CN116561957A - 一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，属于城市洪涝防治领域，采用数值模拟的方式判断地下空间是否进水并计算洪涝过程，分析受灾成因和时效，评估地下空间进水对地表洪涝过程的影响；输入不同特征的致灾降雨，依据IDF(Intensity‑Duration‑Frequency)曲线分类判断地下空间致灾降雨标准，提高城市地下内涝预报预警的准确性、贴合度和时效；对模拟区域进行防灾改造，分析不同改造设施下的致灾标准，演算多处理措施下区域洪涝的变化。本发明对地下空间内涝过程及影响进行了数值模拟，丰富了城市雨洪模拟的内容和范围，为城市洪涝预报和防治提供支撑和参考。
Description
技术领域
本发明属于城市洪涝防治领域，具体涉及一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法。
背景技术
在气候变化和城市化快速推进的背景下，极端降雨事件发生的频率和强度明显增大。城市强降雨事件不仅会造成区域的地表内涝，还可能伴随着地下空间的淹没受损。多情景城市内涝问题威胁了人民的生命财产安全，地下空间洪涝灾害的防治变得愈发重要。
数值模拟方法可重复性强，建模方便有效，有助于分析地下空间受灾成因，评估降雨造成的影响，为未来城市建设提供参考。当前的城市雨洪模型主要有InfoWorks ICM、MIKE系列、SWMM、FloodArea以及一些小规模研发模型，SWMM作为一维模型，无法直接计算出地表淹没水深；FloodArea应用性为主，只能近似计算积水深度；MIKE系列模型具备二维模拟能力，但需要多模型组合完成城市的地表水流模拟，稳定性较差；而InfoWorks ICM模型集成性高，能够一体化设计基于水力联系的城市区域建模，计算稳定性强，愈发受到研究者的青睐。当前城市洪涝研究以地表洪水响应变化、与流域水体关系特征为主，针对地下空间的研究集中在人群疏散风险和防灾救灾对策上，很少结合作为受灾来源的地表洪水，没有地表-地下空间一体化模型作为支撑，面临极端降雨时很难及时做出有效的预报预警，结合我国城市现状和发展特点，对可能发生的地下空间内涝进行评估显得十分必要。
发明内容
发明目的：本发明目的在于提供一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，能分析地下空间进水对地表洪涝过程的影响，分类判断地下空间致灾降水标准，应用数字孪生理论分析不同改造设施下的洪涝特征变化，验证能够显著减小地下空间内涝风险的治理措施。本发明进一步提高了城市雨洪模拟的精细程度，为未来城市洪涝预报和防治提供参考。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
1、一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)根据城市雨洪模拟所需数据，获取相关资料，并进行实地勘探研究区域内各地下空间的地理信息；
步骤2)基于步骤1)中资料于数值模型(本发明选取Infoworks ICM模型)中构建一维管网-二维地表耦合模型，输入降雨得出常规城市雨洪模型地表洪水模拟结果；
步骤3)基于步骤1)资料于数值模型中设置地下空间出入口以及防护设施，以概化蓄水池法模拟地下空间，输入降雨计算受灾地下空间进水量和区域地表积水变化情况；然后对受灾体进行水力连通法模拟，计算地下空间洪水淹没过程；
步骤4)基于上述步骤的模拟计算结果，分析受灾成因和时效，评估地下空间进水对地表洪涝过程的影响；
步骤5)输入验证不同特点的致灾降雨，计算降雨强度-历时曲线，与当地标准IDF曲线对比，从雨量和雨强两个角度提出地下空间致灾降雨标准；
步骤6)吸取数字孪生理论在模型中映射可能的防灾设施，汇总径流去向和地下空间受灾情况，推断改造后的致灾降雨标准，验证能够显著减小地下空间内涝风险的治理措施。
进一步地，步骤1)中，获取相关资料，具体为：查找获取市区雨水干管图和片区管网设计图，下载研究区域的卫星影像图、地表覆盖数据、DEM数字高程数据。
进一步地，所述研究区域各地下空间的地理信息，包括研究区域各地下空间所处位置、高程、尺寸，此外还有地下空间与地表进行互通的出入口通道位置、长宽等信息。
进一步地，步骤2)包括如下步骤：
步骤2.1)构建管网模型
根据步骤1)中的郑州市雨水干管图和片区管网设计图，提取整理研究区域管道资料，对其概化并进行管网拓扑关系检查，获得排水系统概化图，最终导入模型。
步骤2.2)设定产汇流参数
结合研究区域内管网分布、地形等因素手动划分子汇水区，根据步骤1)中地表覆盖数据以及下垫面透水特点对土地利用进行分类，设定不同产流表面的参数。
步骤2.3)构建地表模型
