1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
受全球气候变化和城市化的双重影响，近年来城市内涝灾害事件频发、广发，城市饱受内涝之苦，居民人身财产安全受到了严重影响[2]。根据 EM-DAT 灾难数据库中 1986-2015年全球洪涝灾害事件分布可知（图 1-1 所示），亚洲发生洪涝事件次数较多，其次为美洲，欧洲、非洲发生洪涝事件次数则较少。全球除丹麦、瑞典等少数国家没有发生洪涝事件，其余国家均发生洪涝事件，其中美国、中国、印度等国家发生洪涝事件次数最多。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 城市内涝模拟仿真研究进展
城市内涝是影响城市安全的重要因素，对城市内涝过程的模拟与仿真可加深对城市内涝的认识，提高城市防洪减灾的针对性。国外对城市内涝过程的模拟与仿真研究较早，自20 世纪 60 年代起欧美等发达国家就开始对城市雨洪径流模型进行研究，并由最初相对简单的经验性和概念性模型发展到较为复杂的水动力学物理模型。目前国外城市雨洪径流模型有数十种，如 SWMM、MIKE URBAN、HSPF、InfoWorks CS、SLAMM、STORM、Stanford、SCS、Walling Ford、SITEMAP、ISS、LLLUDAS、MOUSE、AGNPS、QQS、TRRL、DR3-QUAL 等[12]。常用的城市雨洪径流模型有 SWMM、STORM、LLLUDAS、HSPF、InfoWorks CS 及 MIKE。暴雨洪水管理模型（SWMM）[13-14]是 1971 年由美国环保局研发的，主要运用于城市暴雨洪水地表径流及其污染过程的模拟，城市低影响开发效果的模拟，以及与其他模型软件的耦合应用模拟等方面[15]。蓄水、净化处理、溢流、径流模型（STORM）[16]是 1973 年由美国陆军工程兵团水文工程中心研发的，主要用于城市水量、漫流模拟，城市水质模拟及水土流失等方面的研究和应用[17]。伊利诺伊城市排水模拟模型（LLLUDAS）是 1974 年由 Terstriep 和 Stall 对 TRRL 进行了修正升级[18]，主要用于计算排水管道的管径和校核整个已有管道的流量[19]。HSPF 模型（Hydrological Simulation Program-Fortran）[20]是 20 世纪 70 年代中期由美国环境保护署采用 Fotran 语言开发的水文模拟程序，其主要用于小时步长的连续模拟，土地、土壤污染物径流过程的模拟，以及沟道内水力过程的模拟，是最有效、最综合、最灵活的流域水文及水质模拟模型[21]。Info Works CS 模型[22]是英国 Walling Ford 水力研究院在 1978 年的沃林福特程序（Wallingford）基础上进行开发的，主要用于城市排水管网水力模型的建立、管网优化方案的评估和城市水资源管理[23]。MIKE 模型是由丹麦水资源及水环境研究所（DHI）建立的，主要用于对降雨径流、河道管网以及水资源规划管理等进行模拟[24]。
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2 城市内涝成因分析
2.1 研究区域概况
2.1.1 地理位置
西安市位于渭河流域中部关中盆地，107°40'～109°49' E 和 33°42'～34°45' N 之间，是西北地区重要的中心城市[1]。南依秦岭，与汉中市、安康市相接；北临渭河，与咸阳市相接；东以零河和灞源山地为界，与渭南市、商洛市相接；西以太白山地及青化黄土台塬为界，与宝鸡市相接。南部为剥蚀山地，北部为渭河水系的冲积平原，地势总体上东南高、西北低[62]。全市面积 10096.81km2，包括 11 区 2 县，即碑林区、新城区、莲湖区、灞桥区、雁塔区、长安区、未央区、临潼区、高陵区、阎良区、鄠邑区、蓝田县和周至县[63]，西安市区域如图 2-1 所示。
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2.2内涝成因分析
2.2.1气候变化(1) 降水变化特征
强降水（暴雨）超过城市排水能力产生积水，形成城市内涝现象。参照国标《降水量等级 GB/T28952-2012》中关于降水量等级划分标准，≥50mm 的 24h 降水量或≥30mm 的12h 降水量定义为暴雨。对 1951-2017 年西安市市区暴雨量、暴雨日数、各月暴雨次数进行分析如图 2-6 a)、b)、c)所示，由图可知，西安市市区暴雨分布在 4-10 月，且由西安市历年内涝情况统计可知西安市内涝发生在 4-10 月，因此对 1951-2017 年西安市市区 4-10月降水量、降水日数、降水强度进行分析如图 2-6d)、e)、f)所示。
