CN110287595A - 一种城市不同下垫面减灾效应分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市不同下垫面减灾效应分析方法，步骤1、采用二维水动力数值模型模拟不同重现期的暴雨情境下的积水演变过程，分析城市现状条件下内涝风险分布情况，构建暴雨内涝计算模型；步骤2、根据城市土地利用现状，选取至少包括透水铺装、水平绿地及下凹式绿地布设、植草沟布设、屋顶绿化的几种下垫面排涝措施，分析其弹性抗涝效应；步骤3、分析不同下垫面措施的组合抗涝效应；步骤4、对于不同下垫面的排涝方案进行成本效益比较分析。本发明在高精度地形基础上考虑不同类型下垫面，建立精细化模型，对暴雨内涝进行可靠地仿真模拟。

Description

一种城市不同下垫面减灾效应分析方法

技术领域

本发明涉及与城市应急防灾分析技术领域，特别涉及一种城市多类型组合下垫面抗涝减灾能力分析的方法。

背景技术

国内外关于城市下垫面变化对内涝风险影响研究除了主要有最佳管理实践(BMP)、低影响开发(LID)、可持续城市排水系统(SUDS)、水敏感区域城市设计(WSUD)、低影响城市设计与开发(LIUDD)等一系列理论和措施体系之外，还包括面变化对内涝风险影响研究包括，现状与实施下垫面雨洪控制措施后排水系统负载差异的比较分析；对研究区域拟定采取单一下垫面处理措施，对各措施进行不同重现期设计暴雨情景下的抗涝效应的分析确定；对研究区域拟定了采用单一和组合下垫面处理措施的方案，进行抗涝效应的比较分析。

目前，有关城市下垫面处理措施对内涝风险的影响研究仍然存在一些不足：选取的研究区域尺度相对较小，多是市区内某一居民小区、商务区，而对整个城区经下垫面措施处理后所引起的降雨径流特性变化的分析研究并不多见；内涝风险分析计算模型多采用水文模型，最终计算得到的指标一般是径流系数、洪峰流量等区域综合性指标，往往不能获得城区内具体的暴雨积水和内涝风险空间分布状况，下垫面措施的抗涝效应分析也会受到限制。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种城市不同下垫面减灾效应分析方法，针对城市下垫面处理内涝风险研究问题，采用不同的下垫面措施及其组合措施分别分析其抗涝效应，为城市多类型组合下垫面减灾效应分析方法提供一种新的思路和分析方法。

本发明的一种城市不同下垫面减灾效应分析方法，其流程包括以下步骤：

步骤1、采用二维水动力数值模型模拟不同重现期的暴雨情境下的积水演变过程，分析城市现状条件下内涝风险分布情况；选取基于规则网格的二维水动力数值模型，进行边界条件设定和进行与计算保证模型稳定性相关的模型Courant数计算，模型Courant数计算公式如下：

式中，C_R表示的Courant数，c表示波速，Δt表示时间步长，Δx表示网格间距；

构建与径流系数及糙率分区、排涝分区、雨水排出口及泵站布设、干湿水深条件设定相关的暴雨内涝计算模型，暴雨内涝计算模型具体方程为：

连续方程：

x方向动量方程：

y方向动量方程：

式中，h为总水头，h＝d+ζ，ζ表示水流底高程，d表示水深，p、q分别为x、y方向的流量通量，C为谢才系数，g为重力加速度，ρ_ω为水密度，P_a为大气压强；

利用暴雨内涝计算模型采用正交网格对计算区域进行划分，以隐式交替方向对暴雨内涝计算模型连续方程和动量方程进行离散，各微分项和重要参数都采用中心差分格式，使Taylor级数展开的截断误差达二阶精度；采用有限差分法对离散的控制方程组进行求解；空间差分采用ADI逐行法对连续及动量方程分别进行时空上的积分，每个方向及每个单独的网格线产生的方程矩阵用追赶法求解；根据城市范围及其总面积，试算确定最终网格剖分精度和数量，并进一步基于相应的DEM数据进行地形插值；在地形数据处理及插值过程中，对于建筑物将其高度作折减概化处理；

步骤2、根据城市土地利用现状，选取至少包括透水铺装、水平绿地及下凹式绿地布设、植草沟布设、屋顶绿化的几种下垫面排涝措施，分析其弹性抗涝效应：统计不同排涝方案对应的各级风险区尤其是高风险区的面积变化情况，并与城市现状内涝风险作对比；对排涝方案进行分批布设，运用MIKE Zero分别模拟各批次方案降雨积水演进过程，导入ArcGIS分析，并统计不同方案对应的区域内各级内涝风险区面积变化情况；