在研究区域内设定2D区间，根据步骤1)中卫星影像图确定道路和建筑位置进行高程修正，边界条件设置为自由出流，由步骤1)中的DEM数据(图2)生成2D区间网格。完成地表模型的构建后，输入典型暴雨运行，即可获得常规地表模型的内涝结果。
进一步地，不同数值模型可能对应不同的模型计算原理，基于本发明中数值模型选用InfoworksICM模型，计算过程中涉及的原理如下：
降雨产汇流计算，InfoWorksICM中子汇水区包含多种降雨产汇流模型可供选择，本模型产流计算使用径流系数法和霍顿下渗法，汇流计算使用运动波法。霍顿下渗法计算公式如下：
f＝fc+(f0-fc)e-kt (1)
式中，f为实际下渗率；f0为初始下渗率；fc为稳定下渗率；k为指数项参数。
管网汇流计算，管网汇流模块计算采用完全求解的圣维南方程组，对超负荷情况下的压力管流模拟采用PreissmannSlot方法。圣维南方程组计算公式如下：
式中，Q为流量；A为横截面积；g为重力加速度；Sf为摩阻坡降；S0为底坡降；x为沿径流方向长度；h为水深；t为时间。
洪水演进计算，模型通过堰流公式计算管网超载水量与二维网格的双向交互，随后使用二维水动力学模型模拟洪水演进过程，计算采用有限体积法求解二维浅水方程如下：
式中，h为水深；u，v分别为x和y方向的流速分量；g为重力加速度；S0x和Sfx分别是x向的床面坡降和阻力坡降；S0y和Sfy分别是y向的床面坡降和阻力坡降。
进一步地，步骤3)所述的设置地下空间出入口以及防护设施，具体为：将出入口概化为检查井节点，并设定相应高度的防护设施，通道概化为长方形管道，参数根据步骤2)中各地下空间出入口的地理信息设置。
进一步地，步骤3)中，所述的概化蓄水池法具体为，根据步骤1)中各地下空间的地理信息，于对应处将地下空间设置为蓄水池节点，与出入口通道连接，以堰流公式与水动力结合的方式实现地表积水进入地下空间的入流模拟。
进一步地，步骤3)中，所述的水力连通法具体为，根据步骤1)中地下车库的地理空间信息构建一个等效水动力模型，设置2D区间网格化，与原有地表模型相连接。
进一步地，步骤4)中，所述的分析受灾成因和时效，评估地下空间进水对地表洪涝过程的影响，具体为：根据受灾小区附近水深变化过程模拟结果，结合地下空间出入口附近地形分布，分析得出地下空间受灾成因和时效；将步骤2)中得出不含地下空间的地表洪水淹没过程与步骤3)中包含地下空间的地表淹没过程相对比，即可评估出地下空间进水对地表洪涝过程的影响；
进一步地，步骤5)中，所述输入验证不同特点的致灾降雨，计算降雨强度-历时曲线，与当地标准IDF曲线对比，从雨量和雨强两个角度提出地下空间致灾降雨标准，具体为：对一些发生过的典型暴雨进行同倍比放大作为可能发生的地下空间致灾降水，输入降水资料反复模拟计算直至地下内涝恰好发生，根据降雨不同的历时和雨峰特点，将致灾降雨分类为雨强致灾、雨量致灾和双致灾(同时存在雨强、雨量致灾)三种类型，计算致灾降水强度-历时曲线，与当地标准的IDF曲线绘制在同一坐标系下对比分析，确定各类型降雨对应的重现期或放大系数，判断得出相应的致灾标准。
其中，致灾降雨的分类标准为，雨强致灾：降雨历时在2h以内，雨峰强度远高于其他历时强度，次降雨强度-历时曲线在峰值部分显著高于对应的IDF曲线，随时间增长快速降低至IDF曲线以下；雨量致灾：降雨历时在4～6h，无雨峰或雨峰不明显，次降雨强度-历时曲线前期低于致灾标准IDF曲线，四小时以后高于标准IDF曲线；双致灾：降雨历时在4～6h，总雨量较大且存在强雨峰过程，次降雨强度-历时曲线始终高于双致灾标准IDF曲线。
进一步地，步骤5)中所述降雨强度-历时曲线，绘制方法具体为：以验证得出的致灾降雨作为基础，根据单位时间步长Δt，降雨历时依次Δt、2Δt、3Δt...直至降雨结束，统计各历时内的最大累积降雨量，计算不同历时的平均雨强；雨强为纵坐标，单位是mm/min，降雨历时为横坐标，单位是min，通过点汇即可得到各场次降雨强度-历时曲线。
进一步地，步骤5)中，所述的IDF曲线，降雨基础为当地的暴雨强度公式，绘制方法与上述的降雨强度-历时曲线等同。
进一步地，步骤6)中，所述基于数字孪生理论在模型中映射可能的防灾设施，汇总径流去向和地下空间受灾情况，推断改造后的致灾降雨标准，验证能够显著减小地下空间内涝风险的治理措施，具体为：计算模块是洪涝数字孪生系统的核心和中枢，使用数值模型对区域下垫面进行改造预演能够作为虚拟孪生数据，具有很好的参考价值。依次进行了将防护位置挪高加固；使用透水铺装及下凹绿地海绵改造；彻底的水系规划和蓄滞空间设置等。通过分析不同改造下的模拟结果，统计径流分布、地表最大淹没深度和地下空间受灾情况，验证能够显著减小地下空间内涝风险的治理措施。
