CN110532641A - 一种地表网格分层建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地表网格分层建模方法及系统，其中方法包括获取建模基础数据，还包括以下步骤：把地表构筑物结构划分为若干层网格；对顶层网格进行降雨产流计算；对地表各层网格进行汇流计算；生成复杂多层构筑物产汇流过程模型。本发明提出的一种地表网格分层建模方法及系统，在地表二维水动力学计算理论基础上，提出地表网格分层方法，通过把地表构筑物结构划分为若干层网格，分别对每层网格内部进行降雨产流、层内汇流计算，再对有汇流关系的各层网格进行层间汇流计算，从而实现对复杂多层构筑物产汇流物理过程的真实模拟。

Description

一种地表网格分层建模方法及系统

技术领域

本发明涉及市政工程的技术领域，特别是一种地表网格分层建模方法及系统。

背景技术

随着社会经济发展，城市涌现出越来越多的复杂多层构筑物，极大地改变了自然水文 循环过程，其中立交桥最为常见。有些立交桥的底层路面地势较低，暴雨时常常形成积水 内涝，当前针对城市地表的暴雨内涝模拟基本上采用单层平面地表模型，或者蓄水池等概 化近似模拟。由于立交桥结构非常复杂，积水过程计算结果与实际情况仍然存在很大差别。 此外，有些学者试图对已有模型进行改进，有些学者尝试提出了自己的立交桥模拟方法， 然而，对于多层桥面复杂产汇流过程基本上采取了概化处理方法。总体来讲，当前立交桥 积水计算方法还存在以下问题：

(1)桥面产流方面：对于立交桥竖向重叠部分桥面，一般为最上层路面接收降水，底 层道路不直接接收降水，然而当前立交桥积水模拟方法基本没有考虑这个问题；

(2)桥面汇流方面：针对立交桥积水计算业内主要采用汇水区产流的概化方式，采用 单层地表模型或蓄水池模型的立交桥积水计算，没有考虑立交桥复杂的分层汇流关系，不 同层路面的水量交换无法体现，桥区易积水地点的空间位置无法精准描述，也没有考虑道 路隔离设施对汇流路径的影响；

(3)桥区排水机制方面：当前广泛采用的“蓄水池模型”概化方法无法真实模拟桥区 积水排出过程；单层网格建模方式也难以准确描述市政排水设施所在路面的空间位置；

(4)桥区绿地调蓄方面：过于概化的立交桥模型忽略了立交桥汇水区内绿地对雨洪消 减调蓄作用，当前立交桥模型没有考虑绿地与道路之间的隔离设施，而隔离设施对绿地积 水进入路面起阻挡作用，在一定程度上可减少桥区积水。

北京工业大学周玉文等人提出的《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》发明专利，利用高精度DEM，基于管网高汇水区与低汇水区，提出了下凹式立 交桥积水概化计算水力方法，该方法为解决下凹式立交桥积水计算提供了简化途径。该方 法的缺点缺乏对立交桥产汇流物理过程的精细化模拟，不能较好描述立交桥分层的产流、 层间汇流的复杂物理过程，也缺乏对周边绿地调蓄的模拟。

上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司主办的《城市道桥与防洪》2006年第2期：52-55公开了丛翔宇等人发表的《基于SWMM软件研究了立交桥积水计算方法》，把立 交桥积水过程概化为蓄水池模型，把立交桥汇水区的径流设置为蓄水池的进口，另外把桥 区积水排水过程设置为蓄水池的出口，并假定当进口流量大于出口流量时，桥区开始产生 积水，该方法为解决下凹式立交桥积水计算提供了简化途径。该方法的缺点缺乏对立交桥 产汇流物理过程的精细化模拟，不能较好的描述立交桥分层的产流、层间汇流的复杂物理 过程，也缺乏对周边绿地调蓄的模拟。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提出的一种地表网格分层建模方法及系统，在地表 二维水动力学计算理论基础上，提出地表网格分层方法，通过把地表构筑物结构划分为若 干层网格，分别对每层网格内部进行降雨产流、层内汇流计算，再对有汇流关系的各层网 格进行层间汇流计算，从而实现对复杂多层构筑物产汇流物理过程的真实模拟。

