城市暴雨积水及街道洪水模拟模型研究

作     者：薛文宇 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苑希民

授予年度：2016年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：山洪 内涝积水 洪水数值模拟 产汇流计算 管网汇流 耦合 银川城区 

摘      要：在我国城市化的进程中,伴随着人口和财富的集中,城市洪水灾害的损失逐渐加大,在洪水灾害损失中占有非常大的比例,在防洪排涝标准偏低的情况下,我国城市发生洪涝灾害的频率也在逐年增加。山前平原型城市的洪水来源主要分为山洪灾害与城区降雨两部分,在发生高强度的降雨条件下,无论是山洪对城区的淹没还是内涝积水,都将对城市造成非常大的灾害损失。因此通过构建城市雨洪模型对城市暴雨积水情况下的淹没范围与水深开展模拟计算,可以为防汛抗旱部门提供技术支撑。论文在已有研究的基础上,分别对水文学模型和水力学模型两类城市雨洪模型的研究进展进行了归纳整理,在此基础上阐述了论文主要的研究内容。首先,对洪水开展数值模拟的理论与方法进行介绍。对于山洪灾害造成的城区淹没,采用基于圣维南方程组的一维水动力学模型对河道进行数值模拟,采用基于Navier-Stokes方程的二维水动力学模型对城区进行数值模拟。利用非结构网格与特殊边界的耦联的方式还原计算区域内的道路、灌渠等阻水建筑,利用自然邻点插值计算的方式还原计算区域内退水沟渠等建筑。其次,阐述了城市地表的产流计算、汇流计算及管道排水计算的理论与方法。采用综合径流系数法计算地表产流量,优选非线性水库法作为地表汇流的计算方法。对于管道汇流计算,采用非线性运动波方程求解计算。将地面径流模型与地下管流模型进行耦合连接,可实现地上与地下的流量交换,模拟水流从地上至地下或由地下反涌的现象。第三,将模型应用于银川城区,分别对强降雨情况下山洪对城区造成的淹没以及城区地面积水两种情况进行了模拟计算。在山洪淹没的计算方案中,对洪水在城区内的演进过程进行了模拟,统计了淹没面积与最终积水量等风险要素;在降雨内涝的计算方案中,得到最终的地面积水情况,并统计了最大积水深度和积水面积等风险要素。最后,对洪水在街道中的演进开展模拟计算,并对洪水演进的特点进行了详细的分析,分别对洪水在街道以及路口的流态进行分析,提取水位和流速的过程进行详细分析研究,对洪水在街道遭遇对其水位与流速的影响进行分析,对街道宽度、流速等因素对洪水平面形状造成的影响进行分析。最后,总结全文的研究内容,并展望进一步研究需关注的内容。