IFMS Urban软件在城市洪水风险图编制中的应用

洪水风险图编制　２０１８年７月第７期第２８卷　ＦＬ００Ｄ　ＲＩＳＫ　ＭＡＰＰＩＮＧ　ＤＯＩ：ＩＯ．１６８６７０．ｉｓｓｎ．１６７３－９２６４．２０１８０５９　ＩＦＭＳ　Ｕｒｂａｎ软件在城市洪水风险图编制中的应用　喻海军马建明张大伟穆　杰　（１．中国水利水电科学研究院，北京１０００３８；２．水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京１０００３８）　摘　要：依托全国重点地区洪水风险图编制项目，开展了通用洪水分析软件研发，形成了两个软件产品，即ＦＭＳ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｆｌｏｏｄ　Ｍｏｄｅ｝ｌｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）和【ＦＭＳ　Ｕｒｂａｎ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｕｒｂａｎ　Ｆｌｏｏｄ　ＭｏｄｅＩ　ｌｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）。ＦＭＳ　Ｕｒｂａｎ开发了高分辨率二维地表洪水分析计算　引擎、快速非结构网格生成模块，集成国内外广泛使用的ｓｗＭＭ（Ｓｔｏｒｍ　Ｗａｔｅｒ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ＭｏｄｅＩ）管网模型，并基于自主研发的Ｇ１Ｓ　平台，完成了模型的前后处理功能研发，实现城市管网与二维模型耦合。介绍了ｌ　ＦＭＳ　Ｕｒｂａｎ在成都市、呼和浩特市和太原市等城市　典型应用示例，表明其完全具备处理复杂的城市洪水问题的能力。　关键词：Ｉ　ＦＭＳ和Ｕｒｂａｎ软件；二维模型；管网模型；ｓｗＭＭ；城市洪水　中图法分类号：ＴＶ８７７；ＴＶｌ２２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７３－９２６４（２０１８）０７－１３－０５　洪水数值模型是防洪减灾重要的非工程措施，能够很　型。一维排水管网模型集成采用了国内外应用较为广泛的　好地揭示洪水演进在时间和空间上的变化过程与趋势，从　城市雨洪模型ＳＷＭＭ（Ｓｔｏｒｍ　Ｗａｔｅｒ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｍｏｄｅ１）ｌ４ｌ，　而在预警预报、灾害评估等方面发挥重要作用ｎ　。