二维城市地面洪水模型建模技术资料.pdf

HR WallingfordZn/bWorks2D二维城市地面洪水模型 建模技术资料 HR WallingfordWorking with water目录1 应用领域.22 计算方法/引擎.23 二维城市洪水模型的建立.33.1 基础数据及数据预处理.33.1.1 一维水力模拟所需的排水系统数据：.33.1.2 研究区域的地面数字高程模型DEM/DTM.43.1.3 水系湖泊.53.1.4 城市土地利用情况.53.1.5 城市地面构筑物情况.53.1.6 研究区域的实际洪水淹没记录/影像.63.1.7 行政区域地点、经济数据.63.2 模型的构建.63.2.1 步骤简介.63.2.2 引入2D模拟多边形.73.2.3 引入糙率多边形和糙率区间.103.2.4 引入网格多边形.103.2.5 生成网格.103.2.6 改变检查井积水类型.123.2.7 模型网络的检验.123.3 模型的计算.133.3.1 计算参数的设置.133.3.2 定制运行.144 模型结果的后处理与分析.154.1 在InfoWorks CS中结果的查看.154.1.1 地理平面视图.154.1.2 洪水等值线主题图.164.1.3 2-D二角形洪水深度主题图.164.1.4 2-D速度箭头主题图.174.2 模型的校验.175 模型结果的输出.175.1 网格信息与预测结果数据输出.186 流程图.197 案例介绍.20华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司1 电话：[phone]上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室 传真：[phone]HR WallingfordWbrJ?mp with water二维城市洪水模型建模技术概要为了解城市暴雨导致超过排水系统除涝能力引起城市地面积水、建筑物水浸 等状况，需要建立二维城市洪水模型以准确的模拟上述情况下暴雨对城市的冲击,从而为城市洪水泛滥提供灾害决策支持。为此，本文档就使用InfoWorks 2D建立 城市洪水模型给出详细的技术方案。1应用领域InfoWorks 2D是一个更快、更准、更详细的地面洪水演算模型。它能很好的 模拟城市发生洪水时水流在地面上的演进，尤其适合于模拟洪水水流通过复杂几 何地形的情况，如复杂的城市街道和建筑物、道路交叉口和其他设施、或者开阔 地等。2计算方法/引擎InfoWorks的2D引擎采用有限体积法，从而利用非结构网格进行模拟分析。该引擎完全集成于InfoWorks中，广泛得益于数据导入、验证、版本控制以及跟踪日志等强大功能。引擎采用2D有限体积法求解浅水流动方程组，利用 Rienmann求解器、TVD激震抓取模型的技术，非常适用 于洪水流量变化快，同时伴随有漫堤或决堤的情况。2D引 擎与1D引擎同时运行，考虑在每个步长内各分区之间的交 换水量，保证两个模拟之间的反馈。1D和2D分区间的连 接可为旁侧支线（即1D的河道和2D的漫滩），也可为主线（即一个1D的河段分叉到一个2D的河段或相反的情况）。每个模拟网络都可以有多个1D和2D分区。可使用包括非结构网格在内的多类网格，包括：多区域矩形网格-使用多区域，则在每 个区域中可使用不同的分辨率，即在更为 复杂或更感兴趣的区域可以使用更高的华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司2上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室电话：[phone]传真：[phone]HR Wallingford分辨率。Cuadrangular非结构网格三角非结构网格保证2D引擎使用效率以及便捷的关键是它能够自动生成计算网格。网格生成器 通过最大三角面积和/或最小三角形角度来控制分辨率。对网格的不同部分可以有所 不同，从而使得在关键区域周围保持使用高分辨率，而在比较平坦、特征不太明显、不太重要的区域使用较低的分辨率。网格生成器也可包括空间物体（建筑物）、波浪 线与墙体在内，从而进一步定义重要水力特征，并可以使用多边形划定范围来指定 粗糙度分区。这些线和多边形可以从背景 图层、外部文件或1D网络特性中导入。2D引擎在每个三角形中心生成水位，在每个三角面生成流速。这些结果同1D 模型结果、全局图形、列表概要以及洪水 淹没图集成在一起，用于结果的展示。此 外，2D引擎还提供了速度向量的主题图，该速度向量使用方向箭头，用长度表示速度的大小，或者采用有色等高线来表示。