董建武，金 生

(大连理工大学，辽宁 大连 116024)

我国洪水灾患的特点是范围广、频率和突发性高，且损失巨大。2010年，住房和城乡建设部在我国范围内的300多座城市进行了排涝调研，数据显示，在2008—2010年之间，发生过洪涝灾害的城市为62%，其中发生过3次以上的内涝灾害的城市接近40%，大约15%的城市最大积水时间超过12小时。河北省2016年7月18—21日的暴雨洪水共造成死亡167人，失踪108人。城市的特性决定了一旦发生洪灾，生命财产损失远超越非城市地区，城市防洪问题已经受到广泛关注。城市洪涝问题对经济发展的制约作用越来越突出。

1 阻水建筑物的处理方法

城市地形与自然流域相比，最大的区别是城市中遍布着阻水建筑物，会对洪水在地表的演进造成不容忽略的影响。一般对城市内建筑物的处理方法有三种：

(1)固壁边界法：假设建筑物所占据的为固壁边界，即发生洪水时不漫顶且不透水，可以在计算区域之内扣除建筑物所占的区域。

(2)真实地形法：修改建筑物所在位置的高程为建筑物的高程，即将真实的地形赋予计算区域。

(3)加大糙率法：在不修改建筑物所在位置高程的情况下，给定该区域一个足够大的糙率，使水流不能通过该区域。文中建筑物所在区域糙率值n=108。

2 建模分析

本文采用HydroInfo水利信息系统软件和MIKE 21 FM模型分别进行建模分析。

2.1 物理模型试验

ENEL-CESI在Toce河物理模型试验的基础上，做了一系列模拟城市地区洪水传播的试验。模拟城镇的位置在原Toce河上游入口处，长约5m。为了将河谷地形的影响与仅由市区引起的影响区分开来，在河道内与河槽主流平行的方向加上了两个砌筑墙壁。河槽的其它特征不变。建筑物是边长为15cm的混凝土块，试验将混凝土块排列成对齐式和交错式来模拟城区的几何形态。本文对交错的城市布局试验进行模拟分析，交错的城市布局试验的测点分布位置如图1所示，三维地形分布如图2所示。

图1 测点分布图

图2 研究区域地形图

2.2 模型建立

2.2.1 网格划分

水利信息系统软件中采用非结构三角形网格对计算域进行离散。为了增加模拟结果的精度，在城区周围进行局部网格加密。采用不同的方法概化建筑物时，划分的网格也有所不同。当采用固壁边界法时，需要对建筑物做特殊处理，将建筑物排除在计算域外，因此，不能对计算域统一划分网格。当采用真实地形法与增大糙率值法模拟时，可以对计算域统一划分网格。

MIKE 21 FM模型。城区网格最大面积为0.001m2，其它区域网格最大面积为0.003m2。计算网格如图3、4所示。

图3 固壁边界法的网格图

图4 加大糙率值法和真实地形法的网格图

2.2.2 干湿边界

由于城市的下垫面复杂，地表并不平坦，存在干湿界面，如果对干湿边界处理不当，就会使计算难以进行或者计算的结果不正确。通过多次调试分析，在MIKE中对于干湿界面采用以下值：干水深hd=0.001m，湿水深hw=0.01m，淹没水深hf=0.005m。软件中采用系统默认值。

2.2.3 其他参数设置

上游边界条件是流量过程，如图5所示，下游边界是自由出流。模型中的糙率是ENEL建议的糙率值n=0.0162。

图5 入流过程

图6 测点5水深过程

图7 测点6水深过程

图8 测点10水深过程

2.3 计算结果分析

从图6—8不同测点水深的计算值和实测值中可以看出，软件和MIKE21 FM模型采用三种方法计算的结果基本一致，并且均与测量结果相差不大。图6、图7中，测点5和6计算结果表明，固壁边界法和真实地形法计算的水深过程线与加大糙率法相比，前两种方法和实测数据的吻合程度更好。图8中，测点10位于最后排建筑的外侧，增加糙率值法的计算结果优于其他两种方法。这是由于城市建筑林立，阻碍水流运动的作用较强，流场十分复杂，洪水波反射作用更加明显，而增大糙率值法在模拟洪水反射波时，比前两种方法的精度低，所以在城市内部通过增加糙率值法得到的水深值与实测数据的拟合程度较其他两种方法稍差。在水流流过最后排建筑后，下游不存在阻碍水流的建筑，洪水反射波的影响可以忽略，此时增加糙率值法的计算结果优于其他两种方法。

3 结论

本文分别基于水利信息系统软件和MIKE 21 FM模型采用了三种方法来模拟建筑物对城市洪水的阻碍作用，并且通过物理模型试验对三种模拟方法进行验证。结果表明，三种方法计算的结果基本一致，并且均与测量结果相差不大，验证了利用以上三种方法处理城市内建筑物的阻水作用是合理的。真实地形法和加大糙率法能够对计算域统一划分网格，在划分网格时较为方便。