本发明的第一目的是提供一种地表网格分层建模方法，包括获取建模基础数据，还包 括以下步骤：

步骤1：把地表构筑物结构划分为若干层网格；

步骤2：对顶层网格进行降雨产流计算；

步骤3：对地表各层网格进行汇流计算；

步骤4：生成复杂多层构筑物产汇流过程模型。

优选的是，所述步骤1包括使用地表网格分层方法划分网络。

在上述任一方案中优选的是，所述地表网格分层方法是根据建模对象的实际状况，分 析各层地表的产汇流特征，确定地表建模需要划分网格的层数以及每层网格的建模对象。

在上述任一方案中优选的是，所述网格分层方法包括以下两个部分：

1)坚持平面二维、竖向分层的原则对地表网格进行剖分，根据构筑物是否承接降雨及汇水 结构特征，把地表模型在垂直方向分为若干层网格；

2)垂向分层时，保证垂向相互重叠的多层网格的大小、形状、网格边、结构完全一致。

在上述任一方案中优选的是，所述降水产流采用初损后损法计算每个网格单元的产流， 将净雨产生过程简化为初损和后损两个水文过程，即扣除初损和后损，剩余的降水即为净 雨。

在上述任一方案中优选的是，所述初损是指在网格单元内由于植物截留、坑洼截留、 尘土吸附等引起水量损失，初损的计算公式如下：

其中，FI为初期损失水量(mm)，P为累积降雨量(mm)，im为最大前损量(mm)。

在上述任一方案中优选的是，所述后损是指网格单元内土壤下渗引起的水量损失，地 表网格下渗能力计算采用经典的霍顿下渗理论，霍顿下渗公式如下：

f_m(t)＝f_c+(f₀-f_c)e^-kt

其中，f_m为实际下渗能力(mm/h)，f₀为最大下渗能力(mm/h)，f_c为稳定下渗能力(mm/h)， k为下渗衰减系数，t为下渗历时(h)。

在上述任一方案中优选的是，所述地表分层网格的汇流关系包括层内网格汇流和/或层 间网格汇流。

在上述任一方案中优选的是，所述层间网格汇流包括以下步骤：

步骤31：对各层网格间的汇流关系展开分析；

步骤32：以平面共线网格边为桥梁构建不同层网格间的耦合关系。

在上述任一方案中优选的是，地表分层汇流采用二维圣维南方程组的扩散波公式计算 净雨的地表坡面运动，其连续方程与动量方程如下：

其中，H为水深，t为时间，x、y为平面坐标系，M与N分别为x和y方向的垂向平均单宽流 量，q为有效降雨强度；Z为水位；u和v分别为垂向平均流速在x与y方向的分量；n为曼宁糙率系数；g为重力加速度。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤4包括采用底层网格构建普通地面和多层构筑 物的最下层结构，雨水口、雨水检查井和排水口中至少一种排水设施数据在此层网格与地 表建立耦合连接。

在上述任一方案中优选的是，管网模型与地表模型竖向耦合包括雨水口与地表模型耦 合和雨水检查井与地表模型耦合。

在上述任一方案中优选的是，所述雨水口与地表模型耦合是指管网系统通过雨水口与 地面连接，实现水量双向交换。

在上述任一方案中优选的是，所述雨水检查井与地表网格耦合指管道内涝水通过雨水 检查井反灌至地面的连接方式。

在上述任一方案中优选的是，所述方法还包括上层地表排水步骤。

在上述任一方案中优选的是，所述上层地表排水步骤是指针对有排水系统的分层桥面， 上层道路间隔一定距离设置雨水管直接排入地下，通过耦合上层网格与下层网格的排水关 系，实现上层桥面排水计算。

