2016深圳杯一等奖优秀a4广西大学清源

1、2016 年“杯”数学建模A 题赛市河流域光明片区水环境综合整治方案可行性评估学校：广西大学指导教师：（数学与科学学院，副教授，博士）（环境学院，讲师，博士）队员：媛（环境学院污染工程）王石（环境学院环境网络模型）（计算机与)，学院）：邮箱：()(cliang)，(sunxiangphd)摘要水环境风险主要指水质恶化以及洪涝灾害对于系统的不利负面影响，快速城市化地区水环境风险评估与预警是国际前沿的热点问题，是的前沿阵地，城市化水平高，城市化进程快，水系发达，城市化过程水环境风险问题突出。本研究目的旨在通过数学建模对市提出的河流域水污染综合整治方案实施后的效果进行评估，分析方案目标可达性并提出完

2、善修改建议，以期为地方提供有一决策参考。河流域水污染综合整治方案提出了保障和水质两个方面的目标，方案目标可达性分析其前提在于对方案确立的目标进行分解量化。本研究提出，保障的目标可分解量化为：(1) 干流达到 100 年一遇，支流河道达到 2050 年一遇防洪标准下城市建成区不被淹；(2) 50 年一遇大暴雨下城市建成区内涝能在 2 天内排干，并且 2 天内路面积水期居民住宅和工商业物的底层不进水，道路中一条车道积水深度不超过 15cm；(3) 城市建成区 30%面积达到海绵城市建设标准即 70%的降雨能就地消化和利用，入河雨水量小于单次降水量的 30%。水质目标可分解量化为：(1)河干流近期消

3、除黑臭，即在 0.25 米以上(要达到这个以上，氨氮在 8mg/L 以下；(2)悬浮物浓度在 15mg/L 以下)，溶解氧在 2mg/L河干流远期达到 类水，即悬浮物浓度在15mg/L 以下，溶解氧在 2mg/L 以上，氨氮在 2mg/L 以下，化学需氧量在 40mg/L以下，总磷在 0.4mg/L 以下。本研究构建地表产流模型、地面汇流模型、水流在输移的动态波方程以及雨水在水网中传输的一维非流模型等，模拟 100 年、50 年、20 年一雨情景，上游大、中型蓄、滞洪工程(湖库等)以及中下游河道清淤清障工程、排涝泵站抽排工程实施并同时发挥作用后，河流域干流及其 13 条一级支流、17 宗水库水

4、位以及建成区洪涝受灾区域，评估洪涝灾害强度和风险。构建地表污染物的累积模型和冲刷模型、污染物在仅考虑污染物降解和平移扩散水质模型(系统输移的完全混合一阶衰减模型、用于COD、氨氮、总磷非持久性污染物的非稳态混合衰减累积流量模式等)，采用差分解法，模拟河干流从上游到中游 12 公里长截流箱涵工程、湿地净化工程、7090%的建成区实现截污纳管、雨污分流部分或、光明污水处理厂改造提升工程、公明污水处理厂改造提升工程、松岗水质净化厂改造提升工程等实施并发挥作用下，城市暴雨径流面源污染物输出以及三个污水处理厂点源污染物排放共同胁迫下，各评价河段污染物的排放量，并与计算得到的各河段谁环境容量对比，计算干和

5、支流各时刻水质达标情况。河流域主2，ArcGIS10.1，ENVI5.1，SWMM5.0。研究中使用的模拟研究中使用来人口进行对现有的年份与人口数据作基于最小二乘法的拟合，并对未；使用 ArcGIS 分析多源数据在空间的拓扑，以及处理基础高程数据，划分流域、设置概化管道数据、人口分布等；使用 ENVI 处理 Landsat8数据和数字高程数据（DEM），辐射定标、大气校正、几何校正、监督解译等，得出该区域的土地利用数据，坡度数据等；使用 SWMM 模化流域集水区模型、管道集水模型、河流水库模型等。综合使用上述构建整个模型评价系统，我们提出的不同情景模式，对河流域光明片区的水环境综合整治方案可行

