平原感潮河网区域城市洪涝分析模型研究

水利水电技术第４８卷２０１７年第５期　平原感潮河网区域城市洪涝分析模型研究　张念强　，　，李　娜　，王　静　，陈　升４，邱绍伟４，徐卫红　，　（１．中国水利水电科学研究院，北京１０００３８；２．河海大学，江苏南京２１００９８；　２０００５０）　３．水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京　１０００３８；４．上海市防汛信息中心，上海摘要：为开展平原感潮河网区域城市的洪涝分析，综合考虑了该类型区域河流密度大、具有城市的　特殊下垫面以及市政排水对洪涝的影响等特点。以城市主干河流、堤防等交汇包围的区域为单元提出　了河网排涝单元模型，以排水分区为单元按照其排水能力建立了排水概化模型，并与模拟主干河道和　道路、模拟地面的洪水演进模型耦合，建立了平原感潮河网区域城市洪涝分析模型。以上海市浦西防　洪保护区为例，开展了上游河道洪水、风暴潮及区域降雨和防洪工程调度综合影响下的洪涝分析。结　果表明，黄浦公园等站潮（水）位过程与实测基本一致，苏州河、淀浦河、西大盈港等河流发生漫溢，　与实际情况基本相符。研究成果对平原河网地区城市洪涝模拟具有参考价值。　关键词：平原河网；城市洪水；洪涝分析；２０１３年“菲特”台风；海绵城市建设；城市雨洪管理；城　市防洪排涝体系；城市水文学　ｄｏｉ：１０．１３９２８／ｊ．ｅｎｋｉ．ｗｒｂｅａ．２０１７．０５．００４　中图分类号：ＴＵ９９８．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－０８６０（２０１７）０５－００２ｏ一０７　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｕｒｂａｎ　ｆｌｏｏｄ　ｉｎｕｎｄａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｐｌａｉｎ　ｔｉｄａｌ　ｒｉｖｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｇｉｏｎ　ＺＨＡＮＧ　Ｎｉａｎｑｉａｎｇ　，　，ＬＩ　Ｎａ　，ＷＡＮＧ　Ｊｉｎｇ　，ＣＨＥＮ　Ｓｈｅｎｇ　，ＱＩＵ　Ｓｈａｏｗｅｉ　，ＸＵ　Ｗｅｉｈｏｎｇ　＇　（１．Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｏｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｋｉｎｇ　２１００９８，　Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；３．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｎ　Ｆｌｏｏｄ　ａｎｄ　Ｄｒｏｕｇｈｔ　Ｄｉｓａｓｔｅｒ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＭＷＲ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３８，Ｃｈｉｎａ；　４．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｆｌｏｏｄ　Ｒｉｓｋ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００５０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｕｒｂａｎ　ｆｌｏｏｄ　ｉｎｕｎｄａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｐｌａｉｎ　ｔｉｄａｌ　ｒｉｖｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｇｉｏｎ，ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｇｉｏｎ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｌａｒｇｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｒｉｖｅｒｓ，ｓｐｅｃｉｌ　ｕｎｄｅｒａｌｙｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ，ｉｍｐａｃｔ　ｆｒｏｍ　ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｏｎ　ｆｌｏｏｄ　ｉｎｕｎｄａｔｉｏｎ，ａｒｅ　ｃｏｎ—　ｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ｆｒｏｍ　ｗｈｉｃｈ，ａｎ　ｕｎｉｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｉｖｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂｙ　ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｇｉｏｎ　ｃｏｎｆｌｕｅｎｔｌｙ　ｓｕｒ—　ｒｏｕｎｄｅｄ　ｂｙ　ｍａｉｎ　ｕｒｂａｎ　ｒｉｖｅｒ，ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ，ｅｔｃ．ａｓ　ａ　ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｕｂ—ｒｅｇｉｏｎｓ　ｏｆ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｕｎｉｔｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅｉｒ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｃａｐａｃｉｔｉｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｌｏｏｄ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｍａｉｎ　ｉｒｖｅｒ　ｃｈａｎｎｅｌ，ｒｏａｄ　ａｎｄ　ｌａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｕｒｂａｎ　ｆｌｏｏｄ　ｉｎｕｎｄａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｐｌａｉｎ　ｔｉｄａｌ　ｒｉｖｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｇｉｏｎ　ｉｓ　ｅｓ—　ｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｂｙ　ｔａｋｉｎｇ　Ｐｕｘｉ　Ｆｌｏｏｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ　Ａｒｅａ　ｏｆ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　ａｓ　ａ　ｃａｓｅ，ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｌｏｏｄ　ｉｎｕｎｄａｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｅｏｍ—　ｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｉｍｐａｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｏｏｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｕｐｓｔｒｅａｍ　ｒｉｖｅｒ　ｃｈａｎｎｅｌ，ｓｔｏｒｍ　ｔｉｄｅ，ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｒａｉｎｆａｌｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｏｏｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｓ　ｃａｒｉｒｅｄ　ｏｕｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｈｅ　ｈｙｄｒｔｏｇｒａｐｈｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｉｄａｌ（ｗａｔｅｒ）ｌｅｖｅｌｓ　ａｔ　Ｈｕａｎｇｐｕ　Ｐａｒｋ　Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃｌａ　Ｓｔａｔｉｏｎ，　ｅｔｃ．