天津市城區(qū)暴雨瀝澇仿真模擬系統(tǒng)研究

天津市城區(qū)暴雨瀝澇仿真模擬系統(tǒng)研究

天津位于海河流域下游，是中國北方的一個重要工業(yè)城市。由于其特殊的地理位置和低地條件，以及近年來快速發(fā)展的城市化，天津市的城市洪水災(zāi)害日益嚴(yán)重，減少城市洪水災(zāi)害已成為天津發(fā)展的必然前提。本文開發(fā)的天津市城區(qū)暴雨瀝澇仿真模擬系統(tǒng),是水利部門首次與氣象部門合作進(jìn)行的由城市暴雨預(yù)報、監(jiān)測到城市暴雨瀝澇仿真模擬的研究,改變了以往單純研究城市氣象災(zāi)害或城市洪澇災(zāi)害,為城市洪澇災(zāi)害的系統(tǒng)及應(yīng)用研究作了非常重要的探索和嘗試.本系統(tǒng)主要包括兩大部分:(1)暴雨瀝澇仿真模型.該模型是在國家自然科學(xué)基金“八五”重大項目“城市與工程減災(zāi)基礎(chǔ)研究”502子專題的研究成果之上,以原有的城市洪澇仿真模型為基礎(chǔ),在仿真模型中進(jìn)一步探討了城市排水系統(tǒng)的模擬,首次實現(xiàn)了城市暴雨內(nèi)澇的地面積水模擬與城市管道水體模擬之間的結(jié)合,較好地模擬了天津市由于地面不均勻沉降造成的地勢低洼,排水管道能力不足等復(fù)雜因素形成的暴雨瀝澇的形成過程,它所提供的市區(qū)積水分布范圍、積水深度、積水時間等計算結(jié)果,為各級領(lǐng)導(dǎo)減災(zāi)決策、市民防災(zāi)等提供了很好的依據(jù)和參考;(2)圖形信息管理模型.該部分包括圖形信息的前后處理模型,其中前處理部分包括處理降雨資料信息和模型數(shù)據(jù)信息:它將天津市氣象局提供的降雨空間分布數(shù)據(jù)離散為仿真模型需要的降雨邊界條件,并可按用戶的要求任意選取計算的降雨時間和降雨類型(預(yù)報值、監(jiān)測值或其組合),后者為仿真模型提供計算數(shù)據(jù)的編輯、修改等功能;后處理部分能夠為用戶提供暴雨瀝澇計算結(jié)果的不同形式的查詢,使系統(tǒng)成為完整的、開放式的應(yīng)用軟件,大大提高了仿真模型的實用性.1模擬模型1.1模擬模型的邏輯結(jié)構(gòu)和信息過程天津市暴雨瀝澇仿真模型總體結(jié)構(gòu)與信息流程見圖2.1.2降雨信息控制理論指導(dǎo)仿真模型的運(yùn)行主要由初始條件、邊界條件及控制參數(shù)3個數(shù)據(jù)文件控制.此外,本模型還將降雨信息作為特殊邊界條件.當(dāng)選取不同的降雨信息后,模型便采取不同的運(yùn)行方式,參見圖3.(1)模型的建立過程選取不同的數(shù)值預(yù)報降雨過程,名字為PR*.DAT,*號分別用年月日時命名.該過程的空間定義方式是:將天津市區(qū)劃分為5km×5km的網(wǎng)格,每個網(wǎng)格的格點(diǎn)有一個預(yù)報過程,選取一個降雨預(yù)報數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)自動將格點(diǎn)處的降雨過程插值到仿真模型的網(wǎng)格形心處,作為模型的降雨邊界條件,模型即可計算未來降雨情況下市區(qū)的瀝澇分布狀況;(2)仿真模型的生成通過雨量監(jiān)測儀器得到的逐時降雨數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)入系統(tǒng),名字為AR*.DAT,*號以年月日命名,用戶可以任意選取其中的一段(包含若干個逐時的文件),由于雨量站的空間位置已知,系統(tǒng)亦可經(jīng)過處理生成仿真模型計算需要的數(shù)據(jù),進(jìn)行降雨瀝澇的實時監(jiān)測計算;(3)降雨預(yù)報和監(jiān)測當(dāng)在降雨過程中進(jìn)行模擬計算時,可以選取一段已知的監(jiān)測數(shù)據(jù),再選取一段數(shù)值預(yù)報數(shù)據(jù),兩者疊加后的計算結(jié)果可以提供未來降雨條件下市區(qū)瀝澇的分布狀況,其中監(jiān)測數(shù)據(jù)對預(yù)報值的替換減小了預(yù)報數(shù)據(jù)誤差對計算結(jié)果的影響,使降雨預(yù)報和監(jiān)測的服務(wù)作用同時得到發(fā)揮.1.3通過模擬模型中管道管道系統(tǒng)的模型方法的改進(jìn)1.3.1管輸流量計算為解決同一管段內(nèi)有壓流與明渠流的交替計算問題,模型借鑒了Preissmann提出的“明窄縫”(openslot)的概念:假設(shè)在每一網(wǎng)格內(nèi)的管道頂端有一個連續(xù)的、狹長的窄縫,存在一個自由水面,管道內(nèi)的水頭用窄縫內(nèi)的水頭表示,計算流量時采用窄縫內(nèi)的水頭,則有壓流可以轉(zhuǎn)換為明渠流計算.