6、进行评估。结果表明：(1) 100 年设计暴雨重现期下， 假设的最大溢出高度 8m 内；支流新坡头河和河干流最大水位为 5.67m，在水在 50 年重现期下超出假设的 4m 溢流水位，其他支流均在 4m 以下。玉田河和东坑水超出 20 年及 50 年设计量，不能满足防洪要求，其余支流及干流均能满足设计防洪要求。在 3个小时的设计暴雨下，研究区各区域均出现不同程度的积水，积水比例最高的区凼区域，三种重现期下积水程度均超过 88%。以 50 年的设计暴雨为域为凼区域和木墩东坑区域，均 4.16 小时，最例，各区域的最大积水时长为小积水时长为玉田区域的 3.31 小时。在假设的最小需水量下水、新坡头

7、水及水现有状况能满足最小需水量，东坑水和玉田河则不能达到最小需水，有断流干涸风险。(2) 现有的截排式排水系统在旱季，经由箱涵进入光明污水处理厂河和污水处理厂的水量只有 35.53%和 37.87%；在雨季，20 年的设计暴雨重现期下，12 小时的水量已经超出污水处理厂的设计处理规模，而且进入污水处理厂的水质污染物浓度波动较大的要求。在雨污分流情景下，干旱季节污水处理厂仍然污水处理厂处理水质上述问题。考虑 2020年河干流达到 V 类水质的目标要求，每年的最大河流污染物容量为COD10178.70 吨，TP143.13 吨，TN406.26 吨，在现有的截排模式下，TP 的排放量均在最大负荷之

8、下，COD 和 TN 的排放量均超出最大负荷，即在 2020 年无法达到水质 V 类水要求。在雨污分流情景下，TP 排放量不，COD 和 TN 均超容；(3)在 5%的低影响开发比例下，径流削减率为 19.20%，COD、P、TSS的削减比例分别为 55.05%、48.94%、45.20%、60.14%；在低影响开发比例在 25% 的情况下，径流削减率为 57.34%，COD、TN、TP、TSS 的削减比例分别为 54.32%、 52.11%、51.79%、57.96%。建议：1）在旱季，以一部分河水作为污水处理厂的补充进水，使污水处理厂能达到正常运行；2）在雨季，将前一小时二十分钟的箱涵污水

9、介入污水处理3厂进行处理，其余污水直排如河流。考虑到水质超标的指标污染物为 COD 和 TN，建议低影响开发比例设置在 10%左右。：水环境建模；建模；大截排；雨污分流；海绵城市4目录1. 研究背景71.11.21.3研究区选择和区域概述7雨污分流与大截排情景对比分析10河流域水环境综合整治技术方案简述11市1.3.11.3.2整治工程11技术方案拟定的技术方案拟定的水环境治理工程121.4 科学问题的提出122.治理工程模型132.1. 问题重述132.2. 模型假设132.3. 符号说明142.4. 问题分析152.4.1.2.4.2.2.4.3.2.4.4.降雨历程模拟15地表径流量的演

10、算18地面汇流量的演算18汇流量计算202.5. 模型的建立与求解212.5.1. 问题一：对现有防洪设施是否满足防洪标准的分析212.5.2. 问题二：对当前设计暴雨量是否满足内涝设计标准的分析262.5.3.问题三：对上游需水量的分析313.水环境治理工程模型323.1. 问题重述323.2. 模型假设323.3. 符号说明333.4. 问题分析343.4.1.3.4.2.地表冲刷量计算34人口模型353.5.模型的建立与求解363.5.1.3.5.2.3.5.3.问题一：假设情景下雨水直排所产生的污染物量在各段的排污量值36 问题二：在 2020 年前生活污水的产生量41问题三： 202

11、0 年前生活污水合雨水对污水处理厂造成的负荷的分析5.443.5.4. 问题四：雨水污染物的分段的分析453.6.小结484.海绵城市的低影响开发（LID）情景分析505.模型评价与改进526.结论与建议53参考文献55附录 1：芝加哥暴雨模型57附录 2：地表径流模型60附录 3：地面汇流模型62附录 4：汇流模型64附录 5：地表污染物积累模型67附录 6：地表污染物冲刷模型69附录 7：污染物混合一阶衰减模型71附录 8：面源污染物扩散模型72附录 9：河流域各河道典型断面设计洪水成果73附录 10：市 19852014 年年末常住人口74附录 11：地表水环境质量标准基本项目标准限值7