本发明的第二目的是提供一种地表网格分层建模系统，包括用于获取建模基础数据的 数据获取模块，还包括以下模块：

网格划分模块：用于把地表构筑物结构划分为若干层网格；

产流计算模块：用于对顶层网格进行降水产流计算；

汇流计算模块：用于对地表各层网格进行汇流计算；

模型生成模块：用于生成复杂多层构筑物产汇流过程模型。

优选的是，所述网格划分模块用于使用地表网格分层方法划分网络。

在上述任一方案中优选的是，所述地表网格分层方法是根据建模对象的实际状况，分 析各层地表的产汇流特征，确定地表建模需要划分网格的层数以及每层网格的建模对象。

在上述任一方案中优选的是，所述网格分层方法包括以下两个部分：

1)坚持平面二维、竖向分层的原则对地表网格进行剖分，根据构筑物是否承接降雨及汇水 结构特征，把地表模型在垂直方向分为若干层网格；

2)垂向分层时，保证垂向相互重叠的多层网格的大小、形状、网格边、结构完全一致。

在上述任一方案中优选的是，所述降水产流采用初损后损法计算每个网格单元的产流， 将净雨产生过程简化为初损和后损两个水文过程，即扣除初损和后损，剩余的降水即为净 雨。

在上述任一方案中优选的是，所述初损是指在网格单元内由于植物截留、坑洼截留、 尘土吸附等引起水量损失，初损的计算公式如下：

其中，FI为初期损失水量(mm)，P为累积降雨量(mm)，im为最大前损量(mm)。

在上述任一方案中优选的是，所述后损是指网格单元内土壤下渗引起的水量损失，网 格单元的下渗能力计算采用经典的霍顿下渗理论，霍顿下渗公式如下：

f_m(t)＝f_c+(f₀-f_c)e^-kt

其中，f_m为实际下渗能力(mm/h)，f₀为最大下渗能力(mm/h)，f_c为稳定下渗能力(mm/h)， k为下渗衰减系数，t为下渗历时(h)。

在上述任一方案中优选的是，所述地表分层网格的汇流关系包括层内网格汇流和/或层 间网格汇流。

在上述任一方案中优选的是，所述层间网格汇流包括以下步骤：

步骤31：对各层网格间的汇流关系展开分析；

步骤32：以平面共线网格边为桥梁构建不同层网格间的耦合关系。

在上述任一方案中优选的是，地表分层汇流采用二维圣维南方程组的扩散波公式计算 净雨的地表坡面运动，其连续方程与动量方程如下：

其中，H为水深，t为时间，x、y为平面坐标系，M与N分别为x和y方向的垂向平均单宽流 量，q为有效降雨强度；Z为水位；u和v分别为垂向平均流速在x与y方向的分量；n为曼宁糙率系数；g为重力加速度。

在上述任一方案中优选的是，所述模型生成模块用于采用底层网格构建普通地面和多 层构筑物的最下层结构，雨水口、雨水检查井和排水口中至少一种排水设施数据在此层网 格与地表建立耦合连接。

在上述任一方案中优选的是，管网模型与地表模型竖向耦合包括雨水口与地表模型耦 合和雨水检查井与地表模型耦合。

在上述任一方案中优选的是，所述雨水口与地表模型耦合是指管网系统通过雨水口与 地面连接，实现水量双向交换。

在上述任一方案中优选的是，所述雨水检查井与地表网格耦合指管道内涝水通过雨水 检查井反灌至地面的连接方式。

在上述任一方案中优选的是，所述系统还包括上层地表排水模块。

在上述任一方案中优选的是，所述上层地表排水模块用于针对有排水系统的分层桥面， 上层道路间隔一定距离设置雨水管直接排入地下，通过耦合上层网格与下层网格的排水关 系，实现上层桥面排水计算。

本发明提出了一种地表网格分层建模方法及系统，结合立交桥真实结构，构建与其降 雨产流、分层汇流特点相吻合具有物理机制的立交桥洪涝模型，从而实现以立交桥为代表 的城市复杂多层构筑物洪涝精细化模拟。