3二维城市洪水模型的建立3.1 基础数据及数据预处理为建立二维城市洪水模型，所需获取的基础数据包括：基本雨污水排水管网，城市基础地形，城市中的房屋、街道、公路、铁路等对水流构成阻碍作用的水工 结构物，城市的土地利用情况。各基础数据的要求及预处理要求如下所述：3.1.1 一维水力模拟所需的排水系统数据：主要包括以下数据：管网数据（最好为SHP格式电子数据，否则至少要有管网信息的CAD、图纸数 据），必须包含的具体信息包括：网络的完整拓扑结构：各检查井及管道等构件的坐标位置和连接性检查井的地面高程令 管道的管径、底高程、摩阻系数（从管材及管道的状况中反映）；华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司3 电话：[phone]上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室 传真：[phone] HR Wallingfordforking with watere管网中的各种附属构筑物（闸门、孔口、堰等）相应的尺寸参数及过流计算 参数；令 水池的参数，包括最高、最低运行水位及水池面积等；令 泵站的参数，包括水泵的数量、水泵流量扬程曲线及其启闭控制参数等。水文数据令 集水区的边界、用地类型，各集水区的面积、不透水表面的比例等参数；令 对于污水系统，需要各集水区人口、人均排水量等及水量变化曲线等；令 对于雨水系统，需要相关降雨量资料，如设计雨型或实测的历史降雨过程 线。系统实际运行数据令通常系统运行调度原则令管网中淤积、破损情况令 如果系统中有某些大流量污水集中入流/出流，则需要流量的详细过程线 用于模型率定和验证的实测历史数据：令对于污水模型，需要管网中的实测流量及水位数据用于模型的率定、验证 令对于降雨径流模型而言，至少需要两场实测降雨事件下的实测流量/水位。一场用于模型的率定，另外一场用于模型验证。3.1.2 研究区域的地面数字高程模型DEM/DTM应提供研究区域合适精度的地面数字高程模型，具体精度取决于模型所需精 度。InfoWorks可支持两种类型的地面数字高程模型：TIN不规则三角网格模型 和Grid网格模型。TIN地面模型采用三角形顶点的已知高程反映地面高程状况；Gird地面模型将区域划分为特定精度、大小相同的单元格，反映其地面高程。在InfoWorks CS中，TIN地面模型可由外部文件导入，包括：Arc/lnfo创建的.NET文件；ArcView SHP 文件；以及InfoWorks内部的IIM文件。此外，TIN地面模型还可以在InfoWorks CS内部从外部数据源进行创建，包 括：华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司4 电话：[phone]上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室 传真：[phone]HR WallingfordA 网络数据（来自断面，溢流和洪水空间）另一个TIN地面模型 Grid地面模型 包含点数据的Mapinfo MIF文件 ESRISHP 文件 Text文本文件（包含x,y,z高程点）对于 Grid网格地面模型，可以导入以下几种格式的文件类型：ESRI 格式（.ASC）Vertical Mapper format 垂直制图格式（.TXT）因此，要求提供/处理后的地面数字高程模型应当符合上述任何一种数据来源。3.1.3 水系湖泊主要包括大中型河流、湖泊、海岸线的空间信息。宜将河流、湖泊处理成面 状信息，最好提供ArcViw的shp文件。3.1.4 城市土地利用情况城市土地利用情况用于为不同的下垫面类型设置不同的粗糙系数。针对城市常用土地利用情况和粗糙性质，可主要包括森林植被、绿地、道路、广场、漫滩等信息。对研究区内对象按照土地利用划分处理为面状（多边形）信息，宜提供GIS 的SHP文件，并在各对象表格中指定土地利用类型。InfoWorks CS可将包含土 地利用划分的SHP文件导入为不同的粗糙分区对象，从而对各个土地利用类型定 义不同的水力计算的粗糙系数。3.1.5 城市地面构筑物情况为模拟洪水发生时，地面构筑物对水流的阻碍作用，应当将城市地面相关的 所有构筑物放入模型。