CN103886151B - 不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法 - Google Patents

Abstract

一种不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法，属于市政工程技术领域。确定城市下凹式立交桥区域高汇水区和低汇水区的汇水范围和高精度DEM的方法，并作为模型的地表高程输入条件；并通过降雨扣损的形式简化模型管网的输入；采用计算机水力模型实现对不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区内涝灾害情景进行模拟；根据模型计算结果确定改造设施方案。该方法阐述了不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法，可以对不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区内涝灾害情景进行模拟，并能对现状桥区设计方案进行评估。该方法使水力模型用于分析下凹式立交桥积水灾害的原因成为可能，为下凹式立交桥改造及规划提供理论依据。

Description

不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法

技术领域

本发明涉及一种不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法，属于市政工程技术领域。

背景技术

为了解决城市内涝灾害频发的问题，应科学分析不同城市规划区域产生内涝灾害的原因。在强降雨条件下城市下凹式立交桥区发生严重积水可以导致交通堵塞甚至瘫痪，由于城市下凹式立交桥所处地理位置的重要性以及其排水设施的特殊性，必须从规划设计阶段对解决城市内涝问题制定解决方案。为了科学分析城市下凹式立交桥区产生内涝灾害的原因，需要通过构建不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区内涝模型，以便分析城市下凹式立交桥区的内涝灾害风险和提出解决策略。城市下凹式立交道路的下穿部分往往是所处汇水区域最低洼的部分，雨水径流汇流至此后再无其他出路，只能通过泵站强排至附近河湖等水体或雨水管道中，如果排水不及时，必然会引起严重积水。研究发现城市下凹式立交桥汇水区域在低重现期暴雨条件下一般是低汇水区域的暴雨径流进入排水泵站，而在高重现期暴雨条件下一般是低汇水区域加上部分高区的暴雨径流进入排水泵站，所以构造城市下凹式立交桥区内涝模型具有一定复杂性。因为在不同暴雨情景下，城市下凹式立交桥区汇水流域范围是一个动态变化的过程，只有掌握不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法，才能构建好水力模型，更好地服务于规划设计桥区排水设施，减少桥区内涝灾害的发生。

发明内容

针对上述问题，为了准确掌握不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区汇水流域范围的城市下凹式立交桥区内涝模型快速构造方法，本发明涉及一种不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法，属于市政工程技术领域。其构造过程主要涉及：确定城市下凹式立交桥区域高汇水区和低汇水区的汇水范围和高精度DEM的方法，并作为模型的地表高程输入条件；并通过降雨扣损的形式简化模型管网的输入；采用计算机水力模型实现对不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区内涝灾害情景进行模拟；根据模型计算结果确定改造设施方案。该方法阐述了不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法，可以对不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区内涝灾害情景进行模拟，并能对现状桥区设计方案进行评估。该方法使水力模型用于分析下凹式立交桥积水灾害的原因成为可能，为下凹式立交桥改造及规划设计提供理论依据，因此，本方法具有很好的应用前景。

一种不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：

（1）确定下凹式立交桥区高区、低区设计汇水流域范围：

（2）制作桥区高精度DEM，高精度DEM即数字地面高程模型:网格精度不低于5m×5m，桥区设计低区网格精度不低于1m×1m；精确表达积水区的范围和深度；

（3）将高区和低区的DEM制作合并，构成城市下凹式立交桥区内涝模型的地表DEM输入；

（4）根据高区、低区的排水管网设计重现期，分别计算设计暴雨扣损量和净雨量过程线，具体步骤如下：

根据《室外排水设计规范》和下凹式立交桥高低区汇水流域内地貌特征，确定城市下凹式立交桥高低区的地面集水时间T_高区、T_低区，地面径流系数Ψ_高区、Ψ_低区，净雨系数ε，并依据《室外排水设计规范》中的暴雨强度公式，和高低区对应的设计重现期P_高区、P_低区，计算出设计重现期下高低区对应的设计暴雨强度q_高区、q_低区（L/s·hm²）；分别计算得到高低区的扣损值Q_高区扣损、Q_低区扣损；

Q_高区扣损=q_高区×Ψ_高区×ε

Q_低区扣损=q_低区×Ψ_低区×ε

高低区扣损值Q_高区扣损、Q_低区扣损的含义：由于高、低区管道的设计重现期分别为P_高区、P_低区，即认为高低区管道的排水能力能应对设计重现期P_高区、P_低区内的降雨，把这些降雨以地表扣损的形式认为等同于从高低区管道排除；通过扣损得到设计降雨地表净流量；ε：净雨系数，根据地貌特征所取的修正系数；

