CN108334744B - 一种基于内涝势冲量的海绵城市内涝程度评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于内涝势冲量的海绵城市内涝程度评价方法，建立了城市局部内涝瞬时指标、局部内涝综合指标、区域整体内涝指标标准值等组成的评价城市内涝程度的指标体系及其具体计算分析方法，结合工程案例分析显示，指标体系能有效反映内涝的时空分布特征，指标值采用无量纲量，并建立了内涝程度表示的科学方法，评价方法更科学；计算的局部内涝综合指标能有效反映城市内涝点的内涝程度，计算的整体区域内涝设计值可以有效评价城市整体内涝程度，计算的整体区域内涝程度指标平均值能描述LID（低影响开发）措施防涝设计的总体合理性，计算的整体区域内涝指标标准差和变异系数能有效反映内涝的局部分配不均匀性，为LID措施等海绵措施设计和评价提供依据，同时用这两个指标评价规划设计的合理性，可以使评价方法更科学合理。

Description

一种基于内涝势冲量的海绵城市内涝程度评价方法

技术领域

本发明涉及一种内涝评估方法，具体涉及一种海绵城市内涝程度评价方法。

背景技术

内涝通常指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力致使城市内产生积水灾害的现象。一般城市的长时间积水内涝会影响城市交通、城市设施和居民正常生活等。目前内涝程度主要是定性描述，还没有完善的统一的指标体系；内涝程度的评价基本根据积水深度和积水时间(或积水流速)结合对经验进行定性的综合评价，还不太科学，亟待完善。现有的内涝评估方法和思想主要有二种：历史灾情评估法、指标体系评估法和情景模拟评估法。内涝产生的原因很多也很复杂，目前认为造成城市内涝的主要原因是城市规划设计时没有充分考虑到城市整体地形、强降雨后径流系统等复杂因素对降雨后内涝的影响规律，评价内涝的指标体系还不完善，给内涝防治的优化设计带来困难，而且评价方法不能反映内涝全过程特征，使得设计与实际有误差。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的问题，提出了一种基于内涝势冲量的海绵城市内涝程度评价方法。

技术方案：本发明提供了一种基于内涝势冲量的海绵城市内涝程度评价方法，通常情况根据强降雨或连续降雨特点，一般道路或小区积水深度历时曲线如图1所示，根据规范，当积水深度大于某一值h₀(根据本地区的历史数据综合考虑给出)时，定义为内涝。因此内涝历时曲线能很好的反映该道路或小区节点处的内涝严重程度，内涝深度越大、内涝时间越长则内涝越严重。本发明定义图中阴影部分面积即内涝曲线与横坐标轴围成的面积为内涝势冲量，阴影部分面积越大则内涝势冲量越大，内涝也越严重。

局部节点的内涝势冲量可用如下公式表示：

式中，h₀为内涝深度开始值，h_max为内涝深度的最大值，f(t)为内涝深度历时曲线，t为内涝时长。

实际内涝深度的历时曲线很复杂，也很难通过积分获得该值，因此根据内涝势冲量特点，建立在某一内涝深度h_i时对应的阴影矩形面积为局部节点的内涝程度瞬时指标，如图2所示，针对某一内涝深度h_i，其内涝深度超过h_i的持续时长为t_i，定义该深度对应时长形成的矩形面积h_it_i为该点内涝深度为h_i的内涝程度瞬时指标，该局部节点的内涝程度瞬时指标计算公式如下：

R′_ti＝h_i·t_i

为了使评价指标更科学，采用无量纲化方法，计算公式简化为如下所示，评价指标值无量纲化后可以更客观的进行评价和运用：

其中，R_ti为无量纲化的局部节点内涝程度瞬时指标，h_i为内涝深度，为内涝深度基准值，没有特殊要求时，可以根据《城市内涝防治规划标准》规范取15cm，t_i为h_i内涝深度的内涝时长，没有特殊要求时，可以取下雨时长。