本发明利用数值模拟的方法，还原了地表-地下空间内涝过程，并与传统地表模型内涝过程进行了对比；输入验证了不同特点的致灾降雨，结合IDF曲线判断得出了各类降雨的致灾标准；通过统计不同改造设施下的径流分布和地下空间内涝情况，验证了能够显著减小地下空间内涝风险的治理措施，提供了城市洪涝模型中地下空间内涝的模拟评估方法及预报预警服务。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，利用数值模拟的高效性与精确性，从模型角度还原地表-地下空间淹没过程；进一步地对比传统地表模拟和地表-地下空间联合模拟的淹没结果，分析评估地下内涝对地表洪水过程影响；结合当地IDF曲线和不同致灾降雨对照，分类判断地下空间内涝的致灾标准，提高了城市地下空间内涝致灾降水预报预警的精度和效率；最终评估各改造设施下的径流分布和地下空间内涝情况，为城市地表及地下空间双重内涝的防治提供一定思路；本发明为城市地下空间的洪涝模拟提供了方法和验证，丰富了城市洪涝的研究内容，为极端降雨下的城市防灾救灾以及未来城市规划设计提供参考。
附图说明
图1是基于数值模型的城市雨洪地表-地下联合模拟流程图；
图2是研究区域概况图；
图3是研究区域高程图(5m精度)；
图4是受灾小区整体分布图；
图5是气象郑州站“7·20”暴雨过程图
图6是地下车库模拟示意图；
图7是地库北出入口附近道路分布图
图8是地下内涝发生前小区水深变化图
图9是概化蓄水池法地下1层水位和体积变化图；
图10是水力连通法地下1层洪水演进和水深变化图；
图11是地表模型和地表-地下空间模型的最大淹没水深对比图；
图12是各类致灾降雨例图
图13是历时2h内不同场次典型雨强致灾IDF曲线图；
图14是历时6h内不同场次典型雨量致灾IDF曲线图；
图15是历时6h内不同场次典型双致灾IDF曲线图；
图16是各情景下的最大淹没水深图。
具体实施方式
以下结合实例和附图对本发明做进一步说明
如图1～16所示，一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1)根据城市雨洪模拟所需数据，获取相关资料，并进行实地勘探研究区域内各地下空间的地理信息；
步骤2)基于步骤1)中资料于数值模型(本发明选取Infoworks ICM模型)中构建一维管网-二维地表耦合模型，输入降雨得出常规城市雨洪模型地表洪水模拟结果；
步骤3)基于步骤1)资料于数值模型中设置地下空间出入口以及防护设施，以概化蓄水池法模拟地下空间，输入降雨计算受灾地下空间进水量和区域地表积水变化情况；然后对受灾体进行水力连通法模拟，计算地下空间洪水淹没过程；
步骤4)基于上述步骤的模拟计算结果，分析受灾成因和时效，评估地下空间进水对地表洪涝过程的影响；
步骤5)输入验证不同特点的致灾降雨，计算降雨强度-历时曲线，与当地标准IDF曲线对比，从雨量和雨强两个角度提出地下空间致灾降雨标准；
步骤6)吸取数字孪生理论在模型中映射可能的防灾设施，汇总径流去向和地下空间受灾情况，推断改造后的致灾降雨标准，验证能够显著减小地下空间内涝风险的治理措施。
步骤1)研究区域数据资料获取。建立城市雨洪模型需要研究区域内的数据资料，主要包括有片区管网数据、地表覆被数据、道路建筑轮廓、地面高程数据，以及地下空间所处位置、高程、尺寸，此外还有地下空间与地表出入口通道位置、长宽等信息。数据获取手段主要依赖网络查找下载、设计图纸获取以及实地勘探，得出市区雨水干管图、片区管网设计图、研究区域卫星影像图、地表覆盖数据、DEM数字高程数据以及地下空间各项地理信息。
步骤2.1)构建管网模型
根据步骤1)中的郑州市雨水干管图和片区管网设计图，提取整理研究区域管道资料，对其概化并进行管网拓扑关系检查，获得排水系统概化图，最终导入模型。
步骤2.2)设定产汇流参数
结合研究区域内管网分布、地形等因素手动划分子汇水区，根据步骤1)中地表覆盖数据以及下垫面透水特点对土地利用进行分类，参考《室外排水设计标准：GB 50014—2021》设定不同区域产流参数。
步骤2.3)构建地表模型
在研究区域内设定2D区间，根据步骤1)中卫星影像图确定道路和建筑位置进行高程修正，边界条件设置为自由出流，由步骤1)中的DEM数据(图2)生成2D区间网格。完成地表模型的构建后，输入典型暴雨运行，即可获得常规地表模型的内涝结果。
进一步地，不同数值模型可能对应不同的模型计算原理，基于本发明中选用InfoworksICM模型，计算过程中涉及的原理如下：
降雨产汇流计算，InfoWorksICM中子汇水区包含多种降雨产汇流模型可供选择，本模型产流计算使用径流系数法和霍顿下渗法，汇流计算使用运动波法。霍顿下渗法计算公式如下：
f＝fc+(f0-fc)e-kt (1)
式中，f为实际下渗率；f0为初始下渗率；fc为稳定下渗率；k为指数项参数。
管网汇流计算，管网汇流模块计算采用完全求解的圣维南方程组，对超负荷情况下的压力管流模拟采用PreissmannSlot方法。圣维南方程组计算公式如下：