附图说明

图1为按照本发明的地表网格分层建模方法的一优选实施例的流程图。

图2为按照本发明的地表网格分层建模系统的一优选实施例的模块图。

图3为按照本发明的地表网格分层建模方法的另一优选实施例的地表网格结构示意图。

图4为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图3所示实施例的地表网格分层结构 示意图。

图5为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图3所示实施例的地表分层网格层间 汇流示意图。

图6为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图3所示实施例的雨水口与地表模型 耦合示意图。

图7为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图3所示实施例的雨水口水流方法示 意图。

图8为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图3所示实施例的雨水检查井与地表 网格耦合示意图。

图9为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图3所示实施例的某高架桥排水系统 示意图。

图10为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图3所示实施例的分层网格排水结构 示意图。

图11为按照本发明的地表网格分层建模方法的另一优选实施例的深圳市罗芳立交桥 影像图。

图12为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图11所示实施例的罗芳立交桥西侧 下穿桥洞街景图。

图13为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图11所示实施例的罗芳立交桥桥区 建筑物分布图。

图14为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图11所示实施例的罗芳立交桥桥区 土地利用类型分布图。

图15为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图11所示实施例的罗芳立交桥桥区 单层模型示意图。

图16为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图11所示实施例的罗芳立交桥多层 网格示意图。

图17为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图11所示实施例的罗芳立交桥底层 地表网格模型示意图。

图18为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图11所示实施例的罗芳立交桥第二 层地表网格模型示意图。

图19为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图11所示实施例的罗芳立交桥第三 层地表网格模型示意图。

图20为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图11所示实施例的罗芳立交桥桥区 底层地表网格叠加管网模型示意图。

图21为按照本发明的地表网格分层建模方法的如图11所示实施例的罗芳立交桥两种 建模方法最大积水深度计算分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例一

如图1、2所示，执行步骤100，数据获取模块200获取建模基础数据。执行步骤110，网格划分模块210把地表构筑物结构划分为若干层网格。使用地表网格分层方法划分网络，地表网格分层方法是根据建模对象的实际状况，分析各层地表的产汇流特征，确定地表建模需要划分网格的层数以及每层网格的建模对象。网格分层方法包括以下两个部分：1)坚持平面二维、竖向分层的原则对地表网格进行剖分，根据构筑物是否承接降雨及汇水结构特征，把地表模型在垂直方向分为若干层网格；2)垂向分层时，保证垂向相互重叠的多层网格的大小、形状、网格边、结构完全一致。

执行步骤120，产流计算模块220对顶层网格进行降雨产流计算。降水产流采用初损 后损法计算每个网格单元的产流，将净雨产生过程简化为初损和后损两个水文过程，即扣 除初损和后损，剩余的降水即为净雨。初损是指在网格单元内由于植物截留、坑洼截留、尘土吸附等引起水量损失，初损的计算公式如下：其中，FI为初期损失水量(mm)，P为累积降雨量(mm)，im为最大前损量(mm)。后损是指网格单元内 土壤下渗引起的水量损失，地表网格下渗能力计算采用经典的霍顿下渗理论，霍顿下渗公 式如下：f_m(t)＝f_c+(f₀-f_c)e^-kt，其中，f_m为实际下渗能力(mm/h)，f₀为最大下渗能力 (mm/h)，f_c为稳定下渗能力(mm/h)，e为自然常数(约为2.718281828)，k为下渗衰减 系数，t为下渗历时(h)。

执行步骤130，汇流计算模块230对地表各层网格进行汇流计算。地表分层网格的汇 流关系包括层内网格汇流和/或层间网格汇流。层间网格汇流包括以下步骤：对各层网格间 的汇流关系展开分析；以平面共线网格边为桥梁构建不同层网格间的耦合关系。地表分层 汇流采用二维圣维南方程组的扩散波公式计算净雨的地表坡面运动，其连续方程与动量方 程如下：

