城市雨洪數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，遼寧 大連 116024)

我國洪水災患的特點是范圍廣、頻率和突發性高，且損失巨大。2010年，住房和城鄉建設部在我國范圍內的300多座城市進行了排澇調研，數據顯示，在2008—2010年之間，發生過洪澇災害的城市為62%，其中發生過3次以上的內澇災害的城市接近40%，大約15%的城市最大積水時間超過12小時。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生洪災，生命財產損失遠超越非城市地區，城市防洪問題已經受到廣泛關注。城市洪澇問題對經濟發展的制約作用越來越突出。

1 阻水建筑物的處理方法

城市地形與自然流域相比，最大的區別是城市中遍布著阻水建筑物，會對洪水在地表的演進造成不容忽略的影響。一般對城市內建筑物的處理方法有三種：

(1)固壁邊界法：假設建筑物所占據的為固壁邊界，即發生洪水時不漫頂且不透水，可以在計算區域之內扣除建筑物所占的區域。

(2)真實地形法：修改建筑物所在位置的高程為建筑物的高程，即將真實的地形賦予計算區域。

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

2 建模分析

本文采用HydroInfo水利信息系統軟件和MIKE 21 FM模型分別進行建模分析。

2.1 物理模型試驗

ENEL-CESI在Toce河物理模型試驗的基礎上，做了一系列模擬城市地區洪水傳播的試驗。模擬城鎮的位置在原Toce河上游入口處，長約5m。為了將河谷地形的影響與僅由市區引起的影響區分開來，在河道內與河槽主流平行的方向加上了兩個砌筑墻壁。河槽的其它特征不變。建筑物是邊長為15cm的混凝土塊，試驗將混凝土塊排列成對齊式和交錯式來模擬城區的幾何形態。本文對交錯的城市布局試驗進行模擬分析，交錯的城市布局試驗的測點分布位置如圖1所示，三維地形分布如圖2所示。

圖1 測點分布圖

圖2 研究區域地形圖

2.2 模型建立

2.2.1 網格劃分

水利信息系統軟件中采用非結構三角形網格對計算域進行離散。為了增加模擬結果的精度，在城區周圍進行局部網格加密。采用不同的方法概化建筑物時，劃分的網格也有所不同。當采用固壁邊界法時，需要對建筑物做特殊處理，將建筑物排除在計算域外，因此，不能對計算域統一劃分網格。當采用真實地形法與增大糙率值法模擬時，可以對計算域統一劃分網格。

MIKE 21 FM模型。城區網格最大面積為0.001m2，其它區域網格最大面積為0.003m2。計算網格如圖3、4所示。

圖3 固壁邊界法的網格圖

圖4 加大糙率值法和真實地形法的網格圖

2.2.2 干濕邊界

由于城市的下墊面復雜，地表并不平坦，存在干濕界面，如果對干濕邊界處理不當，就會使計算難以進行或者計算的結果不正確。通過多次調試分析，在MIKE中對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。軟件中采用系統默認值。

2.2.3 其他參數設置

上游邊界條件是流量過程，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 入流過程

圖6 測點5水深過程

圖7 測點6水深過程

圖8 測點10水深過程

2.3 計算結果分析

從圖6—8不同測點水深的計算值和實測值中可以看出，軟件和MIKE21 FM模型采用三種方法計算的結果基本一致，并且均與測量結果相差不大。圖6、圖7中，測點5和6計算結果表明，固壁邊界法和真實地形法計算的水深過程線與加大糙率法相比，前兩種方法和實測數據的吻合程度更好。圖8中，測點10位于最后排建筑的外側，增加糙率值法的計算結果優于其他兩種方法。這是由于城市建筑林立，阻礙水流運動的作用較強，流場十分復雜，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，比前兩種方法的精度低，所以在城市內部通過增加糙率值法得到的水深值與實測數據的擬合程度較其他兩種方法稍差。在水流流過最后排建筑后，下游不存在阻礙水流的建筑，洪水反射波的影響可以忽略，此時增加糙率值法的計算結果優于其他兩種方法。

3 結論

本文分別基于水利信息系統軟件和MIKE 21 FM模型采用了三種方法來模擬建筑物對城市洪水的阻礙作用，并且通過物理模型試驗對三種模擬方法進行驗證。結果表明，三種方法計算的結果基本一致，并且均與測量結果相差不大，驗證了利用以上三種方法處理城市內建筑物的阻水作用是合理的。真實地形法和加大糙率法能夠對計算域統一劃分網格，在劃分網格時較為方便。