济南市城市洪水数值模拟研究

论文摘要

近年来,由于城市化过程改变了城市区域的暴雨径流条件,使得径流总量增大,洪峰流量提高,洪峰出现时间提前；而大部分城市前期规划不够完善,城市基础性设施抗洪能力薄弱,城市洪水灾害所带来的直接或间接损失越来越大。城市洪水淹没模拟是洪水管理中比较重要的部分,它可以预测和评价城市洪灾风险,为相关部门管理洪水提供有力的技术支撑。济南市地势南高北低,南有广袤群山承接降水,北有黄河大堤阻隔洪水去路,小清河是洪水的唯一出路,自古就有南洪北涝的说法。本文利用DHI MIKE软件建立了一维河网模型、二维地面径流模型以及完整的一二维耦合的济南市城市洪水淹没模型。首先,建立了济南市一维城市河流模型,并利用一维模型对NAM、URBAN两种水文模型进行了对比分析。鉴于济南市下垫面南北差异大,地形地貌复杂,建立河流模型时我们采用了NAM水文模型,模拟结果较好的符合实测数据；次之,建立了济南市二维地面径流模型,并利用济南市地形雨洪资料对MIKE21软件两种计算网格、计算地形地物地貌的概化方式、网格尺寸和糙率等参数进行了可行性论证以及敏感性分析,并成功的应用到济南市模型；再次,建立了济南市一二维耦合的城市洪水演进模型,应用模型进行了济南市城市洪水的数值模拟。模拟结果表明模型能够很好的模拟济南市二环以内的降雨积水情况,反映出了符合实际的低洼地段的积水情形,验证了一二维耦合的地面径流模型的可靠性；最后,利用本文建立起的耦合模型,依据济南城区有资料以来的雨水情信息,设计了济南市典型降雨过程,推求出适合济南市的长历时和短历时设计暴雨雨型。并基于济南典型设计降雨过程和历史典型降雨过程,设计了济南市城市雨洪预警预案库。防汛部门可根据气象预报信息查询预案库预知洪涝分布情形,及早布置防汛抢险调度措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 水文学方法研究现状
• 1.2.2 水力学方法研究现状
• 1.2.3 国内外城市雨洪模型研究现状
• 1.3 研究目标和意义
• 1.4 研究内容和技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 2 城市洪水数值模拟的理论和方法
• 2.1 理论基础
• 2.1.1 水流运动规律的研究方法
• 2.1.2 一维水动力模型
• 2.1.3 二维水动力模型
• 2.2 MIKE 11水动力学原理
• 2.3 MIKE 21水动力学原理
• 2.3.1 控制方程
• 2.3.2 控制方程数值离散方法
• 2.3.3 有限差分方法
• 2.3.4 定解条件
• 2.4 MIKE FLOOD耦合原理
• 2.4.1 标准连接
• 2.4.2 侧向连接
• 3 研究区域概况
• 3.1 模拟区域介绍
• 3.1.1 地理位置
• 3.1.2 地形地貌
• 3.1.3 水文气象
• 3.1.4 流域水系
• 3.2 济南市暴雨洪涝灾害成因分析
• 3.2.1 自然因素
• 3.2.2 人为因素
• 4 济南市洪水演进模型的建立
• 4.1 一维模型的建立
• 4.1.1 模拟计算区域
• 4.1.2 河网概化
• 4.1.3 降雨径流模型的建立
• 4.1.4 模型参数
• 4.1.5 模型的率定
• 4.1.6 结果分析
• 4.2 二维模型的建立
• 4.2.1 基础资料
• 4.2.2 模拟计算区域
• 4.2.3 地形概化
• 4.2.4 网格划分
• 4.2.5 降雨径流
• 4.2.6 初始条件
• 4.2.7 边界条件
• 4.2.8 模型糙率
• 4.2.9 模型参数敏感性分析算例
• 4.2.10 模型验证
• 4.3 一二维耦合模型的建立
• 4.3.1 模型设置
• 4.3.2 降雨径流
• 4.3.3 初始条件
• 4.3.4 边界条件
• 4.3.5 结果分析
• 4.4 结论
• 5 济南市城市雨洪预警系统预案库建立
• 5.1 洪水仿真预案库设计
• 5.1.1 设计依据
• 5.1.2 预案类型设计
• 5.1.3 预案主要内容
• 5.2 雨型设计及降雨过程展布方法研究
• 5.2.1 实际雨型
• 5.2.2 设计雨型
• 5.3 样本方案简介
• 5.3.1 河道洪水模拟结果
• 5.3.2 城区积水模拟结果
• 5.4 结论
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表