由于窄縫的寬度假設(shè)為非常小,因此窄縫的存在將不影響連續(xù)方程的計算.具體計算步驟見參考文獻(xiàn),其中管內(nèi)流量Qd的計算修正為:1g??Qd?t=?Ad?Hd?ld?n2dQd|Qd|AdR4/3(1)1g??Qd?t=-Ad?Ηd?ld-nd2Qd|Qd|AdR4/3(1)式中:Qd為管道中的流量,可以為有壓流或明渠流;Hd為管道內(nèi)平均水深,當(dāng)流態(tài)是明流時,為管道內(nèi)實際水深,當(dāng)流態(tài)是有壓流時,為窄縫內(nèi)壓強(qiáng)水頭;ld為管道的長度;nd為管道糙率;Ad為過水面積,R為水力半徑.1.3.2含管道的網(wǎng)格布置模型中地下排水管網(wǎng)需要針對具體劃分的網(wǎng)格進(jìn)行合理概化.由于管道間的流量計算以網(wǎng)格中是否存在管道為判斷條件,因此需要在網(wǎng)格中定義管道間的關(guān)系.模型在管道數(shù)據(jù)中將含有管道的網(wǎng)格之間用網(wǎng)格號相互關(guān)聯(lián),即每個含管道的網(wǎng)格都有一個數(shù)組用以輸入與其相連的網(wǎng)格號(該網(wǎng)格含有管道).管道有以下幾種布置形式:①“I”型:有兩個含管道的網(wǎng)格與此網(wǎng)格相連;②“T”型:有三個含管道的網(wǎng)格與此網(wǎng)格相連;③“+”型:有四個含管道的網(wǎng)格與此網(wǎng)格相連.參見圖4.此外,為保證仿真模型的通用性,使新增數(shù)據(jù)不影響原數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和使用,模型還專門開發(fā)了處理這一數(shù)據(jù)集的程序,它可以在網(wǎng)格基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之外進(jìn)行輸入、修改,完成輸入和修改后點(diǎn)擊這一選項,即可完成管網(wǎng)數(shù)據(jù)對原網(wǎng)格數(shù)據(jù)的更新,進(jìn)行新方案的計算.1.3.3設(shè)置水泵的計算流量模型中尺度較小的排水渠可以概化成特殊通道,其兩岸排水設(shè)施也同樣可以設(shè)計排水泵站或閘門(參見圖5),將網(wǎng)格與通道間的計算流量中加入泵站或閘門的排水量,每個通道所屬的節(jié)點(diǎn)單元分別疊加排水量的二分之一,使其成為通道內(nèi)部的循環(huán)水體.泵站的計算排水量以網(wǎng)格或管道內(nèi)水量為控制條件,排水能力大于水量時,計算流量將自動調(diào)節(jié);閘門的計算流量值同樣按自流口門的設(shè)計流量和網(wǎng)格及管道內(nèi)水量為條件進(jìn)行調(diào)節(jié).1.3.4網(wǎng)格參數(shù)設(shè)定由于城市排水管道信息只提供部分主要排水管道的分布及管徑,將其概化為網(wǎng)格參數(shù)需要根據(jù)網(wǎng)格的面積、高程以及建筑物分布狀況等不同情況進(jìn)行設(shè)定.根據(jù)城市排水管道設(shè)計規(guī)范,模型中取天津市排水管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為(2800~3800)m3/km2,并計算出相應(yīng)網(wǎng)格的管道長度.1.3.5“雨水地面產(chǎn)品河道中水”的數(shù)值模擬模型中管道的模擬使泵站可以與排水管網(wǎng)的計算有機(jī)地結(jié)合起來:地面積水向管道內(nèi)泄水,管道沿各自系統(tǒng)匯合至出口處,出口處由泵站向河道抽水或閘門向河道泄水,形成“雨水→地面積水→管道中水→河道中水”的過程模擬.