CN103886152A - 基于城市下凹式立交桥区dem的流域汇水范围制作方法 - Google Patents

基于城市下凹式立交桥区dem的流域汇水范围制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于城市下凹式立交桥区DEM的流域汇水范围制作方法，属于市政工程技术领域。其构造过程涉及：以初始的城市下凹式立交桥区汇水流域高精度DEM为初始输入；利用二维圣维南方程对立交桥区进行二维地表漫流模型演算；根据重新定义了基于栅格单元流量的单流向法D8法确定栅格单元水流方向；不断扩大计算范围，利用试算外包线找寻不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区汇水流域范围；实现了不同暴雨情景下，下凹式立交桥区汇水流域范围实时动态变化的计算机过程模拟，形象、真实、直观且准确。由于下凹式立交桥内涝积水灾害频发，该方法能够为构建下凹式立交桥改造及规划设计模型提供数据依据，因此，本方法具有很好的应用前景。

Description

基于城市下凹式立交桥区DEM的流域汇水范围制作方法
技术领域
本发明涉及一种基于城市下凹式立交桥区DEM的流域汇水范围制作方法，属于市政工程技术领域。
背景技术
我国目前城市内涝灾害频发，尤其是城市下凹式立交桥区，在强降雨中发生严重积水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，必须在规划设计层面上综合考虑制定科学的设计方案，综合解决城市内涝问题。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。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。构建不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区内涝模型需要城市下凹式立交桥所处地理位置的低汇水区和高汇水区不同汇水范围的地表高程数字模型（DEM）作为输入信息。一般在建模过程中，桥区低汇水区1:500测绘地形图可以提供，但涉及到高汇水区时，1:500测绘地形图需要采购，本方法采用试算的方法确定高汇水区汇水范围，减少了盲目采购高区1:500测绘地形图的数量，节约了成本。城市下凹式立交桥属于城市特别重要的地区，传统的桥区汇水流域划定方法无法满足城市下凹式立交桥应对突发暴雨的能力要求，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，才能更好地构建城市立交桥改造工程规划设计水力模型。
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，本发明涉及一种基于城市下凹式立交桥区DEM的流域汇水范围制作方法，用来指导城市下凹式立交桥区汇水流域划分。
本发明以桥区周围高精度DEM为分析对象，旨在用计算机实现对不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区汇水流域范围的划定，并能对现状桥区设计方案进行评估，实时的模拟下凹式立交桥区汇水流域范围的动态变化，为城市下凹式立交桥区汇水流域范围的确定提供更为真实、直观的方法。该方法以初始的城市下凹式立交桥区汇水流域高精度DEM为初始输入；利用二维圣维南方程对立交桥区进行二维地表漫流模型演算；根据重新定义了基于栅格单元流量的单流向法D8法确定栅格单元水流方向；不断扩大计算范围，利用试算外包线找寻不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区汇水流域范围；实现了不同暴雨情景下，下凹式立交桥区汇水流域范围实时动态变化的计算机模拟过程，形象、真实、直观且准确。由于下凹式立交桥内涝积水灾害频发，该方法能够为构建下凹式立交桥改造及规划设计模型提供数据依据，因此，本方法具有很好的应用前景。
本发明的技术方案如下：
一种基于城市下凹式立交桥区DEM的流域汇水范围制作方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
一种基于城市下凹式立交桥区DEM的流域汇水范围制作方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
（1）根据1:500测绘地形图，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；具体步骤如下：
根据《室外排水设计规范》和下凹式立交桥周边基础测绘地形图，参考原始设计文件，可以确定下凹式立交桥区低区的汇水流域。
在此基础上将围绕下凹式立交桥区低区的汇水流域周边扩充1个测绘单元，即：将1∶500（50cm×50cm正方形图幅）数字地形图扩充到原来的汇水流域中，制作成初始的桥区高精度DEM。
（2）根据初始的桥区高精度DEM，计算二维地表漫流，进行流向分析，实现计算机智能划定汇水流域。按以下步骤进行：
（2.1）根据步骤（1）制作得来的地形栅格数据，利用设计降雨进行二维地表漫流计算得出每个栅格流量值和水深，用二维圣维南方程描述城市雨水地面径流过程：
∂ h ∂ t + ∂ ( uh ) ∂ x + ∂ ( vh ) ∂ y = 0
∂ u ∂ t + u ∂ u ∂ x + v ∂ u ∂ y + g ∂ ( h + Z b ) ∂ x + c f u u 2 + v 2 h = 0
∂ v ∂ t + u ∂ v ∂ x + v ∂ v ∂ y + g ∂ ( h + Z b ) ∂ y + c f v 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；cf为阻力系数。
（2.2）用改进单流向法D8法，基于步骤（2.1）计算得出的每个栅格对应的流量值和水深值，进行地表二维模型流向分析。
改进单流向法D8法定义其中心栅格与各相邻栅格间的权落差为该步长t的流量权落差（即栅格中心点距离落差加上栅格水深落差，除以栅格中心点之间的距离），取流量权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格即水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大流量权落差来确定。
（2.3）根据外包线找寻算法划定桥区汇水流域范围，具体步骤如下：
（2.3.1）根据地形数据手动圈出桥区下凹区域。
（2.3.2）根据步骤（2.2）中的流向分析，继而选中该步长下所有流向步骤（2.3.1）圈定栅格的栅格单元。
（2.3.3）根据外包线找寻算法，找寻步骤（2.3.2）中所有选定栅格中心点的外包线。（外包线不经过格栅最外围的栅格即为找到流域边界）
（3）如果经过步骤（2）找到流域范围边界，该流域范围边界即为该降雨下的汇水流域范围边界。如果经过步骤（2）未找到流域边界，则对未找到流域边界单元向外顺延一个测绘单元，依次类推循环，直到找到对应设计降雨情境下对应的桥区汇水流域范围。
（4）在不同暴雨情景下，循环步骤（2）、步骤（3）对城市下凹式立交桥区进行模拟，分别得到其相应的汇水流域范围。
（5）根据桥区设计重现期要求，选取与设计重现期相对应的汇水流域范围。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）计算机实现城市下凹式立交桥区汇水流域的自动划分，避免了人工经验方法的不确定性和复杂的人工操作；
（2）可以在不同设计重现期降雨情境下，得到其相应的桥区汇水流域范围，便于参照和分析；
（3）既可以用来校核现状桥区汇水流域范围，也可以为规划设计桥区汇水流域范围划分提供依据，有利于构建下凹式立交桥区规划设计水力模型。
附图说明
图1是本发明基于城市下凹式立交桥区DEM的流域汇水范围制作方法示意图。
图2改进单流向法D8法示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于城市下凹式立交桥汇水区DEM的高汇水区汇水范围制作方法，具体步骤如下：
（1）根据1:500测绘地形图，制作桥区高精度DEM。具体步骤如下：
根据《室外排水设计规范》和下凹式立交桥周边基础测绘地形图，参考原始设计文件，可以确定下凹式立交桥区低区的汇水流域。
在此基础上将围绕下凹式立交桥区低区的汇水流域周边扩充1个测绘单元，即：将1∶500（50cm×50cm正方形图幅）数字地形图扩充到原来的汇水流域中，制作成初始的桥区高精度DEM。
（2）根据初始的桥区高精度DEM，计算二维地表漫流，进行流向分析，实现计算机智能划定汇水流域。按以下步骤进行：
（2.1）根据步骤（1）制作得来的地形栅格数据，利用设计降雨进行二维地表漫流计算得出每个栅格流量值和水深，用二维圣维南方程描述城市雨水地面径流过程。
（2.2）用改进单流向法D8法，基于步骤（2.1）计算得出的每个栅格对应的流量值和水深值，进行地表二维模型流向分析。
（2.3）根据外包线找寻算法划定桥区汇水流域范围，具体步骤如下：
（2.3.1）根据地形数据手动圈出桥区下凹区域。
（2.3.2）根据步骤（2.2）中的流向分析，继而选中该步长下所有流向步骤（2.3.1）圈定栅格的栅格单元。
（2.3.3）根据外包线找寻算法，找寻步骤（2.3.2）中所有选定栅格中心点的外包线。（外包线不经过格栅最外围的栅格即为找到流域边界）
（3）如果经过步骤（2）找到流域范围边界，该流域范围边界即为该降雨下的汇水流域范围边界。如果经过步骤（2）未找到流域边界，则对未找到流域边界单元向外顺延一个测绘单元，依次类推循环，直到找到对应设计降雨情境下对应的桥区汇水流域范围。
（4）在不同暴雨情景下，循环步骤（2）、步骤（3）对城市下凹式立交桥区进行模拟，分别得到其相应的汇水流域范围。
（5）根据桥区设计重现期要求，选取最适当的汇水流域范围。

