尹志聪,主要从事气候预测及城市气象方面的研究. Email:
北京城市内涝数值模型(BUW)根据北京复杂地形和大城市特点, 将各类空间信息剖分为6458个网格及相应的通道,围绕城市地表、河道沟渠、排水管网等城市主要水文水动力学物理过程,模拟积水深度变化情况。以精细化的降水监测为驱动条件,BUW可以较好地模拟出“7·21”城市内涝积水的空间分布,对重点桥区的积水深度,积水过程的模拟也比较贴近实际,具有良好的模拟性能。360 min历时的2年重现期降雨情景下,北京四环内就会产生一定的积水,以孤立的积水点为主。10和50年重现期下,积水的深度和范围都有所增加,且开始呈片状。100年重现期,整个五环内都出现严重的城市积水,南部出现大片超过50 cm的积水区域,部分地区积水超过80 cm。面对“7·21”级别的降水,排水管网直径拓宽20%并不能明显改善城市排水能力。拓宽60%时,四环到五环之间的积水明显减弱,四环以内的大部分积水减弱。拓宽100%时,仅在二环到四环之间还有一些较浅的积水,拓宽140%时,六环内大部分积水消失。
Based on the complex terrain and large city characteristics, the geographic information of Beijing was cut into 6458 grids and corresponding channels. Focused on the urban hydrodynamic and hydrographic process, the Beijing Urban Waterlogging (BUW) numerical model was built to simulate the ponding depth. Driven by high-resolution precipitation observation, BUW can simulate the spatial distribution of the 21 July 2012 urban ponding in Beijing well, and the variation and max depth under concave bridges are close to actual condition too. In the scene of 2-yr Return Period (2-RP), there are some isolated ponding points inside the 4-Ring Road. The depth and range of ponding increase in 10-RP and 50-RP. Under 100-RP, there is servere pondings within the whole 5-Ring Road with most exceeding 50 cm in the south. Facing the rainfall at the 21 July 2012 level, urban drainage will not be improved obviously with 20% of pipe diameter (20%+PD) broadening. The ponding gets relieved distinctly between the Roads of 4-Ring and 5-Ring and slightly inside the 4-Ring in 60%+PD experiment. When the pipe diameter is broadened continuously, there is only shallow ponding between the 2-Ring and the 4-Ring in 100%+PD experiment and no ponding insides the 6-Ring in 140%+PD experiment.
在全球气候变暖,极端天气事件重发、频发、突发的大背景下(
目前,城市内涝数值模拟的主要研究方法有:基于水力学、水文学和气象学等的数值模拟(
美国在城市降水径流模型及城市排水系统的数值计算模型的开发上取得显著成绩,最有代表性的是城市暴雨雨水管理模型(SWMM),对城市排水系统有很强的模拟计算功能(
北京的下凹式立交桥和地铁都是全国最多的,而这两种地下空间利用方式恰恰是城市内涝最大的风险点。在天津市城区内涝仿真模型的基础上,重点处理了下凹式立交桥和地铁口(
(1) 北京六环内49个高质量自动气象站的降水观测数据;(2) 桥区积水深度监测数据,监测方式包括积水监测站、视频巡检和交警巡检等;(3) 不同重现期6 h降水序列(
北京城市内涝数值模型(Beijing Urban Waterlogging numerical model,BUW),根据北京复杂地形和大城市特点,以地理信息系统为支撑将各类空间信息剖分为6458个网格及相应的通道(
