北京奥运雨洪

2009年第54卷第3期:321~328《中国科学》杂志社

SCIENCE IN CHINA PRESS 专题

北京奥运村洪水淹没风险模型研究

李伟峰, 陈求稳, 毛劲乔

城市与区域生态国家重点实验室, 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085

E-mail: rceelwf@https://www.wendangku.net/doc/5f18696240.html,

2008-05-13收稿, 2008-12-17接受

国家自然科学基金(批准号: 40601018)和中国科学院西部行动计划(编号: KZCX2-XB2-05-03)资助项目

摘要随着城市化的加剧, 城市暴雨积水的风险越来越大, 城市洪水问题已成为全球性环境灾害的热点问题. 如何有效分析城市水文过程, 准确评估城市洪水风险是市政建设和水资源管理的迫切需要. 城区人工下垫面复杂, 水利设施众多, 传统的水文模型和水动力模型均难以准确地模拟洪水非恒定演变过程. 以城市复杂环境下的产汇流、排水、积水等过程作为研究对象, 首先建立水文模型实时模拟降雨径流过程, 进而分别建立适用于排水系统的一维水动力模型和适用于地表洪水漫流的二维水动力模型, 最终在地理信息系统平台上将这三类模型进行在线耦合, 最终建立起适用于城市洪水预测模拟的耦合模型系统. 以北京奥运村为例, 针对不同的典型降雨过程, 对该模型系统进行验证和分析, 模拟结果表明该模型能够有效地模拟复杂市区降雨积水过程, 能够提供可信度较高的城市洪水潜在风险评估, 切实指导区域水利设施建设和水资源管理. 关键词

城市洪水水文模型水动力模型模型耦合

因暴雨以及排水系统设计能力不足所引发的城市洪水问题是全球性的生态灾害之一, 严重威胁着人类生存和发展. 城市洪灾使交通系统面临瘫痪, 毁坏居民和各类基础设施, 直接威胁到居民的人身安全[1~3], 尤其对于人口非常密集的大中城市, 洪水灾害带来的直接或间接损失更是难以估算. 作为国际现代化都市和奥运承办城市, 北京近几年多次发生极端异常暴雨, 如2004年7月间的特大暴雨, 2 h城市降雨超过100 mm, 多处区域出现大范围积水现象, 整个城市顷刻陷于混乱状态, 再一次向人类社会敲响了警钟, 城市防洪与应急管理成为摆在科学家和决策管理者面前的紧迫任务之一[4]. 因此, 如何根据城市自身发展特点, 快速有效地预测和评价城市洪灾风险是城市防洪工程和水资源管理等部门的迫切任务[5], 其中可靠的城市洪水预测分析模型是深入揭示城市水文过程, 指导城市防洪和水资源管理的重要基础[6].

由于受人类活动主导, 城市地区的下垫面非常复杂, 人工化的微地形起伏多变, 土地利用多样, 各类水工设施繁多, 地下排水系统盘根错节, 降雨、产流、下渗、蒸发、地表漫流、地下水循环和排水系统排水等水循环过程极为复杂[7,8]. 城市化进程对水文过程影响主要体现在两个方面: 一方面, 各类建设用地(道路、广场、房顶等)使城市径流速度、径流量急剧增加[9]; 另一方面, 各类人工设施, 如雨水收集系统、排水系统、道路、房屋建筑改变了流向. 城市区域雨洪资源利用的主要措施是建设人工的雨水收集、排水系统, 如果地表径流量低于水利设施的设计标准, 即排水系统的容纳能力, 径流将会通过雨水收集、排水系统正常排走, 不会形成雨洪灾害. 反之, 若地表径流量超过水利设施的设计标准, 则会造成雨水井溢流、渠道水位暴涨和随之引起的积水. 提高雨水排放系统的设计能力虽可以部分程度上解决城市洪水问题, 但其造价和运作费用很高, 因此, 如何根据本地区气候条件特征, 设计科学合理的水利设施标准是水资源管理的前提保障.