为此，须提供的地面构筑物数据及要求包括：房屋建筑：采用处理为面状的多边形来定义房屋建筑，宜将研究区域内所 有房屋建筑保存于Shp图层，便于直接导入模型；防汛墙、堤防、边石：采用处理为Polyline的线状形式，包含这些墙体的 相关空间信息以及属性内包含顶高、长度等相关信息；华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司5 电话：[phone]上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室 传真：[phone]HR WallingfordA 透水性构筑物如篱笆：采用处理为Polyline的现状形式，包含其相关空间 信息，并在属性中包含顶高、长度、孔隙度等相关信息上述数据宜提供ArcViw的shp文件,并在属性表中列出所需的对应属性数据。3.1.6 研究区域的实际洪水淹没记录/影像研究区域的实际洪水淹没记录/影像可以为地面洪水模型的校验提供依据。最好提供至少三场以上城市洪涝灾害时期，研究区域内洪水的淹没情况，包 含对应的降雨，其降雨量时空分布以及关心区域的洪水淹没深度的时变过程（以 及该洪水点的相关空间信息）。其降雨、洪水深等时变过程可保存为CSV格式的Excel,或文本等电子数据 格式。3.1.7 行政区域地点、经济数据根据需要可将行政区域内关心的相关点数据导入模型，包括坐标、地理高 程（可选，可以从DEM中取得）、所在的行政区域的相关属性，这些点结合对 应的行政区经济将参与关心区域受灾分析及预测。3.2模型的构建3.2.1 步骤简介在InfoWorks CS 2D中包含以下对象，并模拟其对洪水流动的影响：空白区-用于模拟地面建筑物如房屋等，水流不能进入这一区域；线-可模拟包括墙，篱笆等，设置透水系数来代表不同的透水性，如可以代 表完全不透水的防汛墙，或透水性的篱笆，或者可以模拟水流从房门和窗 户进入建筑物的情况；网格区-用于代表不同的模拟精度，用于生成不同的网格精度来区分感兴 趣的区域；粗糙分区-用于代表具有不同粗糙性质的分区如草地、道路等不同的表面 性质，可以设置不同的曼宁粗糙系数。建模时，InfoWorks CS 2D在一个经成功校验的一维排水模型基础上进行操 作，首先引入地面高程模型，然后将感兴趣的区域绘制或导入为一个二维模拟多 边形，在这个多边形内将进行二维的地面洪水演算；接下来，根据GIS、AutoCAD 或其他地理数据直接引入城市中的各类建筑物及其他墙体等阻碍，也可以直接根 华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司6 电话：[phone]上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室 传真：[phone]:HR Wallingford据地形背景手工绘制建筑物等。在此基础上InfoWorks CS 2D自动生成三角计算网格，网格生成器通过最大三角面积和/或最小三角形角度来控制分辨率。对网格 的不同部分可以有所不同，从而使得在关键区域周围保持使用高分辨率，而在比 较平坦、特征不太明显、不太重要的区域使用较低的分辨率。网格生成器也可包 括空间物体（建筑物）、波浪线与墙体在内，从而进一步定义重要水力特征，并可 以使用多边形划定范围来指定粗糙度分区。这些线和多边形可以从背景图层、外 部文件或1D网络特性中导入。InfoWorks CS 2D将计算出各三角网格内的洪水 深度及流速，最终得到地面洪水的洪水深度及洪水漫溢的路径及流速。3.2.2 引入2D模拟多边形为了创建网格，用户需要拥有一个出库的网络以及一个地面模型，该地面模型 的范围需要覆盖整个关注区域。这是创建（或导入）一个二维模拟多边形的最低要 求。在本项目中，可以选择新建多边形工具在地理平面视图上绘制多边形。或者，如果想要描绘范围属于现有对象周边，可以使用描画新多边形轮廓工具。另外，可 以使用数据导入中心ODIC从不同的数据形式导入这些多边形。二维模拟多边形的属性窗口如下图所示：华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司7 电话：[phone]上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室 传真：[phone]HR Wallingford二维模拟多边形所需要的数据如下：总面积-多边形面积。默认值根据地理平面视图的坐标得出。只有在地理平 面视图中改变多边形面积时，该数值才可以改变。最大三角面积-创建二维网格时用于确定网格精度的尺寸。（注意，如果在二 维模拟区域内定义了具有不同精度的网格多边形，将覆盖模拟多边形中定义的该 值。）最小网格单元面积这将影响地理平面视图中网格单元的显示面积。