式中，Q为流量；A为横截面积；g为重力加速度；Sf为摩阻坡降；S0为底坡降；x为沿径流方向长度；h为水深；t为时间。
洪水演进计算，模型通过堰流公式计算管网超载水量与二维网格的双向交互，随后使用二维水动力学模型模拟洪水演进过程，计算采用有限体积法求解二维浅水方程如下：
式中，h为水深；u，v分别为x和y方向的流速分量；g为重力加速度；S0x和Sfx分别是x向的床面坡降和阻力坡降；S0y和Sfy分别是y向的床面坡降和阻力坡降。
步骤3.1)地下空间出入口模型构建
现有模型并没有直接的地下空间模块，因此需要以等效概化的方式来达到模拟研究的目的。地下车库的出入口设置为检查井，根据小区物业规定设定防护标准，若水位超过即防护措施失效，出入口开始进水。通道概化为长方形管道，管道长宽以及上下游高程根据实际尺寸高程设置。
步骤3.2)地下空间概化蓄水池法模型构建
对地下空间采用概化蓄水池法模拟，将地下车库概化为节点蓄水池，根据地下车库空间面积和高度来设置相应的蓄水池参数。该方法模拟简便，但仅以节点形式概化，地下空间无水流演进过程。
步骤3.3)地下空间水力连通法模型构建
对受灾地下空间采用水力连通法模拟，根据地下车库的地理空间信息构建一个等效2D网格化区间，与原有地表模型相连接，该方式与地表模型的做法等同，可以构建地下建筑和高程模型，需设置水位最大高度代表顶部。地下空间进水来自地表的洪水，不涉及降雨的产汇流，水流演进仍采用有限体积法求解二维浅水方程计算。
步骤3.4)运行获取地表-地下空间内涝模拟结果
分别对不同方式模拟的地表-地下空间模型输入典型暴雨模拟计算，即可获取地下空间洪水演进过程和进水体积，以及包含地下空间的地表洪水演进过程。
步骤4.1)受灾成因分析
根据步骤3)中受灾小区附近水深变化过程模拟结果，结合实际勘探获取的受灾地下空间出入口附近地形分布、来水分析，即可分析得出地下空间受灾成因、洪水组成和时效。
步骤4.2)评估地下空间进水对地表洪涝过程的影响
将步骤2)中得出不含地下空间的地表洪水淹没过程与步骤3)中包含地下空间的地表淹没过程相对比，即可评估出地下空间进水对地表洪涝过程的影响；
步骤5.1)输入验证不同类型致灾降雨
对当地历史暴雨展开调查，选取一些发生过的典型暴雨进行同倍比放大作为可能发生的地下空间致灾降水，输入降水资料反复调整模拟计算直至地下空间内涝恰好发生，根据得出暴雨不同的历时和雨峰特点，将致灾降雨分类为雨强致灾、雨量致灾和双致灾三种类型，其中，雨强致灾：降雨历时在2h以内，雨峰强度远高于其他历时强度，次降雨强度-历时曲线在峰值部分显著高于对应的IDF曲线，随时间增长快速降低至IDF曲线以下；雨量致灾：降雨历时在4～6h，无雨峰或雨峰不明显，次降雨强度-历时曲线前期低于致灾标准IDF曲线，四小时以后高于标准IDF曲线；双致灾：降雨历时在4～6h，总雨量较大且存在强雨峰过程，次降雨强度-历时曲线始终高于双致灾标准IDF曲线。
步骤5.2)绘制降雨强度-历时曲线
以验证得出的致灾降雨作为基础，根据单位时间步长Δt，降雨历时依次Δt、2Δt、3Δt...直至降雨结束，统计各历时内的最大累积降雨量，计算不同历时的平均雨强；雨强为纵坐标，单位是mm/min，降雨历时为横坐标，单位是min，通过点汇即可得到各场次降雨强度-历时曲线。
步骤5.3)绘制IDF曲线分类判断致灾标准
IDF曲线绘制降雨基础为当地的暴雨强度公式，方法与上述的降雨强度-历时曲线等同，绘制各个重现期的IDF曲线与各类致灾降雨比对，判断各类降雨的致灾标准。
步骤6)防灾改造评估
针对研究区域下垫面进行改造，依次进行将防护位置挪高加固；使用透水铺装及下凹绿地海绵改造；彻底的水系规划和蓄滞空间设置等。通过分析不同改造下的模拟结果，统计地表最大淹没深度和地下空间受灾情况，推断改造后的致灾降雨标准，验证能够显著减小地下空间内涝风险的治理措施。
其中，本发明将区域径流分布总体分为管网河道排水量、地表排水量、地表空间淹没水量、地下空间淹没水量、管网河道滞留水量和自然下渗量，其中管网河道排水量和地表排水量能反映出区域排水压力和对下游影响程度；地表空间淹没水量和地下空间淹没水量能代表区域受灾程度；管网河道滞留水量和自然下渗量不会造成洪涝灾害。
应用实施例
本实例以郑州市某片区2021年“7·20”特大暴雨下的内涝过程为例，构建基于InfoWorks ICM的地表-地下联合模拟的城市雨洪模型，针对目前水文水动力模型地下空间研究应用不足的现状，提出了概化蓄水池和水力连通法两种模拟方式，阐释洪水局地演变过程，分析地下空间内涝的成因、发展和影响，分类判断各类降雨的致灾标准，提出可能的防灾改造方案。以下结合附图对本发明的应用实施例进行详细说明，包括以下内容。
郑州市位于中原腹地，地势西南高、东北低，多年平均降雨量640mm。在“7·20”特大暴雨期间，市属中原区的某小区地下车库进水，为研究地下空间的受灾过程和致灾机理，选取该片区作为研究区域，进行地表-地下联合建模分析，还原地下空间的内涝过程。研究区域总面积5.2km2，其中居民小区c、f、h、k、l内设有大型地下车库(图2)，在此期间该片区内仅f小区地下车库受淹。