根据城市水文过程特征, 发展城市产汇流模型, 系统全面地模拟、预测城市降雨、产流过程可以为城市水利设施标准设计提供切实可靠的指导. 传统的水文模型在大尺度范围内的应用较为广泛, 但对于

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复杂城市区域的降雨径流过程模拟则相对困难. 同时, 对特定的排水网络、河道一般采用相对简单的水力计算, 或是基于一维(1D)建模的水动力模型. 1D 模型用于模拟、分析管网、河流的水流运动过程, 主要优点是可以精确模拟水流的流态特征, 但需要预先确定沿程河流及管网的形态特征和边界条件, 如深埋在地下的管网系统较为复杂, 进行模型研究就相对困难[10]. 二维(2D)水动力模型能够较好地模拟水平漫流过程[11~15], 但需高分辨率的地形数据支持

[16,17]

, 并且2D 模型在表征地表形态方面具有很大的

局限性, 不能象1D 模型一样对水工设施(如堰、泵站、闸等)进行建模[18]. 如果单独应用1D 或2D 模型, 那么只能偏重于排水系统或仅考虑假设条件下的积水漫流分布, 无法全面地模拟真实的降雨、产汇流过程. 因此, 很难有效地应用于实际情况, 尤其是不能系统地分析从降雨开始到洪水产生、演进和漫溢的全过程. 国内外学者对洪水演进过程的研究主要集中在单一模型或者是多模型松散性的结合[19], 而且研究多关注于大中尺度流域洪水过程模拟[16,20~22], 而对于城市小尺度区域, 受地形和空间信息异质性高的限制, 一直缺乏较为成熟的研究论述[23~27]. 目前, 研究者一致认为, 对于水文过程复杂的区域(如城市区域), 通过数值技术将水文和水动力(1D 和2D)进行紧密耦合, 可以克服以上所述的模型缺点. 具有强大空间信息分析能力的地理信息系统技术(GIS), 可实现水资源信息在时间和空间上的二维离散化, 和水文-水动力模型具有很大的互补性, 使更加精确地模拟城市洪水淹没过程成为可能[28~35].

综上所述, 本文将以城市降雨、产流过程为主要研究目标, 建立基于GIS 平台的城市水文-水动力耦合模型, 用于模拟城市洪水演进的动态变化过程. 文章首先介绍建模的基本原理和主要过程, 然后以热点地区“北京奥运村”为实例, 对不同典型降雨条件下的洪水风险进行评估和分析.

1 模型方法

1.1 控制方程

城市水文过程主要分为降雨产流过程、地表明渠/

地下排水管网流和地表漫流过程等三个部分, 其中, 修正型De Zeeuw-Hellinga 方程可模拟透水性地表的降雨产流过程为

(1)

1e ()(1e t t t q q I S α?Δ?Δ?=++?式中q t 代表t 时刻的流量(m/d); q t ?1代表t ?1时刻的流量(m/d); Δt 代表时间步长(d); a 代表反应系数(1/d); I 代表地表下渗率(m/d); S 代表渗透率(m/d).

对于地表硬化的区域, 汇水区域的地形、地下排水系统的入流位置、排水管网的分布特征等因素均会

影响径流过程, 所用公式如下: ,q c h =? (2) 式中q 代表排水系统的入流量(mm/min); c 代表径流系数(1/min); h 代表降雨量(mm). 径流系数c 决定于汇水单元地形(坡度)、土地覆盖/利用特征(糙率)等因素. 城市地区土地覆盖/利用类型复杂, 包含各种硬化和透水地表. 因此, 充分考虑到透水地表和硬化地表水文过程的模型方能全面地模拟城市区域水文过程. 管网和明渠的水动力过程可由断面平均的Saint Venant 方程来描述为

,A Q q t x ??+=?? (3) 2

21|0,Q Q h Q Q gA t x A x K ?????????|

+++=???????????????

(4) 式中A 代表过流断面面积(m 2); Q 代表流量(m 3/s); q 代表单元边的水平入流(m 2/s); h 代表水位(m); K 代表过流量模数(m 3/s). 该数值方法是基于有限积分法[36]. 在城市的一些特殊地区, 如北京奥运村地区或城乡过渡地区, 既有复杂的地下排水网络, 又有地表人工河流, 因此需要对地下管网和地上河道同时进行建模.

当雨强过大, 历时过长, 地表径流超过城市排水

设施标准时, 即发生溢流现象乃至地表积水, 该过程和溃坝过程相似, 因此可直接采用沿垂向平均的2D 浅水方程为 ()()0,h uh

vh t x y

???++=??? (5) ()0,b f h Z u u u u v g c t x y x ?