ａｒｅ　ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｏｓｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｄａｔａ，ｗｈｉｌｅ　ｏｖｅｒｆｌｏｗｓ　ｏｃｃｕｒ　ａｔ　Ｓｕｚｈｏｕｈｅ，Ｄｉａｎｐｕｈｒ，Ｘｉｄａｙｉｎｇ　Ｇａｎｇ　ｒｉｖｅｒｓ，　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｇｅｎｅｒａｌｌｙ　ｃｏｉｎｃｉｄｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｏｓｅ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｒｅｓｕｌｔ　ｈａｓ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｖａｌｕｅ　ｆｏｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｕｒ—　ｂａｎ　ｆｌｏｏｄ　ｉｎｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｌａｉｎ　ｒｉｖｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｇｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｌａｉｎ　ｒｉｖｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ｕｒｂａｎ　ｆｌｏｏｄ；ｆｌｏｏｄ　ｉｎｕｎｄａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｓｅｖｅｒｅ　Ｔｒｏｐｉｃａｌ　Ｓｔｏｒｍ　Ｆｉｔｏｗ　ｉｎ　２０１３；ｓｐｏｎｇｅ　ｃｉｔｙ　ｃｏｎ—　ｓｔｒｕｅｔｉｏｎ；ｕｒｂａｎ　ｓｔｏｒｍ—ｗａｔｅｒ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｕｒｂａｎ　ｆｌｏｏｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ｕｒｂａｎ　ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ　收稿日期　２０１６—１１—２３　基金项目　水利部公益性行业科研专项经费项目（１２６１４３０１　１００３７）；中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项项目（ＪＺ０１４５Ｃ０５２０１６）；中　国水利水电科学研究院基本科研业务费专项项目（ＪＺ０１４５Ｂ０４２０１７）　作者简介　张念强（１９８Ｏ一），男，高级工程师，博士研究生，主要从事防洪减灾方面研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎ￣ｑ＠ｉｗｈｒ．ｔｏｍ　ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｎｎｇ　Ｖｏ１．４８Ｎｏ．５　张念强，等∥平原感潮河网区域城市洪涝分析模型研究　０引言　式获取高精度和高分辨率的结果。中国水利水电科学　研究院的多位学者提出了利用二维水动力学方程模拟　地面洪水演进，并建立特殊通道模拟河道和城市中的　我国沿海平原河网区域多为经济发达区，人员和　财产分布较为集中，洪涝灾害造成的损失相比其他区　域将更为严重。建立洪涝分析模型，对本地及过境洪　水等引起的河网洪水和地面洪涝情况进行模拟、分　析，是开展区域防洪减灾工作的一项重要技术手段。　道路行洪，基于堰流公式实现了一、二维耦合，该种　方式原理简单、计算稳定，并在多个城市和防洪保护　区中得到应用Ｈ卜　。选用一、二维耦合的方式开展　区域的洪水演进模拟能够针对河道和地面洪水分别建　但平原河网区域河流密度大，大小河流交叉纵横，呈　网状分布，建模较为复杂。