CN109871621B - 城市暴雨内涝汇水区分析方法 - Google Patents

城市暴雨内涝汇水区分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城市暴雨内涝汇水区分析方法，其包括采用SMS地表水模拟系统对任一选取的选定区域进行网格剖分得到计算区域；获取待研究区域的DEM数据，并将糙率和DEM数据赋给计算区域，计算每个网格的高程；向计算区域加入降雨数据，并采用前损后损法计算每个网格的降雨产汇流；根据每个网格的降雨产汇流，采用地表二维水力学模型计算每个网格的水深和水流速度；根据具有水深数据的网格的水流速度和与水流速度经过的网格边的边长，计算具有水深数据的网格的边流量；选取水深大于设定阈值的网格作为分析网格，并根据分析网格及与分析网格邻接的网格的水深、每条网格边的边流量大小和方向，判断分析网格是否为汇水区。

Description

城市暴雨内涝汇水区分析方法
技术领域
本发明涉及防洪抗涝技术领域，具体涉及城市暴雨内涝汇水区分析方法。
背景技术
关于城市暴雨内涝的汇水区范围，目前仅有两种分析方法可以参考：
一、根据城市高程地形，以低洼部分（一般为易积水点）为中心，将高程分水岭作为该下凹区域的汇水区边界范围；二、根据城市管网系统，将同一连通性的管网划分为一个汇水区范围。
方法一借助数字高程模型（DEM）基于最大坡降单流向算法（D8算法）提取水文要素信息，完成汇水区边界的划分。该方法较直观，但城市地形一般较为平坦，无法严格区分高程分水岭，并且人类活动（道路建设、高密度建筑物、排水沟渠等）也会影响汇水路径与汇水区边界。
方法二利用地下管网的泰森多边形区分汇水区，考虑了地下排水分区，但是与地上积水趋势不一定一致。另外，两种方法都不能针对不同降雨强度划分不同大小的汇水区范围，与实际情况有出入。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的城市暴雨内涝汇水区分析方法能够根据降雨数据提取相应的汇水区。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种城市暴雨内涝汇水区分析方法，其包括：
随机选取任一选定区域，并采用SMS地表水模拟系统对选定区域进行网格剖分得到计算区域；
获取待研究区域的DEM数据，并将糙率和DEM数据赋给计算区域，之后根据DEM数据计算每个网格的高程；
向计算区域加入降雨数据，并采用前损后损法计算每个网格的降雨产汇流；
根据每个网格的降雨产汇流，采用地表二维水力学模型计算每个网格的水深和水流速度；
根据具有水深数据的网格的水流速度和与水流速度经过的网格边的边长，计算具有水深数据的网格的边流量；
选取水深大于设定阈值的网格作为分析网格，并根据分析网格及与分析网格邻接的网格的水深、每条网格边的边流量大小和方向，判断分析网格是否为汇水区。
进一步地，每个网格的高程为每个网格覆盖的高程数据的平均值。
进一步地，降雨数据包括时间和降雨量；
采用前损后损法计算每个网格的降雨产汇流的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 407637DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_IMAGE003
分别为t时刻及前一时刻网格i的水深；Q j 为网格i的第j条网格边流入的边流量；A i 为网格i的面积；P i 、 f i 、C i 分别为网格i内的降雨量、损失量及排水量；dt为时间步长。
进一步地，采用地表二维水力学模型计算每个网格的水深和水流速度的计算公式为：
水流连续方程：
Figure 790208DEST_PATH_IMAGE004
水流动量方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，H为水深；Z为水位；q为有效降雨强度，不计降雨情况下，q = 0；M与N分别为x和y方向的垂向平均边宽流量；u和v分别为垂向边流速在x与y方向的分量；n为曼宁糙率系数；g为重力加速度。
进一步地，判断分析网格是否为汇水区进一步为：