+???++++=???? (6)

()0,b f h Z v v v u v g c t x y y h

?+???++++=???? (7) 式中u 代表x 方向速度(m/s); v 代表y 方向速度(m/s); h 代表水深(m); c f 代表地表糙率. 1.2 模型耦合方法

水文模型和1D 模型之间的耦合需要指定边界条

件. 具体方法是, 根据研究区域地形分布特征, 应用),t α322

论文

Thiessen多边形方法将研究区域划分为不同的汇水单元. 每个汇水单元有一个唯一的中心点, 这个中心点表征整个汇水单元内的径流量. 该中心点表征的径流量随即作为1D水动力模型的边界条件, 用于1D 模型进一步计算1D排水系统的水动力传输过程.

一维排水系统模型的数学求解是采用基于交错网格的有限差分法. 为减少计算工作量, 二维模型直接在规则的正方形网格上求解浅水方程. 这两类水动力模型的主要差异在于维度不同, 所以彼此之间的耦合需要将1D网格单元中心点和2D网格单元中心点进行“数值”连接(见图1), 在与河道相交的地表, 每个平面2D网格都严格限制仅包含一个1D单元, 并假设1D和2D这两个单元的中心点是一一对应; 在垂直方向, 假设2D平面是位于1D平面之上, 若计算所得河道水位低于岸边, 则认为是明渠流, 否则, 就发生溢流, 需要求解2D模型模拟漫流.

图1 1D-2D水动力模型耦合方法

(a) 1D-2D耦合过程; (b) 1D-2D节点连接

2 结果分析模型应用-以北京奥运村为例2.1 研究区域介绍

北京奥运村是北京2008年奥林匹克运动会的主会区, 位于北京市中心北四环和北五环之间, 总面积1159 ha(见图2). 奥运村可分为北、中、南三个功能区, 其中北部功能区又被称为奥运森林公园, 而中部和南部是由不同的场馆区构成. 因为功能不同, 各区域的土地利用类型也有所区别, 如北部的森林公园以透水的地表覆盖为主, 主要包括各类植被、人工河流和湖泊, 排水系统以地表人工河流为主; 中部和南部则以硬化的地表覆盖为主, 主要包括各类建筑场馆、道路系统和居住区. 相应地, 奥运村雨水排放系统也分为两类: 北部的河网, 包括清河导流渠、仰山大沟两条河流和奥运主湖; 中南部以地下管网为主,

地表有一条“龙形”的人工渠, 贯通中南部, 和北部

通过地下雨水方沟相连. 奥运公园中区及南区雨水

经管道收集, 汇入安立路雨水排水管道, 进入清河导

流渠、仰山大沟, 最后入清河; 北区雨水经奥运湖调

蓄后, 也通过清河导流渠、仰山大沟入清河. 在奥运

村建设之前, 该区域以未利用土地为主, 就曾经发生

洪水积水. 所以, 根据规划, 清河导流渠和仰山大沟

设计排水标准为20年一遇, 洪水校核标准为50年一

遇. 第29届奥运会2008年8月在中国北京召开, 奥

运村毫无疑问地成为了全世界的焦点, 分析评价该

地区潜在的洪水淹没风险不仅为奥运会期间保障奥

运村地区的安全具有重要意义, 而且为今后该地区

准确的洪水预报和应急管理提供切实的保障.

图2 奥运村地形图

2.2 数据分析

北京地区是大陆性季风气候, 降雨主要集中在

6~8月份. 由于奥运村地区范围较小, 降雨分布空间

差异很小. 为了验证模型的有效性, 根据北京地区历

史上暴雨发生特点, 以5年一遇、20年一遇和50年

一遇降雨强度为例对模型进行了测试(见图3). 受篇

幅限制, 本文只论述5年一遇和50年一遇降雨的模

拟情况.

323

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图3 奥运村地区5年一遇和50年一遇的设计雨强

(ⅰ) 土地利用/覆盖. 奥运村地区的土地利用数据是从土地规划部门获得的. 不同土地利用的糙率和渗透率等参数根据相关文献获得(见表1)[37,38].