针对通用　并对ＳＷＭＭ模型进行了一系列的改进和完善，可以提供恒　国内洪水分析模型软件研发较为落后的现状，中国水利水　定流、运动波和动力波等方法，能够模拟城市排水管网和　电科学研究院联合南京水利科学研究院、河海大学和山东　河道中的压力流和明渠流，具备模拟城市产汇流、排水管　大学等单位，依托于全国重点地区洪水风险图项目，组织研　网汇流和雨洪调蓄设施等功能。二维地表水动力学模型采　发了新一代洪水分析软件ＩＦＭＳ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｆｌｏｏｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　用基于有限体积法的Ｇｏｄｕｎｏｖ格式离散求解二维浅水方程　Ｓｙｓｔｅｍ），填补了国产洪水分析软件的空白　】。ＩＦＭＳ及ＩＦＭＳ　组，其中Ｒｉｅｍａｎｎ问题采用Ｒｏｅ格式的近似解进行计算，底　Ｕｒｂａｎ已分别于２０１５年７月和１１月发布，并在多家单位多　坡源项采用特征分级离散，保证模型的守恒性，阻力源项　个洪水风险图编制项目中得到应用。本文重点介绍了洪水　采用隐式离散提高模型的稳定性，通过采用ＭＵＳＣＬ空间　分析软件ＩＦＭＳ中城市洪水分析模块ＩＦＭＳ　Ｕｒｂａｎ的模型原　重构和两步Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔａ法使得模型具有时间和空间二阶　理和应用场景，并对ＩＦＭＳ　Ｕｒｂａｎ在城市洪水模拟中的典型　精度，所有变量都定义在单元中心”Ｊ。基于自主研发的ＧＩＳ　示例应用进行了介绍。　平台，ＩＦＭＳ　Ｕｒｂａｎ还实现了排水管网模型与二维地表水动　１　ＩＦＭＳ　Ｕｒｂａｎ简介　１．１模型引擎　ＩＦＭＳ　Ｕｒｂａｎ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｕｒｂａｎ　Ｆｌｏｏｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）　力学模型的双向模型耦合。　１．２应用场景　ＩＦＭＳ　Ｕｒｂａｎ的应用场景主要包括　：　（１）城市暴雨内涝风险分析。ＩＦＭＳ　Ｕｒｂａｎ具备模拟计　是洪水分析系列软件ＩＦＭＳ中专门针对城市洪水问题研发　算城市地表产汇流、城市排水系统（包括管网和河网）的水　的，集成耦合了一维排水管网模型和二维地表水动力学模　流动力状况的能力，可以通过构建一二维耦合的水动力学　收稿日期：２０１８—０１—２９　第一作者信息：喻海军，男，工程师，Ｅ－ｍａＩ１．Ｉｅｉｖ＠ｇｍｘ　ＣＯｆｌｆ。　基金项目：国家重点研发计划（２０１７ＹＦＣ１５０２７０６）；国家自然科学基金（５１５０９２６３）。　