CN108388714A - 流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法。它包括以下步骤：S1：构建流域径流模型；S2：构建城市雨水管网模型；S3：将流域径流模型与城市雨水管网模型耦合；S4：城市洪水模拟与预测。本发明建立了流域水系和城市边界之间的网络分析，将流域和城市不同尺度的径流模型链接起来，提高了模拟精度，具有较高的区域适用性。

Description

流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法

技术领域

本发明涉及城市洪水模拟技术领域，尤其涉及一种流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法。

背景技术

现有的洪水预测方法主要针对流域地表流量，无法准确对城市地区的水文径流进行描述。主要模型方法有：

1、降雨径流法；

2、马斯京根法(Muskingum)；

3、神经网络模型(ANN)；

4、流域水文模型；

5、城市雨洪模型。

现有的预测洪水流量方法具有以下缺陷：

(1)传统经验公式、水文模型在考虑下垫面空间分布方面存在局限性。

(2)对于城市地区，降雨产汇流受复杂的下垫面与城市排水管网规划影响，大多数的水文模型无法加入排水管网的模拟。

(3)只考虑流域或者城市单一尺度下的水文循环，未考虑流域径流量对城市地区水量的影响。

(4)缺乏城市所处水环境所依存的自然空间水文过程的理解和预测。

目前对于城市地区洪水流量预测多集中于城市排水管网的模拟研究，缺乏对城市水环境所依存的自然空间水文过程的理解和预测，忽略了流域径流量与城市水量的交互过程，城市洪水水量模拟精度大大降低。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了一种流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法，其建立了流域水系和城市边界之间的网络分析，将流域和城市不同尺度的径流模型链接起来，提高了模拟精度，具有较高的区域适用性。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明的流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法，包括以下步骤：

S1：构建流域径流模型；

S2：构建城市雨水管网模型；

S3：将流域径流模型与城市雨水管网模型耦合；

S4：城市洪水模拟与预测。

作为优选，所述步骤S1包括以下步骤：

S101：流域水系提取：基于DEM数字高程模型，利用ARCGIS软件进行水文分析，提取自然河流水系，结合高分遥感影像对基于DEM数字高程模型提取的自然河流水系进一步校正，最终提取能够准确描述流域实际情况的流域水系；

S102：水系区域子流域和水文响应单元划分：基于DEM数字高程模型以及提取的流域水系数据划分出若干个水系区域子流域；根据土地利用数据、土壤数据、坡度数据和流域水系数据，将每个水系区域子流域划分为若干个具有相同的水文行为的水文响应单元；

S103：流域径流量模拟：利用水文模型通过气象数据、已经划分好的水文响应单元和提取的流域水系对流域径流量进行模拟，得到不同水系区域子流域的产流量和每段河流的出流量。

作为优选，所述步骤S2包括以下步骤：

S201：构建城市雨水管网模型数据库：利用GIS矢量化工具对城市雨水管网数据进行简化并建立拓扑关系检查城市雨水管网的连通性及其属性完整性；基于DEM数据，利用GIS水文分析模块划分城市地区子流域，再根据待分析区的道路数据将城市地区子流域划分成若干个第一子汇水区，最后结合高分遥感影像，按照土地覆被类型、区块单元、道路分布及降水就近排放的原则，将每个第一子汇水区划进一步分成若干个第二子汇水区；采用待分析区内实测数据作为降雨数据；

S202：主要参数设置：确定第二子汇水区面积、地表平均坡度、不透水率、渗透面积、特征宽度，不透水率，透水区洼蓄量，不透水区曼宁系数、管网粗糙系数。

作为优选，所述步骤S3包括以下步骤：

S301：建立流域水系与城市边界之间的空间联系：利用GIS的空间网络分析工具，构建流域水系与城市边界之间的网络分析关系，提取线-线相交点，并建立点数据集；

S302：确定进水节点：将点数据集与流域水系-城市边界图层建立空间链接，选择四条线相交的点为进水节点，以此生成流域水系向城市内水系输送外来水量的进水节点；

S303：流域径流与城市雨水管网耦合：将进水节点上游的水系区域子流域径流模拟输出值作为城市管网入流流量的输入值。

作为优选，所述步骤S4包括以下步骤：

S401：根据城市降雨数据，利用城市降雨产汇流模型模拟降雨产流过程，计算各个进水节点总进流量、洪流；

S402：如果有进水节点的值在某一时刻的进水深度超过了该进水节点的最大容水量，那么确定该进水节点产生溢流，即产生洪水，积涝时间就是该进水节点的进水深度达到或超过最大容水量的持续时间。