表1 奥运村土地利用类型和相关水文过程参数

土地利用类型 比例(%)

曼宁系数

渗透率

建筑用地 39 0.2 0.5 绿地 7 0.259 1 道路、广场 44 0.013 0 水体

6 0.03 1

(ⅱ) 地形数据. 高分辨率的数字地形信息(DEM)是精确的表征奥运村地形, 模拟洪水淹没过程的基础. 根据奥运村地区的地形特征, 本研究选择10 m 分辨率的DEM 为基础(见图4). 该地形数据能够比较详尽地描述雨水井、人行道、道路、建筑等城市基础设施的地形高程分布特征. DEM 信息是以1:2000万基础地形图为基础, 应用TOPOGRID 内插法生成的. 奥运村地势北高南低, 中南部高程在46.5~42.0 m 之间; 北部高程在82.1~34.0 m 之间, 其中奥运主湖北部山区地势最高, 仰山大沟入河口处地势最低.

(ⅲ) 地下排水系统和其他水工设施. 地下雨水管网数据主要是从市政设计院获得, 包括雨水井位置、高程、形状、尺寸及雨水管道长度形状和尺寸、材料等参数信息. 此外, 其他泵站、北部河道断面资料以及相关的水工建筑物(闸、堰、坝等)都根据规划部门的设计标准, 在全部正常运行情况下,

进行了设置.

(ⅳ) 模型设置. 由于奥运村排水属于清河范围, 根据地下排水系统分布特征, 适当向奥运村周边扩大了研究范围, 流域面积1630 ha(见图2). 根据地形

图4 奥运村地形特征

特征, 奥运村地区被进一步细分为266个小汇水单位. 其中, 有228个汇水单元和地下排水系统直接相连,

有38个和地表河流相连. 北部仰山大沟出口的下游

边界条件采用与清河洪水同频率的常水位. 相关的水工设施和其属性, 如闸、堰、坝、雨水井、排水管网等, 都做了相应的设置. 所有水工设施设定为正常运转, 并按照最大设计标准进行设置. 根据北京地区历史降雨的特点, 模拟的降雨历时设定为40 h, 时间步长设定为15和30 min, 用以比较计算时间和模拟精度.

2.3 模拟结果分析和检验

应用该模型对奥运村地区不同降雨条件下的洪水淹没过程进行了测试, 能够实时、动态地计算一维管网、河流的水流分布特征, 如流量、水位、积水演进特征、积水范围、深度、退水时间等.

(ⅰ) 排水系统溢流过程分析. 5年一遇降雨强度模拟测试结果表明, 整体上, 积水不严重. 在降雨24 h 左右, 雨水井溢流最严重(见图5(a)), 溢流最严重街区有1处, 位于大屯路和北辰西路交汇的下沉隧道入口附近, 雨水井周边的瞬间积水深度可达0.5 m; 还有5处, 主要位于成府路, 雨水井周边的瞬间积水

324

论 文

图5 雨水井溢出的模拟结果

(a) 5

年一遇降雨; (b) 50年一遇降雨

深度在0.2~0.3 m; 另有19处发生溢出, 雨水井周边的瞬间积水深度在0.2 m 以下. 这些溢出积水在几个小时之内基本能排掉, 路面存留积水不多, 说明奥运村的防洪设计能够抵御5年一遇的洪水风险.

50年一遇降雨强度模拟结果表明, 雨水井发生严重溢流的时刻也是在降雨24 h 15 min 左右(见图5(b)), 溢流最严重街区有2处, 雨水井周边的瞬间积水深度可达0.95 m, 分别位于大屯路和成府下沉隧道入口附近; 还有9处, 雨水井周边的瞬间积水深度超过0.5 m, 主要集中在大屯路、成府路、北辰西路下沉隧道附近; 有23处雨水井, 周边的瞬间积水深度在0.2~0.5 m 之间; 还有28处溢出雨水井周边的瞬间积水深度在0.2 m 以下. 以上结果说明奥运村的地下隧道的建设在抵御特大暴雨时存在着一定的洪水风险.

5年一遇降雨强度时, 中部地下排水系统的最大流量是79.5 m 3/s, 发生在中部(安立路)和北部河流(仰山大沟)连接处(见图6). 奥运村北部仰山大沟上游边界出口的最大流量是85.2 m 3/s. 50年一遇降雨强度时, 中部地下排水系统和北部河流(仰山大沟)连接处的最大流量是104.6 m 3/s(见图6). 奥运村北部仰山大沟上游边界出口的最大流量是119.6 m 3/s.

图6 主要管线和河流断面

(ⅱ) 洪水淹没过程分析. 模型模拟的洪水淹没

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过程是连续动态的, 为了说明整个降雨过程, 积水淹没特征, 本文选择了4个有代表性的“瞬间”时刻, 详细分析了洪水淹没的范围、程度等特征.

