下进行应用。

因此，建立一种能较好地考虑城市内部特殊环境和结构的水动力耦合模型非常重要。

本文从城市雨洪的水动力耦合模型研究角度出发，综述了目前国内外研究的最新进展，并且提出了一系列创新性思路。

首先，国内外研究表明，目前主要水动力模型的非线性、非定常性、非均匀性特点使得模型分析极为复杂，难以对城市雨洪问题进行精细计算。

因此，本文提出，需要进一步考虑城市内部的特殊环境和结构，特别是城市中各种不同形状、不同本质的建筑，如高层建筑、低矮建筑、单体建筑、建筑群、以及各种绿色环保设施等等，这些都会对城市雨洪泛滥起重要的作用。

只有真正考虑城市内部的结构和特殊环境，建立能完全满足城市实际应用的水动力模型，才能更好地帮助城市中排水系统的设计和建设。

其次，本文着重分析了城市雨洪中的自然因素和人为因素的相互作用，提出应建立一个合理的自然因素-人为因素的影响模型，以更好地研究城市雨洪泛滥过程。

因为城市的雨洪问题并不是由单一原因造成的，而是由多个因素相互作用所构成，因此只有深入剖析相互之间的影响，才能真正解决这一问题。

此外，本文还建议在水动力研究中应用分形理论和复杂网络理论，以更好地理解城市雨洪泛滥的各个方面和过程，为城市排水系统的设计和优化提供更多、更有价值的信息。

总之，本文的主要目的是进一步了解城市雨洪的问题，理解城市雨洪中存在的各种非线性、非定常性等特点，重视城市内部结构和特殊环境的影响，并且建立合理的影响模型，分析城市雨洪中的主要因素和作用机制，为城市排水系统的设计和建设提供有价值的参考综上所述，城市雨洪问题是一个复杂的系统工程，需要充分考虑城市内部结构和特殊环境的影响，并建立合理的影响模型，以研究多种因素相互作用的机制。

一、相关模型简介清单二、城市内涝模型1)MIKE URBAN城市排水模拟软件MIKE URBAN 城市排水软件是顶级的排水管网模拟软件。

它整合了ESRI的ArcGIS以及排水管网模拟软件，形成了一套城市排水模拟系统。

该模型广泛应用于城市排水与防洪、分流制管网的入流或渗流、合流制管网的溢流、受水影响、在线模型、管流监控等方面, 可为水资源的可持续利用、污染控制、雨水和污水管网管理及城市防洪提供综合管理方案。

应用领域•雨污水泵站优化调度•排水管网溢流（CSO /SSO）分析•管网泥沙淤积评估•管网水质分析•城市降雨径流过程分析•城市内涝分析与风险评估•城市排水防涝规划•低影响开发（LID）的模拟•海绵城市的规划2)MIKE FLOODMIKE FLOOD 是迄今为止最完整的洪水模拟工具。

它包括完整的一维及二维的洪水模拟引擎，从河流洪水到平原洪泛，从城市雨洪到污水管流，从海洋风暴潮到堤坝决口，能够模拟所有实际的洪水问题。

MIKE FLOOD 甚至可以模拟以上各种情况的组合。

其它模拟软件所不具备的功能，都可在MIKE FLOOD 中找到应用领域•洪水管理•快速的洪水评估•绘制洪泛图•工业区、居民区等的灾害分析•编制应急计划，如疏散路径及优先级等•气候变化的影响分析•防洪措施研究•城市排水与河流、海洋洪水的综合问题研究•溃坝及其他防洪设施垮塌的影响研究3)InfoWorks ICM完整模拟城市雨水循环系统，实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实的模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用。

它在一个独立模拟引擎内，完整的将城市排水管网及河道的一维水力模型，同城市流域二维洪涝淹没模型结合在一起，是世界上第一款实现在单个模拟引擎内组合这些模型引擎及功能的软件•河流及雨污水排放系统规划研究•地表水体管理规划•可持续性排水系统（SUDS/BMPs）应用规划•城市降雨径流控制与截流设计•洪涝解决方案开发•人口增长和气候变化下流域发展评估•城市排水系统同河流相互作用下的洪涝及污染预报•洪涝规划与管理•溢流排放对河流环境的影响•污水处理厂的水力状态分析•入流与入渗评估及控制•截流设计与分析4)SWMM暴雨洪水管理模型SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。

一、相关模型简介清单二、城市内涝模型1)MIKE URBAN城市排水模拟软件MIKE URBAN 城市排水软件是顶级的排水管网模拟软件。

它整合了ESRI 的ArcGIS 以及排水管网模拟软件，形成了一套城市排水模拟系统。

该模型广泛应用于城市排水与防洪、分流制管网的入流或渗流、合流制管网的溢流、受水影响、在线模型、管流监控等方面, 可为水资源的可持续利用、污染控制、雨水和污水管网管理及城市防洪提供综合管理方案。

应用领域•雨污水泵站优化调度•排水管网溢流（CSO /SSO）分析•管网泥沙淤积评估•管网水质分析•城市降雨径流过程分析•城市内涝分析与风险评估•城市排水防涝规划•低影响开发（LID）的模拟•海绵城市的规划2)MIKE FLOODMIKE FLOOD 是迄今为止最完整的洪水模拟工具。