其中，H为水深，t为时间，x、y为平面坐标系，M与N分别为x和y方向的垂向平均单宽流 量，q为有效降雨强度；Z为水位；u和v分别为垂向平均流速在x与y方向的分量；n为曼宁糙率系数；g为重力加速度。

执行步骤140，模型生成模块240生成复杂多层构筑物产汇流过程模型。采用底层网 格构建普通地面和多层构筑物的最下层结构，雨水口、雨水检查井和排水口中至少一种排 水设施数据在此层网格与地表建立耦合连接，管网模型与地表模型竖向耦合包括雨水口与 地表模型耦合和雨水检查井与地表模型耦合。雨水口与地表模型耦合是指管网系统通过雨 水口与地面连接，实现水量双向交换；雨水检查井与地表网格耦合指管道内涝水通过雨水 检查井反灌至地面的连接方式。

本方法还包括上层地表排水步骤，上层地表排水步骤是指上层地表排水模块针对有排 水系统的分层桥面，上层道路间隔一定距离设置雨水管直接排入地下，通过耦合上层网格 与下层网格的排水关系，实现上层桥面排水计算。

实施例二

本发明提出的地表网格分层建模方法，在地表二维水动力学计算理论基础上，基于地 表网格分层思想，通过把地表构筑物结构划分为若干层网格，分别对每层网格内部进行产 汇流计算，再对有汇流关系的各层网格间进行汇流计算，从而实现对复杂多层构筑物产汇 流过程真实模拟。地表网格分层建模方法包括地表网格分层方法、地表分层产流方法、地 表分层汇流方法、地表与管网分层耦合方法、上层地表排水方法等方面。

一、地表网格分层方法

地表暴雨内涝计算时，将地表概化为若干网格(Cell)，根据网格数据生成对应的网格 边(Side)，如图3所示。网格和网格边分别用来构建面状和线状地物模型，二者具有与产 汇流相关的属性信息，相互配合共同构建地表产汇流模型。地表网格是地表二维水力学模 型的基础，可采用结构或非结构网格，以下采用四边形结构网格进行阐述。

网格分层方法是地表分层建模的核心。根据建模对象的实际状况，分析其各层结构的 产汇流特征，确定地表建模需要划分网格的层数以及每层网格的建模对象。为确保建模精 度，在地表网格分层时遵循以下两个原则：

(1)地表网格剖分坚持“平面二维，竖向分层”思想。根据构筑物是否承接降雨及汇水结构特征，把地表模型在垂直方向分为若干层网格。

(2)垂向分层时，无论采用结构网格还是非结构网格，保证垂向相互重叠的多层网格 的大小、形状、网格边、结构完全一致，以便于构建多层网格间的耦合关系。

地表网格分层结构如图4所示。

二、地表分层产流方法

分层网格剖分完毕后，确定哪些网格接收降水，哪些网格不接收降水。针对多层网格 模型，通常仅将最上层网格设置为接收降水。直接接收降水的网格参与产流计算，并设定 与产流计算相关的参数。地表产流计算方法如下：

地表产流采用初损后损法计算每个网格单元的产流。即，将净雨产生过程简化为初损 和后损两个水文过程，即扣除初损和后损，剩余的降水即为净雨。

初损主要考虑网格单元内由于植物截留、坑洼截留、尘土吸附等引起水量损失。初损 的计算公式如下：

式中：FI为初期损失水量(mm)；P为累积降雨量(mm)；im为最大前损量(mm)， 对植被网格im取相对大值，对道路、广场等裸地网格im取相对小值。

损主要是考虑网格单元内土壤下渗引起的水量损失。网格单元的下渗能力计算采用经 典的霍顿下渗理论，霍顿下渗公式如下：

f_m(t)＝f_c+(f₀-f_c)e^-kt (式2)