12、561. 研究背景1.1 研究区选择和区域概述河是市第一大河，发源于境内的羊台山北麓，属珠角水系，位于市西北角，属宝安区境内，与东莞市搭界，主要宝安区的石岩镇、流域面积为 344.23km2，光明街道、公明镇、松岗镇、沙井镇与东莞安镇其中境内流域面积 266.85 km2 ，东莞境内面积 77.38 km2。研究区选区河流域在光明片区的范围，总面积 146.14km2，区位图如图 1-1 所示。在研究区内，除 新坡头河，木墩河， 罗村水库，碧眼水库，1-2 所示。河主干流外，研究范围内的对象还水，楼村水，水库，水，玉田河等支流，水库，莲塘水库，水库等水库以及光明、两个污水处理厂，具体情图 1-

13、1市河流域光明片区区位图图 1-2研究区域水系图因为管道基本上是按照道路铺设的，因此在缺少管道的情况下，我们将道路当作管道对研究区域进行划分，共划分出 235 个子汇水区域（如图 1-3 所示），以提高计算地表径流量及汇流量的精度。为了方便命名管理这 235 个小区域，我们又根据河流水系的分布情况以及高程数据的分析结果，将其按照所处支流的汇水范围进行分组（如图 1-4 所示），并按照空间上该汇水区域相邻左右两侧的河道名称命名，汇集成十个大的区域。例如，第 4 区所处位置7是由楼村水支流，木墩河支流以及河所围成的区域，故该汇水区域命名为楼村木墩汇水区。汇水区域分组与子汇水区域编号对应如表 1-1

14、 所示。图 1-3子汇水区域编号图图 1-4汇水区域分组情8表 1-1汇水区域分组与子汇水区域编号对应情况目前该区域的主要水环境问题为：河中上游片区 9 条支流、4 条排洪渠各河段河涌水体黑臭。根据水质监测数据，河流域内干流、支流水质均为劣类。目前该区域雨污混流普遍，污水处理效益不高。9区号汇水区名称子汇水区编号1白沙汇水区218、225、227、228、230、231、232、2332大凼汇水区162、163、164、165、166、167、171、172、173、175、176、179、180、181、182、183、184、185、187、188、189、190、191、193、194、

15、195、198、199、200、201、202、203、204、207、208、209、212、213、216、217、221、2223新坡头楼村汇水区81、82、83、86、87、88、93、95、97、99、100、101、102、103、104、106、109、111、112、115、116、119、121、123、124、126、127、128、130、132、133、135、139、143、144、146、158、161、174、179、2294楼村木墩汇水区113、118、125、131、138、141、144、146、153、154、155、157、158、159、168、169

16、、170、174、177、179、186、188、1975凼汇水区84、91、92、94、96、98、105、107、108、110、114、117、120、122、129、134、136、140、142、145、147、148、149、150、151、152、156、1606木墩东坑汇水区81、82、83、86、87、88、93、95、97、99、100、101、102、103、104、106、109、111、112、115、116、119、121、123、124、126、127、128、130、132、133、135、139、143、144、146、158、161、174、179、2297

17、东坑汇水区23、25、26、32、34、37、41、44、46、50、52、53、55、56、58、60、63、65、66、67、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、85、89、90、95、97、99、100、1278大凼玉田汇水区5、8、10、15、16、19、22、24、36、42、43、45、49、57、59、61、62、64、68、69、70、96、989玉田汇水区1、2、3、4、5、6、7、9、11、13、14、17、20、21、23、24、26、27、28、29、30、31、32、33、35、38、39、41、45、47、48、51、53、54、66、68、

18、71、76、89、9710大集水区1.2 雨污分流与大截排情景对比分析雨污分流与大截排的系统概化图见图 1-5、图 1-6。雨污分流情景下，雨污管网经重新规划布局和建设实施后，雨水进雨水并最终就近排入附近水体，污水进入污水并最终送污水处理厂处理达标排放。大截排情景下，原来的混排格局改变不大，雨水和污水混排水接入大箱涵后送污水处理厂处理达标排放。大截排情景下，优点是对现有的混排格局改变的投入不需要太多，减少建设的投资，减轻财政资金投入的，雨水截入箱涵送污水处理厂处理，城市面源污染将得到一定程度处理，雨水不就近排入附近河流，缓解局部区域的污染压力；缺点是上游由于被截流大大增加污水处理厂的处理需水难