受灾小区地下车库出入口共有5个，分别是小区内部1个、东门处2个、南北门处各1个，最终仅南门出入口未进水。受灾地下车库为两层结构，通过现场量测，地下2层底面积1792m2，高3m，容积接近0.5万m3，地下1层底面积67904m2，高3m，容积接近20.4万m3。研究所需高程资料如图3，受灾小区整体分布如图4。选取气象局郑州站7月19日20时至7月21日8时的共计36小时降雨数据进行模拟，累计雨量710.1mm，暴雨过程如图5。
基于市区雨水干管图、片区管网设计图、研究区域卫星影像图、地表覆盖数据和DEM数字高程数据，构建地表模型。已有片区管网设计图和市区雨水干管图，据此构建研究区域的管网模型，并结合管网分布、地形等因素手动划分子汇水区，得出管网排水系统，该系统共包含278个节点、282根管道和72个子汇水区。结合片区下垫面透水特点将土地利用类型分为道路、建筑、裸地、绿地四种，参考《室外排水设计标准：GB 50014—2021》设定不同区域产流参数如下表1。在研究区域内设定2D区间，根据卫星影像图确定道路和建筑位置进行高程修正，边界条件设置为自由出流，由5m精度的DEM数据(图3)生成2D区间网格158590个。
表1各类产流表面参数设定
基于本实例为对地表-地下空间受灾过程的还原，已知受灾地下空间，故直接对受灾地下车库分别以两种方式模拟，将内部结构概化为等体积地下空间，整体模拟效果如图6。
模拟完成后，需要首先保证模型的合理性和可靠性，根据实际调研资料和搜集的洪水滞留痕迹，选取控制点验证“7·20”暴雨模拟结果。选取一种方式的地表结果与实测数据对比(表2)，模拟水深与实测水深基本一致，受灾地下空间进水时刻在15点35分，蓄满时刻17点07分，符合实际记录，说明模型能够较为准确的反映出研究区域内涝积水情况，具有良好的合理性。
表2“7·20”暴雨内涝点最大积水深度统计
模型合理性满足要求后，本实例对发明的应用范围和前景进行了初步研究，内容成果如下。
基于得出的地表-地下空间模型，可应用于分析区域地下内涝成因，具体为：涝水需经出入口通道流入地下空间，出入口防护效果会直接影响地下内涝的发生，研究选取最早失守的北出入口为代表分析受灾成因，经实际调研发现，受灾小区北出入口处于区域相对较低位置，且防护设施未设在地下通道最高点(图7)，实际防护效果有一定降低。依据模型结果统计经该通道进入地下空间的洪水来源，从园区内两侧道路来水约5.8万m3，占比55.2％，园区外北门道路来水约4.7万m3，占比44.8％。
进一步地，查看受灾小区地下内涝前的水深淹没过程(图8)，7月20日早6：00，小区内出现少量积水，东和北道路普遍积水；9：00点，小区内部积水汇集在北出入口附近；12：00，小区内出现较大范围积水，北出入口水深达到1m；15：00，小区内部水深普遍超过0.2m，北出入口水深接近防护标准。从北出入口附近道路分布和小区淹没过程可知，防护设施由于设置不当使得实际防洪高度低于1m，而出入口水深高于1m的时段从20日15:00到21日2：00约11h，期间最高达到1.56m，三股水流汇集所致防洪压力远超现有防护设施，因此在当前条件下面对“7·20”暴雨，受灾小区地下内涝无法避免。
基于得出的地表-地下空间模型，可应用于确定不同模拟方式的适用情景，具体为：模拟方式的选取会对模型模拟难度以及结果精细程度造成影响，故而本实例对地下空间不同方式的模拟结果分析评估，并汇总对比。
以概化蓄水池法模拟受灾地下车库并查看进水时段，车库于20日15：35，15：42地下2层蓄满，17：07地下1层蓄满。提取分析地下车库1层的结果(图9)，车库水位变化为3m，体积变化18.1万m3；水位和体积曲线在16：15斜率显著上升，原因是外部水位上涨、多个通道口灌水导致总体进水加快。综上可知，这种模拟方式直观快速得出受灾地下空间的水位和进水量变化，在广泛区域的地表-地下联合模拟中，能够迅速判别出淹没的地下空间对地表水量的削减和分洪作用。
水力连通法模拟受灾地下车库进水、蓄满时间与概化蓄水池法一致，此外，该方法可计算车库内部洪水的流动过程(图10(a))以及不同位置水深变化(图10(b))，由图10可知，地下1层进水从15点42分由北部起始，经11分钟漫延整个区域；在16点15分东入口进水，总体进水加快，曲线斜率显著提高；不同位置水深的变化趋势等同。基于地下水深和流速分布可对不同位置的人员撤离时间进行分析，以成人在地下1层自北向南的撤离为例，依据国内水利行业标准《城市防洪应急预案编制导则:SL754—2017》中的风险指标，将地下空间划分为5个区域，可计算得出不同位置对应撤离时间(于图10(a)中标注)，其中F2区域可供安全撤离时间最短，路径也较长，F4区域撤离风险最小。