這樣不僅可以使積水排泄的模擬更為合理,而且可以較好地反映出地勢低洼處管網(wǎng)的排水效果.計算過程參見圖6.2模擬模型的驗證和應(yīng)用2.11大3.2高程系為驗證模型的基本屬性數(shù)據(jù)和汛期各泵站、閘門、管道系統(tǒng)及其調(diào)度運(yùn)行規(guī)則數(shù)據(jù)化后的合理性,根據(jù)天津市氣象科學(xué)研究所提供的資料,選取1995年8月16~17日的暴雨過程作為驗證的計算邊界條件,如圖7所示.本方案的計算初始條件為:一級河道水位1.0m(選用大沽高程系);管道內(nèi)基本騰空;所有排水泵站、閘門均開啟.計算過程中一級河道由上下游水位控制,河道內(nèi)最高水位控制在2.0m;二級河道內(nèi)最高水位控制在1.5m.驗證結(jié)果見表1.由表1可以看出,52個測點(diǎn)中,40處水深的絕對誤差在0.10m以下,占所選點(diǎn)數(shù)的77%.10處水深的絕對誤差在0.10~0.20m之間,占19%.即水深的計算誤差值在0.20m以下的占96%.除上述驗證的結(jié)果外,模型還將積水的范圍與天津市排水管理處提供的積水片分布圖進(jìn)行了比較.通過對比表明,分布圖中34處主要的積水片在模擬結(jié)果中都包括,一些小面積積水區(qū)域,如長江道附近、小馬路一帶、平山道一帶、民安街附近等處,不包含在34處積水片中,但有實測積水資料,在計算結(jié)果得到了反映.因此模型對市區(qū)積水范圍的模擬結(jié)果是較為準(zhǔn)確的.2.2仿真結(jié)果的誤差(1)模型可以較為合理地模擬天津市的暴雨瀝澇過程,可以用來進(jìn)行暴雨瀝澇的監(jiān)測及預(yù)報模擬;(2)天津市目前的暴雨瀝澇十分嚴(yán)重.通過模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)發(fā)生強(qiáng)度為1995年8月16~17日的降雨時,市區(qū)將出現(xiàn)大面積的積水,積水深度在0.20m以上的積水片多達(dá)40多處;(3)誤差原因分析:①由于城市短期暴雨往往在空間分布上存在較大變化,而天津市市區(qū)現(xiàn)有雨量站10個,主要分布在中環(huán)線以內(nèi),內(nèi)差法求得的雨量空間場弱化了降雨的“點(diǎn)”特征,不能完全反映降雨的空間分布特征,形成計算結(jié)果的誤差;②模型網(wǎng)格大小帶來的誤差:網(wǎng)格的設(shè)計主要考慮市區(qū)街道、建筑物和地形分布,但考慮到模擬計算穩(wěn)定性和計算時間的要求,網(wǎng)格尺度不能過小.本模型中網(wǎng)格一般大于或接近于200m×300m,因此如果積水片面積較小,則該處網(wǎng)格高程就會坦化該處地勢,使計算水深值不能反映出低洼點(diǎn)的實際積水深度,造成計算值比實測值偏小,驗證結(jié)果中計算值比實測值偏小的點(diǎn)占總數(shù)的83%.減小該誤差最好的方法是將實際地形圖輸入系統(tǒng),用計算水位值反映積水情況,水位與不同高程的差(即水深值,每個網(wǎng)格可以有多個)就可以將積水的空間變化更好地反映出來;③城市排水管網(wǎng)是由支、干管網(wǎng)組成的非常復(fù)雜的樹枝狀系統(tǒng),管道的分布間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于網(wǎng)格的尺度.由于仿真模型中每個網(wǎng)格都包含幾條支管或幾條支管與干管,管道參數(shù)就成為概化值,從而影響計算的精度.如果在網(wǎng)格的設(shè)計時兼顧考慮管道的分布,使之能反映管道的特征,可以減小該項誤差;④目前氣象部門雨量的監(jiān)測儀器的精度直接影響監(jiān)測值的準(zhǔn)確性,從而影響仿真模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性.此外,一些人為因素也會造成誤差,如降雨過程中實際水深值和積水時間的測量精度等.減小此類誤差也是提高仿真模型模擬精度的重要環(huán)節(jié).3特征信息的管理仿真模型前處理系統(tǒng)主要包括網(wǎng)格生成、圖形顯示與編輯及雨量信息轉(zhuǎn)換三部分,見圖8.