19、以保障，另外大量雨水送污水处理厂处理，来水水质不，给污水处理厂带来较大冲击，污水处理厂处理效率难以保证。雨污分流情景下，优点是生活污水会得到较为彻底的处理，雨水不送污水处理厂，污水处理厂的负荷和大大减轻；缺点是雨污需要重新规划布局，投入较大，另外目前污水处理厂的设计规模较大，如果仅考虑生活污水，生活污水来水量小于污水处理厂的设计规模，污水处理厂的有效利用率不高，带来了闲置和浪费。图 1-5 “”雨污“分流”系统流程图10图 1-6 “截排”雨污“合流”系统流程图1.3市河流域水环境综合整治技术方案简述1.3.1 技术方案拟定的整治工程(1) 整个流域范围内 9 条一级支流的河道综合整治工程；(

20、2) 整个流域范围内主要排洪渠综合整治工程，含xx 水务发展“十三五”规划提出的小流域综合整治工程；(3)(4)(5)(6)(7)排涝泵站工程； 底泥处置工程；xx 湖综合利用开发工程； 调蓄湖工程；智慧水务综合管理平台；111.3.2 技术方案拟定的水环境治理工程(1)(2)(3)(4)(5)雨污水分流未覆盖污水建设工程；区域工程及源头分散污水处理设施工程；污水处理厂再生水补水工程； 湿地工程；河流域滨水综合开发规划研究项目。1.4科学问题的提出问题 1：100 年、50 年、20 年一雨情景，上游大、中型蓄、滞洪工程(湖库等)以及中下游河道清淤清障工程、排涝泵站抽排工程实施并同时发挥作用后

21、，城市建成区是否被淹？是否满足实施方案中提出的的目标可达性难以保证，设计海绵城市低影响开提高？目标？如果实施方案景下目标可达性是否能显著问题 2：干流从上游到中游 12 公里长截流箱涵工程、湿地净化工程、7090%的建成区实现截污纳管、雨污分流部分或、光明污水处理厂改造提升工程、公明污水处理厂改造提升工程、松岗水质净化厂改造提升工程等实施并发挥作用下，城市暴雨径流面源污染物输出以及三个污水处理厂点源污染物不不均匀排放胁迫下，河流域主干和支流各时刻水质是否达到V类水标准。122.治理工程模型2.1.问题重述属于亚热带海洋性气候的临海城市，暴雨发生频率高、影响面广、危害性大。平均每年降雨量 196

22、6.6mm，降雨日数 144d，暴雨日数 9d，大暴雨日数2.2d。近年来，每逢下雨，就会出现“小雨小淹、大雨大淹”，以及关外逢暴雨必有大内涝的状况，内涝已经成为制约城市发展不可回避的问题。防灾减灾等决策部门除需要及时的天气预报和雨情外，还迫切需要因降雨导致的内涝，掌握内涝发生的分布特征及灾害风险大小等。防洪、排涝、排水三部分，片区由 1研究区域的治理工程主要条干流及 13 条一级支流、17 宗水库组成。现有的防洪体系主要遵循“以泄为主，以蓄为辅”的原则，其中干流段大部分已完成河道综合整治，部分支流已经进行过整治，但整治岸性较差，部分河道防洪道路不通畅的问题。涝片主要采用“高排、低水抽排”的治

23、理原则，通过排水收集雨水，通过闸、涵封闭涝片，涝水通过泵站外排。研究区目前排水管道较为复杂，老城区的地下雨水和污水乱接现象严重，未形成完整的排污体系。综上，我们要对现有解决措施进行如下评估：（1） 干流防洪标准能否满足 100 年一遇，支流防洪标准能否满足 20-50 年一遇；（2） 内涝防治设计重现期 2020 年为 50 年一遇，发生 50 年一遇的暴雨， 此时能否满足居民住宅和工商业超过 15cm；物的底层不进水，道路中一条车道积水深度不（3）现有设施对研究区域上游水量造成的影响是否在可接纳的范围内。2.2.模型假设（1）假设城市化对流域产汇流没有影响。（本文计算的流域内建成区绿地覆盖情