作为优选，所述步骤S201包括以下步骤：

N1：首先利用ARCGIS中Hydrology模块进行水文分析，进行城市流域水流方向提取、汇流累积量计算和城市地区子流域划分，将城市地区子流域数据进行矢量变换，并根据城市地区子流域的值对矢量数据进行融合，经过处理后的矢量结果即为城市地区子流域；

N2：统计待分析区内原始管网数据中管段节点，根据主干道路的交叉点对待分析区内节点进行概化，基于管段节点和道路交叉点生成待分析区内泰森多边形，根据城市排水管网将待分析区划分为多个泰森多边形小区域，该泰森多边形小区域即为第一子汇水区，在第一子汇水区的基础上，运用GIS手段，结合高分遥感影像，按照土地覆被类型、区块单元、道路分布及降水就近排放的原则，将每个第一子汇水区进一步划分成若干个第二子汇水区；

N3：采用待分析区内实测数据作为降雨数据。

本发明的有益效果是：建立了流域水系和城市边界之间的网络分析，将流域和城市不同尺度的径流模型链接起来，考虑了流域径流对城市的影响，克服了传统的管网节点的境外来水量靠水利部门统计得来的不确定性，提高了城市降雨径流模拟精度，并通过GIS和RS手段获取建模数据，具有较高的区域适用性。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的一种流域水系和城市管网空间耦合流程图；

图3是本发明的一种流域水系和城市管网空间耦合示意图；

图4是城市流域栅格数据示意图；

图5是城市地区子流域示意图；

图6是城市地区第二子汇水区示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：构建流域径流模型；

S2：构建城市雨水管网模型；

S3：将流域径流模型与城市雨水管网模型耦合；

S4：城市洪水模拟与预测。

步骤S1包括以下步骤：

S101：流域水系提取：基于DEM数字高程模型，利用ARCGIS软件进行水文分析，提取自然河流水系，结合高分遥感影像对基于DEM数字高程模型提取的自然河流水系进一步校正，最终提取能够准确描述流域实际情况的流域水系；

S102：水系区域子流域和水文响应单元划分：基于DEM数字高程模型以及提取的流域水系数据划分出若干个水系区域子流域；根据土地利用数据、土壤数据、坡度数据和流域水系数据，将每个水系区域子流域划分为若干个具有相同的水文行为的水文响应单元；

S103：流域径流量模拟：利用水文模型通过气象数据(气温数据、降水数据)、已经划分好的水文响应单元和提取的流域水系对流域径流量进行模拟，得到不同水系区域子流域的产流量和每段河流的出流量。

步骤S2包括以下步骤：

S201：构建城市雨水管网模型数据库：利用GIS矢量化工具对城市雨水管网数据进行简化并建立拓扑关系检查城市雨水管网的连通性及其属性完整性；基于DEM数据，利用GIS水文分析模块划分城市地区子流域，再根据待分析区的道路数据将城市地区子流域划分成若干个第一子汇水区，最后结合高分遥感影像，按照土地覆被类型、区块单元、道路分布及降水就近排放的原则，将每个第一子汇水区划进一步分成若干个第二子汇水区；采用待分析区内实测数据作为降雨数据；综合以上所述，得到城市雨水管网模型数据库；

S202：主要参数设置：确定第二子汇水区面积、地表平均坡度、不透水率、渗透面积、特征宽度，不透水率，透水区洼蓄量，不透水区曼宁系数、管网粗糙系数。至此完成城市雨水管网模型构建。

