城市雨洪數(shù)值模擬中建筑物概化方法的研究

董建武，金 生

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

我國(guó)洪水災(zāi)患的特點(diǎn)是范圍廣、頻率和突發(fā)性高，且損失巨大。2010年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在我國(guó)范圍內(nèi)的300多座城市進(jìn)行了排澇調(diào)研，數(shù)據(jù)顯示，在2008—2010年之間，發(fā)生過(guò)洪澇災(zāi)害的城市為62%，其中發(fā)生過(guò)3次以上的內(nèi)澇災(zāi)害的城市接近40%，大約15%的城市最大積水時(shí)間超過(guò)12小時(shí)。河北省2016年7月18—21日的暴雨洪水共造成死亡167人，失蹤108人。城市的特性決定了一旦發(fā)生洪災(zāi)，生命財(cái)產(chǎn)損失遠(yuǎn)超越非城市地區(qū)，城市防洪問題已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。城市洪澇問題對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約作用越來(lái)越突出。

1 阻水建筑物的處理方法

城市地形與自然流域相比，最大的區(qū)別是城市中遍布著阻水建筑物，會(huì)對(duì)洪水在地表的演進(jìn)造成不容忽略的影響。一般對(duì)城市內(nèi)建筑物的處理方法有三種：

(1)固壁邊界法：假設(shè)建筑物所占據(jù)的為固壁邊界，即發(fā)生洪水時(shí)不漫頂且不透水，可以在計(jì)算區(qū)域之內(nèi)扣除建筑物所占的區(qū)域。

(2)真實(shí)地形法：修改建筑物所在位置的高程為建筑物的高程，即將真實(shí)的地形賦予計(jì)算區(qū)域。

(3)加大糙率法：在不修改建筑物所在位置高程的情況下，給定該區(qū)域一個(gè)足夠大的糙率，使水流不能通過(guò)該區(qū)域。文中建筑物所在區(qū)域糙率值n=108。

2 建模分析

本文采用HydroInfo水利信息系統(tǒng)軟件和MIKE 21 FM模型分別進(jìn)行建模分析。

2.1 物理模型試驗(yàn)

ENEL-CESI在Toce河物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，做了一系列模擬城市地區(qū)洪水傳播的試驗(yàn)。模擬城鎮(zhèn)的位置在原Toce河上游入口處，長(zhǎng)約5m。為了將河谷地形的影響與僅由市區(qū)引起的影響區(qū)分開來(lái)，在河道內(nèi)與河槽主流平行的方向加上了兩個(gè)砌筑墻壁。河槽的其它特征不變。建筑物是邊長(zhǎng)為15cm的混凝土塊，試驗(yàn)將混凝土塊排列成對(duì)齊式和交錯(cuò)式來(lái)模擬城區(qū)的幾何形態(tài)。本文對(duì)交錯(cuò)的城市布局試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，交錯(cuò)的城市布局試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)分布位置如圖1所示，三維地形分布如圖2所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)分布圖

圖2 研究區(qū)域地形圖

2.2 模型建立

2.2.1 網(wǎng)格劃分

水利信息系統(tǒng)軟件中采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散。為了增加模擬結(jié)果的精度，在城區(qū)周圍進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。采用不同的方法概化建筑物時(shí)，劃分的網(wǎng)格也有所不同。當(dāng)采用固壁邊界法時(shí)，需要對(duì)建筑物做特殊處理，將建筑物排除在計(jì)算域外，因此，不能對(duì)計(jì)算域統(tǒng)一劃分網(wǎng)格。當(dāng)采用真實(shí)地形法與增大糙率值法模擬時(shí)，可以對(duì)計(jì)算域統(tǒng)一劃分網(wǎng)格。

MIKE 21 FM模型。城區(qū)網(wǎng)格最大面積為0.001m2，其它區(qū)域網(wǎng)格最大面積為0.003m2。計(jì)算網(wǎng)格如圖3、4所示。

圖3 固壁邊界法的網(wǎng)格圖

圖4 加大糙率值法和真實(shí)地形法的網(wǎng)格圖

2.2.2 干濕邊界

由于城市的下墊面復(fù)雜，地表并不平坦，存在干濕界面，如果對(duì)干濕邊界處理不當(dāng)，就會(huì)使計(jì)算難以進(jìn)行或者計(jì)算的結(jié)果不正確。通過(guò)多次調(diào)試分析，在MIKE中對(duì)于干濕界面采用以下值：干水深hd=0.001m，濕水深hw=0.01m，淹沒水深hf=0.005m。軟件中采用系統(tǒng)默認(rèn)值。

2.2.3 其他參數(shù)設(shè)置

上游邊界條件是流量過(guò)程，如圖5所示，下游邊界是自由出流。模型中的糙率是ENEL建議的糙率值n=0.0162。

圖5 入流過(guò)程

圖6 測(cè)點(diǎn)5水深過(guò)程

圖7 測(cè)點(diǎn)6水深過(guò)程

圖8 測(cè)點(diǎn)10水深過(guò)程

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

從圖6—8不同測(cè)點(diǎn)水深的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值中可以看出，軟件和MIKE21 FM模型采用三種方法計(jì)算的結(jié)果基本一致，并且均與測(cè)量結(jié)果相差不大。圖6、圖7中，測(cè)點(diǎn)5和6計(jì)算結(jié)果表明，固壁邊界法和真實(shí)地形法計(jì)算的水深過(guò)程線與加大糙率法相比，前兩種方法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合程度更好。圖8中，測(cè)點(diǎn)10位于最后排建筑的外側(cè)，增加糙率值法的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于其他兩種方法。這是由于城市建筑林立，阻礙水流運(yùn)動(dòng)的作用較強(qiáng)，流場(chǎng)十分復(fù)雜，洪水波反射作用更加明顯，而增大糙率值法在模擬洪水反射波時(shí)，比前兩種方法的精度低，所以在城市內(nèi)部通過(guò)增加糙率值法得到的水深值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合程度較其他兩種方法稍差。在水流流過(guò)最后排建筑后，下游不存在阻礙水流的建筑，洪水反射波的影響可以忽略，此時(shí)增加糙率值法的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于其他兩種方法。

3 結(jié)論

本文分別基于水利信息系統(tǒng)軟件和MIKE 21 FM模型采用了三種方法來(lái)模擬建筑物對(duì)城市洪水的阻礙作用，并且通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)三種模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，三種方法計(jì)算的結(jié)果基本一致，并且均與測(cè)量結(jié)果相差不大，驗(yàn)證了利用以上三種方法處理城市內(nèi)建筑物的阻水作用是合理的。真實(shí)地形法和加大糙率法能夠?qū)τ?jì)算域統(tǒng)一劃分網(wǎng)格，在劃分網(wǎng)格時(shí)較為方便。