城市雨洪的水动力耦合模型研究

论文摘要

随着全球气温的变化，我国经济的迅速发展，城市化进程的加快，自然集水区的减少，近年来城市暴雨洪水的灾害日趋严重。城市高强度的降雨形成的降雨洪水不同于溃坝和河道排放能力不足引起的水灾害，其主要是由于排水管道系统不能及时排走城市地表雨水，造成部分地区淹没，严重的形成内洪，导致城市交通、供水、供电、供气、通讯等生命线工程瘫痪，给人民的生命财产带来损失。因而研究城市雨洪的非恒定过程可以为排水管道的设计和改造、防灾减灾决策、城市雨洪的预报及水资源利用等提供依据，具有重要的研究意义和实际应用价值。 论文在前人理论研究和科学实践的基础上，回顾了城市雨洪的研究现状和分析了其形成的原因以及城市化对城市雨洪的综合影响，阐述了本文的选题意义和主要工作内容。 首先，建立一维模型。该模型采用一维圣维南方程和Preissmann窄缝假设，既可以计算排水管网中的有压流动，又可以计算无压自由表面流。模型采用交错网格和半隐式格式求解，增加了离散模型的通用性和稳定性；采用递推关系将变量集中于连接汊点，减少了求解变量的数目，增加了求解计算的效率；对管段内流动计算进行了重新推导，使得其可以计算同一管段内的异向流。通过经典Stocker溃坝，有压无压过渡流管道，以及排水管网模拟等算例对模型进行了验证，然后将模型成功应用到川崎市(kawasaki)地下排水管网的模拟，验证和模拟的结果说明模型能够处理干滩和小水深，具有较好的数值稳定性、鲁棒性和较高的计算效率。 其次，建立地面径流水动力模型。该模型将二维水动力模型和一维河网模型耦合，二维模型应用有限体积法和有限差分法相结合的离散方法，采用非结构网格，因而对复杂的计算区域有较好的适应性，在城市雨洪模拟时可以根据各个区域的不同性质、地形等进行网格剖分，减小了概化带来的计算误差。一维模型和二维模型通过经验公式的方法建立耦合连接关系，通过对托赛河(Toce)流域城市淹没试验，一、二维连接降雨和洪水淹没等算例对模型进行了检验和验证，并应用模型模拟了概化的小集水域，研究了阻力、坡度、降雨强度以及对流项等对集流时间的影响。 第三，建立一、二维耦合的城市雨洪模型。该模型采用经验公式将地面径流模型和地下排水管网模型连接形成了完整的城市雨洪模型。连接后的模型既可以模拟地面河道和集水域之间的水流交换，也可以模拟地面径流和地下管流间的相互交换。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 问题的提出
• 1.2.1 城市雨洪灾害
• 1.2.2 城市化对城市雨洪的影响
• 1.2.3 城市雨洪形成的原因
• 1.3 相关理论的发展现状
• 1.3.1 水文学方法和理论
• 1.3.2 水力学方法和理论
• 1.3.3 城市雨洪模拟难点
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 一维有压排水管网和无压明渠交替过渡流模型
• 2.1 引言
• 2.2 一维有压排水管网非恒定流的基本方程
• 2.2.1 水流的连续性方程
• 2.2.2 水流的运动方程
• 2.3 一维明渠非恒定流的基本方程
• 2.3.1 水流的连续性方程
• 2.3.2 水流的运动方程
• 2.4 有压无压过渡流模型
• 2.5 本章小结
• 3 模型的离散及计算条件研究
• 3.1 引言
• 3.2 排水管网模型的离散
• 3.2.1 动量方程离散
• 3.2.2 连续性方程离散
• 3.2.3 递推关系
• 3.2.4 内部边界条件处理
• 3.2.5 汊点处理
• 3.3 边界条件
• 3.4 河段内流动的详细求解
• 3.5 干湿界面和小水深处理
• 3.6 降雨计算
• 3.7 求解过程
• 3.8 本章小结
• 4 一维模型的验证与应用
• 4.1 引言
• 4.2 Stocker溃坝模拟
• 4.3 有压与无压过渡流模拟
• 4.4 排水管网模拟
• 4.5 川崎市排水系统模拟
• 4.5.1 物理概况描述
• 4.5.2 计算结果及分析
• 4.6 本章小结
• 5 城市表面二维雨洪水动力模型研究与应用
• 5.1 引言
• 5.2 基本方程
• 5.3 方程旋转不变性
• 5.4 二维浅水方程的非结构化网格离散
• 5.4.1 非结构网格及变量的定义
• 5.4.2 动量方程离散
• 5.4.3 连续性方程离散
• 5.4.4 干湿界面处理
• 5.5 有效降雨量计算
• 5.6 计算过程
• 5.7 算例
• 5.7.1 Toce城市洪水淹没试验模拟
• 5.7.2 集水域集流时间模拟
• 5.8 本章小结
• 6 地面一、二维耦合模型研究与应用
• 6.1 引言
• 6.2 一、二维耦合模型
• 6.2.1 一维模型
• 6.2.2 二维模型
• 6.2.3 流量交换计算
• 6.3 模型计算过程
• 6.4 算例
• 6.4.1 降雨集水计算
• 6.4.2 洪水淹没计算
• 6.5 本章小结
• 7 地面与地下全耦合模型研究与应用
• 7.1 引言
• 7.2 地面模型和地下模型的耦合
• 7.2.1 网格布置
• 7.2.2 地下管网和地面径流之间的流量交换
• 7.3 城市雨洪耦合模型的计算过程
• 7.4 程序设计
• 7.5 模型应用
• 7.5.1 物理概况描述
• 7.5.2 计算结果与分析
• 7.6 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
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