步骤3、分析不同下垫面措施的组合抗涝效应：将选取的排涝方案进行两两组合布设，或进行多类型组合布设，对不同类型组合下垫面的排涝方案下的积水时空演进过程进行模拟，绘制对应于不同方案的内涝风险分布图；统计各方案对应的不同等级风险区占地面积情况，分析计算中高风险区相比于现状情况的面积减小比例，并与各个单项措施方案进行比较；

步骤4、对于不同下垫面的排涝方案进行成本效益比较分析：比较相应的建造及维护投入成本，以排涝方案相比于现状条件高风险区和极高风险区内面积的减小值作为衡量方案抗涝效益的指标，综合比较各方案的成本效益情况；其中，分别对投入成本和抗涝效益指标数据进行标准化处理：

对于抗涝效益指标：

对于总投入成本：

式中，x_ij表示不同方案对应指标的原始数据，y_ij表示相应的标准化值，且0≤y_ij≤100，x_max(i)和x_min(i)分别表示各方案对应指标的最大值和最小值，i＝1,2；

标准化值越大，则方案效益越好，成本越低。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

(1)在高精度地形基础上考虑不同类型下垫面，建立精细化模型，对暴雨内涝进行可靠地仿真模拟；

(2)拟定了不同布设方案，基于暴雨内涝数值模型分析比较了不同类型下垫面措施及布设因素对区域抗涝能力的影响，提高了减灾效应；

(3)设定了多类型下垫面组合措施方案，分析研究下垫面措施的组合抗涝效果，并进一步进行成本效益分析，为实际中下垫面措施的设计和选取提供理论参考。

附图说明

图1为城市多类型组合下垫面减灾效应分析方法的流程图；

图2为不同下垫面优化方案中高风险区面积占比图。

具体实施方式

下面结合进一步说明附图和具体实施例对本发明的技术方案。

本发明的城市多类型组合下垫面减灾效应分析方法的技术方案主要通过研究区域暴雨内涝计算模型的建立、不同类型下垫面措施弹性抗涝效应分析、多类型下垫面组合措施抗涝效应分析和多类型下垫面组合措施成本效益分析四个阶段来实现。

以石家庄市多类型组合下垫面减灾效应分析为具体实施例。

(1)研究区域暴雨内涝计算模型的建立：

将研究区域(石家庄城区)土地的下垫面类型具体划分为市政道路、农田、绿地、河渠水系、建筑物和其他建设用地等类型，考虑不同下垫面类型对降雨径流的不同影响，确定不同类型的下垫面相应的径流系数和糙率，建立二维水动力模型。

参考城区排水系统中的区域水管网干、支管分布和相应的排涝调度方案具体细化出各子排水区，分析各子排水区管道现状排水能力，将不同子排水区的综合排水流量等效折合为雨量损失，作为二维水动力模型的输入。实际排涝情况下汇入排水管网的雨水最终将经雨水排出口排入河渠，依据城区排涝调度资料统计研究区域内管网雨水排出口，依据对应其排水能力的出流量估算降雨后雨水经管网流至排出口的大致时间，将其设定为起始工作的时间。进一步考虑河渠水位抬升所导致的顶托作用，根据不同的排涝调度方案对应模型预先试运行的河渠漫溢及退水情况，确定最终工作时段。

计算研究区域各时段雨量的分配情况，将雨量分配数据导入暴雨内涝计算模型，暴雨内涝计算模型建立所涉及的基本原理包括：二维浅水流动的质量和动量守恒控制方程。为保证计算效率和稳定性，采用正交网格对计算区域进行划分，以隐式交替方向对暴雨内涝计算模型连续方程和动量方程进行离散，各微分项和重要参数都采用中心差分格式，使Taylor级数展开的截断误差达二阶精度。采用有限差分法对离散的控制方程组进行求解。空间差分采用ADI逐行法对连续及动量方程分别进行时空上的积分，每个方向及每个单独的网格线产生的方程矩阵用追赶法求解。根据城市范围及其总面积，试算确定最终网格剖分精度和数量，并进一步基于相应的DEM数据进行地形插值。在地形数据处理及插值过程中，对于房屋等建筑物，为避免局部区域地形变化过于剧烈而导致模型计算失稳的情况，将其高度作折减概化处理。