ＣＨＩＮＡ　ＦＬＯＯＤ＆ＤＲＯＵＧＨＴ　ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ中国防汛抗旱一　１　４　洪水风险图编制　ＦＬ００Ｄ　ＲｌＳＫ　ＭＡＰＰＩＮＧ　十Ｉｌ　做拟城Ｉｉｉｉｕ：，水地　演进和风险分析　Ｔ作；｛　ｊ　烦琐　复杂．采川　ＭＳ　Ｌ；ｒ　ｌ　ｌ　Ｉ’：　处川　ｒｊ　ｌ　（２）城Ｉ　预｛１连　Ｉ　、　一　纠　ｊ僻线慨化之　，　终　ｍ　５涝　『ｆ１『颅测颅警系统、结合气象精细　进仃钉　ｈ枪　修Ｉ边　…：　水情数　，怏速预测可能　水的街道和积水　管道约１．５　Ｊ‘条　Ｉ叫　削分以成ｆｆｌ；Ｉｉ　城Ｉ×　绕城ｌ　　’述　深Ｊ笾，　城Ｉ｝　ｌＪ１ｆ【』、Ｊ涝预警提供支撑　（３）城ｌｆｉ排水管网系统　优化设汁ＩＦＭＳ　Ｕ１－ｈａｌ　界约　，以道路、堤防、　ＩＩｎ屯　作为Ｉ』、Ｊ部约　．　削分ｒ　１　３０　２５２个１　姚Ｉｊ！ｌ】　，ｆ』Ｉｌ　１制ｋ１Ｉ　２昕爪　捉ｆ，ｔ、ｔ运功波、动　Ｊ波　ｆ　定流等多种汁　方法选择，可以　处川　人，　１’：　排水系统．Ｊ　衙模拟　力流和尢　流的能　Ｊ，能够，Ｊ－ｆ　×．ｆ城Ｉｉ汁ｌ｝水僻网进　估和优化设汁　（４）城Ｉ　Ｈ洪州　没施的　ｆ＋和优化设汁　ＩＦＭＳ　川，　１１１也　的地　Ｊ　：流、地表漫流＿ｆｌＩ管渠汇流模　Ｊ火，能够仃效地埘·　常　的低影响开发或者海绵城　Ｉ　ｆ没措施、排水设泡（　泉站、蓄水池）进行评估和　优化　２典型应用案例　２．１成都市城区洪水风险图　Ｉｔｉ似』　【Ｊｕ　ＪＩｌ仃ｌｌｉ部，　ＪＩ　Ｊ　地　酃，属Ｋ江流　域ｍ【ｃ　、沱　水系，Ｉｌ　境『Ｊ、】岷　ｈ　长９６　ｋｌ１１、沱汀ｆ　流　【　Ｉ４６　ｋｕ，叫　币¨ｆ它ｆ　ｒｆｊ｛　域ｍｉｌ干ｊ　分ＪｊＩＪ【　５５％　４５％　成邯　Ｊ川　，『排水　准较低，抵御火吉气候能力弱　据统计，现状　Ｉ：Ｉ：『水　通排水怀准　脱ｊ９】　１．ｏ～１．５年的ＩｔＴ　６９％，重现期　小ｊ　１．５　的ｌＩ　９１％，　５外个市现有下穿隧道ｌ５４座，其ｆ１１　仃ｍ水　站的下穿隧道ｌ３８座，仙仪２６晦达到标准，　ｊ　余ｊ　隧道均　巾４家　新标准仃较大蓐　ｉ，排水能力　ｌｌ』Ｊ　址，．Ｉ　ｊ．发，ｌｊ　降水，必然　牛Ｉ夫Ｊ涝本项日编制　…址　『ｉ　绕城离述以内　域，总　约６００　ｋｍ　从　政ＩＫ域Ｉ　位折Ｉ　ｒＩ×　、武　Ｉ　ｘ＝、锦江　、金中　、成华　ｌ≮个＝　；以技新ｆｆ『；ＩＫ、坨　驿Ｉ　、双流Ｉ　和郫郜Ｉ　等部分　ＩＫｈ，Ｅ＂刈‘小次成１】ｊｆ５，ｔ／城Ｉ　的洪水　险　编制，采用ＩＦＭＳ　Ｌ　川　、　地＆－－？