劃分網(wǎng)格后,系統(tǒng)利用數(shù)字化儀,將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)輸入到計算機(jī),由系統(tǒng)自動進(jìn)行網(wǎng)格編號,生成網(wǎng)格及與其相關(guān)的通道和節(jié)點(diǎn),再將特殊網(wǎng)格和通道的屬性信息添加到數(shù)據(jù)文件中,形成完整的模型計算所需要的網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件.網(wǎng)格檢查模塊是利用一些基本原則對網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件的正確性進(jìn)行檢查并給出錯誤信息,方便修改.網(wǎng)格信息的正確與否,關(guān)系到模型運(yùn)行的可靠性.而且這些信息要根據(jù)地形地物的變化經(jīng)常變動,因此及時更新信息十分重要.但直接打開數(shù)據(jù)文件進(jìn)行修改,麻煩而且容易出錯.因此,系統(tǒng)采用VisualBasic5.0編程語言,利用VisualBasic5.0控件和WindowsAPI函數(shù),實現(xiàn)了以圖形的方式管理這些信息的功能,包括:網(wǎng)格圖和通道圖顯示;網(wǎng)格和通道屬性信息顯示(圖9);網(wǎng)格和通道屬性信息修改(圖10);網(wǎng)格形狀修改;修改數(shù)據(jù)保存;圖形放大、縮小和漫游.另外,本系統(tǒng)降雨信息主要有三種來源:數(shù)值預(yù)報雨量信息、雨量站實時雨量信息和數(shù)值預(yù)報雨量+實時雨量(混合模式).這三種雨量進(jìn)入系統(tǒng)時都有各自固定的格式,數(shù)值預(yù)報雨量信息給出的是5km×5km格點(diǎn)上的點(diǎn)雨量,實時雨量信息給出的是自動雨量站的點(diǎn)雨量,而仿真模型中所要求的是每一網(wǎng)格上的面雨量,因此,考慮采用Shepard的局部逼近方案,將雨量站的點(diǎn)雨量插值到數(shù)值預(yù)報模型的格點(diǎn)上,再由格點(diǎn)插值到每一網(wǎng)格的形心處,并以網(wǎng)格形心處的雨量值代表整個網(wǎng)格的面雨量.對這三種不同方式的雨量資料,設(shè)計了不同的轉(zhuǎn)換方法.對數(shù)值預(yù)報模型采用直接選取雨量文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換,對實時雨量資料模式和混合模式采用對話框進(jìn)行人機(jī)對話,見圖11,用戶只需輸入開始降雨和降雨結(jié)束的年、月、日、時,模型可自動按照約定的規(guī)則尋找相應(yīng)的雨量文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換,增強(qiáng)了模型的靈活性.4計算的信息特征為用戶方便地查詢仿真模型的計算結(jié)果,如不同網(wǎng)格在不同時刻的水深、流速等,系統(tǒng)開發(fā)了后處理軟件,主要功能包括(見圖12):(1)計算結(jié)果顯示.用一系列透明的不同深淺的顏色來表示網(wǎng)格水深的大小、水位的高低等信息,以城市的地圖作為背景,并將兩者相疊加,來表示計算結(jié)果.對一次暴雨過程,可以動態(tài)地連續(xù)顯示,也可以顯示各個網(wǎng)格在整個暴雨過程中的最大值;(2)計算結(jié)果查詢.系統(tǒng)可以對任意網(wǎng)格和用戶關(guān)心的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行查詢,查詢內(nèi)容包括最大值和過程.任意網(wǎng)格的計算結(jié)果用線圖來表示,重點(diǎn)區(qū)域的計算結(jié)果則是以該處的標(biāo)志性建筑物或街道的照片作為背景,加上有刻度的標(biāo)尺,用透明的顏色疊加到照片上來表示;(3)圖形管理.主要對背景地圖和計算結(jié)果圖形進(jìn)行管理,實現(xiàn)了圖形的放大、縮小、