并依次向二维水动力模型输入网格数据、地形数据、边界条件、糙率以及排水能力等参数，模拟设计暴雨情境下的降雨径流时空演变过程。其中，网格数据包括网格精度和基于相应的DEM数据进行的地形插值、边界条件包括底床边界条件(主要关系到底床摩擦应力)、闭边界(水流受到阻挡，法向流速为0)、开边界(可选择开边界为水(潮)位过程，若预先计算已知边界处流速或入流、出流流量过程，还可以选择相应流速或流量过程作为其边界条件)。糙率为根据《室外排水设计规范》、《建筑与小区雨水利用工程技术规范》、《水力学计算手册》，参考有关文献，确定的不同类型下垫面相应的糙率。经二维水动力模型计算，生成排涝调度方案的最大积水深分布图。选取各排涝调度方案模拟过程中最大积水深和有效积水历时两个指标作为内涝风险分析的依据，根据不同积水情况对城区造成的实际影响及有关成果，对应不同水深及历时区间，将内涝风险划定为极高、较高、中等、较低和极低5个等级，且可以将较低风险及其更高风险对应的区域面积总和作为有效积水面积。采用ArcGIS对计算结果进行处理，生成各排涝调度方案对应的最大积水深和积水历时栅格，通过叠加计算，按照内涝风险等级划分标准绘制设计不同重现期设计暴雨的条件下的暴雨方案相应的风险分布图。

模型Courant数是保证模型稳定性相关的重要参数之一，计算公式如下：

式中，C_R表示的Courant数，c表示波速，Δt表示时间步长，Δx表示网格间距；一般情况下，模型Courant数不能超过20。

石家庄市城区共分为11个排水系统，具体细化为55个子排水区，管网雨水排出口共110处，概化为58处，排水泵站共43处。计算步长为2s，并设定每300步(即10min)输出一次结果数据，输出结果具体包括各网格不同时间节点的积水深度、最大积水深、流速等内涝风险要素。设定网格干水深为0.02m，湿水深为0.03m。

(2)不同类型下垫面措施弹性抗涝效应分析：

根据石家庄城区土地现状，结合海绵城市和低影响开发理念重点选取几种下垫面措施：透水铺装、水平绿地及下凹式绿地布设、植草沟布设和屋顶绿化等，分析其弹性抗涝效应。统一设定100年一遇12h设计暴雨为雨量输入条件。对于同一类型下垫面措施，采取针对不同材料实现分批铺装，以达到优化抗涝效应的目的。透水铺装对应透水混凝土、透水沥青、普通透水砖、透水草皮砖四种铺设材料，通过透水铺装来改变暴雨内涝计算模型中的铺设范围内下垫面的产汇流参数(包括径流系数、糙率等，根据所参考的相关文献确定其数值)；对于水平绿地采取不同的批次布设；对于下凹式绿地布设选取不同的下凹深度；对于植草沟布设选取不同的植草沟深度、不同批次布设；对于屋顶绿化采取不同批次布设。统计不同方案对应的各级风险区尤其是高风险区的面积变化情况，并与研究区域现状内涝风险作对比，如图2所示为不同下垫面优化方案中高风险区面积占比图。

根据不同下垫面措施对应的布设方案，分析比较各布设方案完成后设计暴雨出现的内涝中高风险区面积大小，并将上述方案统计结果与现状情况作对比，分析不同布设方案的抗涝能力强弱，得出结论：下凹式绿地布设方案的抗涝效果较好；透水草皮砖、水平绿地布设方案对应的高风险区面积有明显减小；而绿化屋顶和深植草沟布设方案对应的高风险区面积减小比例较少。随着下垫面措施布设范围的不断扩大，不同措施对应方案的抗涝能力都呈上升趋势，但其变化规律有所区别。此外，透水铺装材料的孔隙率、下凹式绿地下凹深度对抗涝效应的影响较为明显，而植草沟填洼深度对抗涝效应的影响则相对较弱。

(3)多类型下垫面组合措施抗涝效应分析：

分析不同类型下垫面的抗涝措施的组合抗涝效应，将选取的布设方案进行两两组合布设，或进行多类型组合布设，多类型下垫面抗涝措施组合方案列表如表1所示。

表1

对不同下垫面组合措施所在区域内的地形以及径流系数、糙率等产汇流特性参数做出相应的调整，同样以100年一遇12h暴雨作为暴雨内涝计算模型统一的输入条件，对不同类型下垫面的组合布设方案下的积水时空演进过程进行模拟，采用ArcGIS软件处理计算结果(即不同下垫面组合措施方案对应的内涝风险分布图)后生成对应于不同排涝调度方案的内涝风险分布图。统计各排涝调度方案对应的不同等级风险区占地面积情况，分析计算中高风险区相比于现状情况的面积减小比例，并与各个单项措施方案进行比较，包括相较于现状减小面积、组合效果与单项叠加效果差(下垫面措施组合方案的抗涝效果与各个单项措施方案效果简单叠加相比的效果差值)等指标。综合比较各种组合方案与各种单一方案对于减灾的效应，如表2所示为下垫面措施单项及组合方案抗涝效果统计表。