式中：f_m为实际下渗能力(mm/h)；f₀为最大下渗能力(mm/h)；f_c为稳定下渗能力(mm/h)； k为下渗衰减系数；t为下渗历时(h)。

三、地表分层汇流方法

地表分层网格的汇流关系包括层内网格汇流与层间网格汇流两类。层内网格汇流比较 简单，层间网格汇流较为复杂，首先对各层网格间的汇流关系展开分析，再以平面共线网 格边为“桥梁”构建不同层网格间的耦合关系。单层网格建模时，一个条网格边最多连接 两个网格；网格分层建模时，一条网格边可能同时作为三个及以上网格的共有边。

以两层网格为例，阐述地表分层网格层间汇流关系构建方法，地表分层网格层间汇流 如图5所示。图5中Cell1层与Cell2层中相同编号网格垂向完全重合，Cell1中2号网格除接收本层网格汇水外，还与Cell2层中5号网格有水量交换。前面分层网格剖分时，已 确保同一平面的上、下层网格和网格边的垂向重叠，设置Cell1中9号网格边同时连接Cell1层中2号、5号网格和Cell2层中5号网格三个网格对象，相应的Cell2层中5号网格也就 多了一条网格边。通过网格边连接的多层网格间地表坡面汇流计算便变为单层网格的计算 问题。

连接两层网格的网格边应根据实际情况设置边界类型(普通网格边、阻水型网格边等)。 单层模型中的一些网格间原本具有正常水流连通性，采用地表网格分层构建后，网格本身 属性可能改变，相邻的网格间水流可能不再具有连通性，这些网格的公共边可设置为计算 的死边界。

地表分层汇流采用二维圣维南方程组的扩散波公式计算净雨的地表坡面运动，其连续 方程与动量方程如下：

式中：H为水深；t为时间；x、y为平面坐标系；M与N分别为x和y方向的垂向平 均单宽流量；q为连续方程中源汇项，式中表示有效降雨强度；Z为水位；u和v分别为垂 向平均流速在x与y方向的分量；n为曼宁糙率系数；g为重力加速度。

四、地表与管网分层耦合方法

地下管网模型通过雨水口、雨水检查井、排水口等设施与地表网格连接。在基于分层 网格构建地表模型时，应充分考虑排水设施与地表各层网格间的耦合关系。本文采用底层 网格(Cell1)构建普通地面(单层)和多层构筑物的最下层结构(如桥下地面、地下空间等)，雨水口、雨水检查井、排水口等排水设施数据一般在此层网格与地表建立耦合连接。管网模型与地表模型竖向耦合包括雨水口与地表模型耦合、雨水检查井与地表模型耦合两类。

(1)雨水口与地表模型耦合。管网系统通过雨水口与地面连接，实现水量交换的双向 耦合。当地表水位高于雨水口水位时，地表积水通过雨水口进入管网，入流过程采用堰流 或孔流方式计算。当地表水位低于雨水口内部水位时，管网内水流通过雨水口反灌至地面， 如图6所示。

地表积水通过雨水口进入管网，随着雨水口处地表积水和管网内水面的变化，地面积 水进入雨水口的方式一般可以划分为三种，如图7所示。地面积水较浅时，地表积水以堰 流方式进入雨水口；随着水深增加雨水口上方全部被积水覆盖，入流方式变为孔口出流； 当雨水口下方被水流充满后，则为有压流。

(2)雨水检查井与地表网格耦合。雨水检查井与地表网格耦合指管道内涝水通过雨水 检查井反灌地面的连接方式。地表积水不能通过雨水检查井进入管网，雨水检查井水头高 于所在网格水位时，管网内涝水可以通过雨水口或雨水检查井漫流地表，出流过程采用堰 流公式计算。雨水检查井与地表耦合方式如图8所示.

