关键词：天津市；暴雨沥涝；仿真模型；排水管网；信息处理系统

天津市位于海河流域下游，是我国北方重要的工业城市。由于其特殊的地理位置和低洼的地势条件，加上近几年快速的城市化发展，使天津市的城市沥涝灾害日趋严重。减轻城市洪涝灾害，已成为天津市发展迫切需要解决的问题。

本文开发的天津市城区暴雨沥涝仿真模拟系统，是水利部门首次与气象部门合作进行的由城市暴雨预报、监测到城市暴雨沥涝仿真模拟的研究，改变了以往单纯研究城市气象灾害或城市洪涝灾害，为城市洪涝灾害的系统及应用研究作了非常重要的探索和尝试。

图1 仿真模型计算网格

本系统主要包括两大部分：(1)暴雨沥涝仿真模型。该模型是在国家自然科学基金“八五”重大项目“城市与工程减灾基础研究”502子专题的研究成果之上[1]，以原有的城市洪涝仿真模型为基础，在仿真模型中进一步探讨了城市排水系统的模拟，首次实现了城市暴雨内涝的地面积水模拟与城市管道水体模拟之间的结合，较好地模拟了天津市由于地面不均匀沉降造成的地势低洼，排水管道能力不足等复杂因素形成的暴雨沥涝的形成过程，它所提供的市区积水分布范围、积水深度、积水时间等计算结果，为各级领导减灾决策、市民防灾等提供了很好的依据和参考；(2)图形信息管理模型。该部分包括图形信息的前后处理模型，其中前处理部分包括处理降雨资料信息和模型数据信息：它将天津市气象局提供的降雨空间分布数据离散为仿真模型需要的降雨边界条件，并可按用户的要求任意选取计算的降雨时间和降雨类型(预报值、监测值或其组合)，后者为仿真模型提供计算数据的编辑、修改等功能；后处理部分能够为用户提供暴雨沥涝计算结果的不同形式的查询，使系统成为完整的、开放式的应用软件，大大提高了仿真模型的实用性。

1 仿真模型

1.1 仿真模型的逻辑结构与信息过程 天津市暴雨沥涝仿真模型总体结构与信息流程见图2.

1.2 仿真模型的控制运行方式 仿真模型的运行主要由初始条件、边界条件及控制参数3个数据文件控制。此外，本模型还将降雨信息作为特殊边界条件。当选取不同的降雨信息后，模型便采取不同的运行方式，参见图3.

(1)预报计算：选取不同的数值预报降雨过程，名字为PR*.DAT, *号分别用年月日时命名。该过程的空间定义方式是：将天津市区划分为5 km×5 km的网格，每个网格的格点有一个预报过程，选取一个降雨预报数据后，系统自动将格点处的降雨过程插值到仿真模型的网格形心处，作为模型的降雨边界条件，模型即可计算未来降雨情况下市区的沥涝分布状况；

(2)监测计算：通过雨量监测仪器得到的逐时降雨数据由网络传输进入系统，名字为AR*.DAT,

*号以年月日命名，用户可以任意选取其中的一段(包含若干个逐时的文件)，由于雨量站的空间位置已知，系统亦可经过处理生成仿真模型计算需要的数据，进行降雨沥涝的实时监测计算；

图2 天津市暴雨沥涝仿真模型结构

(3)预报与监测叠加计算：当在降雨过程中进行模拟计算时，可以选取一段已知的监测数据，再选取一段数值预报数据，两者叠加后的计算结果可以提供未来降雨条件下市区沥涝的分布状况，其中监测数据对预报值的替换减小了预报数据误差对计算结果的影响，使降雨预报和监测的服务作用同时得到发挥。

图3 模型三种运行方式框图

1.3 仿真模型中排水管网系统模拟方法的改进

1.3.1 明、满流共存的计算方法 为解决同一管段内有压流与明渠流的交替计算问题，模型借鉴了Preissmann提出的“明窄缝”(open slot)的概念[2]：假设在每一网格内的管道顶端有一个连续的、狭长的窄缝，存在一个自由水面，管道内的水头用窄缝内的水头表示，计算流量时采用窄缝内的水头，则有压流可以转换为明渠流计算。由于窄缝的宽度假设为非常小，因此窄缝的存在将不影响连续方程的计算。具体计算步骤见参考文献[1]，其中管内流量Qd的计算修正为：

(1)

