耦合低影响开发作用的城市雨洪过程数值模型研究

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全球气候变化及城市化进程加快等因素下造成的洪涝灾害日益频发,所导致的人民生命财产安全问题也越来越突出。为做好城市洪涝灾害预警预报、风险评估及应急管理的工作,同时考虑海绵城市建设大背景下低影响开发作用综合效果,本文开发了一套耦合了低影响开发作用的城市雨洪过程数值模型。本文瞄准已有水文学模型和水动力学模型的不足,系统介绍了一套耦合了低影响开发作用的基于动力波法的水文水动力数值模型,详细考虑了各类水文过程包括渗透、植物截留、蒸腾蒸发和汇流演进等过程;汇流及洪水演进过程通过求解二维浅水方程来计算,主要采用Godunov格式的有限体积法;管道流量采用有限差分法求解扩散波方程进行计算:同时该模型考虑了包括生物滞留设施、透水铺装在内的低影响开发措施,可有效应用于普通城市及海绵城市建设过程中的规划设计阶段、运维管理阶段及效果评估阶段。
  在LID模拟计算时,充分考虑各项措施径流调节的水动力过程,包括LID单体及LID单体单元化的计算及LID作用与雨洪过程耦合计算,较传统水文模型的非线性水库法计算精度更高,计算过程更为合理。对于生物滞留措施的模拟计算,LID单体精细化模拟采用高精度地形数据,措施内微地形包括进出口堰均可在地形体现,同时采用基于水量平衡的内边界处理方法计算过堰水流;LID单体单元化及耦合了LID作用的城市雨洪模型,通过搭建研究区域管网模型,采集各单项措施物理、几何参数并将其在对应的管网节点内进行描述及概化计算;透水铺装的模拟通过增加相应区域的下渗率实现。选取四个算例,两个单体雨水花园、一个雨水花园单元化、一个小区尺度LID雨洪过程对耦合模型的准确性及稳定性进行验证。各算例水量及流量模拟过程与实测数据吻合较好,均方根误差均小于模拟值标准偏差的一半,表明该耦合模型不论在高精度复杂地形还是在实际城市下垫面条件下均具有较好的稳定性和计算精度。同时将耦合模型与SWMM模型进行了比较,计算方法及模拟结果精度均有较高优势。故该耦合模型可可靠应用于海绵城市雨洪过程模拟研究。
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