但是，当运行一个模拟时，面积小于该最小网格单元面积的单元将会与邻近的单元合并，宜到达到该最小面积。执行该操作的目的是为了改善稳定性和运行时间。拥有不同 糙率的网格单元将会通过墙或者边界彼此分开。边界类型-在二维模拟多边形的周围边界设置水力学边界条件。这将决定穿 越网格边界的流量。将会应用到的边界类型有：垂直墙 临界条件 超临界条件 干燥（无水）当使用溢流单元连接二维模拟多边形区域时（使用共同的顶点），溢流单元将 成为边界条件，则该边界类型的设置将被忽略。而对于没有溢流单元的二维模拟多 边形，将会执行该条件设置。垂直墙-二维模拟多边形的边界被看作是一个不能渗透、无限高的障碍物。水流无法进入或者流出二维模拟多边形。临界条件-如果二维模拟多边形的边界单元的水位高于边界面水位，那么，流出二维模拟多边形的流量将根据一个没有能量损耗的宽顶堰方程计算。如果边界 单元的水位低于边界面水位，那么边界将会被看作是一堵垂直的密封墙。水流无法 进入二维模拟多边形。华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司8上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室电话：[phone]传真：[phone]这就意味着在边界单元A中，边界面被认为是顶点Zia和乙b的平均水位值。当单元A水位高于该平均水位值时，计算所得的水深被认为是临界水深（儿）。因 此，该单元的出流流速，即临界流速（V。由以下方程得出：因此，该单元的出流量（并流出二维模拟多边形）由水流面积乘以该流速得出。超临界条件-如果边界单元中的水流是超临界的（弗洛德数 1）并且直接流 出二维模拟多边形，那么，边界面的水流将被视为超临界的，使用边界单元水深和 流速进行计算，而不考虑边界面水位。如果水流条件不是超临界的，或者水流是流 向二维模拟多边形的，那么，边界面将被视为一堵垂直墙。对于用户知道水流是流 出二维模拟多边形的情况，该解决方案是非常有用的。水流无法进入二维模拟多边 形。这就意味着，如果垂直于单元A的边界面的流量矢量是超临界的（也就是弗洛 德数1）,那么该流量将会流出该单元。如果该流量是临界的或者亚临界的，那 么边界将会被视为一堵密封墙。干燥-到达二维模拟多边形边缘的水流将会流出该多边形，并将在模拟中失 去。进入到边界单元中的总流量通过该单元的边界面流出。水流无法进入二维模拟 多边形。最小角度-创建一个二维网格时，三角顶点之间的最小允许角度。这将减少 细长三角形的出现，因其可能会增加运行时间，并且可能导致计算结果不精确。糙率（曼宁数n）-如果在创建网格时没有使用糙率多边形，那么需要为每一 个单元指定糙率。如果使用了糙率多边形，那么单元的糙率取决于其质心所在的多华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司9 电话：[phone]上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室 传真：[phone] HR WallingfordWbd?wb waler边形。在生成网格时，通过使用糙率多边形作为突变线，您可以确保网格边缘位于 这些糙率发生变化的线上。位于糙率多边形外边的所有单元将使用默认的糙率值。（注意，当运行一个模拟时，只有拥有相同糙率值的单元才可以相互聚合）3.2.3 引入糙率多边形和糙率区间糙率区间拥有指定的糙率（曼宁数n）。这些糙率区间没有相关联的地理信息。糙率多边形包含地理信息，并且有糙率区间与其相关联。这种结合允许在一个二维 模拟多边形中改变糙率。如果获得处理为多边形的土地利用基础数据文件，如SHP格式文件，则糙率 区间可以自数据导入中心导入。否则，可加入相关土地利用图形作为背景，在新建其他对象窗口中直接创建。键入糙率区间名称并设置糙率值。对于二维模拟多边形，必须选定糙率值，否则，糙率多边形将会在生成网格进程中被忽略。3.2.4 引入网格多边形可以使用网格多边形在二维模拟多边形中改变网格单元的精度尺寸。它可以在 一些需要更详细模拟的区域中使用。最大三角尺寸是网格多边形面积所需要唯一输入信息。它应该大于输入到二维 模拟多边形的最小网格单元面积。在生成网格时（只要遵守了前述的规则），需要用到所有与二维模拟多边形相交 的网格多边形。在本项目中，可以根据不同精度需求创建不同的网格多边形。创建时同2D模 拟多边形一样，可以手工绘制或从外部多边形信息文件导入，并为其定义不同的尺 寸大小。3.2.5 生成网格一旦用户创建了所需的二维模拟多边形、所有相关联的网格多边形、糙率多边 形，那么，就可以生成网格了。