BUW模型的网格分布和模拟范围
Simulation grids and range of BUW model
有限元法可用来求解数学中具有初边值的偏微分方程,在地表水文模拟中得到了较广泛的应用(
二维非恒定流基本方程如下:
连续方程:
动量方程:
式中,
排水管网及配套的泵、闸、管网出口等组成了自成体系的城市地下水文系统,对城市内涝有很大的影响。在降雨过程中,地面积水在管道内汇集后沿各自管道系统汇合至出口处,再经过出口处的闸门、泵站或淹没出流管道排到河道中,形成“雨水—地面积水—管道汇水—管道排水—河道汇水”的模拟过程。由地表进入管网的单元网格的排水能力根据雨强、积水深度以及网格的最大排水能力来确定:当降雨强度和积水深度小于网格的最大排水能力时,降水和积水全部排入地下管网;当最大排水强度小于积水深度和降水强度时,超出部分则转化为地表径流量。
为节约计算资源,模型将管道的属性概化为:(1) 经过网格中心,(2) 经过网格周边通道的中点与相邻网格相连(
排水管网概化示意图
Generalization of drain network
一维明渠流动:
一维有压流动:
式中,
下凹式立交桥和居民小区低洼处等较四周高度明显偏低,极易产生严重积水。除了大范围的地表客水汇流外,地下管道涌出水也是重要来源。河道水位过高或下游排水堵塞时,雨水管道满溢,本应沿管道排走的水流在地势低洼处喷涌而出,会导致极为严重的积水,整个致灾过程往往在十几分钟内完成,让人措手不及。
北京有数十座下凹式立交桥,桥区跨度比较大,且比周边地势偏低数米以上,在两侧形成人工堤坝,是天然的“聚水盆”,极易在短时间内形成面积大、深度深的积水区。因此,在建立下凹式立交桥所处网格时,需要将网格高程从桥面高度降低到桥底高度,并扩大有效客水面积,使地表汇流和管道涌出水过程的物理描述更符合真实情况。
在地势低洼的地方,当流入管道的水量超过管道容积时,水体沿水井涌出地面,首先计算单元管道内的水体积
式中d
设网格单元内管道总体积为
2012年7月21—22日,北京市出现历史罕见强降雨过程,为1951年以来最强的一次全市性特大暴雨过程,此次暴雨过程具有历时短、雨势强、范围广、山区雨量大等特点。降雨主要集中在21日10时至22日06时,在近20 h内全市平均降雨量170 mm,最大降雨量541 mm。就城区而言,平均雨量达215 mm,最大降雨量328.0 mm(模式口)。由
2012年7月21日10时至22日04时北京城区49站平均雨强
Rainfall intensity of 49 stations in urban area in Beijing from 10:00 BT 21 to 04:00 BT 22 July 2012
城区站最大雨强达到的预警级别
Warning grades with maximum rainfall intensity achieved
全市共形成积水点426处,中心城区道路积水点63处(
“7·21”城市道路积水分布图
Distribution of urban road ponding in the 21 July
以北京六环内47个自动气象站的降水观测数据为驱动条件,BUW从7月21日10时开始模拟到22日01时,共16 h。最大积水深度如
BUW模拟的“7·21”最大积水深度
Maximum ponding depth in the 21 July rainstorm simulated by BUW
下凹桥区极易成为周围降雨的客水汇流区或产生地下涌出水,是城市内涝的高风险点。
“7·21”北京桥区积水模拟和实况对比(单位:m)
Comparison between simulation and observation of pongding depth in bridge zones in the 21 Junly (unit: m)
积水桥区 | 莲花桥 | 五路桥 | 复兴门桥 | 安华桥 | 广渠门桥 | 十里河桥 | 双营桥 |
模拟 | 1.77 | 0.65 | 0.61 | 0.62 | 0.67 | 0.69 | 0.64 |
观测 | >2 | 0.7 | 0.6 | 0.7~0.8 | 2 | 2 | 2~3 |
积水桥区 | 金安桥 | 西苑桥 | 丽泽桥 | 六里桥 | 正阳桥 | 安定门桥 | 东便门桥 |
模拟 | 0.41 | 0.05 | 0.34 | 0.48 | 0.78 | 0.19 | 0.66 |
观测 | 0.3 | 0.1 | 0.3 | 0.5 | 0.5 | 0.3 | 0.5 |
积水桥区 | 安贞桥 | 方庄桥 | 木樨园桥 | 赵公口桥 | 大红门桥 | 肖村桥 | 菜户营桥 |
模拟 | 0.25 | 0.68 | 0.6 | 0.6 | 0.25 | 1.23 | 0.49 |
观测 | 0.3 | 0.8 | 0.6 | 0.6 | 0.5 | 2 | 0.5 |