24、况良好，在一定程度上提高了入渗滤以及流域截流能力，因此从流域城市化对流域内影响的不确定性方面考虑，暂时不考虑城市化因素对产汇流的影响。）13（2）假设汇水子区域出口处的地表径流为均匀流，且水库的出流量是水库水深的非线性函数。，因此出流量 Q 是与 t（在实际情况中，出口处的地表径流的速度是变速相关的函数，但其具体函数难以计算，加之速度变化不大，因此我们可以假设地表径流为均匀流，Q 值即为，方便列式计算。）（3）假设降雨是空间均匀的，即不考虑降雨的空间变化，同时降雨在各时段内是均匀的，在各时段之间不同。（由于本文所研究的汇水子区域面积较小，所以假设降雨是空间均匀对结果产生实质性影响。）2.3.符

25、号说明14符号含义A洼蓄量mmA0潜在洼蓄量mma雨力参数mm/minb降雨历时参数minE蒸发量mmFf摩擦阻力Ng重力度，取 9.8m/sm/sH静水压头mh汇水子区域坡度I降雨量mmib峰前上升段瞬时暴雨强度mm/minia峰后下降段瞬时暴雨强度mm/mini*净雨量mm/minL1汇水子区域宽度mn暴雨衰减指数n粗糙系数r雨峰系数S1洼蓄透水面积S2洼蓄不透水面积2.4.问题分析为了建立工程模型，并且要模拟在不同重现期下，如何制定标准。该模型分成三个子问题进行分析：第一是现有的防洪设施能否满足城市安全的需要，第二是设计暴雨量是否满足内涝设计标准，第三是上游量是否充裕。需水无论从防洪、排

26、涝还是补水的角度上分析，这三个问题都会历经降雨、地表径流、地表汇流进入的过程，因此我们首先计算出不同重现期下的降雨历程，各汇水区域的地表径流量以及汇流量作为基础数据。2.4.1. 降雨历程模拟芝加哥暴雨过程计算公式1（详见本文中我们选在在国内适用性较附录 1），该对任何暴雨历时的降雨都适用，只是平均强度不同，则暴雨强度基础公式为：a（2-1）i =n(t + b)峰前上升段：%()1- n tb a+ b$ #&=r（2-2）ibn+1( t+b+ b*-) r,峰后下降段：15S3无洼蓄不透水面积tb峰前时间minta峰后时间minv管道平均流速m/minW过水断面面积ya汇水子区域的洼蓄量

27、mmy地表径流的平均水深m()%1- n ta a+ b$ #&=1- r（2-3）ian+1(+ b+ta*-)1- r,其中，a 为雨力参数，即不同重现期下的 1min 设计降雨量（mm），b 为降雨历时 参数，即对暴雨强度公式两边求对术后能使曲线化成直线所加的一个时间 （min），n 为暴雨衰减指数，与重现期有关，ib , ia 分别表示峰前上升段和峰后下降段的瞬时暴雨强度，tb，ta 分别表示峰前和峰后的时间，r 为雨峰系数（峰前历时与总历时之比），a，b，n 均为地方参数。由上述公式计算得到不同重现期 P20、50、100 的暴雨强度历程表（见表2-1），其中降雨历时为 180min

28、。表 2-1不同重现期下暴雨强度历程表16降雨历时 t(min)暴雨强度 i(mm/min)P20P50P10050.4160.4710.513100.4340.4920.536150.4550.5160.562200.4790.5430.592250.5070.5750.626300.5410.6130.667350.580.6580.716400.6290.7130.776450.690.7830.852500.7710.8740.952550.8841.0021.091601.0521.1921.298651.3371.5151.65701.942.1992.39574.884.0164

29、.5514.956753.9364.4614.858802.2122.5072.73851.5921.8041.965901.2721.4421.57951.0761.2191.328由表 2-1 可绘制出暴雨强度历程图，如图 2-1 所示。由图可知，一次降雨过，重现期 P 为 20、50、100 时的雨峰值一致，均在 74.88min 时，约在整个降雨过程的 2/5 段，趋势相似。图 2-1暴雨强度历程图（P20、50、100）171000.9421.0671.1621050.8440.9561.0411100.7690.8710.9491150.7090.8040.8751200.6610

