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城市暴雨内涝精细化模拟：关键技术剖析与创新方法研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球气候变化的加剧以及城市化进程的不断加速，城市暴雨内涝问题愈发突出，已成为影响城市可持续发展和居民生活质量的重要因素。近年来，极端降雨事件频繁发生，许多城市在暴雨面前不堪一击，内涝灾害频发。例如，2021年7月河南郑州遭遇罕见特大暴雨，短短数小时的降雨量突破历史极值，城市多地出现严重内涝，造成了重大的人员伤亡和财产损失，大量车辆被淹、交通瘫痪、居民被困，城市的正常运转陷入困境。这样的案例并非个例，北京、广州、武汉等城市也多次遭受暴雨内涝的侵袭。

城市暴雨内涝的形成原因是多方面的。气候变化导致降雨模式发生改变，暴雨强度和频率增加，超出了城市现有排水系统的承受能力。城市化进程中，大量的自然下垫面被硬化地面所取代，如混凝土路面、沥青路面等，雨水的渗透能力大幅下降，地表径流迅速增加。同时，城市排水管网建设相对滞后，部分管网老化、管径过小、布局不合理，无法及时有效地排除雨水，进一步加剧了内涝的发生。

城市暴雨内涝带来的危害是全方位的。在经济方面，内涝会对城市的基础设施、工商业活动以及居民财产造成直接损失。被淹没的道路、桥梁需要耗费大量资金进行修复；工厂、商店因积水停产停业，导致生产中断和经济收入减少；居民的房屋、车辆、电器等财物也会在洪水中受损。在社会层面，内涝严重影响居民的正常生活，威胁到人们的生命安全。交通拥堵使得居民出行困难，学校停课、医院运转受阻，给社会秩序带来极大的混乱。此外，长时间的积水还容易滋生细菌和病毒，引发疾病传播，对居民的身体健康构成潜在威胁。在环境领域，内涝可能导致污水外溢，污染地表水和地下水，破坏城市的生态环境，影响城市的景观和生态平衡。

为了有效应对城市暴雨内涝问题，实现城市的可持续发展，开展城市暴雨内涝精细化模拟研究具有重要的现实意义。精细化模拟能够提供更加准确、详细的内涝信息，包括积水深度、范围、流速、流向以及淹没时间等，这些信息对于城市规划和内涝防治至关重要。

在城市规划方面，精细化模拟结果可以为城市的土地利用规划、排水系统规划以及防洪减灾规划提供科学依据。通过模拟不同区域在不同降雨情景下的内涝风险，城市规划者可以合理调整土地利用布局，避免在高风险区域进行大规模开发建设。例如，在易涝地区规划建设公园、绿地、湿地等具有调蓄功能的生态空间，既能美化城市环境，又能起到调节雨水径流、减轻内涝灾害的作用。在排水系统规划中，利用精细化模拟技术可以对现有排水管网进行评估，找出其薄弱环节，有针对性地进行改造和扩建。根据模拟结果确定合理的管径、坡度和排水口位置，提高排水系统的排水能力，确保在暴雨情况下能够及时排除雨水。

在城市内涝防治方面，精细化模拟有助于制定科学合理的防治措施。通过模拟不同防治措施的实施效果，如建设雨水调蓄设施、推广海绵城市建设、优化排水调度方案等，可以评估各种措施对内涝的削减作用，从而选择最优的防治方案。对于一些重要的城市区域，如商业区、交通枢纽、学校、医院等，可以利用精细化模拟技术进行重点分析，制定专门的应急预案，提高应对内涝灾害的能力。在灾害发生时，精细化模拟结果还可以为应急救援提供决策支持，帮助救援人员快速了解积水情况，合理安排救援力量，提高救援效率，最大限度地减少人员伤亡和财产损失。

1.2国内外研究现状

城市暴雨内涝模拟技术的发展经历了多个阶段，在国外，早期的研究主要集中在简单的水文学模型上，如美国的SCS曲线数模型，该模型通过对下垫面条件和前期土壤湿度的分析来估算径流量，但它对城市复杂下垫面和管网系统的考虑较为有限。随着计算机技术和水动力学理论的发展，更为复杂和精确的模型逐渐涌现。例如，英国的InfoWorksICM模型，它能够全面考虑城市排水管网、地表径流以及河道水流之间的相互作用，通过对管网系统和地表进行详细的建模，实现对城市雨洪过程的较为精确模拟，在欧洲多个城市的排水规划和内涝分析中得到了广泛应用。美国的SWMM（StormWaterManagementModel）模型也是应用极为广泛的城市雨洪模型之一，该模型可以模拟不同土地利用类型下的降雨径流过程，计算管网中的水流状态以及溢流情况，能够为城市排水系统的设计、评估和管理提供重要依据。

在国内，早期的城市雨洪研究多借鉴国外的模型和方法，并结合国内城市的特点进行应用和改进。随着对城市内涝问题的重视程度不断提高，国内学者在模型研发、数据应用以及模拟方法等方面开展了大量研究工作。例如，一些学者针对我国城市地形复杂、下垫面类型多样的特点，对SWMM等模型进行参数优化和本地化改进，使其更适合我国城市的内涝模拟。同时，国内也在积极探索自主研发城市雨洪模型，如武汉大学研发的城市雨洪模型，该模型综合考虑了城市的地形地貌、管网布