局部内涝瞬时指标计算值只是反映了在该内涝深度下内涝势冲量，不能反映内涝全过程，因此采用梯形面积总和近似内涝全过程的内涝势冲量，(值的大小等于内涝曲线与横轴围成的面积)，理论上只要取足够多的内涝瞬时点，误差可趋于无穷小，如图3(a)(b)所示；根据某内涝点内涝全过程曲线，将最大的内涝深度h_max等分为N份，每份高为Δh，有

采用梯形面积总和近似等于内涝全过程的内涝势冲量，理论上当N趋于无穷大时，内涝水深h_i-1和h_i在内涝曲线内部围成的梯形面积Si和趋于内涝曲线构成的内涝势冲量理论值，因此节点内涝势冲量近似计算公式如下所示：

其中，t_N为内涝深度为h_N时对应的内涝时长；

则局部内涝综合指标S^#根据下式近似进行计算：

采用无量纲法，定义内涝势冲量为局部内涝综台指标：

则有无量纲化的局部内涝综合指标：

根据规范，一般内涝深度大于内涝时长大于时定义为内涝(特殊情况也可以取设计需要的和)，因此局部内涝综合指标大于1即为内涝，计算指标值越大，内涝越严重，根据建立的局部内涝指标概念清晰，并采用无量纲量，容易判断和推广。

进一步，构建的内涝势冲量能有效反映内涝全过程的影响，基于内涝势冲量概念构建的内涝程度指标体系能很好反映强降雨过程中城市内涝程度。对于整个区域而言，基于建立的局部内涝点指标体系，建立整体内涝指标，整体内涝程度采用节点内涝程度相对于子汇水区面积的加权平均值和变异系数表示，变异系数描述设计排水条件下内涝局部点之间的内涝局部差异程度，变异系数越大，说明有局部的内涝特别严重应进行重新设计，具体计算方法如下：

从整体区域看，假设有M个点，内涝点的程度与内涝的面积也有关，因此建立内涝点整体指标标准值，计算公式如下：

其中，j＝1，2，…，M，S_j为节点j汇水区面积，S_总为总汇水区面积，R＇_j为节点j的无量纲化的局部内涝综合指标；

因此整体区域内涝设计值：

因此整体区域内涝指标平均值：

整体内涝指标的标准差：

整体内涝指标的变异系数：

平均值反映了整体区域的内涝严重程度，标准差和变异系数反映了内涝的局部分配不均匀性；采用这两个指标进行内涝评价规划更科学，可以为海绵城市规划设计提供优化依据。

有益效果：本发明建立了城市局部内涝瞬时指标、局部内涝综合指标、区域整体内涝指标标准值等组成的评价城市内涝程度的指标体系及其具体计算分析方法，结台工程案例分析显示，指标体系能有效反映内涝的时空分布特征，指标值采用无量纲量，并建立了内涝程度指标体系值计算的科学方法，评价方法更科学；采用的区域整体内涝程度指标平均值能有效描述防涝设计的总体合理性，采用标准差和变异系数反映内涝的局部分配不均匀性，为LID描施等海绵措施效果评价和优化设计提供了依据，同时用这些指标评价规划设计的台理性，使评价方法更科学台理。

附图说明

图1为一般道路或小区积水深度历时曲线；

图2为局部节点的内涝程度瞬时指标示意图；

图3为内涝全过程的内涝势冲量示意图，其中，(a)表示最大内涝水位持续了一段时间，(b)表示最大内涝水位是个极值点，计算内涝势冲量的最后梯形缩减为二角形。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

下表为奉化新城区采用本发明方法计算的内涝指标统计表：

表1 100年一遇2小时强降雨内涝程度综合指标计算分析表

根据表中R0054和R0902点计算结果显示，R0054处内涝5cm时间183分钟，比R0902处175分钟长8分钟，但R0054处最大内涝深度超过20cm的持续时间只有2分钟，而R0902内涝深度20cm以上10分钟，因此单独用某一内涝深度瞬时时刻的内涝指标表示该点的内涝程度进行评价不台理，而本方法节点的内涝综合指标能反映内涝过程，R0902的内涝综台指标值1.16大于R0054点的1.138，采用本方法可以综合反映该点的内涝过程特征，更全面更符台实际情况，而且计算方法概念明确，更科学。