30、.7490.8151250.620.7030.7651300.5860.6640.7231350.5560.630.6861400.530.6010.6541450.5070.5750.6261500.4870.5520.6011550.4680.5310.5781600.4520.5120.5581650.4370.4950.5391700.4230.480.5221750.4110.4650.5071800.3990.4520.4932.4.2. 地表径流量的演算由子汇水区域的总径流量 Rv 计算公式2（详见附录 2），2+ (I - 0.2A0 ) S（2-4）R = (I - E) S

31、 + (I - A) Sv321I + 0.8A0其中，S1(m2)为洼蓄透水面积、S2(m2)为洼蓄不透水面积、S3(m2)为无洼蓄不透水面积，I 为降雨量(mm)，E 为蒸发量(mm)，A 为洼蓄量(mm)，A0 为潜在洼蓄量， 计算得到图 1-3 中的 235 个子汇水区的地表径流量，然后叠加得到图 1-4 中的 10个大汇水区的地表径流量，如表 2-2 所示。表 2-2不同重现期下各汇水区地表径流量2.4.3. 地面汇流量的演算由地面汇流量 Q (m3/min)的计算公式3（详见附录 3），15dydt1.49 L= i* - 1 (y - y )3 h 2（2-5）aS n11.49

32、5（2-6）Q = L1(y - ya )3 h 2n其中，L1 为汇水子区域宽度，n 为粗糙系数，ya 为汇水子区域的洼蓄18汇水区面积（m2）地表径流量（万吨）P20P50P100玉田汇水区5292309.6476.5187.3395.50大凼玉田汇水区6819750.4699.32113.27123.83东坑汇水区5866328.6382.2694.03102.94凼汇水区8825278.02128.12146.17159.83木墩东坑汇水区5603612.7181.3992.85101.53楼村木墩汇水区3472352.9950.2157.3162.68新坡头楼村汇水区6632701.

33、8595.74109.29119.55白沙汇水区4075048.8144.9851.2656.00大凼汇水区12223732.18180.92205.94224.89大面积汇水区57485387.42319.22366.60402.45总汇水区116296502.71158.661324.041449.20量(A)，h 为汇水子区域坡度(m/m)，y 为地表径流的平均水深(m)，i*(mm/min)为净雨量，计算得到图 1-3 中的 235 个子汇水区的地面汇流量，如图 2-2 所示即为P=20 时第 1 个汇水区的地面汇流量 Q(t)函数图。图 2-2P20 时第 1 个子汇水区函数图通过

34、12 个小时累积的地面汇流总量进行计算，如表 2-3 所示。表 2-3不同重现期下各汇水区 12 小时地面汇流总量19汇水区地面汇流总量（万吨）P20P50P100玉田汇水区42.8449.3953.83大凼玉田汇水区93.76107.68118.21东坑汇水区75.8587.5796.45凼汇水区71.6182.3890.51木墩东坑汇水区120.54138.54152.16楼村木墩汇水区47.0254.1059.46新坡头楼村汇水区173.83198.81217.73白沙汇水区76.6288.0496.70大凼汇水区89.52103.02113.24大面积汇水区281.76328.9236

35、4.63总汇水区1073.351238.441362.922.4.4.汇流量计算汇流量 Q (m3/s)的计算公式4（详见附录 4）由Q - 2v W - v2 W+ gW H + gWF = 0（2-7）fttxx其中 v(m/min)为管道平均流速，W(m2)为过水断面面积，g 为重力度，取 9.8m/s，H(m)为静水压头（静止液体对相邻接触面所作用的100m）， Ff 为摩擦阻力，计算得到图 1-3 中的 235 个子汇水区的，1Mpa汇流量，如图 2-2 所示即为 P=20 时第 1 个汇水区的汇流量 Q(t)函数图。图 2-3P20 时第 1 个子汇水区函数图通过累积 12 小时计