表2

(4)多类型下垫面组合抗涝措施成本效益分析：

对于不同下垫面措施方案进行成本效益比较分析，比较其相应的建造及维护投入成本。结合方案布设实际情况和有关经验成果，统计不同类型下垫面措施的建造及维护成本，计算不同方案的总投入成本；以方案相比于现状条件高风险区(包括较高风险区和极高风险区)面积的减小值作为衡量方案抗涝效益的指标，综合比较各方案的成本效益情况，如表3所示，为不同下垫面措施方案成本效益比较情况。

表3

结合各方案减灾效应情况和成本效益情况进行综合对比分析，选取一种或几种更适应于研究区减灾具体条件的投入使用，得出结论：下垫面措施组合布设方案的抗涝效果明显高于单项措施方案，区域遭遇大暴雨后出现的高风险区面积显著减小，且透水铺装、水平绿地布设、植草沟布设、屋顶绿化措施组合方案往往可以获得“1+1>2”的抗涝效果。此外，水平绿地、下凹式绿地措施单项或组合布设时抗涝效果都较好，且其单项措施对应方案投入成本为所有方案中最低，在实际方案选择中可以重点考虑。

Claims (1)

1.一种城市不同下垫面减灾效应分析方法，其特征在于，该方法包括以下流程：

步骤1、采用二维水动力数值模型模拟不同重现期的暴雨情境下的积水演变过程，分析城市现状条件下内涝风险分布情况；选取基于规则网格的二维水动力数值模型，进行边界条件设定和进行与计算保证模型稳定性相关的模型Courant数计算，模型Courant数计算公式如下：

式中，C_R表示的Courant数，c表示波速，Δt表示时间步长，Δx表示网格间距，；

构建与径流系数及糙率分区、排涝分区、雨水排出口及泵站布设、干湿水深条件设定相关的暴雨内涝计算模型，暴雨内涝计算模型具体方程为：

连续方程：

x方向动量方程：

y方向动量方程：

式中，h为总水头，h＝d+ζ，ζ表示水流底高程，d表示水深，p、q分别为x、y方向的流量通量，C为谢才系数，g为重力加速度，ρ_ω为水密度，P_a为大气压强；

利用暴雨内涝计算模型采用正交网格对计算区域进行划分，以隐式交替方向对暴雨内涝计算模型连续方程和动量方程进行离散，各微分项和重要参数都采用中心差分格式，使Taylor级数展开的截断误差达二阶精度；采用有限差分法对离散的控制方程组进行求解；空间差分采用ADI逐行法对连续及动量方程分别进行时空上的积分，每个方向及每个单独的网格线产生的方程矩阵用追赶法求解；根据城市范围及其总面积，试算确定最终网格剖分精度和数量，并进一步基于相应的DEM数据进行地形插值；在地形数据处理及插值过程中，对于建筑物将其高度作折减概化处理；

步骤2、根据城市土地利用现状，选取至少包括透水铺装、水平绿地及下凹式绿地布设、植草沟布设、屋顶绿化的几种下垫面排涝措施，分析其弹性抗涝效应：统计不同排涝方案对应的各级风险区尤其是高风险区的面积变化情况，并与城市现状内涝风险作对比；对排涝方案进行分批布设，运用MIKE Zero分别模拟各批次方案降雨积水演进过程，导入ArcGIS分析，并统计不同方案对应的区域内各级内涝风险区面积变化情况；

步骤3、分析不同下垫面措施的组合抗涝效应：将选取的排涝方案进行两两组合布设，或进行多类型组合布设，对不同类型组合下垫面的排涝方案下的积水时空演进过程进行模拟，绘制对应于不同方案的内涝风险分布图；统计各方案对应的不同等级风险区占地面积情况，分析计算中高风险区相比于现状情况的面积减小比例，并与各个单项措施方案进行比较；

步骤4、对于不同下垫面的排涝方案进行成本效益比较分析：比较相应的建造及维护投入成本，以排涝方案相比于现状条件高风险区和极高风险区内面积的减小值作为衡量方案抗涝效益的指标，综合比较各方案的成本效益情况；其中，分别对投入成本和抗涝效益指标数据进行标准化处理：

对于抗涝效益指标：

对于总投入成本：

式中，x_ij表示不同方案对应指标的原始数据，y_ij表示相应的标准化值，且0≤y_ij≤100，x_max(i)和x_min(i)分别表示各方案对应指标的最大值和最小值，i＝1,2；

标准化值越大，则方案效益越好，成本越低。