概化蓄水池法模拟简便，能够快速得出地下空间总的进水量和进水深度；水力连通法地下空间部分结果更精细，可计算洪水流动过程以及地下空间各位置的水深变换过程。因此，初始预判或审核受灾风险较小的城市空间，适合选取概化蓄水池法仅计算地下空间总的进水量以及淹没后地表水深的变化；对需精细分析地下内涝过程的较为重要地下空间，适合选取水力连通法查看关键点位的水深和淹没时间信息，计算人员撤离的有效时间。
基于得出的地表-地下空间模型，可应用于分析地下内涝对地表洪水过程的影响，具体为：提取地表-地下联合模型(图11(a))与单独地表模型(图11(b))的地表最大淹没水深和洪量，前者情况下f小区普遍水深为0.2～0.5m，北门道路水深1.8～2.1m，区域地表最大洪量92.8万m3，而后者情况下f小区普遍水深0.5～0.8m，北门道路水深普遍达到2m以上，区域地表最大洪量106.6万m3。进一步查看二者的积水深度之差(图11右、表3)，地库进水使得出入口附近点位水深普遍下降0.1～0.2m，离受灾小区较远的园区和道路水深下降在0.05m以下。
表3各位置水深统计
综上所述，f小区地库进水能够降低附近地表的积水深度；地库内涝对地表最大洪量的削减效果仅12.9％，且进水后续需面临抽水、更换设备等一系列问题，不仅经济损失大，效果也有限。因此，依赖地下空间减灾并不可取，地下内涝应尽可能避免。
从当地历史暴雨中选取不同类型的典型暴雨各6场，各类降雨例如图12，作为典型致灾雨型，同倍比放大获得相应类型的地下空间致灾降雨，与各个重现期标准IDF曲线做比对，选取最适配的重现期，绘制对比如图13～15，结果表明，雨强致灾的标准重现期超出了暴雨强度公式重现期100年以内的适用范畴，为百年一遇的1.23倍，特点为致灾降雨的强度-历时曲线在前期历时阶段高于IDF标准，而最终历时阶段低于IDF标准，证明相对于暴雨强度公式推求的1.23倍百年一遇降水，雨强致灾降雨的极端雨峰较大、累积雨量较小，降雨标准为：最大10min降水量超过45mm，最大1h降水量超过115mm；雨量致灾的标准重现期为100年一遇，特点为致灾降雨的强度-历时曲线在前期历时阶段低于IDF标准，而最终历时阶段高于IDF标准，证明相对于暴雨强度公式推求的百年一遇降水，雨量致灾降雨的极端雨峰较小、累积雨量较大，降雨标准为：6h累积雨量超过138mm；双致灾的标准重现期为50年一遇，特点为致灾降雨的强度-历时曲线在整个历时阶段高于且接近IDF标准曲线，证明双致灾降雨大致符合暴雨强度公式推求的50年一遇降水标准，降雨标准为：最大30min降水量超过63mm，6h累积雨量超过124mm。
极端降水发生后，讨论几百甚至上千年的降雨标准并不能掩盖前所未有强降水过程的发生事实，也不因极端频率的考证对社会生命、财产损失麻木不仁。因此基于上述成因分析和建模，开展对地区的防灾改造设计。
将下垫面设置为4种情景：a：未改造；b：局部整改受灾小区防护设施；c：在b基础上增加海绵改造；d：在c基础上规划滞洪区。依次进行了将防护位置挪高加固；使用透水铺装及下凹绿地海绵改造；彻底的水系规划和蓄滞空间设置等。模拟“7·20”降雨并汇总结果(图16、表4、表5)。
针对径流向水表4，由于水不停的运动，必须确定起止时刻才可以量化径流去向，表中t0指的是降水起始时刻，均为21年7月19日的20：00，t1指的是地表最大淹没时刻，各情景有所区别，情景a为20日的17：21，情景b为20日的17：11，情景c为20日的17：10，情景d为20日的17：25，t2指的是降雨结束时刻21日的8：00。
从整体受灾情况来看，(b较于a)地下空间进水时刻延后33分钟，地表整体淹没面积增加7.1％，各积水区间的淹没面积上升，地下空间淹没水量下降，地表最大淹没水量上升，局部整改防护设施有效缓解了地下空间内涝，但地表内涝程度和区域排水压力显著上升；(c较于b)地下空间进水时刻延后35分钟，整体淹没面积减小11.1％，自然下渗水量显著上升，地表最大淹没水量下降，下降幅度均在15％左右，表明海绵改造能小幅降低区域受灾程度和区域排水压力；(d较于c)地下空间不再内涝，整体淹没面积减少35.4％，地表最大淹没水量减少20.9％，地表排水量下降34.6％，表明规划蓄滞空间能显著降低区域受灾程度和排水压力；(d较于a)在各项改造设施的协同作用下，地下内涝得以规避，园区和道路水深显著降低，地表最大淹没面积和洪量分别减少38.6％和26.3％，区域各部分排水量显著下降，表明规划蓄滞洪区等一系列设施能够有效的避免地下空间内涝，并在一定程度上缓解地表内涝。
进一步地，依据IDF曲线推断不同改造情景下的地下空间致灾标准(表6)，结果表明，在各项优化改造共同作用下，区域雨强致灾标准为百年一遇的2.46倍，雨量致灾标准为百年一遇的2.04倍，双致灾标准为百年一遇的1.82倍，地下空间致灾标准显著提高。