Claims (1)

1.一种基于城市下凹式立交桥区DEM的流域汇水范围制作方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下： 
（1）根据1:500测绘地形图，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；具体步骤如下： 
根据《室外排水设计规范》和下凹式立交桥周边基础测绘地形图，参考原始设计文件，确定下凹式立交桥区低区的汇水流域； 
在此基础上将围绕下凹式立交桥区低区的汇水流域周边扩充1个测绘单元，即：将1∶500数字地形图扩充到原来的汇水流域中，制作成初始的桥区高精度DEM； 
（2）根据初始的桥区高精度DEM，计算二维地表漫流，进行流向分析，实现计算机智能划定汇水流域；按以下步骤进行： 
（2.1）根据步骤（1）制作得来的地形栅格数据，利用设计降雨进行二维地表漫流计算得出每个栅格流量值和水深，用二维圣维南方程描述城市雨水地面径流过程： 
Figure FDA0000482749940000011
Figure FDA0000482749940000013
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；cf为阻力系数； 
（2.2）用改进单流向法D8法，基于步骤（2.1）计算得出的每个栅格对应的流量值和水深值，进行地表二维模型流向分析； 
改进单流向法D8法定义其中心栅格与各相邻栅格间的权落差为该步长t的流量权落差；改进单流向法D8即栅格中心点距离落差加上栅格水深落差，除以栅格中心点之间的距离；取流量权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格即水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大流量权落差来确定；改进后的单流向法D8法基于高程叠加后的栅格进行流向分析； 
（2.3）根据外包线找寻算法划定桥区汇水流域范围，具体步骤如下： 
（2.3.1）根据地形数据手动圈出桥区下凹区域； 
（2.3.2）根据步骤（2.2）中的流向分析，继而选中该步长下所有流向步骤（2.3.1）圈定栅格的栅格单元； 
（2.3.3）根据外包线找寻算法，找寻步骤（2.3.2）中所有选定栅格中心点的外包线；外包线不经过格栅最外围的栅格即为找到流域边界； 
（3）如果经过步骤（2）找到流域范围边界，该流域范围边界即为该降雨下的汇水流域范围边界；如果经过步骤（2）未找到流域边界，则对未找到流域边界单元向外顺延一个测绘单元，依次类推循环，直到找到对应设计降雨情境下对应的桥区汇水流域范围。 
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