要完成这项工作，用户需要选择二维模拟区间菜单（2-D simulation zone）,然后由下拉菜单中选择地理/网格化二维模拟多边形（Mesh 2-D Simulation Polygon）选项。此时，将会出现以下对话框：华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司1。电话：[phone]上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室 传真：[phone]HR WallingfordWorkinv with water需要选定地面模型，提供网格顶点高程。还有其它三种数据源可以使用。它们是空白、突变线和墙。这些数据可以源自外部文件、当前图层、一个对象或者具有相同类别类型的对 象。或者，也可以选择none选项(默认的)。空白(Voids)-被排斥出网格之外的区域。空白的边界担当一堵无限高的垂 直墙，代表没有水流的区域，通常代表地面建筑物等。小空白会导致生成小三角形，从而导致模拟时间减慢。当网格中包括空白时，如果将数据源类型设置为多边形，那么多边形的类型必 须为一般多边形(general polygons)这些一般多边形的类别字段必须被配置。此时，可用到的类别将会显示在二维模拟多边形网格(Mesh 2-D Simulation Polygon)对话框的多边形下拉菜单中。类别必须在新建其他对象窗口(new other objects window)”的一般多边形(general polygons)”标签中创建。突变线(Breaklines)-强制绘制的三角形边界线。当网格中包含突变线时，如果将数据源类型设置为线条，那么线条的类型必须 为“一般线(General Line)这些一般线的类别字段必须被配置。此时，可用到的 类别将会显示在二维模拟多边形网格(Mesh 2-D Simulation Polygon)对话框的线 条下拉菜单中。一般线-可以导入到新建线表格(new lines grid),也可以使用新建测量线(new survey line)工具绘出。华霖富水利环境技术咨询(上海)有限公司11上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室电话：[phone]传真：[phone]HR Wallingford墙（Walls）-没有水流通过的线，除非将孔隙设置为大于0。墙是无限高的。如果沿二维模拟多边形的边界设置这样一堵墙，那么，这种情况下该墙将被假定为 无孔的。注意，网格中使用的高程总是来源于地面模型-不会使用任何与线条或者多边 形相关的高程。3.2.6 改变检查井积水类型需要将二维模拟多边形内所有检查井的积水类型改为2D,则通过检查井关联地 下管道的一维模型与地面洪水的二维模型。3.2.7 模型网络的检验软件包括一系列的数据和模型检验工具，在将数据提交给1D和2D引擎之前,它们将确保模型网络、边界以及建筑物控制都是有效并一致的。在InfoWorks CS中经过检验之后无错误的网络和事件才可以进行模拟计算。华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司 已上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室电话：[phone]传真：[phone]HR Wallingford3.3模型的计算3.3.1 计算参数的设置公差Depth-深度下限，用于确定网格单元湿润或干燥（是否有水）。如果网格单元内水深低于此值，认为该网格单元干燥，在结果中显示深度为零。当水深低于此下限时，深度只用于满足单元的质量守恒。典型值:0.001 mMomentum-动量下限，为一个水深值，用于确定网格单元是否需要考虑动量。当单元中的水深小于此限值，将不会计算其水流的运动；只用于保证质量守恒。典型值:0.001-0.01 m 默认值:0.001 mVelocity-速度限值.水流速度低于该值的网格单元在计算动量时，速度值仍设为零。典型值：0 m/s华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司13上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室电话：[phone]传真：[phone]HR Wallingford高级参数Timestep stability control步长稳定性控制-该参数保证2D引擎内部步长属于 CFL(Courant Friedrichs Lewy condition)稳定范围内。