论文总字数：18460字

目 录

1 引言 4

1.1 研究内容 4

1.2 研究目的及意义 4

1.3 研究现状 5

1.4 章节内容 6

2 研究方法介绍 8

2.1 FloodArea模型概述 8

2.2 FloodArea模型计算原理 8

2.3 产汇流原理 9

2.4 城市内涝研究理论和技术路线 10

3 数据来源与数据处理 11

3.1 降水资料的获取 11

3.2 基础地理信息获取与预处理 12

3.2.1 土地利用图的生成 12

3.2.2 DEM生成 12

3.2.3下垫面因子的概化 14

3.2.4曼宁系数和径流系数生成 14

4 暴雨积涝数值模拟 15

4.1基于FloodArea模型的暴雨积涝模拟 15

4.2模型验证 16

5 结果分析与讨论 18

参考文献 19

致谢 20

基于FloodArea模型的城市内涝数值模拟研究

刘玲俐

，China

Abstract：This paper is based on the FloodArea model to simulate the rainstorm waterlogging in Nanjing University of Information Engineering.According to the coordinates of each control point obtained in the process of undergraduate practice,DEM can be generated in ArcGIS. And according to the remote sensing image map and control points, the campus is vectorized to generate land use map. The plots are divided into five categories, and the Manning coefficient and runoff coefficient are corresponding to the class one by one to form the corresponding grid map. The 24 - hour precipitation data of two torrential rains on June 10 and September 25, 2017 in Pukou station of Nanjing city were collected. Combined with land use map and DEM map, the flooding area flooding scenario of two-dimensional hydrodynamic model was used to simulate and study the campus waterlogging, so as to realize the rainstorm waterlogging risk simulation. The results show that the flood area model has a great impact on the flood area from the wende building to the north gate of the school. The simulation results of flood area model are basically consistent with the actual situation, which can be applied to the numerical simulation of urban waterlogging and provide the basis for waterlogging prevention and disaster assessment.

Key words：DEM, land use map, FloodArea model, flood simulation, Numerical simulation of waterlogging

1 引言

研究内容

城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力致使城市内产生积水灾害的现象。城市内涝的发生会对人们的出行，及生命财产安全都造成极为严重的影响，特别是在当下这个高速发展的中国。2011年7月18日，南京市遭遇暴雨袭击，市区内涝成河，给人们出行造成极大影响；2015年6月28日，因连日降雨，南京市多地发生内涝；2016年7月6日至7月7日，特大暴雨夜袭南京，部分城区内涝严重，城管用皮划艇转移居民。为了防止此类事件的再次发生时造成重大损失，急需对城市内涝做一定的研究，如对不同情境下的城市内涝进行数值模拟，再现积涝情景，以便正确做出应急措施。城市内涝数值模拟研究就是指利用水动力数学模型及GIS技术，实现暴雨情况下的城市内涝空间分布的数值模拟。

对此，本文选取为研究区域，位于龙王山山脚，且其大致形状为长方形，东西跨度较大，地形起伏较明显，在地势较低处易于形成积涝。因此考虑到校园地形起伏，排水管网以及地表类型以及降雨量分布等多方面因素，基于二维水动力模型FloodArea对在2017年6月10日和9月25日两次不同情境下的暴雨情况进行内涝数值模拟，模拟出两次暴雨下的校园24小时淹没分布图。根据两次暴雨积涝模拟出的淹没范围以及淹没深度，对比其实际淹没深度，确定二维水动力模型FloodArea模型是否具有可适用性，并分析校园主要受灾范围及其原因。

研究目的及意义

中国正处于城市化的高峰期，城市人口数量急剧增长，城市规模也逐渐扩大，与之相对应的是河流湿地逐渐减少，而可渗水的地表都变成了水泥地和沥青道路，从而使得地表径流增加，汇水速率加快，在低洼地更易于形成积水。另一方面，城市排水管网系统也存在很大的问题，城市化进程加快，城市基础设施的规划管理赶不上城市化步伐，城市雨水管道和城市污水管道错乱严重，雨水本该经由雨水管道排出却流入了管径较小的污水管道，致使地表雨水排出缓慢，而市民往排水管道塞垃圾等不文明的素质以及城市建设和管理的缺陷更是加重了城市内涝发生时的严重性。