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3 基于 SWMM 模型的城市内涝情景模拟仿真 ............................ 27
3.1 SWMM 模型原理 ................................. 28
3.1.1 SWMM 模型概述 ........................... 28
3.1.2 SWMM 模型计算原理 ......................... 29
4 基于三维 GIS 的城市内涝监测预警系统 ............................... 50
4.1 城市内涝监测预警系统结构 .................................... 50
4.1.1 平台架构 ........................................ 50
4.1.2 功能模块 ........................................ 50
5 结论与展望 ................................. 72
5.1 结论 ................................ 72
5.2 展望 ................... 73
4 基于三维 GIS 的城市内涝监测预警系统
4.1 城市内涝监测预警系统结构
4.1.1 平台架构
城市内涝监测预警系统采用 J2EE 体系结构和 MVC 框架（Model View Controller，模型(model)－视图(view)－控制器(controller)），开发遵循 C/S 模式，由数据层、服务层、应用层、客户层四层架构组成，系统架构设计如图 4-1 所示。
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5 结论与展望
5.1 结论
近年来，西安市内涝事件时有发生，已严重威胁城市居民生命财产及公共交通安全。针对西安市内涝问题，本文在系统梳理西安市历年内涝情况基础上，从气候变化、城市化发展、排水管网及管理四个方面分析了西安市内涝形成机理。本文以西安市城墙内的主城区为研究区域，构建了研究区域 SWMM 模型，根据内涝成因设计了不同情景，基于不同情景进行内涝模拟。本文将 SWMM 模型与三维 GIS 平台进行集成开发，构建集监测、模拟、预警及信息展示一体化的城市内涝监测预警系统。主要结论如下：
（1）内涝成因分析。强降水超过城市排水能力产生积水，形成城市内涝现象。强降水是城市内涝的主要致灾因子，西安市历年内涝和强降水均发生在 4-10 月，采用线性趋势等方法对西安市暴雨和 4-10 月降水变化特征进行分析可知，西安市降水强度增大、强降水量增多。城市化发展改变城市下垫面条件，影响城市降水格局和区域产汇流特性，西安市立交桥等城市微地形和区域不透水面积的增加，增加了城市内涝发生地点，缩短了产汇流时间，地表径流增多。排水管网的布置、管径大小和城市排水设施的管理水平影响城市排水能力，西安市排水管网设计重现期偏低，雨水与污水管道合流，排水管网密度降低，排水设施管理水平偏低等现象，降低了城市排水能力，易产生城市内涝现象。
（2）基于 SWMM 模型的城市内涝情景模拟仿真。采用 ArcGIS 进行排水管网概化、子汇水区划分和坡度、不透水面积等参数提取，采用当地暴雨强度经验公式结合芝加哥雨型生成降雨数据，采用相关文献查询比较和 SWMM 模型用户手册确定洼蓄量、曼宁粗糙系数等经验参数，模型参数确定后，构建研究区域 SWMM 模型。根据内涝成因设计了不同降雨、不同城市化发展水平和不同管网水平三种情景。随着降雨重现期和城市化发展水平的提高，径流系数增大，地表径流和积水节点数增多，积水时间延长，内涝发生的危险性增大。在不同降雨情景中，研究区域大部分雨水管网设计重现期标准达不到 3 年，排水能力有待提高，0.3m 管径的管道均发生超载且占超载管道比例最大，改变研究区域中 0.3m管道的管径，进行不同管网水平情景下的内涝模拟。随着管径的增大，进入管道系统流量增多，溢出地表的流量减少，积水节点数和积水时间减少，内涝发生的危险性降低。
参考文献（略）