36、算出各区域汇流总量，如表 2-4 所示。表 2-4不同重现期下各汇水区汇流总量20汇水区汇流总量（万吨）P20P50P100玉田汇水区116.922120.498122.898大凼玉田汇水区88.53989.82690.669东坑汇水区256.479259.237261.027凼汇水区291.001297.880303.514木墩东坑汇水区104.929106.303107.192楼村木墩汇水区133.405134.215134.7462.5. 模型的建立与求解2.5.1.问题一：对现有防洪设施是否满足防洪标准的分析由于目前地下布设的缺陷，大部分汇水区域的降雨排入混合排水，最终进入箱涵。通过对

37、整体研究区模型的简化，我们只考虑各支流进水，对河主河道洪水情况的影响。由于大面积汇水区内部基本无道路，且城市设施所占汇水区面积比例极低，故将其单独提取进行概化。该汇水区内主要为植被覆盖区域和绿地，我们假设其内部所产生的径流均流入附近水库，借由水库泄洪进入支流，对主河道的流量产生影响。为了模拟主河道的防洪情况，根据天然汇水区（第 10 区）以及水库地理位置的分布，将大面积汇水区划分成几个小的子汇水区，将各水库概化为蓄水设施，将河道概化为明渠，选择其中东坑水作为碧眼水库的出流支流，模2-6 所示：化如图图 2-4大面积汇水区模化图21新坡头楼村汇水区151.174152.860154.018白沙汇

38、水区81.45883.75485.289大凼汇水区187.880192.161195.080大面积汇水区262.383269.120273.435总汇水区1674.1701705.8541727.868图 2-5重现期 20 年河道水位情况图 2-6重现期 50 年河道水位情况根据题目所给出的河道流速和高程数据，设置河道为梯形明渠，并设置初始流量和降雨时序序列。各水库的最大水深、初始水深、表面积与水深函数曲线根据市水务局建成或基本建成水库-库容特性表设置，计算得到各水库函数曲线的系数。假设主河道最大水深 Hmax 为 8 米，初始水深 H0 为 4 米，也就是说当干流水深超过 8m 时河水会溢

39、出，各支流的最大水深 Hmax 为 4 米，初始水深 H0 为 2 米， 也就是说当支流水深超过 4m 是河水会溢出。在雨量计组件中添加重现期为 20 年、50 年、100 年的降雨时序序列进行演算。演算过 ，分别可以观察在不同重现期下，河道水位变化情况。图 2-5，图 2-6，图 2-7 显示了在暴雨强度接近峰值时河道水位的具体情况，其中深蓝色表示管22图 2-7重现期 100 年河道水位情况段深度小于 3 m，蓝绿色表示管段深度在 3-4 m，绿色表示管段深度在 4-5 m，黄色表示管段深度在 5-6m，红色表示管段深度大于 6m。以上三张图并结合图例，可以观察得出结论，在假设的最大水深范

40、围内，河流域河道对三种不同重现期下的降水情况均具有良并且主河道能够承受百年一遇的暴雨。抗洪能力， 经统计模拟的数据，给出在不同重现期下，不同河段具体的水流与水位数据，如表 2-5 所示：表 2-5干流和支流水位流量统计表23重现期（年）河道名称包含节点最大深度（m）最大流量（m/s）进入干流流量（万吨）20河主河道 15.67507.04主河道 2主河道 3主河道 4主河道 5水支流 13.9566.8364.67支流 2支流 3新坡头河支流 43.96129.12218.93支流 5支流 6东坑水支流 73.6370.7649.61根据表 2-5 中数据分析得出，在三个重现期下，河干流的水位

41、始终低于假设的最大水深，满足干流防洪标准。新坡头河和水在重现期 50 年情况下，24水支流 83.5027.0614.94玉田河支流 93.4897.8340.2650河主河道 15.79516.14主河道 2主河道 3主河道 4主河道 5水支流 14.0081.7174.65支流 2支流 3新坡头河支流 44.00134.47324.59支流 5支流 6东坑水支流 73.6986.2556.47水支流 83.6932.7916.23玉田河支流 93.57112.8845.30100河主河道 15.86537.52主河道 2主河道 3主河道 4主河道 5水支流 14.0097.6678.17支

