社区尺度居民楼内涝淹没过程精细化模拟及室内财产损失评估.pdf
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1、水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz 摇 http:/第 43 卷第 5 期Vol.43 No.5水 利 水 电 科 技 进 展Advances in Science and Technology of Water Resources2023 年 9 月Sep.2023基金项目:国家自然科学基金项目(52079106);中德合作交流项目(M鄄0427);陕西省自然科学基础研究计划 引汉济渭联合基金重点项目(2022JC鄄LHJJ鄄09);宁夏回族自治区重点研发计划项目(2022BEG02020)作者简介:乔贤玲(1999),女,硕士研究
2、生,主要从事城市水利研究。E鄄mail:1633911812 通信作者:侯精明(1982),男,教授,博士,主要从事地表水及其伴随过程数值模型研究。E鄄mail:jingming.hou DOI:10.3880/j.issn.10067647.2023.05.011社区尺度居民楼内涝淹没过程精细化模拟及室内财产损失评估乔贤玲1,侯精明1,张文晴1,2,陈光照1,马摇 鑫1,潘鑫鑫1,高徐军1,3,刘摇 园3(1.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安摇 710048;2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州摇 510611;3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕
3、西 西安摇 710065)摘要:以西安一小区居民楼为研究对象,构建了高精度城市雨洪模型,并通过实测暴雨内涝监测数据验证了模型的可靠性;利用构建的模型模拟了 6 种设计降雨重现期下的居民楼室内动态淹没过程,并以西安市中等收入家庭的房屋配置为计算单元,分析了各类居民室内财产的淹没水深阈值,依此拟合得到了室内财产淹没水深-损失率关系曲线,结合居民楼在不同降雨重现期下的淹没水深,计算得到了各居民楼在不同降雨重现期下的内涝淹没财产损失数据。结果表明:不同降雨重现期下,同一居民楼一层居民房屋室内进水淹没水深随降雨重现期的增大而增大;同一降雨重现期下,各栋居民楼因高程不一致导致内涝淹没过程及最大淹没水深不一
4、样。关键词:居民楼;内涝淹没;室内财产损失;淹没水深损失率;城市雨洪模型中图分类号:TV122摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10067647(2023)05007309Community scale refined simulation of inundation process of houses and indoor property loss assessment/QIAOXianling1,HOU Jingming1,ZHANG Wenqing1,2,CHEN Guanghzhao1,MA Xin1,PAN Xinxin1,GAO Xujun1,3,LIUYuan3(
5、1.State Key Laboratory of Eco鄄hydraulics in Northwest Arid Region of China,Xi爷an University of Technology,Xi爷an710048,China;2.Pearl River Water Resources Research Institute,Pearl River Water Resources Commission,Guangzhou510611,China;3.POWERCHINA Northwest Engineering Corporation Limited,Xi爷an 71006
6、5,China)Abstract:Taking the residential buildings within a small community in Xi爷an as the study object,a high鄄precision urbanrain鄄flood model was constructed.The model爷s reliability was validated using measured data from monitoring instances ofurban inundation during heavy rainfall.The dynamic floo