它包括完整的一维及二维的洪水模拟引擎，从河流洪水到平原洪泛，从城市雨洪到污水管流，从海洋风暴潮到堤坝决口，能够模拟所有实际的洪水问题。

MIKE FLOOD 甚至可以模拟以上各种情况的组合。

其它模拟软件所不具备的功能，都可在MIKE FLOOD 中找到应用领域•洪水管理•快速的洪水评估•绘制洪泛图•工业区、居民区等的灾害分析•编制应急计划，如疏散路径及优先级等•气候变化的影响分析•防洪措施研究•城市排水与河流、海洋洪水的综合问题研究•溃坝及其他防洪设施垮塌的影响研究3)InfoWorks ICM完整模拟城市雨水循环系统，实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实的模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用。

它在一个独立模拟引擎内，完整的将城市排水管网及河道的一维水力模型，同城市流域二维洪涝淹没模型结合在一起，是世界上第一款实现在单个模拟引擎内组合这些模型引擎及功能的软件•河流及雨污水排放系统规划研究•地表水体管理规划•可持续性排水系统（SUDS/BMPs）应用规划•城市降雨径流控制与截流设计•洪涝解决方案开发•人口增长和气候变化下流域发展评估•城市排水系统同河流相互作用下的洪涝及污染预报•洪涝规划与管理•溢流排放对河流环境的影响•污水处理厂的水力状态分析•入流与入渗评估及控制•截流设计与分析4)SWMM暴雨洪水管理模型SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。

收稿日期：2020-07-16；网络首发时间：2021-01-19网络首发地址：https:///kcms/detail/.20210118.1543.001.html基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC1502701）作者简介：徐宗学（1962-），教授，主要从事水文学及水资源研究，E-mail ：水利学报SHUILI XUEBAO 2021年4月第52卷第4期文章编号：0559-9350（2021）04-0381-12城市暴雨洪涝模拟：原理、模型与展望徐宗学1，2，叶陈雷1，2（1.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京100875；2.北京师范大学水科学研究院，北京100875）摘要：在气候变化和人类活动的双重影响下，我国城市洪涝问题日趋严重。

在对城市水循环规律深入研究的基础上，开发城市水文水动力模型模拟城市洪涝过程，是弄清城市洪涝致灾机理、减轻洪涝灾害和评估海绵城市减灾效果的重要工具。

本文从我国城市洪涝现状和海绵城市建设出发，总结了城市洪涝模拟方法，对水文模型、水动力模型以及二者的耦合机理进行了较为深入的分析，并介绍了目前常用的城市洪涝模拟模型。

在此基础上，梳理了当前与城市洪涝模拟相关的热点研究领域，并对其未来发展趋势进行了展望。

关键词：城市洪涝模拟；水文水动力模型；城市综合水系统；洪涝预报与调度；智慧水务中图分类号：P339文献标识码：A doi ：10.13243/ki.slxb.202005151研究背景随着我国经济社会的快速发展，城镇化进程不断推进，城市人口持续增加。

据统计，2018年末，全国大陆总人口139538万人，比2017年末增加530万人，其中城镇常住人口83137万人，占总人口比重（常住人口城镇化率）为59.58%，比2017年末提高1.06个百分点，而在1981年中国常住人口城镇化率仅为20.2%［1］，而且未来我国城镇化率还将进一步提高［2］。

受城市人类活动的影响，城区气温普遍比郊区气温高［3］，“热岛效应”［4］和“雨岛效应”［5］凸显，使得城市暴雨洪涝更为集中，灾害形势更为严峻［6-7］。

基于MIKEFLOOD模型的城市洪涝灾害场景推演研究作者：查斌刘成帅杨帆姚依晨马炳焱胡彩虹来源：《人民黄河》2022年第11期關键词：城市雨洪；MIKEFLOOD;-维一二维模型耦合；淹没；洛阳市自然灾害给人类社会带来严重的生命威胁和巨大的经济损失，洪涝灾害是全球发生次数最多、影响国民经济发展的自然灾害。

随着城市化进程加快、人口密度和经济产值提高，城市洪涝灾害逐渐成为关注和研究的热点。

在城市建设过程中，城市主城区及周边的自然及生态系统均发生了改变，致使水文过程更加复杂。

作为评估及预防城市暴雨灾害的重要方法，数值模型可以为防洪排涝提供重要的技术支撑。

城市洪涝场景推演是城市防洪排涝工作的基础。

自1986年MIKE系列模型建立，因其推演功能强大而得到了广泛的应用。

栾震宇等耦合MIKEURBAN和MIKE21模型构建了湖南省新化县的城市内涝数值模型，科学评估了新化县的排水能力：李品良等应用MIKEURBAN对成都市老城区的排水管网在不同降雨强度下承压运行情况及管点溢流情况进行模拟，并通过设置小型调蓄池和扩增管径两种途径改善城市内涝状况：任梅芳等基于MIKEURBAN和MIKE21模型对济南市历下区立交桥区域进行暴雨内涝积水模拟：黄琳煜等基于MIKEFLOOD 平台搭建了暴雨洪涝模型，对上海市浦东新区现状雨水管网的排水能力进行了评估。

以上研究表明，MIKEURBAN、MIKE21耦合MIKEFLOOD可以模拟考虑城市管网排水条件下的内涝情况，然而城市洪涝往往是城市排水管网内涝与河网洪水综合作用的结果，因此如何构建城市区域内既考虑城市内河的排水作用又考虑管网排水漫溢的模型就显得非常重要。

洛阳市建成区面积不断增大，经济发展迅速，但随之而来的“城市看海”现象也日益增多。

本研究以洛阳市中心城区为研究区，以MIKEFLOOD为平台，基于MIKE11、MIKEURBAN 和MIKE21构建一维河道、一维管网和二维地表的城市洪涝模拟模型，在不同降雨历时和不同重现期下进行场景推演，分析洛阳市不同降雨条件下的淹没情况，为洛阳市城市防灾减灾提供科学支撑。