由于平原河流之间的水位　差较小，河流的汇流关系不明显，天然条件下不利于　模，在模拟方式和建模的适用性上均有较大改善，但　考虑到模型的复杂度及计算效率等，现有研究对于河　网地区的大部分小河流未能模拟，由于河网区域的洪　洪水排泄，洪水流动多通过泵、闸等工程的联合调度　实现，洪涝模拟必须要考虑防洪工程的调度影响。而　对于感潮区域，沿海河道常受海洋天然潮汐或风暴潮　的影响，呈现出类潮汐特性，上游及本区域洪水受高　潮位顶托，较难排泄，防洪工程调度还需考虑潮水位　的高低变化。　针对平原感潮河网区域的洪涝模拟与其他区域不　同，当前已有相关研究。如建立河道的一维模型、河　道交汇点的控制方程，联立求解＿ｌ　Ｉ２　Ｊ，或针对较窄河　道建立一维模型，对较宽河道建立二维模型，并耦合　分析　Ｊ，这两种方式对于河道洪水模拟具有较大优　势，能够对河网中较小的河流进行模拟，但因未建立　地面模型，不能模拟河道洪水漫溢或溃决后的地面洪　水演进过程。也有研究针对地面洪水建立纯二维洪水　模型，如程晓陶等　采用差分和有限体积相结合的　方法开展了分蓄洪区的洪水演进数值模拟；马建明　等　Ｊ针对沂河防洪保护区建立了大容量高分辨率计　算网格的二维洪水演进模型，分析了沂河左堤溃决情　况下的洪水演进；唐兵等　采用Ｇｏｄｕｎｏｖ格式离散，　利用近似Ｒｉｅｍａｎｎ解求解界面通量，采用二阶精度的　ＨＬＬＣ算法求解二维洪水演进方程，开展了大名泛区　的洪水演进数值模拟。但选用纯二维的方式受网格尺　寸限制，较小河流将不能模拟，或者采用小网格时将　面临网格数量巨大，时间步长变小，计算效率低等问　题。为此又有研究建立一、二维耦合的数学模型，如　ＭＯＲＡＬＥＳ—ＨＥＲＮＡＮＤＥＺ等　基于守恒迎风单元一　中心格式的有限体积法，建立了一、二维水动力学模　型，并提出了基于数值通量的耦合方法，开展了浅水　水流模拟；陈文龙等　建立了侧向联解的一、二维　耦合水动力学模型，通过构造和求解Ｒｉｅｍａｎｎ问题实　现了模型的耦合，开展了防洪保护区溃堤及漫堤洪水　模拟。ＬＩＵ等　。。提出了复杂地形和不规则边界条件　下的一、二维耦合水动力学模型，并基于ＨＬＬＣ算法　计算数值通量，采用ＭＵＳＣＬ—Ｈａｎｃｏｃｋ预测一校正方　水利水电技术第４８卷２０１７年第５期　水流动主要通过工程调度实现，对较小河流概化时由　于未能模拟这些河流上的工程，与实际相比防洪排涝　能力减小，往往不能反映真实下垫面与工况。为此，　本文提出了河网排涝单元的概念，分类考虑了较小河　流上水闸、泵站等工程的综合影响，并与二维仿真模　型耦合，开展暴潮影响下平原河网区域的城市洪涝模　拟研究。　１　模型原理　１．１洪水演进模型　采用二维浅水方程，模拟洪水在地表和河道洪水　中的演进。对于宽度较大河流，剖分为二维网格；对　于宽度较小河流，建立特殊河道通道；对于道路，建　立特殊道路通道　－１４］。计算方程如下　３Ｈａ　＋　ａ　＋　ａ　＝ｑ　（１）、　　２／ｇ　￣　＋／）２ａｔ　＋　ａ＋　＋　＋ｇ—／＝ｘ　ａ　ａｘ　ｕ　Ｈ　：　一０（２）、。　　３ｔ＋　ａ％　ａ＋篙　＋ｖ　ｇ日　＋８　ｕｇ　Ｈｎ—２ｖ　￣　　ｕ　：２一　＋１）２＝０（、‘３）　式中，日为水深（ｍ）；Ｚ为水位（ｉｎ）；Ｍ、Ｎ分别为　、Ｙ方向的单宽流量（Ｉｎ　／ｓ）；ｕ、　分别为流速在　、　Ｙ方向的分量（ｍ／ｓ）；ｎ为糙率系数；ｇ为重力加速　度（ｍ／ｓ　）；ｔ为时间（Ｓ）；ｑ为源汇项（ｍ／ｓ），模型中　代表有效降雨强度和排水强度。　１．２河网排涝单元模拟　１．２。１　河网排涝单元的定义　河网排涝单元为河流、工程（主要为堤防、圩　堤）等边界围成的封闭区域，如图１所示，在建立数　学模型时，将其概化为由边界河流、单元内部河流、　网格和泵、闸等防洪工程组成的单元体。河网排涝单　元内部的洪水相对独立，主要有两部分组成，一为单　元内部河流的洪水，二为因降雨产流或从河网排涝单　元边界河道漫溢、溃决后在地面上的洪水，用如下公　２１　张念强，等∥平原感潮河网区域城市洪涝分析模型研究　式描述　元边界河流上的泵、闸，根据调度规程，泵按照排水　Ｑ　＝Ｑ，＋Ｑ　）鲁　（４）　程，由于承载工程的河流被概化，无法建立泵、闸与　河道的对应关系，需要以建立的河网排涝单元为单位　模拟工程调度。　在平原感潮河网区域，泵、闸一般在同一位置设　能力，闸按照堰流公式计算即可；对于单元内部的工　式中，Ｑ　为河网排涝单元内部的洪水（ｍ　／ｓ）；Ｑ　为　河网排涝单元内部河流的洪水（ｍ。／ｓ）；Ｑ。