五、上层地表排水方法

城市有许多高出地表的道路，为了迅速排除上层路面积水，防止桥面积水对桥梁的耐 久性等影响，上层道路通常设置了专门的排水系统，如图9所示。为提升分层模拟精度和 物理意义，以高架桥为例，对上层地表排水方法展开研究。

针对有排水系统的分层桥面，可以根据设计报告或现场调查分析其排水系统特点，一 般情况下，上层道路间隔一定距离设置雨水管直接排入地下。这种情况下，可以通过耦合 上层网格与下层网格的排水关系，实现上层桥面排水计算。上下两层路面根据网格水位进 行水量交换，由于两层桥面间高差较大，上层网格积水可以直接进入与之耦合的下层网格， 如图10所示。

实施例三

如图11所示，以深圳市罗湖区的罗芳立交桥为例，分别采用单层网格和多层网格的地 表产汇流模型对桥区复杂的产汇流过程展开计算。两种地表建模方式除立交桥多层结构采 用不同分层网格方式外，其它所有设置均保持一致，包括耦合相同的管网模型和河道模型、 采用相同的模型参数等。

一、单层网络模型构建

采用单层网格描述复杂的多层立交桥地表信息时，网格高程难以同时实现多层路面的 地形信息表达。由于桥区积水是模型计算目标，网格高程取底层地表地形信息，便忽视了 复杂构筑物的多层结构。如图12所示，对于桥涵模型构建，桥涵处地表网格取桥下地面高 程信息，桥涵两侧的道路又是高出地面数米的阻水型道路。这样，在桥涵网格与前后网格 就产生了一个地形“突变点”，由于桥涵前后的道路网格远远高于桥涵下的地面高程，不 加以阻挡则易带来桥涵汇水范围大于实际情况的问题。为了解决这个问题，单层网格模型 借助前文提出的“虚拟涵洞边”的概念，把桥涵与前后网格之间的网格边设为具有一定阻 水作用的“虚拟涵洞边”，在一定程度上避免了桥涵前后的道路积水不合理直接汇入桥涵 现象的出现。

在对罗芳立交桥结构和产汇流特点分析基础上，论文采用单层网格方式构建桥区积水 模型。首先，基于高分辨率影像和街景资料对桥区网格剖分控制线进行数字化，包括道路 边线、中线、隔离带等；以控制线为基准，再利用网格离散工具剖分桥区不规则网格。依 据积水特性把地表网格划分为易积水、阻水、普通三类，对于多层桥面竖向叠置处，网格表达最底层产汇流关系和高程信息。然后，把阻水道路构筑物分为高隔离带、低隔离带、 路肩、虚拟涵洞边等类型，对阻水高度分别赋值，完成桥区地形模型构建，如图13所示， 再利用建筑物分布数据对网格建筑物面积占比参数赋值，借助高精度的土地利用类型数据 (如图14所示)对模型网格的产汇流参数进行赋值。最后，把地表模型与已有管网模型和 河道模型进行耦合，完成罗芳立交桥桥区单层模型构建，如图15所示。

二、多层网络模型构建

多层网格模型构建前，首先对罗芳立交桥复杂多层桥面结构进行分析，确定接收降水 路面、不同路面的汇流路径，论文采用三层网格构建立交桥不同层次的路面模型，来计算 罗芳立交桥地表产汇流过程。地表多层网格结构如图16所示，论文采用底层网格构建地表 底层的下垫面信息，如存在多层结构，则描述最底层的产汇流关系，底层网格是地表模型 的基础，其建模范围与地表二维模型的建模范围一致；采用第二层网格构建罗芳立交桥东 侧、南侧、西侧、北侧四个下穿桥涵的上层路面，以及沿河北路上层的怡景路和罗沙路的 地表模型。