由以下公式可以验证得到：

桥区总雨量V_总由以下三部分组成：

V_总=V_下渗+V_管道排出+V_积水

当管道设计重现期为P年时，意味着当P重现期降雨时，地表积水量V_积水=0。

V_总=V_下渗+V_管道排出

V_管道排出=V_总－V_下渗

V_管道排出=q·F－q·（1－Ψ）·F

V_管道排出=q·Ψ·F

由此得到：Q_管道排出=q·Ψ

即Q_管道排出=q·Ψ·ε=Q_扣损

其中：F：汇水流域面积，ε：净雨系数，为了准确得到净雨量根据地貌特征所取的修正系数。

（5）用模型软件计算二维地表漫流，并用根据步骤（2）（3）制作的高精度DEM，生成二维模拟的栅格数据，利用从步骤（4）计算中得到扣损后的地表净雨量进行二维地表漫流计算；采用二维圣维南方程描述城市雨水地面径流过程：

$\frac{\∂h}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{uh}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{vh}\right)}{\∂y}=0$

$\frac{\∂u}{\∂t}+u\frac{\∂u}{\∂x}+v\frac{\∂u}{\∂y}+g\frac{\∂(h+Z_b)}{\∂x}+c_f\frac{u\sqrt{u^2+v^2}}{h}=0$

$\frac{\∂v}{\∂t}+u\frac{\∂v}{\∂x}+v\frac{\∂v}{\∂y}+g\frac{\∂(h+Z_b)}{\∂y}+c_f\frac{v\sqrt{u^2+v^2}}{h}=0$

式中：h为网格型心处水深，m；u为x方向流速，m/s；V为y方向流速，m/s；c_f为阻力系数。

本发明的技术方案如下：

与传统的水力模型构造方法相比，本专利提出的方法具有如下优点：

（1）简化了收集和输入地下管网设施基础数据的工作，构建模型方法简单，容易实现。

（2）与传统的建模方法比较发现，简化方法的结果在规划设计阶段与传统方法相当。

（3）本专利方法考虑了立交桥汇水区在不同设计暴雨条件下变化的特性，计算的设计排水防涝设施更科学、合理。

附图说明

图1是本发明不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法的模型构建过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：

（1）按以下步骤确定下凹式立交桥区高区、低区设计汇水流域范围：

根据《室外排水设计规范》确定城市立交桥区排水设计标准，并根据下凹式立交桥周边基础测绘地形图，充分考虑高区管道排水能力及其相应雨水口的汇水范围，并根据《城市道路工程设计规范》中，城市下凹式立交桥区防洪抗灾要求所设计阻挡雨水的“驼峰”位置，结合城市下凹式立交桥区基础测绘地形图中的地形高程点数据，划定下凹式立交桥区高区、低区相对应的汇水流域，并计算其相关的流域面积F_高区、F_低区。对于已建成下凹式立交桥区查阅其相关历史设计资料，确定其高区、低区的排水设计标准及其相应的汇水流域范围。

（2）采用《城市排水仿真模拟系统的道路精细离散网格构建方法》相关技术步骤制作桥区高精度DEM，可以精确表达积水区的范围和深度。

（3）将高区和低区的DEM制作合并，构成城市下凹式立交桥区内涝模型的地表DEM输入。

（4）根据高区、低区的排水管网设计重现期，分别计算设计暴雨扣损量和净雨量过程线，具体步骤如下：

根据《室外排水设计规范》和下凹式立交桥高低区汇水流域内地貌特征，确定城市下凹式立交桥高低区的地面集水时间T_高区、T_低区，地面径流系数Ψ_高区、Ψ_低区，净雨系数ε（ε:为了准确得到净雨量根据地貌特征所取得修正系数），并依据《室外排水设计规范》中的暴雨强度公式，和高低区对应的设计重现期P_高区、P_低区，计算出设计重现期下高低区对应的设计暴雨强度q_高区、q_低区（L/s·hm²）。分别计算得到高低区的扣损值Q_高区扣损、Q_低区扣损。