为河网排　涝单元地面上的洪水（ｍ　／ｓ）；Ａ　（ｚ　）为排涝单元内　部的总有效存储面积（ｍ　）；Ｚ　为排涝单元的存储水　位（ｍ）；ｔ为时间（ｓ）。　置，实现单元内部河流与单元边界河流的洪水交换，　在高潮位时，利用泵站排泄洪水，排水量由泵站的排　水能力确定；在低潮位时，开启闸门排泄洪水，排水　量由过闸能力确定。基于这个特点，开展河网排涝单　一闸门・泵站　图１　河网排涝单元示意　河网排涝单元边界河流为单元体的洪水外排通　道，单元内部河流一般级别较小，为单元边界河流　的支流，是单元内部洪水的排泄通道。平原感潮河　网区域的河流之间坡降较小，单元内部河流之间水　位基本无变化，并且受潮水位影响，洪水排泄时多　通过工程调度完成。高潮位时，为防止洪水倒灌，　边界河流水闸关闭，依靠泵站抽排；低潮位时，边　界河流水闸开启，依靠自排排泄。在模型中，针对　边界河流建立一维河网模型，模拟洪水演进与洪水　在河道中的存蓄；针对单元内部河流进行概化，通　过在与较小河流空间重叠的网格上设置虚拟洪水存　蓄面积和水深，只模拟河流的洪水存蓄功能，定义　为“虚拟蓄水容积”，其中虚拟洪水存蓄面积和水深　两个参数由河流在网格上的分布和河流的断面确　定。式（４）可表示为　Ｑ　＝∑Ａ　（ｚ）鲁＋∑Ａ　（ｚ）　（５）　式中，ｉ为河网排涝单元包含的网格；Ａ，　为ｉ网格的　虚拟蓄水面积；Ａ　为ｉ网格的面积（ｍ　）；Ｚ　为　网格　的虚拟蓄水深；Ｚ。　为ｉ网格的淹没水深（ｍ）。　１．２．２洪涝排泄模拟　河网排涝单元的洪涝排泄模拟主要是计算单元内　部洪水与单元边界河流洪水的交换。对于河网排涝单　元模型洪涝水模拟时，对泵站和闸门分类计算，分别　设定其排水功能。泵的总排水能力和闸的总排水能力　按照下式计算。　∑ｑ　＝∑ｋｑ　（６）　式中，ｇ。为泵站的实际排水能力；ｑｐｍａｘ为泵站最大排　水能力（ｍ　／ｓ）；ｋ为泵站排涝系数，由泵的控制规程　等确定。　∑％＝∑ｍｏ＇Ａ　Ｊ一２ｇｈ　（７）　式中，ｇ　为闸门的实际排水能力（ｍ　／ｓ）；ｍ为流量　系数；ｏｒ为淹没系数；ｈ为边界河流与虚拟蓄水容　积的水位差（ｍ）。由于平原区的河流水位相差不　大，并且单个河网排涝单元的面积一般较小，在计　算ｈ时，假定排涝单元内部河流的水位相同，虚拟　蓄水容积的水位取为单元内各网格虚拟蓄水容积的　平均水位。　１．３市政排水模拟　平原感潮河网区域的洪涝主要由河道洪水不能及　时排出引起。对城市区域模拟时，还需要考虑市政排　水系统的影响。市政排水一般按照分区设计，各区按　照排水能力布置排水泵站、排水管道、出入水口等设　施。当前针对市政排水的模拟有等效容积法　、等　效排水管网　等概化方式，以及建立真实管网的水　动力学模型，如ＳＷＭＭ模型等。本次建立的河网区　域模型以河网的洪水演进和洪涝水蓄排为重点，建模　尺度比针对城市中心区域的暴雨积水模拟模型大，市　政排水采用等效容积法，按照排水分区的排水能力考　虑市政排水，计算公式如下　ｑ。也：ｑ砌×Ａ。　／Ａ砌　（８）　式中，ｇｃｄ＿指ｉ网格的排水能力（ｍ／ｓ）；ｑｄｄ为ｉ网格所　在排水分区的排水能力（ｍ／ｓ）；Ａ砌为ｉ网格所在排水　分区的面积（ｍ　）。　１．４数值离散与求解　对连续方程和动量方程的离散参考已有的研究成　水利水电技术第４８卷２０１７年第５期　张念强，等∥平原感潮河网区域城市洪涝分析模型研究　果　，　，　］，利用非结构不规则网格对研究区域离散，　在网格形心计算水深，在网格周边通道上计算流量。　针对任一网格，式（１）显式离散为　２ＤＴｑ＝　＋　Ｑ　Ｌ。＋　朋（９）　￣式中，Ａ　为网格的面积；ｉ＝ｌ为当前Ｔ　计算时刻；ＤＴ为　ｍｒ式中，ｇ　胛为特殊通道的雨强（ｍ／ｓ）；ｇ　为市政　排水分区排人特殊通道结点ｋ的排水能力（ｍ／ｓ）；　ｇ　胛为河网排涝单元的泵排人特殊通道结点ｋ的排　水能力（Ⅱ　ｓ）；ｇ　为河网排涝单元的闸排人特殊通　道结点ｋ的排水能力（ｍ／ｓ）。　对于河网虚拟蓄水容积，只计算其蓄水变化情　时间步长的一半；Ｊ为组成网格的通道（边）的编号；　Ｑ　为ｉ网格　通道（边）的单宽流量；ｒｔ为ｉ网格中的　通道总数；Ｌｉ　为ｉ网格　通道的长度；ｑ　为源汇项　况。若网格虚拟蓄水容积未达到最高蓄水位，在二维　洪水演进计算时假定网格中的水优先排人虚拟蓄水容　积。网格虚拟蓄水容积水位和排入虚拟蓄水容积的排　（ｍ／ｓ）。　源汇项ｑ　的计算公式为　ｇ　加　＝ｇ　胛一ｑ　ｇ　＝ｇ　一　ｄ　一　一ｑ　加　（一Ｉ（Ｉ）　式中，ｇ　为ｉ网格的雨强；ｑｒｉ为排入ｉ网格虚拟蓄水　容积的能力（ｍ／ｓ）。　