根据4个涉水等级,从
7月21日下凹桥区逐小时积水深度模拟曲线
Simulation curves of hourly ponding depth in bridge zones in the 21 July
除对“7·21”这种“长时间大雨强型”城市内涝进行模拟外,还对“长时间小雨强型”(2013年8月11日),“短时间大雨强型”(2011年6月23日)、“短时间小雨强型”(2013年6月17日)等三种类型的城市内涝进行了模拟。模型对四种类型城市内涝的空间分布、积水时间、积水过程和退水时间,尤其是最大积水深度都有不错的模拟能力。
采用北京市观象台逐分钟降雨资料,应用广义偏态分布方法得出360 min历时不同重现期降雨量(马京津等,2013),选取其中2年(62.4 mm)、10年(98.82 mm)、50年(157.1 mm)和100年(208.2 mm)重现期,构建不同降雨情景。每个网格都给予相同的降雨序列,前6 h为将360 min历时降雨量平均到6 h,后5 h无降雨量。如2年重现期降雨情景为降雨持续6 h,每小时降雨10.4 mm,无降水的5 h用于地表和地下水文过程的调整和退水模拟。
如
2年(a),10年(b),50年(c)和100年(d)重现期降雨情景下,BUW模拟的最大积水深度
Maximum ponding depth simulated by BUW under 2-yr (a), 10-yr (b), 50-yr (c) and 100-yr (d) return-period scene
1.2倍(a)、1.6倍(b)、2.0倍(c)和2.4倍(d)排水管网直径时,BUW模拟的“7·21”最大积水深度
Maximum ponding depth in the 21 July rainstorm simulated by BUW with 1.2 (a), 1.6 (b), 2.0 (c) and 2.4 (d) times pipe diameters
“7·21”特大暴雨引发严重城市内涝灾害的原因,除雨强大时间长外,还有排水系统设计不合理等因素,比如管道直径太小等。在BUW数值模型中将北京市的管网直径人为拓宽,定量评估排水管网在城市积水当中的作用。1.2倍管网试验(1.2Pipe)中,除个别网格外,城市内涝积水并没有明显变化,也就是说直径拓宽20%并不能明显改善城市排水。1.6倍管网试验(1.6Pipe)中,四环到五环之间的积水明显减弱,四环以内的大部分积水减弱。但是东北二环附近却有新的超过0.8 m的积水出现,这可能是因为管网中的水太多,发生地下涌出水的原因。当管网拓宽到2倍时(2.0Pipe),大部分城市积水都已经消失,仅在二环到四环之间还有一些较浅的积水,东北二环也没有出现地下涌出水。当管网拓宽到2.4倍时(2.4Pipe),六环内大部分积水均已消失,即使面对“7·21”等级的特大暴雨也可以发挥排水系统应有的作用。值得注意的西北六环外和青龙湖附近的积水并没有减弱,它们产生的原因是地形地貌,而不是排水不畅。
北京城市内涝数值模型(BUW)根据北京复杂地形和大城市的特点,围绕城市地表、河道沟渠、排水管网等城市主要水文水动力学物理过程,模拟积水深度变化情况。以精细化的降水监测为驱动条件,BUW可以较好地模拟出“7·21”城市内涝积水的空间分布,对重点桥区的积水深度,积水过程的模拟也比较贴近实际,表明模型具有较好的模拟性能。
2年重现期情景下,北京四环内就会产生一定的积水,以孤立的积水点为主。10和50年重现期下,积水的深度和范围都有所加重。100年重现期,整个五环内都出现严重的城市积水,南部出现大片超过50 cm的积水区域。六环外左上角出现也有一片超过80 cm的积水区域,可能是爆发山洪的结果。房山青龙湖附近也出现一些超过80 cm的积水区域,和“7·21”比较类似。
排水管网直径拓宽20%并不能明显改善城市排水能力。拓宽60%时,四环到五环之间的积水明显减弱,四环以内的大部分积水减弱。拓宽100%时,仅在二环到四环之间还有一些较浅的积水,拓宽140%时,六环内大部分积水消失。
需要指出的是城市内涝数值模式严重地依赖下垫面的地理特征和排水系统信息,因此必须不断对各种基础信息,包括泵站、蓄水池和调度策略等进行更新和调试才能持续获得良好的模拟效果。BUW模型模拟的下凹桥区的积水深度往往偏小,可能是未能精细描述桥区结构或对客水模拟过小引起的。考虑到下凹桥区在城市内涝中的重要性,针对每个桥区单独建模也是有必要的。根据不同降水和排水情景的模拟结果,发现现有的排水系统设计标准明显偏低,同时在拓建排水管网时需要统筹考虑,以免在别的地方引发地下涌出水或堵塞。此外,随着北京城区规模的不断扩大,西部和北部的山洪积水也必须纳入模拟范围,在边界衔接山洪模型或在BUW中发展山洪边界模块都是比较可行的做法。
谌芸, 孙军, 徐珺, 等.2012.北京721特大暴雨极端性分析及思考(一)观测分析及思考.气象, 38(10):1255-1266.