式中：Ｑd为管道中的流量，可以为有压流或明渠流；Hd为管道内平均水深，当流态是明流时，为管道内实际水深，当流态是有压流时，为窄缝内压强水头；ld为管道的长度；nd为管道糙率；Ad为过水面积，R为水力半径。

1.3.2 排水管网的空间布置方式 模型中地下排水管网需要针对具体划分的网格进行合理概化。由于管道间的流量计算以网格中是否存在管道为判断条件，因此需要在网格中定义管道间的关系。模型在管道数据中将含有管道的网格之间用网格号相互关联，即每个含管道的网格都有一个数组用以输入与其相连的网格号(该网格含有管道).管道有以下几种布置形式：①“I”型：有两个含管道的网格与此网格相连；②“T”型：有三个含管道的网格与此网格相连；③“+”型：有四个含管道的网格与此网格相连。参见图4.

图4 排水管网概化布置

此外，为保证仿真模型的通用性，使新增数据不影响原数据的结构和使用，模型还专门开发了处理这一数据集的程序，它可以在网格基础数据之外进行输入、修改，完成输入和修改后点击这一选项，即可完成管网数据对原网格数据的更新，进行新方案的计算。

1.3.3 特殊通道上排水泵站及闸门的计算 模型中尺度较小的排水渠可以概化成特殊通道，其两岸排水设施也同样可以设计排水泵站或闸门(参见图5)，将网格与通道间的计算流量中加入泵站或闸门的排水量，每个通道所属的节点单元分别叠加排水量的二分之一，使其成为通道内部的循环水体。泵站的计算排水量以网格或管道内水量为控制条件，排水能力大于水量时，计算流量将自动调节；闸门的计算流量值同样按自流口门的设计流量和网格及管道内水量为条件进行调节。

1.3.4 网格管道排水能力的确定 由于城市排水管道信息只提供部分主要排水管道的分布及管径，将其概化为网格参数需要根据网格的面积、高程以及建筑物分布状况等不同情况进行设定。根据城市排水管道设计规范[3]，模型中取天津市排水管道设计标准为(2800～3800)m3/km2，并计算出相应网格的管道长度。

1.3.5 管道端排水泵站的计算方法 模型中管道的模拟使泵站可以与排水管网的计算有机地结合起来：

图5 特殊通道计算示意

地面积水向管道内泄水，管道沿各自系统汇合至出口处，出口处由泵站向河道抽水或闸门向河道泄水，形成“雨水→地面积水→管道中水→河道中水”的过程模拟。这样不仅可以使积水排泄的模拟更为合理，而且可以较好地反映出地势低洼处管网的排水效果。计算过程参见图6.

图6 管道计算框图

2 仿真模型的验证与应用

2.1 1995年8月16～17日暴雨过程的验证 为验证模型的基本属性数据和汛期各泵站、闸门、管道系统及其调度运行规则数据化后的合理性，根据天津市气象科学研究所提供的资料，选取1995年8月16～17日的暴雨过程作为验证的计算边界条件，如图7所示。

本方案的计算初始条件为：一级河道水位1.0 m(选用大沽高程系)；管道内基本腾空；所有排水泵站、闸门均开启。计算过程中一级河道由上下游水位控制，河道内最高水位控制在2.0m；二级河道内最高水位控制在1.5m.验证结果见表1.　　由表1可以看出，52个测点中，40处水深的绝对误差在0.10 m以下，占所选点数的77%.10处水深的绝对误差在0.10～0.20m之间，占19%.即水深的计算误差值在0.20 m以下的占96%.

除上述验证的结果外，模型还将积水的范围与天津市排水管理处提供的积水片分布图进行了比较。通过对比表明，分布图中34处主要的积水片在模拟结果中都包括，一些小面积积水区域，如长江道附近、小马路一带、平山道一带、民安街附近等处，不包含在34处积水片中，但有实测积水资料，在计算结果得到了反映。因此模型对市区积水范围的模拟结果是较为准确的。

图7 1995年8月16日14：00-17日13：00降雨过程

2.2 验证小结 通过对验证结果的分析，我们得到以下结论：

(1)模型可以较为合理地模拟天津市的暴雨沥涝过程，可以用来进行暴雨沥涝的监测及预报模拟；

(2)天津市目前的暴雨沥涝十分严重。通过模拟发现，当发生强度为1995年8月16～17日的降雨时，市区将出现大面积的积水，积水深度在0.20 m以上的积水片多达40多处；

表1 “1995年8月16～17日”降雨过程水深验证(单位：m)