若与分析网格i的网格边j 1相邻的网格为i-1，网格边j 1存在一瞬时流量q 1为流入分析网格i的方向，且瞬时流量q 1的绝对值大于等于临界值a，则网格i-1为分析网格i的汇水区。
进一步地，判断分析网格是否为汇水区进一步为：
若与分析网格i的网格边j 1相邻的网格为i-1，网格边j 1所有计算时刻中流入分析网格i方向的总水量为V 1，且V 1的绝对值大于等于临界值b，则网格i-1为分析网格i的汇水区；
总水量V 1 =∫q 1 dt，其中q 1为网格边j 1的瞬时流量。
进一步地，判断分析网格是否为汇水区进一步为：
若与分析网格i的网格边j 1相邻的网格为i-1，网格边j 1所有计算时刻中流入分析网格i方向的总水量为V 1，流出分析网格i方向的总水量为V 2，且水量绝对值之比|V 1|/|V 2|大于等于临界值c，则网格i-1为分析网格i的汇水区；
总水量V 1 =∫q 1 dt，V 2 =∫q 2 dt，其中q 1和 q 2分别为网格边j 1流入和流出时的瞬时流量。
本发明的有益效果为：本方案通过在网格具有积水深度数据的基础上，通过分析水深大于设定阈值的分析网格的水深及每条网格边的水流速度、边流量大小和方向，区分出哪些网格是汇水区，哪些网格不是，在汇水区分析过程中可以通过直接输入降雨数据进行分析。
在城市暴雨出现内涝时，当汇水区的水量情况超过下凹区排水能力设计范围时，则可能由于客水的进入导致本区域排水能力不足，造成内涝问题严重，管理人员可以根据分析情况增加临时排涝设施，减缓城市内涝问题。
附图说明
图1为城市暴雨内涝汇水区分析方法的流程图。
图2为汇水区确定过程中的网格示意图，其中（a）为流量法网格示意图，（b）为水量法网格示意图，（c）为水量比值法网格示意图。
图3为降雨产流模拟方法示意图。
图4为测试算例中的降雨分布示意图。
图5为选定区域的示意图。
图6为对选定区域进行网格剖分后的示意图。
图7为高程分布示意图。
图8为对计算区域赋高程后的分布示意图。
图9为网格水深分布示意图。
图10为种子网格点选取示意图。
图11为采用网格边流量判断法确定汇水区的示意图。
图12为采用网格边水量判断法确定汇水区的示意图。
图13为采用网格边水量比值判断法确定汇水区的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了城市暴雨内涝汇水区分析方法的流程图；如图1所示，该方法100包括步骤101至步骤106。
在步骤101中，随机选取任一选定区域，并采用SMS地表水模拟系统对选定区域进行网格剖分得到计算区域。
在步骤102中，获取待研究区域的DEM数据，并将糙率和DEM数据赋给计算区域，之后根据DEM数据计算每个网格的高程；本方案可以采用DEM或高程点资料，使用SMS地表水模拟系统或MIKE软件实现计算区域的赋值。
为了保证每个网格的高程的准确性及后续汇水区分析的准确性，可以将每个网格覆盖的高程数据的平均值作为对应网格的高程。
在步骤103中，向计算区域加入降雨数据，并采用前损后损法计算每个网格的降雨产汇流；降雨数据包括时间和降雨量；计算每个网格的降雨产汇流的基本原理是将降雨径流损失过程分为初损和平均后损率两部分，如图3所示。
其中，初损是指降雨开始到出现超渗产流时，历时t 0，降雨全部损失I 0，初期下渗，植物截留，填洼等。后损是指产流以后损失阶段，超渗历时t s 内的平均下渗能力。当雨强小于平均下渗能力，则降雨转为全部下渗；当雨强大于平均下渗能力，则按照平均下渗能力计算下渗量。
在地面二维模型中，计算的基本单元为地表网格，因此，需针对每个网格应用初损后损法计算产汇流：
Figure 940698DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 646486DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 60280DEST_PATH_IMAGE008
分别为t时刻及前一时刻网格i的水深；Q j 为网格i的第j条网格边流入的边流量；A i 为网格i的面积；P i 、 f i 、C i 分别为网格i内的降雨量、损失量及排水量；dt为时间步长。
在步骤104中，根据每个网格的降雨产汇流，采用地表二维水力学模型计算每个网格的水深和水流速度，其计算公式包括：