针对动量方程（２）和（３）式离散时，按照对城市　陆面、河道、线状工程与地物等不同模拟需求分为一　般型通道和阻水型通道。　一般型通道指河道内的通道和普通的陆面通道，　离散形式为　７Ｔ　７Ｔ　加　＝　一２ＤＴｇＨｒ　一２ＤＴｇ　：：：　：　…、　（　）丁７　式中，　、　分别为第　通道两侧网格的水位；　为第　通道的平均水深；砚，为空间步长。　阻水型通道指阻水型道路、铁路、堤防等，采用　宽顶堰公式计算，文中不再单独列出公式。特殊型通　道分为河道型通道和道路型通道，需要计算洪水沿特　殊通道方向的流动，以及特殊通道与两侧网格的交　换，将连续方程离散为　胛＝磁＋　（　ｊ　，ｅ　ｋｊ　∑　Ｑ　Ｌｋｉ／２）＋２ＤＴｑｒｄ￣　（１２）　式中，　孙　分别为特殊通道计算单元的平均水　深和面积；∑　Ｑ　＋Ｄｒｂｋｉ为与特殊结点ｋ相连的　条　特殊通道上沿通道方向的流量之和；∑　Ｑ　＋ｏｒＬ　／２　为与特殊通道结点ｋ相连的ｎ条特殊通道与其两侧　网格之间的流量之和；ｇ　为特殊通道计算单元的　源汇项；６　为特殊通道　的宽度；　为特殊通道　的　长度。　对于特殊河道型通道计算单元的源汇项，包括降　雨、市政排水和河网排涝单元泵闸排人的洪涝水，计　算公式为　ｇ　＝ｇｇ吮　＋ｇ甜　　＋ｇ　＋ｑｐｒ￣　＋ｑ＋　ｇ　（一Ｌ　１２５）　水利水电技术第４８卷２０１７年第５期　水能力计算公式分别为　ｚ：　胛＝Ｚ　＋ｍｉｎ（（Ｚ　一Ｚｒ　）／２ＤＴ，　（ｇ唬＋Ｈｒ／２ＤＴ—ｇ　胛一霸胛））２ＤＴ　（１４）　ｑ　＝（ｚ　。　一ｚ　）／２Ｄ　（１５）　式中，ｚ　为ｉ网格虚拟蓄水容积的水位；Ｚ　为ｉ网　格虚拟蓄水容积的最大水位；ｇ　为河网排涝单元的　闸对　网格的排水能力（ｍ／ｓ）；ｑｐ　．为河网排涝单元的　泵对ｉ网格的排水能力（ｍ／ｓ）。　河网排涝单元作为整体单元引入，与其他单元通　过边界河道堤防隔离，相对独立，各单元的工程只排　除本单元的水，因此，式（６）和（７）用下式表示　∑ｑｐ＝ｍｉｎ（∑Ａ。（ｚ，　一一　Ｚｒ．１ｒｌｉｎ）／２ＤＴ，∑ｋｊｑｐ￣）　（１６）　∑ｑ　＝∑ｍ　Ａ　（１７）　式中，ｒｔ　为河网排涝单元的网格数；ｍ　为河网排涝　单元中泵站的个数；ｒｒｔ：为河网排涝单元中闸门的个　数；Ｚ　为河网涝单元所有网格虚拟蓄水容积的平均　水位；Ｚ　为河网排涝单元各闸排入的特殊河道结点　水位。　河网排涝单元内网格的洪涝水排泄仅通过本单元　的工程实现，排泄能力按网格的虚拟蓄水容积占排涝　单元所有网格虚拟蓄水容积的比值折算确定，计算公　式为　ｑ　帕　帕：　———————一　∑　（１８）　∑Ａ　（ｚ　—Ｚｑｍｉ￣）　‰：ｇ　ｆ　　—　——————————————一　∑　ｇｇ　（１ｌ　９）　∑Ａ，　（ｚ　一Ｚｒ／ｍｉｎ）　式中，ｚ…　为网格虚拟蓄水容积的最低水位。　河网排涝单元的边界河流在模型中被作为特殊河　张念强，等∥平原感潮河网区域城市洪涝分析模型研究　道通道计算，排入特殊河道通道结点ｋ的洪涝水由排　宽的黄浦江剖为二维网格；挑选区、县管和重要镇　管河流作为特殊河流通道，共为１０　０５３条，将一、　人该结点泵或闸的能力占排涝单元所有泵或闸排水能　力的比值折算确定，计算公式为　二、三级道路按特殊道路通道的形式处理计为２９　６８７　ｇ！　些一×∑ｇ　ｇ　ｐ　：—　—　＿——一×２ｌ—ｇｐ　Ｊ　ｌ　（２０）　ｕ　条。　２．２．２河网排涝单元　∑　，ｇ　，　（２１）ｌ　　将浦西区边界、黄浦江、特殊河流通道，以及浦　‰：　ｇｇ　—　—一×２　×∑ｑｇ　∑ｇ　西区圩堤交汇组成的多边形作为河网排涝单元，总计　３０８个（见图３），对有泵、闸调度工程的２３３个开展　模拟，并在模型中建立河网排涝单元与网格及泵、闸　式中，ｇ　为闸门的最大排水能力。　２应用实例　２．１　研究对象　本文以上海市浦西防洪保护区（以下简称“浦西　区”）为例开展研究。浦西区位于黄浦江左岸，南以　拦路港一泖河一斜塘及黄浦江上游为界，西、北以　苏、沪省市分界线及长江江堤为界，涉及上海市的宝　山、嘉定、杨浦等１３个行政区，总面积２　１３６　ｋｍ　，　如图２所示。　图２浦西区位置　２．２建立模型　２．２．１　网格剖分　以研究范围为外边界，堤防、阻水铁路和道路　等为内边界控制剖分网格，计为１３４　７２３个。将较　等防洪排涝工程的拓扑关系。　图３浦西区河网排涝单元　２．２．３　市政排水　浦西区总计有１５７个排水系统，在模型中均设置　为排水分区，建立排水分区与单元格的拓扑关系，在　建立拓扑关系过程中，不考虑排水分区与河网排涝单　元的重叠关系。