7、ding process inside the residential buildings under six differentmajor rainfall return period design scenarios was simulated.Considering the housing configuration of middle鄄income familiesin Xi爷an City as the computational unit,the depth thresholds for the flooding of various indoor properties were
8、analyzed,and the relationship curve between the depth of indoor property flooding and the corresponding loss rate was derived.Bycombining this curve with the flooding depths of different residential buildings in the study area under various major rainfallreturn periods,accurate data on property loss
9、es due to flooding were obtained.The results indicate that under differentrainfall recurrence intervals,the inundation depth of the ground floor of the same residential building increases with thelarger recurrence interval.For the same recurrence interval,the flooding process and maximum inundation
10、depth of housesin different residential buildings vary due to differences in elevation.Key words:residential house;inundation;indoor property loss;loss rate of inundation water depth;urban rainfall鄄floodmodel摇 摇 近年来全球气候持续变化,极端暴雨事件频发,超标降水量使城市内涝引发的灾害日益严峻1鄄3。严重的内涝积水问题不仅给人们正常生活带来了极大的不便4,而且造成了巨大社会经济损失5,如
11、2012 年 7 月 20 日北京遭遇特大暴雨造成直接经济损失百亿元以上,郑州“720冶暴雨事件造成的直37水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz 摇 http:/接经济损失高达 532 亿元,因此开展居民室内财产损失评估对防灾决策具有重要意义6鄄7。现有的城市居民室内财产损失评估方法已趋于成熟,主要的技术手段可分为两类:一是利用室内财产损失的调查数据构建内涝致灾因子和财产损失之间的函数评估模型8。该评估工作的主要难点在于获得准确的内涝致灾因子与房屋财产损失之间的对应关系,内涝致灾因子主要选取内涝积水深度这一影响最大的因素9鄄10。在研究
12、初期,相关学者采用灾后内涝洪痕调查与实际财产损失统计的方法评估内涝造成的财产损失,该方法可以得到较为准确的财产损失信息,但调查与统计所需的人工成本较大、效率较低11鄄12。针对该方法的局限性,近年来大多采用拟合曲线的方式构建内涝致灾因子与财产损失之间的函数评估模型13,如廖永丰等7以北京市中等收入家庭为研究单元,考虑居民室内常见财产的高度构建了淹没水深与财产损失之间的评估函数,黄国如等14也采用此种方法得到了深圳市的内涝损失评估模型。该方法可以较为高效地得到淹没水深与财产损失之间的对应关系。二是通过城市内涝二维地表数值模型模拟得到高精度的内涝积水深度15鄄16。研究表明,只有将准确的房屋淹没水