水流连续方程：
Figure 602251DEST_PATH_IMAGE009
水流动量方程：
Figure 743383DEST_PATH_IMAGE010
其中，H为水深；Z为水位；q为有效降雨强度，不计降雨情况下，q = 0；M与N分别为x和y方向的垂向平均边宽流量；u和v分别为垂向边流速在x与y方向的分量；n为曼宁糙率系数；g为重力加速度。
在动态计算每个网格的水深和水流速度时，会记录网格淹没时的相关参数：最大淹没水深、到达时间、淹没历时和洪水流速。
在步骤105中，根据具有水深数据的网格的水流速度和与水流速度经过的网格边的边长，计算具有水深数据的网格的边流量；边流量可以进一步细化为：
首先根据水流速度和水流速度与相应网格边的夹角，求解得到水流速度分解至垂直网格边的边流速；之后采用边流速与相应网格边的边长以及水深的乘积得到网格的边流量。
在步骤106中，选取水深大于设定阈值的网格作为分析网格，并根据分析网格及与分析网格邻接的网格的水深、每条网格边的边流量大小和方向，判断分析网格是否为汇水区。
在进行汇水区判断时，本方案提供的网格边流量判断方法、网格边水量判断方法和网格边水量比值判断法均可以分析汇水区，三个判断方法的网格示意图分别参考图2中的（a）、（b）和（c）。下面对每个判断方法进行说明：
采用网格边流量判断方法判断分析网格是否为汇水区进一步为：
若与分析网格i的网格边j 1相邻的网格为i-1，网格边j 1存在一瞬时流量q 1为流入分析网格i的方向，且瞬时流量q 1的绝对值大于等于临界值a，则网格i-1为分析网格i的汇水区。
采用网格边水量判断方法判断分析网格是否为汇水区进一步为：
若与分析网格i的网格边j 1相邻的网格为i-1，网格边j 1所有计算时刻中流入分析网格i方向的总水量为V 1，且V 1的绝对值大于等于临界值b，则网格i-1为分析网格i的汇水区；总水量V 1 =∫q 1 dt，其中q 1为网格边j 1的瞬时流量。
采用网格边水量比值判断法判断分析网格是否为汇水区进一步为：
若与分析网格i的网格边j 1相邻的网格为i-1，网格边j 1所有计算时刻中流入分析网格i方向的总水量为V 1，流出分析网格i方向的总水量为V 2，且水量绝对值之比|V 1|/|V 2|大于等于临界值c，则网格i-1为分析网格i的汇水区；
总水量V 1 =∫q 1 dt，V 2 =∫q 2 dt，其中q 1和 q 2分别为网格边j 1流入和流出时的瞬时流量。
下面采用本方案提供的方法结合模拟1小时内总降雨量为120mm的芝加哥雨型，对本内涝汇水区域确定情况进行说明：
在本次测试算例中，降雨分布及降雨数据分布见图4及表1。
表1 降雨数据表
时间（min） 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
降雨量（mm） 0.00 6.40 9.33 12.85 28.01 14.68 8.13 6.06 10.90 4.55 7.83 5.88 5.38
本测试算例中，针对选定区域（如图5所示）使用采用SMS地表水模拟系统进行网格剖分得到计算区域，剖分结果如图6所示。根据糙率（本测试算例中糙率取0.07）和DEM数据（如图7所示）对计算区域进行高程赋值，基本原理为每个网格覆盖的高程数据取算数平均，赋值结果如图8所示。
根据以上测试算例的基本参数数据，进行计算，即可得到每个网格的水深，网格边的流量和水量等结果（如图9、表2和表3）。
表2 部分网格淹没参数表
Figure 319989DEST_PATH_IMAGE011
表3 部分网格单元边流量和水量参数表
Figure 153952DEST_PATH_IMAGE012
根据以上计算结果，选择某个种子点网格（例如某个范围内的高程最低点，图10的箭头所示）后，使用网格边流量判断方法、网格边水量判断方法和网格边水量比值判断法进行汇水区分析。
（1）网格边流量判断法
取临界值为0.1m3/s，即相邻网格流入种子点网格方向的网格边最大流量大于等于0.1m3/s，从种子点网格开始追踪满足条件的网格，最终汇水区范围如图11所示。
（2）网格边水量判断法
取临界值为100m3，即相邻网格流入种子点网格方向的网格边最大水量大于等于100m3，从种子点网格开始追踪满足条件的网格，最终汇水区范围如图12所示。