输入各排水分区的排水能力，并按照　设计标准估算和率定排水分区的等效库容。　２．２．４雨量和潮（水）位计算条件　选用２０１３年“菲特”台风期间的降雨过程开展模　拟，模拟时段为１０月６日０时一１３日０时。雨量选　取浦西区内及附近９３个雨量站的实测降雨过程，通　过时空插值输入模型。潮（水）位边界通过图２所示　站点输入，在黄浦江及上游支流分别选择河祝站、练　塘站、三角渡站和泖港站为边界，黄浦江下游以吴淞　口站为边界，西北边界直排人海的河道以石洞口站为　边界，西部淀浦河以淀浦河西闸（外）站，吴淞江一　苏州河以赵屯站为边界，西部其他河流通过闸门控　制，无人流。　２．３计算结果　对于平原河网城市区域，由河流漫溢或溃决造成　的洪水淹没和损失常比暴雨积水严重，河网的模拟情　况在区域洪水模拟中较为关键。　水利水电技术第４８卷２０１７年第５期　张念强，等∥平原感潮河网区域城市洪涝分析模型研究　２．３．１　黄浦江　模拟与实际出险情况确定模拟效果。由于潮（水）位　超过堤防设防能力，苏州河一线堤防发生多处渗漏和　漫溢，青浦区油墩港、柘泽塘、西大盈港、淀浦河等　发生漫溢＿ｌ刚；根据模拟结果统计，苏州河沿线、淀　浦河、西大盈港、油墩港、柘泽塘、黄姑塘、上澳塘　等发生漫溢，造成周边地区淹没（见图５），与实际情　况基本一致。　黄浦江承担了浦西区的主要洪水排泄，其洪水模　拟精度能够反映浦西区河网洪水的整体模拟效果。表　１和图４分别为黄浦公园站、米市渡站、夏字圩站的　实测与模拟潮（水）位过程。由表１可知，各站模拟　的最高水位与实测相比误差均小于０．１ｍ，最高水位　出现时间误差均小于３０ｍｉｎ。由图４看出各站模拟与　实测的潮（水）位过程较为一致，但在低潮位时，模　拟值整体偏低，分析其原因主要为仍有部分泵、闸未　考虑，并且只计算了浦西区排人黄浦江左岸的洪涝　３结论　本文综合考虑平原感潮河网区域河流和城市下　水，忽略了右岸的浦东区排水。　垫面的特点，提出河网排涝单元的概念和基于单元　表１　２０１３年“菲特”台风期间代表水位站最高　整体的防洪工程洪涝排泄模拟方式，建立了二维洪　水位实测与计算值对比　水演进与河网排涝单元模拟相结合的洪涝分析模　最高水位／ｍ　出现时间／ｍｉｎ　型，并开展了示例研究。本次建立的模型具有以下　站名　实测　计算　误差　实测　计算　误差　特点：　（１）对河网区域较小河流按照河网排涝单元整体　黄浦公园　５．１２　５．０４　０．Ｏ８　１０／８Ｔ１４：３５　１０／８Ｔ１５：００　２５　米市渡　４．６ｏ　４．５８　０．Ｏ２　１０／８Ｔ１６：００　ｌＯ／８Ｔ１６：１０　１Ｏ　计算，避免考虑所有河道建立一、二维模型造成的模　夏字圩　４．３５　４．３５　Ｏ．ｏｏ　１０／８Ｔ１６：００　１０／８Ｔ１６：０５　５　型繁杂和模拟效率低的问题。　（２）基于泵、闸的位置，以及在河网排水中的功　２．３．２其他河流　能分类，分别模拟了泵、闸等防洪工程的调度影响；　对于河网排涝单元边界河流，本次通过对比河道　对作为特殊通道处理的河流，泵、闸的计算按传统方　宕　量　吕　４　、　芒　＼　翅　苗　塞　２　０００　４　０００　６　０００　８　０００　１０　０００　时间／ｒａｉｎ　时间／ｒａｉｎ　（ａ）典型站点实测雨量和潮（水）位过程　（ｂ）黄浦公园站水位过程　ｇ　ｇ　、　＼　翅　氇　＊　０　２　０００　４　０００　６０００　８　０００　１０　０００　时间／ｍｉｎ　时间／ｍｉｎ　（Ｃ）米市渡站水位过程　（ｄ）夏字圩站水位过程　图４“菲特”台风期间典型站点潮（水）位和降雨过程　水利水电技术第４８卷２０１７年第５期　张念强，等∥平原感潮河网区域城市洪涝分析模型研究　ｆ　５］　程晓陶，杨磊，陈喜军分莆洪区　洪水演进数值模型［Ｊ］口然灾售学　报，１９９６，５（１）：３４－４０．　【６］　码建明，徐旭，张念强，等．沂河　左堤洪水风险图编制ｆ　Ｃ］／／中围水　利学会青年科技工作委员会中国　水利学会第三届青年科技论坛论文　集．郑州：黄河水利：｛；版社，２００７：　３ｌ０—３ｌ６．　［７］　唐兵，雷晓辉，张峰，等大名泛　区洪水演进数值模拟［Ｊ　Ｊ，南水北　ＣＩＡ—ＮＡＶＡＲＲＯ　Ｐ．ＢＵＲＧＵＥＴＥ　Ｊ．ｅｔ　ａ１．Ａ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　式，利用泵排公式和堰流公式计算；对于未作为特殊　通道的较小河流，泵、闸排涝按照河网排涝单元的排　泄方式模拟，解决了冈未针对较小河流建模而导致的　防洪工程不能模拟的问题。　