有效值:0 TSC 1典型值：0.95Maximum Velocity最大速度(m/s)-2D模拟单元中所能达到的最大速度限值。超过该值，设置为最大值。可以防止不稳定，避免不现实的高速水流出现。典型值：10 m/sTheta-权重系数8,半隐式参数此值约大，隐式部分权重越高有.效值:061典型值:0.93.3.2 定制运行InfoWorks CS的运行采用图形界面，运行时，只需将对应的网络、降雨事件等 拽到定制运行对话框，设置运行起止时间、步长等模拟参数，即可进行1D-2D联合 模拟。华霖富水利环境技术咨询(上海)有限公司14 电话：[phone]上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室 传真：[phone]HR Wallingford4模型结果的后处理与分析4.1 在InfoWorks CS中结果的查看4.1.1 地理平面视图有两种方法可以显示洪水轮廓，分别为：主题图和2-D三角形。两种方法可同 时使用。使用窈2D选择工具可以查看网格三角形的属性、深度结果的详细信息。下图对话框给出了高程、粗糙性等详细信息。同样可以使用2D箭头工具查看流速或流量的矢量方向。华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司15上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室电话：[phone]传真：[phone]:HR Wallingford4.1.2 洪水等值线主题图此种方式下，必须在运行时将地面模型包含其中。一旦模拟完成，并在地理平面图中打开结果，用户可以选择主题-Flood,设置 等值面颜色，从而可以看到洪水淹没范围。计算的方法如下例所示：引擎计算三角形质心点的水面高程（为此，它计算水深然后加上三角形质心点 的地面高程）。然后，通过取每个顶点相关多个三角形水位平均值，计算各顶点的水面高程。因此，三角形B南端的顶点水位就为三角形A,B,C,D,E,F,G和H质心水位的平均 值。接下来，对于每一个地面网格（网格地面模型）或地面顶点（TIN地面模型），水面高程按照三角形法进行计算，即为该网格/顶点所属三角形各顶点的水位权重平 均值。最后，水位减去该网格/顶点的地面高程得到水深。因此，三角形B的水位取决于A,B,C,D,E,F,G,H,以及位于三角形A,B北边和 C东边的其他6个三角形的2D计算结果。还有一个步骤就是：在任何一个地面模型点上，只有14个（本例）网格中任一 个水深为正，该点才会出现洪水。三角形B中存在一定洪水，这是因为14个贡献单元中至少有一个水深为正，即使B单元本身的2D计算结果为干燥无水。4.1.3 2-D三角形洪水深度主题图这时不选择主题中的Flood页，而选择2D Triangle页。华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司16 电话：[phone]上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室 传真：[phone]HR Wallingford选择属性为depth2D0设置数值范围，保证最小数值大于0（如0.01m）,否 则所有三角形都会上色，即使单元内为空。每一个三角形将根据计算出的质心点水深来显示相应颜色。4.1.4 2-D速度箭头主题图这可以同上面任一种方法联合使用。只要在主题图中选择2D箭头，并确定显 示的属性和箭头大小。4.2模型的校验洪水模型的建立可为城市防洪提供决策支持，但其成功的预测与应用仍需进 行模型的校验，使模型计算结果与实际情况相吻合。模型的校验分率定与验证两个阶段。首先采用至少1场以上事件进行模拟，调整模型当中糙率等不确定的参数，通过不断比较模拟洪水情况与观测的洪水淹没情况，完成洪水模型的率定。然后采用2场不同的事件对经率定之后的模型进行验证，确保率定之后的模 型对于大多数事件能够给出同观测情况相吻合的结果。5模型结果的输出当模型通过校验之后，就可以对各种不同的情况建立预案了。可通过设置不 同的边界条件，计算得到各预案下研究区域内的洪水淹没情况。模型结果也可根据需求输出供外部程序使用。输出内容主要包含两部分：网 格信息和属性信息，两者通过ID进行关联。华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室电话：[phone]传真：[phone]HR Wallingford5.1网格信息与预测结果数据输出系统需要提供包含空间信息如所属行政区、面积、行政区相关属性等信息到 第三方数据库中。