案例显示，局部内涝点综台指标值能很好的反映该断面的内涝程度，大于1表示已内涝。而内涝点整体指标标准值是考虑了该断面对应的汇水区面积后内涝程度的相对值，相同局部内涝点综合指标(如R0054、R1204的内涝点综合指标值都是1.138)，但他们对应的汇水区面积不相同，则内涝点整体指标标准值不同，R0054点对应汇水区面积10.0465m²整体指标标准值为0.169，而R1204点对应的汇水区面积大，为14.3636m²因此整体指标标准值大，为0.242，因此该值同时反映了内涝点对应的汇水区面积大小对整体内涝程度评价的影响。

目前的内涝点内涝程度评价一般采用国外市用的洪水风险评价标准，主要考虑洪水淹没深度和流速来进行风险程度评估，并以某一深度的瞬时指标来衡量，本质是本发明方法对应的局部内涝瞬时指标，这个不能反映内涝的历时全过程，因此评价方法没有本发明方法科学。

Claims (2)

1.一种基于内涝势冲量的海绵城市内涝程度评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)获取城市每个局部节点的内涝深度历时曲线，在某一局部节点处实际内涝深度的历时曲线上，针对某一内涝深度h_i，其内涝深度超过h_i的持续时长为t_i，定义该深度对应时长形成的矩形面积h_it_i为局部节点内涝深度为h_i的内涝程度瞬时指标，该局部节点的内涝程度瞬时指标计算公式如下：

R′_ti＝h_i·t_i

(2)采用无量纲化方法，计算公式简化为如下所示：

其中，R_ti为无量纲化的局部节点内涝程度瞬时指标，h_i为内涝深度，为内涝深度基准值，根据《城市内涝防治规划标准》规范取15cm，t_i为h_i内涝深度的内涝时长，取下雨时长；

(3)将节点内涝曲线上的最大的内涝深度h_max等分为N份，每份高为Δh，有

采用N个等分后的梯形面积总和，近似等于内涝全过程的内涝势冲量，理论上当N趋于无穷大时，内涝水深h_i-1和h_i在内涝曲线内部围成的梯形面积Si和趋于内涝曲线构成的内涝势冲量理论值，因此节点内涝势冲量近似计算公式如下所示：

其中，t_N为内涝深度为h_N时对应的内涝时长；

则局部内涝综合指标S^#根据下式近似进行计算：

采用无量纲法，定义内涝势冲量为局部内涝综合指标：

则有无量纲化的局部内涝综合指标：

根据规范，一般内涝深度大于内涝时长大于时定义为内涝，因此局部内涝综合指标大于1即为内涝，计算指标值越大，内涝越严重。

2.根据权利要求1所述的基于内涝势冲量的海绵城市内涝程度评价方法，其特征在于：对于整个区域而言，基于建立的局部内涝点指标体系，建立整体内涝指标，整体内涝程度采用节点内涝程度相对于子汇水区面积的加权平均值和变异系数表示，变异系数描述设计排水条件下整体区域内的内涝局部差异程度，变异系数越大，说明有局部的内涝特别严重应进行重新设计，具体计算方法如下：

从整体区域看，假设有M个点，内涝点的程度与内涝的面积也有关，因此建立内涝点整体指标标准值，计算公式如下：

其中，j＝1，2，…，M，S_j为节点j汇水区面积，S_总为总汇水区面积，R′_j为节点j的无量纲化的局部内涝综合指标；

因此整体区域内涝设计值：

因此整体区域内涝指标平均值：

整体内涝指标的标准差：

整体内涝指标的变异系数：

平均值反映了整体内涝严重程度，标准差和变异系数反映了内涝的局部分配不均匀性；采用这两个指标进行内涝评价规划。