13、深与内涝财产损失模型相结合才能得到可靠的内涝财产损失评估结果7,14。城市二维水动力数值模型常用的软件有 DHI鄄MIKE、InfoWorks ICM 等17鄄18,若追求高精度的内涝积水结果,软件需输入高精度的地形高程数据,但城市内部地形复杂、建筑耸立,高精度的地形数据极易导致模型计算结果发散19。因此,为获得准确的内涝积水信息,需要采用计算精度高且稳健的内涝数值模型。现有的城市内涝模拟都是以城市某一大尺度片区为研究对象,未对房屋、道路等某一特定承灾体进行精细化模拟及对水流演进过程进行分析,对居民室内财产损失评估也都是在城市大尺度范围内进行统计分析。基于现有城市内涝模拟与室内损失研究的不足之
14、处,本文以社区尺度的居民楼内涝淹没过程为研究对象,基于城市雨洪模型和修正重构后的高精度地形数据,得到各设计降雨工况下的居民楼内涝精细化淹没过程,以西安市中等收入家庭为研究单元,构建淹没水深与财产损失的函数关系,计算各降雨工况下不同居民楼一层的居民室内财产淹没损失,并以社区尺度的居民楼淹没效果为例,计算城市中不同居民楼的内涝淹没过程和财产损失,以期为大尺度城市级的内涝模拟和财产损失评估提供一种新方法。1摇 城市雨洪精细化数值模拟方法本文采用耦合了暴雨洪水管理模型(SWMM)一维管网模块和二维地表水动力模型的城市雨洪模型进行分析,该耦合模型计算包括一维管网与二维地表水动力两部分。1.1摇 一维管网
15、模型一维管网模型的计算采用 SWMM,其操作较为简便,且能较为准确地模拟管网排水、水质等,在多种场景下均得到了广泛应用。SWMM 的管网水动力计算方法包括恒定流、运动波、动力波 3 种方法20,本文采用动力波方法计算管网的水力信息。动力波方法通过求解完整的一维圣维南方程对管道流态进行数值求解,理论上最符合实际情况。数值方法为有限差分法21。1.2摇 二维地表水动力模型二维地表水动力部分以二维浅水方程作为控制方程22鄄25。模型采用 Godunov 格式有限体积法26对二维浅水方程进行空间离散;选用近似黎曼求解器(HLLC)27处理计算单元界面上质量与动量通量的急变与非连续问题。洪涝过程中处理干
16、湿交替问题时,在静水重构方法处理的基础上引进精度自适应性方法,即在干湿边界处水深急剧变化时将易失稳的二阶格式自动降为稳定的一阶格式来保证模型计算的稳定性28,并采用二阶显式 Runge鄄Kutta 法来保证时间积分的二阶精度;因城市雨洪过程模拟计算量大,过程复杂,为有效提高计算效率特引入图形处理器(GPU)加速技术29,GPU 内数以千计的核提供强劲的并行计算,而且显式 Godunov 格式的有限体积法适合 GPU 并行计算。1.3摇 城市雨洪模型一二维耦合方法城市地表与地下管网耦合最主要的问题是地表水流与管网水量的交换,而水量交换(入流或者溢流)都在雨水节点进行。水量交换具体过程如下:降雨在
17、地表汇流产生地面径流进而通过雨水节点进入管道排入水体;若雨水管道超负荷运行,则会在雨水节点处发生满管溢流现象导致地表积水,在管道排水能力恢复正常时地表积水再经管网逐渐排入水体。假设已知研究区域某雨水节点水位、对应地表网格水位以及地表网格高程,地表与管网水量交换有两种计算公式:淤堰流公式,适用条件为雨水节点水位小于地表网格高程,此时地表水流通过雨水节点进入管网;于孔流公式,适用条件之一为雨水节点水位大于地表网格高程,此时管网中的水经雨水节点溢流至地表,另一适用条件为雨水节点水位在地47水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz 摇 http:/
18、表网格高程与所对应的地表网格水位之间30,这时地表水流也会通过节点流至管网。2摇 研究区概况及数据来源2.1摇 研究区概况天福和园小区位于陕西省西咸新区沣西新城丰信路以西、天府路以南、咸户路以东、公园大街以北。小区内共有居民住宅楼 10 栋,如图 1 所示,总面积为 6.02 hm2。区域自然降水量年际变化大,季节分配不均,雨量多集中在 79 月,9 月降水量最大,雨季暴雨频率较高,易造成洪涝等自然灾害31。图 1摇 天福园小区示意图2.2摇 数据来源城市雨洪模型所需数据主要包括降雨数据、地形数据、土地利用类型及管网数据、下渗数据等。2.2.1摇 降雨数据本文设计降雨数据采用芝加哥雨型生成器3
19、2依据西咸新区的特征参数生成,降雨总历时为120 min,雨峰系数为 0.45。具有西咸新区特征参数的芝加哥降雨强度公式为q=1239.1(1+1.971lgP)(t+7.4246)0.8124(1)式中:q 为暴雨强度;P 为重现期;t 为暴雨历时。计算得到各降雨重现期的降雨过程如图 2 所示。图 2摇 不同重现期设计降雨过程2.2.2摇 地形数据以往城市洪涝灾害研究中房屋都是不可淹没的建筑物,虽体现了城市地表的高低起伏,但忽略了水流对房屋内部的淹没与损坏33。本文研究的居民楼内涝淹没过程精细化模拟及室内财产损失评估需着重体现水流对房屋内部的淹没,因此对居民楼这类建筑物高程进行修正处理。根据