如图2所示，步骤S3包括以下步骤：

S301：建立流域水系与城市边界之间的空间联系：利用GIS的空间网络分析工具，构建流域水系与城市边界之间的网络分析关系，提取线-线相交点，并建立点数据集；

S302：确定进水节点：将点数据集与流域水系-城市边界图层建立空间链接，获得四类点数据，选择四条线相交的点为进水节点，以此生成流域水系向城市内水系输送外来水量的进水节点，如图3所示；

S303：流域径流与城市雨水管网耦合：将进水节点上游的水系区域子流域径流模拟输出值作为城市管网入流流量的输入值。

步骤S4包括以下步骤：

S401：根据城市降雨数据，利用城市降雨产汇流模型模拟降雨产流过程，计算各个进水节点总进流量、洪流；

S402：如果有进水节点的值在某一时刻的进水深度超过了该进水节点的最大容水量，那么确定该进水节点产生溢流，即产生洪水，积涝时间就是该进水节点的进水深度达到或超过最大容水量的持续时间。

步骤S201包括以下步骤：

N1：首先利用ARCGIS中Hydrology模块进行水文分析，进行城市流域水流方向提取、汇流累积量计算和城市地区子流域划分，划分的城市地区子流域数据形式为栅格，将城市地区子流域数据进行矢量变换，并根据城市地区子流域的值对矢量数据进行融合，经过处理后的矢量结果即为城市地区子流域；(裁剪城市研究区域的DEM数据，基于地表水文分析提取城市地区子流域)；

N2：统计待分析区内原始管网数据中管段节点，根据主干道路的交叉点对待分析区内节点进行概化，基于管段节点和道路交叉点生成待分析区内泰森多边形，根据城市排水管网将待分析区划分为多个泰森多边形小区域，该泰森多边形小区域即为第一子汇水区，在第一子汇水区的基础上，运用GIS手段，结合高分遥感影像，按照土地覆被类型、区块单元、道路分布及降水就近排放的原则，将每个第一子汇水区进一步划分成若干个第二子汇水区；(管网结构概化以地表汇流关系为基础，使得汇流水量直接进入管网支管中，再由支管汇集到主管道中)；

N3：采用待分析区内实测数据作为降雨数据。

例如：将对某个城市流域水流方向提取、汇流累积量计算和城市地区子流域划分，划分的城市地区子流域数据形式为栅格(如图4所示)，将城市地区子流域数据进行矢量变换，并根据城市地区子流域的值对矢量数据进行融合，经过处理后的矢量结果即为城市地区子流域(如图5所示)，通过步骤N2最后划分出若干个第二子汇水区(如图6所示划分出117个第二子汇水区)。

第二子汇水区参数及其获取：在确定城市汇水的基础上，利用GIS统计分析工具计算出个汇水概化参数，包括各第二子汇水区面积、不透水面积、不透水比率、汇水区平均坡度，特征宽度、水流长度；不渗透的获取途径：先通过高分遥感影像确定整个城市区域四种不同地类(建筑物、绿地、道路和河流)面积，利用工具计算出第二子汇水区内各地类面积，其中建筑物和道路为不透水地表，不透水比率为不透水面积与第二子汇水区总面积之商。其他参数通过查询文献确定。

管网参数及其获取：可以通过原始数据属性查阅或采用GIS空间分析和计算得到管网的空间位置(即X、Y坐标)、节点高程、管长、管径、流向、坡度等属性数据，节点参数及其获取途径。

节点参数及其获取：管道节点参数可通过属性直接查阅，参数主要包括节点坐标、井底标高、节点高程、初始水深等。对于道路交叉点高程可基于DEM数据，通过GIS空间提取其对应高程，其他参数可参考管道节点设置。

本方法采用流域水文模拟和城市水文模拟耦合的方法对平原河网城市暴雨洪水流量进行预测。初始数据由地理空间数据和属性数据两类，先分别对数据进行预处理：对所有空间数据进行投影转换，确定其坐标系一致；检查属性数据，按照其所对应的空间数据站点名，分别整理并保存。

