城市雨洪的水動力耦合模型研究.pdf

1、隨著全球氣溫的變化，我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，自然集水區(qū)的減少，近年來城市暴雨洪水的災(zāi)害日趨嚴(yán)重。城市高強(qiáng)度的降雨形成的降雨洪水不同于潰壩和河道排放能力不足引起的水災(zāi)害，其主要是由于排水管道系統(tǒng)不能及時排走城市地表雨水，造成部分地區(qū)淹沒，嚴(yán)重的形成內(nèi)洪，導(dǎo)致城市交通、供水、供電、供氣、通訊等生命線工程癱瘓，給人民的生命財產(chǎn)帶來損失。研究城市雨洪的非恒定過程可以為排水管道的設(shè)計和改造，防災(zāi)減災(zāi)的決策，城市雨洪的預(yù)報及水資源利用

2、等提供依據(jù)，具有重要的研究意義和實際應(yīng)用價值。本文在前人理論研究和科學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，回顧了城市雨洪的研究現(xiàn)狀和分析了其形成的原因以及城市化對城市雨洪的綜合影響，闡述了本文的選題意義和主要工作內(nèi)容。 1.建立了一維模型。該模型采用一維圣維南方程和Preissmann窄縫假設(shè)，既可以計算排水管網(wǎng)中的有壓流動，又可以計算無壓自由表面流。模型采用交錯網(wǎng)格和半隱式格式求解，增加了離散模型的通用性和穩(wěn)定性；采用遞推關(guān)系將變量集中于連接汊點，

3、減少了求解變量的數(shù)目，增加了求解計算的效率；對管段內(nèi)流動計算進(jìn)行了重新推導(dǎo)，使得其可以計算同一管段內(nèi)的異向流。通過經(jīng)典Stocker潰壩，有壓無壓過渡流管道，以及排水管網(wǎng)模擬等算例對模型進(jìn)行了驗證，然后將模型成功應(yīng)用到川崎市(kawasaki)地下排水管網(wǎng)的模擬，驗證和模擬的結(jié)果說明模型能夠處理干灘和小水深，具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性、魯棒性和較高的計算效率。 2.建立地面徑流水動力模型。該模型將二維水動力模型和一維河網(wǎng)模型耦合，二維

4、模型應(yīng)用有限體積法和有限差分法相結(jié)合的離散方法，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，因而對復(fù)雜的計算區(qū)域有較好的適應(yīng)性，在城市雨洪模擬時可以根據(jù)各個區(qū)域的不同性質(zhì)、地形等進(jìn)行網(wǎng)格剖分，減小了概化帶來的計算誤差。一維模型和二維模型通過經(jīng)驗公式的方法建立耦合連接關(guān)系，通過對托賽河(Toce)流域城市淹沒試驗，一、二維連接降雨和洪水淹沒等算例對模型進(jìn)行了檢驗和驗證，并應(yīng)用模型模擬了概化的小集水域，研究了阻力、坡度、降雨強(qiáng)度以及對流項等對集流時間的影響。

5、3.建立一、二維耦合的城市雨洪模型。該模型采用經(jīng)驗公式將地面徑流模型和地下排水管網(wǎng)模型連接形成了完整的城市雨洪模型。連接后的模型既可以模擬地面河道和集水域之間的水流交換，也可以模擬地面徑流和地下管流間的相互交換。 4.將城市雨洪模型應(yīng)用到寢屋川水野(hino)集水區(qū)2003年5月8日暴雨的模擬計算。模型既模擬了寢屋川水野排水管網(wǎng)的非恒定過程，又模擬了地面徑流和地面的淹沒水深，以及徑流和管流的交換。模擬的結(jié)果表明，模型較好的模擬了