42、流 2支流 3新坡头河支流 44.00138.11264.86支流 5支流 6东坑水支流 73.7599.7561.37水支流 83.8337.4416.41玉田河支流 93.63118.0149.10在监测点（支流 1、4、5、6）水位超过假设最大水深 4 米，河水溢出。表 2-6河流域各河道典型断面设计洪水成果25河流名称断面量（m3/s）断面名称编号P=0.5%P=1%P=2%P=5%P=50%河玉田河汇上游M-195548.543.136.217.2玉田河汇下游M-57.4水汇下游M-314151东坑水汇下游M-369162木墩河汇下游M-399175楼村水汇下游M-507226新陂头

43、河汇下游M-618270水汇下游M-121049894786648284汇下游M-11909799659289上下村排洪渠汇下游M-10911801659289罗田水汇下游M-91100957842693305合水口汇下游M-8959848699307xx 排洪渠汇下游M-71110964903759327xx 水闸M-612311069940773338玉田河光桥路Y-262.146.915.9河口Y-195.171.924.4水水库溢洪道出口E-543.343.241.6红坳水库汇下游E-470.958.325.2塘家村汇上游E-311796.243.4塘家村汇下游E-219315670.

44、8河口E-1279233105东坑水茶林D-528.024.013.0表2-6 为题目后续研究给出的河流域各河道典型断面设计洪水成果数据，将我们的计算结果（表 2-5）与表 2-6 的设计洪水成果做对比，得到的对比结果如表 2-7 所示。表 2-7各河段与设计洪水成果比较结果分析上表数据可得，河在 2020 年能够达到干流百年一遇的防洪标准，而玉田河和东坑水因为最大模拟流量超过了最大设计支流河道达到 2050 年一遇防洪标准。量，所以不能够达到综合上述求解的结果，可以得到以下结论，在设置监测点的位置，根据模拟结果能够得出新坡头河和 水在重现期 50 年的情况下会发上溢流。同时，由于监测点数量的

45、限制，且无法正确与所给断面匹配，故结合各河流的设计量与各河道的最大模拟流量进行比较，得出玉田河和东坑水的最大模拟流量超出了最大设计量。因此新坡头河、水、玉田河、东坑水四条支流无法满足 2050 年一遇防洪标准。2.5.2.问题二：对当前设计暴雨量是否满足内涝设计标准的分析在该研究区内，利用道路和光明新区水系将研究区划分成 10 个汇水区，而对于每个汇水区的内涝研究模型是近似的操作。因此，仅以水区来演示模拟在不同重现期下汇水区内积水排水情况。参考玉田汇排水规划简本，设置了三种不同管径的管道分别为 0.8m、1.0m、1.2m，在该汇水区设置重现期为 20 年，50 年，100 年的降雨时序序列进

46、行模拟，化图如图 2-8 所示。玉田汇水区模26各河段与设计洪水成果比较结果河道名称最大设计量（m/s）最大模拟流量（m/s）P=1%P=2%P=5%P=1%P=2%P=5%河1069940773537.52516.14507.04玉田河95.171.9118.01112.8897.83水27923337.4432.7927.06东坑水806699.7586.2570.76凤凰小学D-448.040.019.0德源公司D-380.066.031.0图 2-8玉田汇水区模化图经过 SWMMH计算后，得出地表径流连续性误差：-0.21%，流量演算连续性误差：-0.03%，误差较小，说明能够较好地模

47、拟整个降雨、产水、排水的过程。参考给各组件设置的模型参数，来确定图例的各个阈值5。以下给出模拟结果的展示图（时间点均接近暴雨峰值出现时刻）（如图 2-9，2-10，2-11），其中深蓝色表示大于 0.8 m 的节点深度（管段深度），蓝绿色表示 0.81.2 m 的节点深度（0.81.0 m 的管段深度），绿色表示 1.21.4m 的节点深度（1.01.2m 的管段深度），黄色表示 1.42.0 m 的节点深度（1.21.4m 的管段深度），红色表示大于 2.0 m 的节点深度（大于 1.4 m 的管段深度）。特别注意：红色原点表示溢出节点。图 2-9玉田汇水区 20 年重现期模拟情况27图 2-10玉田汇水区 50 年重现期模拟情况图 2-11玉田汇水区 20 年重现期模拟情况从以上模拟情况可以看出，在暴雨强度最大的时候，城市大部分面积会出