基础数据如表一所示，

表一

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了洪水模拟、子流域、子汇水面、产汇流等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：构建流域径流模型；

S2：构建城市雨水管网模型；

S3：将流域径流模型与城市雨水管网模型耦合；

S4：城市洪水模拟与预测。

2.根据权利要求1所述的流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S101：流域水系提取：基于DEM数字高程模型，利用ARCGIS软件进行水文分析，提取自然河流水系，结合高分遥感影像对基于DEM数字高程模型提取的自然河流水系进一步校正，最终提取能够准确描述流域实际情况的流域水系；

S102：水系区域子流域和水文响应单元划分：基于DEM数字高程模型以及提取的流域水系数据划分出若干个水系区域子流域；根据土地利用数据、土壤数据、坡度数据和流域水系数据，将每个水系区域子流域划分为若干个具有相同的水文行为的水文响应单元；

S103：流域径流量模拟：利用水文模型通过气象数据、已经划分好的水文响应单元和提取的流域水系对流域径流量进行模拟，得到不同水系区域子流域的产流量和每段河流的出流量。

3.根据权利要求2所述的流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S201：构建城市雨水管网模型数据库：利用GIS矢量化工具对城市雨水管网数据进行简化并建立拓扑关系检查城市雨水管网的连通性及其属性完整性；基于DEM数据，利用GIS水文分析模块划分城市地区子流域，再根据待分析区的道路数据将城市地区子流域划分成若干个第一子汇水区，最后结合高分遥感影像，按照土地覆被类型、区块单元、道路分布及降水就近排放的原则，将每个第一子汇水区划进一步分成若干个第二子汇水区；采用待分析区内实测数据作为降雨数据；

S202：主要参数设置：确定第二子汇水区面积、地表平均坡度、不透水率、渗透面积、特征宽度，不透水率，透水区洼蓄量，不透水区曼宁系数、管网粗糙系数。

4.根据权利要求3所述的流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S301：建立流域水系与城市边界之间的空间联系：利用GIS的空间网络分析工具，构建流域水系与城市边界之间的网络分析关系，提取线-线相交点，并建立点数据集；

S302：确定进水节点：将点数据集与流域水系-城市边界图层建立空间链接，选择四条线相交的点为进水节点，以此生成流域水系向城市内水系输送外来水量的进水节点；

S303：流域径流与城市雨水管网耦合：将进水节点上游的水系区域子流域径流模拟输出值作为城市管网入流流量的输入值。

5.根据权利要求4所述的流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S401：根据城市降雨数据，利用城市降雨产汇流模型模拟降雨产流过程，计算各个进水节点总进流量、洪流；

S402：如果有进水节点的值在某一时刻的进水深度超过了该进水节点的最大容水量，那么确定该进水节点产生溢流，即产生洪水，积涝时间就是该进水节点的进水深度达到或超过最大容水量的持续时间。

6.根据权利要求3所述的流域水系和城市管网耦合的平原河网城市洪水模拟方法，其特征在于，所述步骤S201包括以下步骤：

N1：首先利用ARCGIS中Hydrology模块进行水文分析，进行城市流域水流方向提取、汇流累积量计算和城市地区子流域划分，将城市地区子流域数据进行矢量变换，并根据城市地区子流域的值对矢量数据进行融合，经过处理后的矢量结果即为城市地区子流域；

N2：统计待分析区内原始管网数据中管段节点，根据主干道路的交叉点对待分析区内节点进行概化，基于管段节点和道路交叉点生成待分析区内泰森多边形，根据城市排水管网将待分析区划分为多个泰森多边形小区域，该泰森多边形小区域即为第一子汇水区，在第一子汇水区的基础上，运用GIS手段，结合高分遥感影像，按照土地覆被类型、区块单元、道路分布及降水就近排放的原则，将每个第一子汇水区进一步划分成若干个第二子汇水区；

N3：采用待分析区内实测数据作为降雨数据。