ｔｉ￣ｆ¨一维　ｆｉ－的　定流水动力学模　进ｆ川Ｉ水分忻汁钟：　个研究　ｌ韦Ｉ内，排水管网和　｝１１ｆＩ叫ＩＩ１水流使拟汁钟：采』Ｉｔ·维模型，地丧　他Ｉ）＜＝域的水　流运动乐川　绷ｉｆ５｛　汁斡，埘　涉技降ｍ的疗案，需要　逊　降ｍ　Ｊ　：流　钟：，录川ｌＦＭＳ　１）ａｌｌ巾的产流模块进行　汁ｌ　成　ＩｉｉＣＪ￣ｌｘ范＿｛；　涉　河道众多，建模选取了　１较　，Ｉｌ　人／Ｊ、河流　５５条，收集或测量断而近７００个一　刈　Ｈ　水　：　，收集刮原始约２５万条排水管道，数据处理　图１耦合模型网格示意图　图２主干道路上网格加密示意图　成鄙ｒｆ　ｅ水求源．』Ｌ没　汁钟：ｒ　２１个　１：ｆ：』洪水，Ｊ‘　案，分４炎：　ｍ　案、外洪ｈ‘窠、　ｉ￣ｌ：Ｊ　７　水　合，厂棠、ｆＪ　一　典型　ｍ，Ｊ。案　３　ｌ（）【）＂Ｉ－·遄　Ｊ：ｌ：』Ｉ』、】涝¨　淹没　流　场示意　图３　１ＯＯ年一遇暴雨内涝局部淹没和流场示意图　洪水风险图编制　ＦＬＯＯＤ　Ｒ｝ＳＫ　ＭＡＰＰ｝ＮＧ　纳　静怎　险　成　，　ｆｉ－ｌ　ｋｌｎＸｌ　ｋｌｎ。　川分　牢的　，　ｔｌ小ｉ：大ｌＪ　、３　ｈ　ｆｌ１６　ｈ设　ｊ　１ｌｌ符１　ＪＩ　水水川　象ｆ＇Ｊ￣ｉＪＩ｛数　，采川］１２ＭＳ【ｌｒＩ，；－Ｉｌｌ　心Ｊ　动念的　时帧　，外　世　；＿２ｉ２０年·　最大１　ｈ、３　ｈ　６　ｈ没汁　ｔＩ　ｍ　ｊ大Ｉ‘ｒＩＩＩ　发Ｊ　Ｊ　Ｊ　ｉ］／Ｓ　ｆｆＪ、ｌ，ｆ勺成１｝｝ｆｊ市ｒ　城Ｊ）‘＝洪水　乙１　：　平　，　…洪沟来水　Ｉ　进遇；（３）５０｛ｌ　－趔最人Ｉｌ　、３　ｈ　ｆＩ＿６　Ｉ　『』Ｉ　４　示系统　ｔ】　台采川恪　、“Ｉ功］：Ｏｌ－ｔ－Ｉ￣，寅脱２（）…＿ｌ１内怏　汁　雨　ｊ人ｆ　川Ｉ　山洪沟水水川　地趔；　ｌ（）（）ｆ　．趔址１　汁钟：　，　成３　ｈ　…；　ｉ　Ｊ　１，，１ｔ　－，　提ｆｉｔ３　Ｉｌｌｉｌ·怏速汁　卡Ｉｌ』　图４成都市城区实时洪水风险图管理平台　２．２呼和浩特市城区洪水风险图　【Ｉ于ｆｌＩｆ　特ｉｆｉｆ　Ｊ　Ｉ　Ｊ、】蒙ｆ　Ｉ　Ｊ　ｉ　Ｉｘ：ｔＩｔ　，ｊＪ　ｊｉ≮，』Ｅ　久菏ＩｌＩ　干¨尔』柯部蛮　义Ｉ『Ｉ乃１ｌＪ　Ｊ．＠ｇ　Ｊ　，Ｉ打　／殳　部　ｆ　默川平原　地肜，海拔　『　·　ｆ＇ｔｉ人菏１【Ｊ　套殿顺部，　２　２８０　Ｉｌ１，ｉｌ　Ｉ　海拔ｌ　０４０…呼￣ｉｌ　７１　特Ｊｌｉ址个　５４个　防洪城Ｉｔｉ之　．　地协尔一ＩＩ；『　、　Ｉ订低．北　久Ｉ　Ｉｌｌ、南洳一￣Ｖ．－－　ＩＩ水．北部大　ｉ，ｉ１ｌ】【　１９　ＩＩＩ洪　索沟、乌求　＝＝｛Ｊ、　批沁沟等多条沟渠穿　越ｌＩ　ｌｘ；－ｔｌ１人小　ｆ．Ｊ　排人火…ＩＪ＂　ｆ　尺然ｆ［＇，ｊＪｇＫ．Ｊ也势使　￣ｌｌ７，　特Ｉｆ　Ｉｆ　“　Ｉｘ　【！　