董欣, 杜鹏飞, 李志一, 等.2008.SWMM模型在城市不透水区地表径流模拟中的参数识别与验证, 环境科学, 29(6):1495-1501.
扈海波, 轩春怡, 诸立尚.2013.北京地区城市暴雨积涝灾害风险预评估.应用气象学报, 24(1):99-108.
洛塔·弗克斯, 刘阳青.2011.他山之玉可以攻石—借鉴欧洲经验解答北京城市积水难题.北京规划建设, (6):181-182.
马京津, 李书严, 王冀.2012.北京市强降雨分区及重现期研究.气象, 38(5):569-576.
马晓群, 张爱民, 张家鼎, 等.2002.基于GIS的市(县)级旱涝风险区划.安徽地质, 12(3):171-175.
权瑞松, 刘敏, 张丽佳.2011.上海市地下轨道交通暴雨内涝脆弱性评价.人民长江, 42(15):13-17.
沈冰.1986.简述有限元法在地表水文模拟中的应用.陕西水利, (5):11-19.
孙军, 谌芸, 杨舒楠, 等.2012.北京721特大暴雨极端性分析及思考(二)极端性降水成因初探及思考.气象, 38(10):1267-1277.
王会军, 张颖, 郎咸梅.2010.论短期气候预测的对象问题.气候与环境研究, 15(3):225-228.
王佳丽, 张人禾, 王迎春.2012.北京降水特征及北京市观象台降水资料代表性.应用气象学报, 23(3):265-273.
解以扬, 韩素芹, 由立宏, 等.2004.天津市暴雨内涝灾害风险分析.气象科学, 24(3):342-349.
解以扬, 李大鸣, 李培彦, 等.2005.城市暴雨内涝数学模型的研究与应用.水科学进展, 16(3):384-390.
尤凤春, 郭丽霞, 史印山, 等.2013.北京强降雨与道路积水统计分析及应用.气象, 39(8):1050-1056.
Huang D P, Liu C, Fang H J, et al.2008. Assessment of waterlogging risk in Lixiahe region of Jiangsu Province based on AVHRR and MODIS image. Chin Geogr Sci, 18(2): 178-183.
Lewis A R.2010.Storm Water Management Model User's Manual Version 5.0. United States Environmental Protection Agency.
Liu M, Yang H Q, Xiang Y C. 2002.Risk assessment and regionalization of waterlogging disasters in Hubei Provence. Resour Environ Yangtze Basin, 11(5): 476-481.
Quan Rui-Song, Liu Min, Lu Min, et al. 2010.Waterlogging risk assessment based on land use/cover change: A case study in Pudong New Area, Shanghai. Environ Earth Sci, (61):1113-1121.
Shi Y, Shi C, Xu S Y, et al. 2009. Exposure assessment of rainstorm waterlogging on old-style residences in Shanghai based on scenario simulation. Nat Hazards, 53: 259-272.