（３）河网排涝单元中泵闸工程的调度考虑了沿海　［９］　ｔｏ　ｃｏｕｐｌｅ　１　Ｄ　ａｎｄ　２Ｄ　ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　ｓｈａｌｌｏｗ　ｗａｔｅｒ　ｆｌｏｗ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ『Ｊ］　Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ＆ｆｌｕｉｄｓ，２０１３，８１（９）：２６—４４．　陈文龙。宋利祥，刑领航，等．一维一二维耦合的防洪保护区　洪水演进数学模型［Ｊ］．水科学进展，２０１４，２５（６）：８４８—８５５　［１０］　Ｉ　ＩＵ　Ｑ，ＱＩＮ　Ｙ，ＺＨＡＮＧ　Ｙ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｃｏｕｐｌｅｄ　１Ｄ一２Ｄ　ｉｌｙｄｒｏｄｙｎａｍ—　ｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｆｌｏｏｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｆｌｏｏｄ　ｄｅｔｅｎｔｉｏｎ　ｂａｓｉｎ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒａｌ　ｈａｚａｒｄｓ，２０１５，７５（２）：１３０３－１３２５．　高、低潮的影响，高潮位时闸门关闭，采用泵抽的方　式排水，低潮位时，闸门开启，实现自流排水，该种　方式与感潮河网区域的Ｔ程调度方式一致。　本文中河网排涝单元主要基于上海市网格状河　网和较小河流底坡的特点提出，目的是减小对河流　模拟的繁杂性，并考虑较小河流和防洪排涝工程对　仇劲卫，李娜，程晓陶，等．天津市城区暴雨沥涝仿真模拟系　统［Ｊ］．水利学报，２０００，３１（１１）：３４－４２．　［１２］　王静，李娜，程晓陶．城市洪涝仿真模型的改进与应用［Ｊ］．　水利学报，２０１０，４１（Ｉ２）：１３９３—１４００．　［１３］　ＣＨＥＮＧ　Ｘｉａｏｔａｏ．Ｕｒｂａｎ　ｆｌ（￣ｄ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｂ　ｒｉｓｋ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏａｓｔａｌ　ａｒｅａｓ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ　Ｗａｔｅｒ＆Ｐｏｗｅｒ　Ｐｒｅｓｓ，　２００９　洪涝排泄的效果，该种计算方式可为其他区域的河　网模拟提供参考，但在应用时需根据河网分布、地　形和防洪排涝工程的特点做适当修改，并需尽量将　［１４］　李智，窦玉颖，王吴，等．基于ＧＩＳ和ＳＷＭＭ的Ｌ【Ｊ地『临海城市　内涝模拟分析——以象山县为例［Ｊ］．水利水电技术，２０１６，４７　（９）：１４３－１４７．　级别较高和连通性较好的河流作为河网排涝单元的　边界河流。　［１５］　马建明，陆吉康，张念强，等．二维水动力学洪水风险分析平　台设计与研发［Ｊ］．中国水利水电科学研究院学报，２００９，７　（１）：２１—２７．　对于平原河网区域，通过各种方式合理简化洪　涝分析模型和建模繁杂度是洪涝模拟的关键。除本　文提出的简化河网和防洪工程的河网排涝单元方式　［１６】　上海市防汛指挥部办公室．上海市防御“菲特”强　风１二作总结　评估报告［Ｒ］．上海：上海市防汛指挥部办公室，２０１３．　外，也可结合区域特点开展其他简化计算。此外，　洪涝分析模型的率定也是河网模拟需重点关注的研　究内容。　（责任编辑王海锋）　参考文献：　徐贵泉，陈庆江，陈长太，等．吴淞江分洪对上海防洪除涝影　响及其对策研究［Ｊ］．城市道桥与防洪，２００７（５）：１９３　１９５．　［２］　［３］　徐祖信，卢士强．平原感潮河网水动力模型研究［Ｊ］．水动力　研究与进展（Ａ辑），２００３，１８（２）：１７６—１８１．　徐祖信，尹海龙．平原感潮河网地区一维、二维水动力耦合模　型研究［ｊ］．水动力研究与进展（Ａ辑），２００４，１９（６）：７４Ｊ４－　７５２．　［４］　王船海，向小华．通用河网二维水流模拟模式研究［Ｊ］．水科　学进展，２００７，１８（４）：５１６—５２２　水利水电技术第４８卷２０１　７年第５期