综上所述，单纯某项措施并不能完全治理极端降雨下的多情景洪涝灾害，未来城市地表-地下空间洪涝应考虑多角度多方面的共同治理，既要有针对性的小区域易涝点治理，又有整体性的区域滞水下渗优化，从而提升城市的整体韧性，尽可能减少城市内涝。
表4径流去向汇总
表5模拟结果汇总
表6不同改造情景下的地下空间致灾标准
本实例根据概化蓄水池法和水力连通法两种地下空间模拟方式，还原了郑州市某片区地表-地下空间内涝过程，推断了不同历时下的地下内涝致灾雨量，设计了防灾改造方案，丰富了城市洪涝的研究内容，为极端降雨下的城市防灾救灾以及未来城市规划设计提供参考。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，根据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)根据城市雨洪模拟所需数据，获取相关资料，并进行实地勘探研究区域内各地下空间的地理信息；
步骤2)基于步骤1)中资料于数值模型(本发明选取Infoworks ICM模型)中构建一维管网-二维地表耦合模型，输入降雨得出常规城市雨洪模型地表洪水模拟结果；
步骤3)基于步骤1)资料于数值模型中设置地下空间出入口以及防护设施，以概化蓄水池法模拟地下空间，输入降雨计算受灾地下空间进水量和区域地表积水变化情况；然后对受灾体进行水力连通法模拟，计算地下空间洪水淹没过程；
步骤4)基于上述步骤的模拟计算结果，分析受灾成因和时效，评估地下空间进水对地表洪涝过程的影响；
步骤5)输入验证不同特点的致灾降雨，计算降雨强度-历时曲线，与当地标准IDF曲线对比，从雨量和雨强两个角度提出地下空间致灾降雨标准；
步骤6)吸取数字孪生理论在模型中映射可能的防灾设施，汇总径流去向和地下空间受灾情况，推断改造后的致灾降雨标准，验证能够显著减小地下空间内涝风险的治理措施。
2.根据权利要求1所述一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，其特征在于，步骤1)中，获取相关资料，具体为：查找市区雨水干管图和片区管网设计图，下载研究区域的卫星影像图、地表覆盖数据、DEM数字高程数据。
进一步地，所述研究区域各地下空间的地理信息，包括地下空间所处位置、高程、尺寸，重点是地下空间与地表进行互通的出入口通道位置、长宽等信息。
3.根据权利要求1所述一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，其特征在于，所述的步骤2)包括如下步骤：
步骤2.1)构建管网模型
根据步骤1)中的郑州市雨水干管图和片区管网设计图，提取整理研究区域管道资料，对其概化并进行管网拓扑关系检查，获得排水系统概化图，最终导入模型。
步骤2.2)设定产汇流参数
结合研究区域内管网分布、地形等因素手动划分子汇水区，根据步骤1)中地表覆盖数据以及下垫面透水特点对土地利用进行分类，设定不同产流表面的参数。
步骤2.3)构建地表模型
在研究区域内设定2D区间，根据步骤1)中卫星影像图确定道路和建筑位置进行高程修正，边界条件设置为自由出流，由步骤1)中的DEM数据(图2)生成2D区间网格。完成地表模型的构建后，输入典型暴雨运行，即可获得。
4.根据权利要求1所述一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，其特征在于，所述的步骤2)涉及以下计算原理：
降雨产汇流计算，InfoWorks ICM中子汇水区包含多种降雨产汇流模型可供选择，本模型产流计算使用径流系数法和霍顿下渗法，汇流计算使用运动波法。霍顿下渗法计算公式如下：
f＝fc+(f0-fc)e-kt (1)
式中，f为实际下渗率；f0为初始下渗率；fc为稳定下渗率；k为指数项参数。
管网汇流计算，管网汇流模块计算采用完全求解的圣维南方程组，对超负荷情况下的压力管流模拟采用Preissmann Slot方法。圣维南方程组计算公式如下：
式中，Q为流量；A为横截面积；g为重力加速度；Sf为摩阻坡降；S0为底坡降；x为沿径流方向长度；h为水深；t为时间。
洪水演进计算，模型通过堰流公式计算管网超载水量与二维网格的双向交互，随后使用二维水动力学模型模拟洪水演进过程，计算采用有限体积法求解二维浅水方程如下：
式中，h为水深；u，v分别为x和y方向的流速分量；g为重力加速度；S0x和Sfx分别是x向的床面坡降和阻力坡降；S0y和Sfy分别是y向的床面坡降和阻力坡降。
5.根据权利要求1所述一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，其特征在于，步骤3)所述的设置地下空间出入口以及防护设施，具体为：将出入口概化为检查井节点，并设定相应高度的防护设施，通道概化为长方形管道，参数根据步骤2)中各地下空间出入口的地理信息设置。