南京地处于长江中下游地区，受季风气候的影响，每年6月中旬到7月上旬为梅雨季节，会发生持续性降水，有时也会出现短时强降水，使得南京成为我国受内涝较为严重的城市之一。南京作为江苏省的省会，人口密集，人们习惯了快节奏的生活方式，无法容忍城市内涝造成的出行困难。南京作为六朝古都之一，古典文物建筑数不胜数，地下工程也是极为普遍，一旦发生暴雨，就会对文物产生极大的损害，造成不可挽回的损失。位于南京浦口地区，地处龙王山脚下，每当暴雨来临，道路就会形成严重的积水，操场等地远远看去宛如一片汪洋，对同学们上课出行造成了极大的阻碍，也造成了一系列的经济损失。因此，我们急需针对城市内涝这一自然灾害进行研究，建立模型，生成城市内涝淹没图，并以此为根据，建立更加完善的城市排水管道系统，加强城市防洪治涝工程的建设，全面提升防洪防涝的能力。

本文是基于水动力模型FloodArea，考虑到承载体自身的脆弱性，并包含致灾因子的影响，以为研究区域，模拟出在2017年6月10日和9月25日两次暴雨情况下的校园淹没图。通过对校园淹没范围的可视化表达，确定主要积涝区，对灾害损失进行评估，对致灾因子进行分析，为学校后勤工作提供参考，从而更加完善校园排水管网问题并及时做好应急措施，同时也为同学们的出行提供有效的依据，当暴雨再次来临时，上下课的同学可以避开积水区，选择最佳路径，为出行提供方便，具有重要的意义。

研究现状

随着全球气候变暖以及城市化的步伐不断加快，城市内涝发生的频率日益增大，严重影响了人们的生产生活。建通堵塞，建筑损坏甚至是生命财产的损失等无一不急切的需要对城市内涝风险灾害进行研究。目前，国内外对于城市内涝灾害风险评估的方法主要三种：历史灾情数理统计法、指标体系法、水文水动力模型与仿真模拟法[1]。

历史灾情数理统计法是根据历史统计数据，利用数理统计分析的方法，找出其中的规律，建立暴雨城市积涝灾害发生的概率与各类影响因素及降雨量的数理统计分析模型，对未来的城市内涝灾害进行风险评估。对于内涝灾害的研究，主要是通过分析重现期、城市内涝淹没范围以及对人们的生命财产损失的关系，进而对未来的暴雨情况下的城市内涝灾害损失提供参考依据。Nott在2006年提出以长时间的历史洪水资料为依据评估区域洪水灾害风险的重要论述[2]；Benito等人根据根据过去近1000年的历史灾害数据、水文站点数据和近50年以来的规范记录，构建了基于历史灾情数理统计数据的评估城市洪水风险的方法[3]；张振国等人基于上海普陀区城市暴雨内涝灾害数据进行了分析模拟[4]；周魁一在2002年提出了“历史模型”的概念，并将该模型应用于城市内涝灾害风险分析[5]。基于历史灾害数理统计的方法进行城市内涝灾害风险评估只需要历史灾情数据，对于地理环境数据不需考虑，因此是目前研究城市内涝灾害风险最为简单的方法。但是随着城市的变化，地理环境因素以及城市的自身承载能力的变化，特别是排水管网的优化设计，对于城市内涝的发生的影响都显得更加重要，因此利用历史灾情数理统计的方法也就受到了一定的制约。