受ｊ匕ｍ　１　ＪＩ　ｅ、』ｊ￡ｌ￣－ｉ￣的Ｉｖｌ４￣．　受大　川Ｉ水的喊　小次城Ｉ×ｌ　洪水ｋｔｌ；ａＩ　编制乐川ｔ的馍　软　什　ＭＳ　『】Ｖ１．０，构缱－　维钠合的城Ｉｌ￣ＴＪｔ，Ｋ卡；！　Ｉ　维十ｌｌ　Ｊ　网｛＇｝｝　Ｊ分以　乖ｎ　特Ｉｆ　绕城高述　为外　５约束，　以　战Ｉ　速、５　位铁路、涵ｊｌｉ４、侨＂￣４　７　，　ｔ－＾ＬＩｉ防、河流　ｆｊ－为『Ｊ、ｊ　约　，行埘ｉ－５￣ｌｘ：池…进行７Ｊ』１崭．　卡｝｝　寸大小约６０　Ｉ１１，城　Ｉ　ｊ监路ｎｌ，ｊｌ叫１：　Ｊ　Ｊ　约１５　Ｉｌｌ，｛Ｉ　＿ｌ　』ＪＪｋＩｘ：ｆ　域网十　约ｌ２０　Ｉｌｌ，　祭个　允　城』０制分ｒ　Ｉ３Ｉ　７６０个ｉ１￣７：７构川边Ｊｔ：Ｊ　卡｝｝，如　Ｉ冬ｌ　５』ｉＪＩ＝爪”，，ｌ、．·　ｉＨｔｌ￣水僻　使｝Ｉ　Ｌ考虑收　刮小状排水　竹＿、Ｍｌ４８０条．『』ｌｌｌ纠６所，Ｊｊ，各炎　，　（１：Ｉ：ｊ水仆、愉　”和ｍ水　）４８２个以ｌ』殳　站７－Ｉ１　１＼　汛１９】洪水、ｌＪ、ｊ涝川ｒｌ，ｆ发，ｆ　，ｉ　Ｌ－４１‘｛：Ｊ乏人ｆＨ火　，＂对外河　来源洪水汁ｌⅫ　ｆ．￣，Ｊｒ｛Ｉ，ｑＩＩ，Ｊ‘　‘ｌ　撼Ｉ：ｌ：ｊ　Ｊ　Ｊ、】涝　水ｆ１　响呼ｆ１１　特Ｉｉ　城Ｉｘ：　ｊ人ｌ。　１ＩＩ　本处川川·场　雨　，人Ｉ　ＩＩＩ　沟洪　水　ｊ城Ｊ　旧　卒　ｍ积水　，　和Ｉ浩特市城　洪ＩＩ：水情景　，Ｊ‘案ＩｌＩ　Ｊｉ、－　＇Ｊ　Ｌ　Ｊ　５　ｆ１｝Ｉ　ｉ　崾的　Ｉ：ｌ：ｊ洪水组合厅』　－－Ｉｌｌ０年一　火ｌ　ｈ、３　Ｉ１　６　ｈ　ｃ　训‘　『：ｉ：』　ｊ久Ｉ　ｒＩ＿ｌＩ符Ｉｌ　Ｉ沟水水川ｌｉ　世　遄；｛　２００　』｝｛大Ｉ　Ｉ１＇３　ｈ　ｆｉ】６　ｆｌ没汁》　』：『＝』　ｊ大Ｉ’ｒ１ｆ１　ＩＩ　Ｉ洪沟来水　巡遄Ｊ冬Ｉ　７　ｆＩ】　ｌ　５（）　趔３｝Ｉ　汁　Ｉ：ｌ＝『　ｈ　下如ｋ　Ｊ≮淹没ｆ　Ｉ韦Ｉ降Ｉ　ｆＩ　】７　、　水　｝ｆｌｊ＿　图５网格划分示意图　图６管网示意图　．－－ｈ　．　Ｊ　一毒　二　｛　·　　，爱？　，　’·　一‘－＿　●●　。’●　：　一　，　：２　每擎　’　’　一　，，潞　Ｉ　’，，　一’　。　０　图７　５０年一遇３　ｈ设计方案积水水深图　口　１　６　洪水风险图编制　＿ｊ　ＯＯＤ　ＲＩＳＫ　ＭＡＰＰ　ｒＮＧ　表１　５０年一遇３　ｈ设计暴雨易涝点积水情况表　２．３太原市城区洪水风险图　ｋ　Ｉｉ　ｆ　Ｊ　ｌ　ｌＩ　ＩＪ　Ｌ　竹－Ｉ＇－Ｉｔ…０ｒ　ｔＩ，『０久ＪＪｊ　ｉ　地．　｝‘芷ｌ　人ｆ　Ｉｌｌ　ＪＪ永Ｉ　Ｊ　Ｊ．　·ｆ　ｉ　Ｊ　，『ｌ＝　ｊ．　、Ｉ　Ｊ　Ｌ　Ｉ『Ｉ埘　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