在5年一遇暴雨条件模拟过程中, 积水发生的最严重时刻是降雨24 h 左右(见图7(c)). 这一时刻, 整个研究区域, 瞬间积水面积达63.94 ha. 中南部研究区域最大积水深度是0.5 m, 其中奥运村范围内最大积水深度达0.4 m; 北部最大积水深度达0.56 m, 几个小时左右, 奥运村地区的主要积水基本可以退去, 少数路面存留少量积水. 而在50年一遇暴雨模拟过程中, 积水发生的最严重时刻是降雨的24 h 左右(见图7(g)). 这一时刻, 整个研究区域瞬间积水面积达194.2 ha, 其中中南部最大积水深度达1.3 m. 北部最大积水深度达0.86 m, 奥运村积水主要发生在北辰西路上和大屯路、成府路下沉隧道. 在随后的几个小时内, 虽然积水深度有所下降, 但积水深度、范围仍然很大. 洪水淹没分析说明面临50年一遇的暴雨,

奥运村地区发生洪灾的风险较大.

(ⅲ) 模型验证. 模拟结果的分析表明, 本文所建立的耦合水文-水动力模型能够全面地模拟复杂城市区域的降雨、产流、排泄和积水过程. 鉴于奥运村新近建成, 缺乏有效的实际监测数据, 因此模型验证是通过和奥运村区域水利规划部门的设计标准进行比较完成的. 以下分别针对5年一遇和50年一遇的降雨过程, 通过选择奥运村区域几个有代表性的地点, 对比分析了模型模拟计算的流量和设计规划部门计算的流量(见表2, 图8). 总体上, 模型模拟计算的流量大于设计部门计算的流量. 一是由于雨水设计标准不同导致的, 本研究采用1 h

雨强比设计部门的大; 另一方面, 模拟结果揭示, 在未来的防洪措施制定时, 奥运村地区要考虑进一步优化水利设施系统, 提高雨洪排泄设计标准.

3 结论

单纯利用水文模型或水动力模型都不能有效地模

图7 洪水淹没分布

(a)~(d) 5年一遇降雨, 降雨8, 16, 24, 40 h; (e)~(h) 50年一遇降雨, 降雨8, 16, 24, 40 h

326

论 文

表2 模拟结果验证

5年一遇降雨条件/m 3·s ?150年一遇降雨条件/m 3·s ?1检验点 参考流量

模拟流量

参考流量

模拟流量

检验点1 46 70 88 115

检验点2

60 85 91 120

图8 模型模拟结果验证

拟复杂城市地区的降雨、产汇流的全过程, 更难以评估潜在的城市洪水风险. 本研究通过建立基于GIS 的

水文-水动力耦合模型, 模拟城市区域的洪水演进过程, 为复杂城市化地区的洪水淹没风险评价研究提供了切实可行的理论方法和技术指导. 和传统的水文模型、1D

或2D 水动力模型比较, 耦合模型能够系统、实时、动态的揭示复杂城市地区非稳定的洪水产生、发展和淹没全过程. 特别是跟GIS 技术的紧密结合, 能够精确地表征异质性大的空间变量、参数, 为精确地模拟城市降雨、产流过程提供了更大的发展潜力. 该模型能够实时、动态、定量地模拟整个降雨、产流过程, 如地下排水管网流量、地表河流流量、水位、地表积水发生地点、积水深度、范围、退水时间等.

以北京奥运村为研究区域, 基于5年一遇和50

年一遇降雨条件, 对模型进行了运行、检验. 模拟结果总体上和水利设计部门的计算结果一致. 模拟的主要管段、河流断面的流量略大于相应的水利部门计算结果. 由于奥运村竣工时间不长, 尚缺乏更加可靠的第一手监测资料, 一些关键参数只能依据经验值, 使得模拟的准确性有所降低. 因此, 在未来的研究中, 通过收集更多的实测资料, 对模型进行进一步的率定和验证, 能够不断提高模型模拟预测的精度和水平, 进而及时的为奥运村地区的洪水风险预报和防洪措施的制定提供可靠的科学支持. 此外, 由于基于该耦合模型的普通适应性, 该模型在其他城市化地区也具有很大的应用推广潜力. 根据不同城市区域自己的特点对模型进行校正、率定, 可以有效地支持不同城市区域的洪水淹没风险评价和水资源管理.

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