输出设计：引入行政区域相关网格的各顶点，导入2D洪水淹没模型中；通过2D洪水淹没计算模型计算行政区域网格各顶点的淹没水深、流速、水 位、方向、及时间等结果；通过接口输出各顶点的计算结果到外部数据文件或数据库中；第三方程序读取这些预测点的位置以及计算结果，进行相应的分析。华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司18上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室电话：[phone]传真：[phone]HR Wallingford6流程图0i.i.1.2.1.3.1.4.1.5.1.6.1.7.雨污水管网一维模型 研究区域的地面数字 高程模型DEM/DTM 水系湖泊城市土地利用情况 城市地面构筑物情况 研究区域的实际洪水 淹没记录行政区划划分的网格_71.基础数据整理；2.模型的构建与配 置；3.模型的计算；4.模型校验（初次运 行）5.校验后模型根据需 求进行编辑修改灾情预测系统洪水淹没模型实施流程图华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室19电话：[phone] 传真：[phone]HR Wallingford7案例介绍为了解2维模型如何便捷的与原有1维模型 实现融合，Richard Allitt公司选择了英格兰南部一 个易发洪涝灾害的海滨小镇来进行研究。这个被选择用来建立2D模型的集水区包含 合流管道和雨水系统，系统中的雨污水排入泵站，几个常开水泵用于提升污水，而当降雨时开启雨 水泵。在这个区域中有三个主要的积水点，其中一 个在集水区的外边缘，另外两个处于集水区之内。从三维视图发现，其中一个积水区（位于城市的 High街）位置比位于集水区外边缘处的泵站要低，部分地段相当陡峭。人们已经了解到地面径流通过坡面流的形式进入街道，此外当管网发生超负荷或泵站出现 故障的时候，泵站也会导致污水冒溢，它们沿着同样的坡面流路径进入街道。积水在High街步 行道上蔓延，甚至进入商家。第二个积水区域在城市的另一条街道Albert路上，这条街的中间有一个低洼地。在积水事 件发生的时候，这条路的这个低洼地就充满了积水，水流通过一个狭窄的小巷，像瀑布一样流 过一段阶梯进入后院。第三个积水点在城市的中心街道Victoria路，这里坡面流带来来自各个不同方向的雨污水。径流雨水和污水检查井冒溢在这里共同出现，混合在一起通过一个道路交叉口向北方溢出。这 是一个典型的积水面积大、深度浅的区域，位于城市消防站的附近。最近已经为这个积水区的 所有建筑物安装了防水闸门。洪水模型的精确度取决于提供地面高程的基础测量的精确度。用于这一目的的LIDAR测 量，其精确度取决于测量时飞机飞行的高度。飞机飞得越高，电波散得越广，精确度越低。在 900m的飞行高度，可以获得约1m的网格数据。这样得到的数据典型精确度在+/-150mm.可以通过一些手段来提高精度，而这一个特殊的例子也证明即使在最差的情况下，也可以 精确到100mm,大部分集水区可以精确到+/-50mm飞行越高，精确度越低如果在2000m的飞行高度，高程网格大小为2m,则垂直精确华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司20上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室电话：[phone]传真：[phone]HR Wallingfordforking with water度急剧下降到1000mm到1500mm之间。即使采用一些改善的手段也不能把精确度提高到1m。环保署拥有一个2m网格的LIDAR数据库，但大部分是河道峡谷而非城市区域。尽管购买 这些数据似乎显得比较经济有效，但其精确度较低使得用这些数据来模拟城区值得怀疑。这个积水区已经建立了一个1维InfoWorks CS模型，包含大量的坡面流连接。从水力学 的角度讲，这个模型是准确的；但就对公众的展示而言，尚不能很好的向公众传达集水区中存 在大量积水且大量流经街道这样的信息。1维模拟基于一场夏季的10年一遇60分钟降雨，并在此基础上增大20%以保证这个区域 出现明显的积水。最初的2维模型方案发布之前的版本使用默认的最小三角单元区域面积（125m2）以及DTM地面模型。模型中插入了建筑物，创建了 34,000个三角形，费时9分钟。