风险指标体系法是根据灾害的特点，研究者凭借对灾害研究的经验选取一定的指标体系，通过数学方法对相应指标进行处理分析，进行区域灾害风险评估。灾害风险评估指标法认为灾害风险主要由三个方面组成灾害的暴露、灾害发生的频率以及承灾体的脆弱性[6]。Aleksandra基于灾害风险的这三个因素，凭借自己的经验选择 了26 个指标对英国曼侧斯特市进行了洪水发生时城市脆弱性的评估，通过主成分分析以及有关数学方法的应用，找出了在洪水爆发时，城市受灾影响最为严重的高风险区域[7]。刘荆等人在2009年通过选取降水量、河网、高程、人口、经济等作为灾害风险指标，从致灾因子危险性和承灾体脆弱性这两方面进行考虑，对淮河流域暴雨形成的城市内涝灾害评估，其评估结果的可靠度也是极为明显的[8]。

基于水文水力学模型与仿真模拟的城市暴雨积涝风险评估是目前国内外研究城市内涝的主要分析方法。该方法考虑到地理环境要素，承灾体的脆弱性，研究当持续降雨或者短时强降雨落于地表，地表雨水通过城市管网的排出及下渗后形成的地表径流，在城市下垫面上的空间垂直分布和水平分布情况。借助已有的成熟的水文水力学模型及相关计算方法或依据研究区域自身特性独立开发的水文水动力模型模拟再现不同暴雨情境下的研究区内涝灾害情景，对灾害风险进行评估，为城市决策者在城市内涝发生时提供可靠的决策依据。英国Wallingford水力学所开发了InfoWorks模型，在InfoWorks模型中包含市政供水、雨污水、流域管理和河网系统等，并根据不用的用途主要分为三个模块：InfoWorks CS 雨污集水系统、InfoWorks WS 供水系统、InfoWorks RS 河流系统。除了InfoWorks模型，DHI的Mouse模型及Beven和Kirkby等提出的TOPMODEL模型等都具有较强的通用性，对于研究城市内涝的模拟研究提供了强而可靠的技术支撑。刘鸣彦基于FloodArea模型对抚顺清原南口前镇浑河支流流域的特大暴雨情形下的洪涝过程进行模拟，从而确定了暴雨临界降雨量，为该流域的洪涝灾害提供技术指导[9]。基于水文水力学模型与情景模拟技术对不同暴雨情景下的城市内涝模拟是一种更加直观，精确的方法，能够考虑到城市的地形，下垫面的脆弱性，致灾因子的危险性等多重因素，在目前的城市内涝数值模拟分析中也是较为成熟的一种方法。但其计算复杂、工作量大，这也是未来模型研究中的主要研究区域。

1.4 章节内容

本文的主要内容主要包含以下几个部分：

1. 研究方法的介绍

简单介绍FloodArea模型的主要功能及其各项参数设置，对该模型在进行内涝模拟时的计算原理做详细论述，并阐述内涝模拟中产流汇流对内涝形成的影响及其在FloodArea模型中的实现方法。

1. 基础资料的获取及处理

获取所需的两次暴雨发生时24小时降雨量数据，以及近三年以来的浦口区降雨量以用来计算重现期雨量，排除排水管网对积水深度的影响。根据的遥感影像图以及控制点坐标，对校园数字化，并生成DEM图，径流系数图和曼宁系数图。

1. 基于FloodArea模型的暴雨积涝数值模拟及模型验证

基于2017年两次暴雨的24小时降雨量数据，结合大的DEM数据和土地利用图，在FloodArea模型中对在两次不同暴雨情境以及3年重现期下的内涝进行模拟，用暴雨下的内涝深度减去3年重现期下的积涝深度，从而获取两次暴雨下的积涝分布图。选取校园内的一些点，对比模拟淹没深度和实际淹没深度，确定模拟结果是否具有可靠性。

1. 模拟结果分析

根据模拟结果，分析内易发生内涝的地点，并综合降雨量校内地形起伏等对内涝形成的原因进行分析。

2 研究方法介绍

2.1 FloodArea模型概述

二维水动力模型FloodArea是由德国Geomer公司研发出来的，依托ArcGIS平台，以模块形式与ArcGIS无缝集成。FloodArea模型的主要目的是确定泛洪区（淹没区），对洪涝进行再现模拟。

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