6.根据权利要求1所述一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，其特征在于，步骤3)中，所述概化蓄水池法是根据步骤1)中各地下空间的地理信息，于对应处将地下空间设置为蓄水池节点，与出入口通道连接，以堰流公式与水动力结合的方式模拟水流进入地下空间全过程。
7.根据权利要求1所述一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，其特征在于，步骤3)中，所述水力连通法具体为根据步骤1)中地下车库的地理空间信息构建一个等效水动力模型，设置2D区间网格化，与原有地表模型相连接。
8.根据权利要求1所述一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，其特征在于，步骤4)中，分析受灾成因和时效，评估地下空间进水对地表洪涝过程的影响，具体为：根据受灾小区附近水深变化过程模拟结果，结合地下空间出入口附近地形分布，分析得出地下空间受灾成因和时效；将步骤2)中得出不含地下空间的地表淹没过程与步骤3)中包含地下空间的地表淹没过程相对比，评估地下空间进水对地表洪涝过程的影响。
9.根据权利要求1所述一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，其特征在于，步骤5)中，所述输入验证不同特点的致灾降雨，计算降雨强度-历时曲线，与当地标准IDF曲线对比，从雨量和雨强两个角度提出地下空间致灾降雨标准，具体为：对一些发生过的典型暴雨进行同倍比放大作为可能发生的地下空间致灾降水，输入这些资料反复模拟直至地下内涝恰好发生；暴雨公式是地区常见的规划设计方法，借助暴雨公式计算IDF曲线能够描述降水特征，根据得出降雨不同的历时和雨峰特点，将致灾降雨分类为雨强致灾、雨量致灾和双致灾三种类型，计算致灾降水强度-历时曲线，与当地标准的IDF曲线绘制在同一坐标系下对比分析，判断得出各类降雨的致灾标准。
10.根据权利要求1所述一种基于数值模拟的地下空间内涝评估方法，其特征在于，步骤6)中，基于数字孪生理论在模型中映射可能的防灾设施，汇总径流去向和地下空间受灾情况，推断改造后的致灾降雨标准，验证能够显著减小地下空间内涝风险的治理措施，具体为：计算模块是洪涝数字孪生系统的核心和中枢，使用数值模型对区域下垫面进行改造预演能够作为虚拟孪生数据，具有很好的参考价值。对研究区域下垫面进行改造，依次进行了将防护位置挪高加固；使用透水铺装及下凹绿地海绵改造；彻底的水系规划和蓄滞空间设置等，通过分析不同改造下的模拟结果，统计地表最大淹没深度和地下空间受灾情况，推断治理改造后的致灾降雨标准，验证能够显著减小地下空间内涝风险的治理措施。
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| 张海行;张伟;杨文辉;国小伟;: "基于水力排水模型的宁波海绵试点区内涝风险评估", 中国给水排水, no. 12, 17 June 2020 (2020-06-17), pages 8 - 12 * |
| 陈孝兵;陈力;赵坚;: "基于拉格朗日粒子追踪的河流-洪泛区水流交互关系研究", 四川大学学报(工程科学版), no. 01, 20 January 2015 (2015-01-20), pages 85 - 89 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116911699A (zh) * | 2023-09-14 | 2023-10-20 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 城市洪涝灾害应对韧性的精细化动态评估方法和系统 |
| CN116911699B (zh) * | 2023-09-14 | 2023-12-19 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 城市洪涝灾害应对韧性的精细化动态评估方法和系统 |
| CN117556628A (zh) * | 2023-11-23 | 2024-02-13 | 郑州大学 | 一种智慧城市洪涝风险评估系统 |
| CN117556628B (zh) * | 2023-11-23 | 2024-05-28 | 郑州大学 | 一种智慧城市洪涝风险评估系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116561957B (zh) | 2024-04-30 |
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