到模型可 以进行运行的阶段，总共费时仅半小时。2维模拟使用1维模型相同的降雨即在基础降雨上增大20%。当模拟运行后，马上在 High街的区域明显出现一些积水。在Albert路出现小部分的积水，这些水不仅流出已知积水 的小巷，而且还从另一个实际并未出现积水的地方流出。但是，模型在模拟水流经过狭窄的小 巷时非常逼真。在Victoria路，积水的出现也是非常贴合实际的，尽管积水流过的方向稍有差距。另外一 点就是，在房屋的后面出现400mm的积水区，而实际这里并未出现积水。已知的是积水沿着 一条道路，转过几个街角，达到Albert街，而在最初的模拟中，这个现象并没有反映出来。随后创建了一系列更新的模型，首先使用更小的单元面积，包括25m2至减小到5m2,保 留其它的参数不变。这创建了总共45,000个三角形，花费了 11分钟。修改后的模型给出了更加准确的结果：它模拟了 Albert路积水排放到低洼的小巷。在 Victoria路，积水绕过了建筑物。第三个模型使用了 Building Elevation Model（BEM）一种内嵌建筑物的DTM地面高程 模型，这种模型现在用于追踪坡面流路径。花费6分钟创建了 33,000个三角形。但是BEM并 不能反映狭窄的小巷，将一列一列的房屋处理为连续的没有边界的区块，这在一定程度上影响 了模型的精确性。模型的下一步就是创建重要的边界，尽管网格的大小被证明对具有墙体邻近建筑物的模拟 至关重要。同样，精确度获得了一定的提高，然而一些实际没有积水的地方仍然模拟出现积水。接下来的模型使用了一个不同的地面模型，是Infoterra开发的新产品称为Street Mapper。这个地面模型产生的数据以100mm为网格大小，甚至可以更小。这使得我们可以模拟街边石。华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司21 电话：[phone]上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室 传真：[phone] HR WallingfordWbd?wb vvqer在这个模型中加入了更多的线，用来代表边石的顶，从而使得模型可以创建边石旁的明渠。连续的墙体迫使积水绕过这些障碍。Albert路和Victoria路的积水状况摸拟结果得到了更好的改善。这就是目前为止模拟的内 容。结论一个非常清晰的信息是：清楚地了解集水区的情况非常重要，只有这样才能很好的模拟哪 些是墙，有哪些类型的街边石，以及了解水流实际出入的方向。现场调查可以更好的理解为什 么一些不应当出现积水到地方会出现积水。但是，这也同样清楚的表明：模型是一个非常强大的工具，可以清楚的在公众会议上展示 积水区。最终创建的模型同最后的模型一样，但是将雨水泵减小到11/s来代表水泵故障。结果 表明在High街出现300mm的积水，在现实中因为水流进入了商店，积水稍小。展望Allitt先生指出：“InfoWorks 2D功能是城市排水模型的一个重大里程碑。它为综合的城市 排水模型各方面提供了一个无价的工具。它为水工业提出了大量的挑战不仅是水务公司，而且包括DEFRA和环保署”。“其中一个挑战是我们如何向客户或者公众保证模型是正确的，这是由于2D模型不能根 据流量测量来进行验证，因为即使安装于道路明渠上的流量计也不能获取积水事件。”Allitt先生认为：InfoWorks 2D将增强对问题的辨识，以更加有效的方式考虑完全的解决方 案和缓解方案。增强的可视化报告也同样为工作组及公众演示提供了更有意义的选项。但是，2D模型的简便和快速也存在一定风险，一些经验不足的模型师将会从事2维模型的工作。由于 其中有太多的数据需要分析，一旦地面以上的构筑物和路径引入之后，由经验丰富的模型师在 详细了解区域情况下，对结果进行完全的阐释就至关重要了。这也需要获得比以前更多的集水区相关信息。墙，树篱和篱笆都相当重要，都可以包含在 模型之中。应当正式记录墙体，尤其是一些具有防洪功能的墙体，因为如果屋主推倒它们来容 纳更多的车辆，会改变区域的积水/洪水特征。由于这些模型不像仅有地下网络的模型能得到高度的验证，因此需要更加熟练的判断。需 要采用更多的系统，比如同行审阅而非单一的审核。也有必要从传统的两阶段的DAP发展到包 含第三个阶段，在需求和方案阶段之间插入一个风险评估。华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司22 电话：[phone]上海浦东银城中路8号中融碧玉蓝天大厦710室 传真：[phone]