（3）网格边水量比值判断法
取临界值为100%，即相邻网格流入种子点网格方向的网格边水量大于等于流出方向的水量，从种子点网格开始追踪满足条件的网格，最终汇水区范围如图13所示。
从网格边流量判断方法、网格边水量判断方法和网格边水量比值判断法三种方法得到的汇水区域看，三种方法确定的汇水区域大体在同一区域范围内，三种方法相结合看，可以进一步证明本方案提供的方法确定的汇水区的准确性。
综上所述，通过本方案的方法可以合理分析积水点汇水区的范围，有助于分析积水原因，检查数值模拟中模型概化的合理性，同时为实际中采取何种工程措施减缓积水情况提供指导性建议。

Claims (4)

1.城市暴雨内涝汇水区分析方法，其特征在于，包括：
随机选取任一选定区域，并采用SMS地表水模拟系统对选定区域进行网格剖分得到计算区域；
获取待研究区域的DEM数据，并将糙率和DEM数据赋给计算区域，之后根据DEM数据计算每个网格的高程；
向计算区域加入降雨数据，并采用前损后损法计算每个网格的降雨产汇流；
根据每个网格的降雨产汇流，采用地表二维水力学模型计算每个网格的水深和水流速度；
根据具有水深数据的网格的水流速度和与水流速度经过的网格边的边长，计算具有水深数据的网格的边流量：
根据水流速度和水流速度与相应网格边的夹角，求解得到水流速度分解至垂直网格边的边流速；采用边流速与相应网格边的边长以及水深的乘积得到网格的边流量；
选取水深大于设定阈值的网格作为分析网格，并根据分析网格及与分析网格邻接的网格的水深、每条网格边的边流量大小和方向，判断分析网格是否为汇水区；
判断分析网格是否为汇水区包括三种方法，第一种方法为：
若与分析网格i的网格边j 1相邻的网格为i-1，网格边j 1存在一瞬时流量q 1为流入分析网格i的方向，且瞬时流量q 1的绝对值大于等于临界值a，则网格i-1为分析网格i的汇水区；
第二种方法为：若与分析网格i的网格边j 1相邻的网格为i-1，网格边j 1所有计算时刻中流入分析网格i方向的总水量为V 1，且V 1的绝对值大于等于临界值b，则网格i-1为分析网格i的汇水区；
所述总水量V 1 =∫q 1 dt，其中q 1为网格边j 1的瞬时流量；
第三种方法为：若与分析网格i的网格边j 1相邻的网格为i-1，网格边j 1所有计算时刻中流入分析网格i方向的总水量为V 1，流出分析网格i方向的总水量为V 2，且水量绝对值之比|V 1|/|V 2|大于等于临界值c，则网格i-1为分析网格i的汇水区；
所述总水量V 1 =∫q 1 dt，V 2 =∫q 2 dt，其中q 1和 q 2分别为网格边j 1流入和流出时的瞬时流量。
2.根据权利要求1所述的城市暴雨内涝汇水区分析方法，其特征在于，每个网格的高程为每个网格覆盖的高程数据的平均值。
3.根据权利要求1所述的城市暴雨内涝汇水区分析方法，其特征在于，所述降雨数据包括时间和降雨量；
采用前损后损法计算每个网格的降雨产汇流的计算公式为：
Figure 279380DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 85793DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 902439DEST_PATH_IMAGE003
分别为t时刻及前一时刻网格i的水深；Q j 为网格i的第j条网格边流入的边流量；A i 为网格i的面积；P i 、 f i 、C i 分别为网格i内的降雨量、损失量及排水量；dt为时间步长。
4.根据权利要求3所述的城市暴雨内涝汇水区分析方法，其特征在于，采用地表二维水力学模型计算每个网格的水深和水流速度的计算公式为：
水流连续方程：
Figure 718079DEST_PATH_IMAGE004
水流动量方程：
Figure 303781DEST_PATH_IMAGE005
其中，H为水深；Z为水位；q为有效降雨强度，不计降雨情况下，q = 0；M与N分别为x和y方向的垂向平均边宽流量；u和v分别为垂向边流速在x与y方向的分量；n为曼宁糙率系数；g为重力加速度。
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