20、房心回填厚度、GB 500962011住宅设计规范、GB 500372013建筑地面设计规范等要求及规范中相应设计取值34,将居民楼高程修正至高于房屋地基 15 cm,该处理既能体现城市内部地表高低起伏,又可在水深过高时体现房屋台阶与门槛的阻水作用以及水流流进室内对居民楼内部的淹没高度详情,可实现居民楼内涝淹没过程精细化模拟以及对居民室内财产损失评估提供淹没水深数据,提高了精细化模拟结果的准确性及研究的可靠性。图 3 为高程修正前后水流对房屋内部的淹没示意图。图 3摇 房屋高程修正前后内涝积水淹没房屋示意图研究区地形数据通过无人机载激光雷达巡航测绘,最终获得网格大小为 1 m 的高精度地形高程
21、数据(图 4),共计 70 200 个网格。区域呈现西北高东南低的趋势,本文使用的高精度地形能精确反映研究区内的二维水动力过程,体现水流对房屋内部的淹没过程。图 4摇 研究区地形2.2.3摇 土地利用类型及管网数据研究区域土地利用类型包括房屋、道路、绿地、半透水区 4 种,其中房屋总面积为 9836 m2,道路面积为5544m2,研究所需居民楼占地面积为8356m2。管网根据实际建设资料概化为 57 根雨水管道、56 个雨水节点以及 2 个外排口。根据管道材质,设置雨水管的曼宁系数为 0.015。土地利用及管网分布如图 5 所示。2.2.4摇 下渗数据各土地利用类型的下渗数据根据文献32及实测
22、资料确定,结果如表 1 所示。57水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz 摇 http:/图 5摇 土地利用及管网分布表 1摇 研究区域不同土地利用类型的下渗速率和曼宁系数土地利用类型下渗速率/(cm/h)曼宁系数/(s/m1/3)房屋0.0000.014道路0.0000.015绿地20.0000.060小区内布设有自动雨量站和流量计,模型验证和率定实测数据来自自动雨量站记录的降雨数据和相同时段内西南排口的实测流量数据。采用研究区域 2017 年 9 月 9 日和 9 月 26 日降雨数据和排口流量数据验证所构建的模型,模拟结果如图 6
23、所示。图 6摇 实测流量与模拟流量对比引进纳什系数来判断模拟结果的准确性,当纳什系数大于 0.5 时,模型可靠度较高,且数值越大模拟结果更准确。根据表 1 下渗数据,2017 年 9 月9 日场次降雨数据的纳什系数为 0.89,9 月 26 日场次降雨数据的纳什系数为 0.73,两场雨的纳什系数均大于 0.5,可见在该套下渗参数下模型模拟结果良好,可准确模拟研究区域内涝过程。3摇 室内财产损失评估流程3.1摇 室内财产损失评估基础数据基于现阶段西安市居民室内财产基本情况,设计中等收入家庭拥有建筑面积为 103 m2的商品房,房屋结构为两间卧室、一间餐厅、一间客厅、一个卫生间、一间厨房和一个阳台
24、,按照西安市居民家庭装修、家用电器、家具等设计室内财产7。3.1.1摇 家庭装修损失根据 GB 503272001住宅装饰装修工程施工规范,城市住宅装修工程包括地面铺装、墙面铺装、涂饰、卫生器具及管道安装、电气、门窗、轻质隔墙等 7 项主要工程。当房屋进水时,位于高处的窗、防水的洗浴设施等可以忽略淹没损失,故室内装修损失只需考虑墙面铺装、地面铺装及木质门。每户住宅卫生间和厨房地面为瓷砖铺装,其余房间按木质地板铺装设计。因此,地面铺装损失只计入木质地板损失。室内使用面积按照建筑面积的85%来测算,其中卫生间和厨房共占使用面积的20%。根据2014 年中国地板行业互联网指数研究报告,居民购买的加权
25、地板平均价格为250 元/m2,人工成本为 18 元/m2。103 m2标准住宅木制地板铺装面积为70m2,计算得地板铺装总成本为18760 元。卫生间和厨房墙面为瓷砖,其余墙面为墙纸或墙漆铺装。水淹之后墙漆和墙纸会损坏,需要将所有墙面重新铺装粉饰,刷漆部分包括卧室墙面、餐厅墙面、客厅墙面与阳台墙面。根据调查装修市场报价,西安市包工包料的平均刷漆成本为 12 元/m2,则刷漆总成本为 2534 元。房屋卧室门为木质,其余门为合金。木质门在浸水之后会发生变形,更换概率高,因此只考虑两间卧室木质门的财产损失。根据西安市装修报价,实木复合门 700 2800 元不等,本文选取2550 元/樘,共计木
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