Q_高区扣损=q_高区×Ψ_高区×ε

Q_低区扣损=q_低区×Ψ_低区×ε

高低区扣损值Q_高区扣损、Q_低区扣损含义：由于高低区管道的设计重现期分别为P_高区、P_低区，即认为高低区管道的排水能力能应对设计重现期P_高区、P_低区内的降雨，把这些降雨以地表扣损的形式认为等同于从高低区管道排除。通过扣损可以得到设计降雨地表净流量。

（5）用模型软件计算二维地表漫流，并用根据步骤（2）（3）制作的高精度DEM，生成二维模拟的栅格数据，利用从步骤（4）计算中得到扣损后的地表净雨量进行二维地表漫流计算。用二维圣维南方程描述城市雨水地面径流过程：

$\frac{\∂h}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{uh}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{vh}\right)}{\∂y}=0$

$\frac{\∂u}{\∂t}+u\frac{\∂u}{\∂x}+v\frac{\∂u}{\∂y}+g\frac{\∂(h+Z_b)}{\∂x}+c_f\frac{u\sqrt{u^2+v^2}}{h}=0$

$\frac{\∂v}{\∂t}+u\frac{\∂v}{\∂x}+v\frac{\∂v}{\∂y}+g\frac{\∂(h+Z_b)}{\∂y}+c_f\frac{v\sqrt{u^2+v^2}}{h}=0$

式中：h为网格型心处水深，m；u为x方向流速，m/s；v为y方向流速，m/s；c_f为阻力系数。

（6）分别用高、低重现期降雨对高、低区汇水范围进行验证，看是否存在客水汇入的状况，评价低区排水系统的能力，计算内涝防御设施改造的工程量。

（7）在水力模型中输入改造方案参数，验证高、低重现期降雨下，评估改造方案的合理性。

Claims (1)

1.一种不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：

(1)确定下凹式立交桥区高区、低区设计汇水流域范围：

(2)制作桥区高精度DEM，高精度DEM即数字地面高程模型:网格精度不低于5m×5m，桥区设计低区网格精度不低于1m×1m；精确表达积水区的范围和深度；

(3)将高区和低区的DEM制作合并，构成城市下凹式立交桥区内涝模型的地表DEM输入；

(4)根据高区、低区的排水管网设计重现期，分别计算设计暴雨扣损量和净雨量过程线，具体步骤如下：

根据《室外排水设计规范》和下凹式立交桥高低区汇水流域内地貌特征，确定城市下凹式立交桥高低区的地面集水时间T_高区、T_低区，高、低区地面径流系数Ψ_高区、Ψ_低区，净雨系数ε，并依据《室外排水设计规范》中的暴雨强度公式，和高低区对应的设计重现期P_高区、P_低区，计算出设计重现期下高低区对应的设计暴雨强度q_高区、q_低区(L/s·hm²)；分别计算得到高低区的扣损值Q_高区扣损、Q_低区扣损；

Q_高区扣损＝q_高区×Ψ_高区×ε

Q_低区扣损＝q_低区×Ψ_低区×ε

高低区扣损值Q_高区扣损、Q_低区扣损的含义：由于高低区管道的设计重现期分别为P_高区、P_低区，即认为高低区管道的排水能力能应对设计重现期P_高区、P_低区内的降雨，把这些降雨以地表扣损的形式认为等同于从高低区管道排除；通过扣损得到设计降雨地表净流量；ε：净雨系数，根据地貌特征所取的修正系数；

(5)用模型软件计算二维地表漫流，并用根据步骤(2)(3)制作的高精度DEM，生成二维模拟的栅格数据，利用从步骤(4)计算中得到扣损后的地表净雨量进行二维地表漫流计算；采用二维圣维南方程描述城市雨水地面径流过程：

$\frac{\∂h}{\∂t}+\frac{\∂\left(uh\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(vh\right)}{\∂y}=0$

$\frac{\∂u}{\∂t}+u\frac{\∂u}{\∂x}+v\frac{\∂u}{\∂y}+g\frac{\∂(h+Z_b)}{\∂x}+c_f\frac{u\sqrt{u^2+v^2}}{h}=0$

$\frac{\∂v}{\∂t}+u\frac{\∂v}{\∂x}+v\frac{\∂v}{\∂y}+g\frac{\∂(h+Z_b)}{\∂y}+c_f\frac{v\sqrt{u^2+v^2}}{h}=0$

式中：h为网格型心处水深，m；u为x方向流速，m/s；v为y方向流速，m/s；c_f为阻力系数。