在单层网格构建的罗芳立交桥桥区模型基础上，采用地表网格分层方法进一步构建立 交桥三层网格模型。

(1)底层地表网格模型构建。以罗芳立交桥地表单层网格模型为基础构建分层网格的 底层地表网格模型，把第二层、第三层网格下的底层网格的降水源置空(即下层网格不接 收降水)，再利用建筑物分布数据(图11)对地表网格的网格建筑物面积占比赋值，利用 高精度的土地利用类数据对模型网格的产汇流参数进行赋值。然后，根据底层网格的汇水 关系，修改网格边的属性信息，如把原来桥涵相邻网格“涵洞边”改为“计算死边界”， 即两侧网格没有直接的水量交换；有些网格代表的实体发生了变化，还需更新相应网格边 的阻水类型(高隔离带、低隔离带、路肩等)与阻水高度信息。罗芳立交桥桥区底层地表 网格结构如图17所示。

第二层地表网格模型构建。从底层网格中选取构建第二层地表模型的网格，依据是否 顶层网格设置降水条件(网格上方如有其他层的网格则设置为不接受降水，否则设置为接 收降水)，根据高精度的地类数据对底层网格模型的产汇流参数进行赋值。根据第二层网格 描述路面的内部结构，设置网格间关系(即网格边类型)。再分析第二层网格是否有管渠直 接排水至底层网格，以及第一层网格与第二层网格的汇流关系，对网格间关系进行修行。 如果有层间水量交换，则通过设置“公共边”构建两层网格间的连接关系；如果没有水量 交换，结合实际情况设为计算死边界或其他类型边。罗芳立交桥桥区第二层地表网格结构 如图18所示。

第三层地表网格模型构建。从底层网格中选取构建第三层地表模型的网格，由于是最 顶层地表模型，设置所有网格均接收降水，根据高精度的地类数据对底层网格模型的产汇 流参数进行赋值。根据第三层网格描述路面的内部结构，设置网格间关系(即网格边类型)。 再分析第三层网格是否有管渠直接排水至底层网格，以及第三层网格与第一层网格之间的 汇流关系，对网格间关系进行修行，如果有水量交换，则通过设置“公共边”构建两层网 格间的连接关系；如果没有水量交换，则设为死边界。最后，采用相同的方法分析第三层 网格与第二层网格之间的汇流关系，通过设置不同网格边类型，模拟两层网格间汇流关系。 罗芳立交桥桥区第三层地表网格结构如图19所示。

罗芳立交桥桥区的三层地表网格模型构建完成后，把地表模型与已有的管网模型和河 道模型进行耦合，从而构建了罗芳立交桥桥区分层模型，其中罗芳立交桥桥区底层网格叠 加管网模型如图20所示。

四、计算结果分析

针对采用单层网格和多层网格构建罗芳立交桥积水模型，均采用相同降水条件(降雨 强度50mm/h，降雨历时5小时)进行计算，罗芳立交桥的两种建模方式最大积水深度计 算结果如图21所示。

图21中(a)、(b)两图对比分析，由于单层网格模型针对多层构筑物重点在构建底层地面地形，针 对罗芳立交桥东侧、南侧、西侧的三个下穿桥洞，以及立交桥西南侧怡景路至沿河北路低洼辅道，两种建 模方法计算最大积水深度相差不大，如图21(a)中实线范围所示。

多层网格模型对立交桥采用了多层路面产汇流模拟，对单层网格无法真实描述的产汇 流过程进行了改进，立交桥计算结果的主要差异如图21(b)中虚线范围所示。对于罗芳 立交桥下的沿河北路，多层网格考虑了上层路面的汇水范围，改进了单层模型针对桥涵采 用的“虚拟涵洞边”方法，其计算的积水范围和积水深度均大于单层模型。对于罗芳立交桥北侧下穿桥洞和西北侧沿河北路至怡景路低洼辅道，由于多层模型考虑了桥区复杂产汇流路面，其计算的连续积水与实际更为相符。此外，对于罗芳立交桥罗沙路至沿河北路东向南匝道(最上层道路)，由于单层模型未考虑上层匝道，而计算出了不同程度的积水，多层模型考虑了其顶层路面接收降水和真实的汇流过程，其计算结果与实际情况更为吻合。

为了更好地理解本发明，以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限 制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范 围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似 的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单， 相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (10)

1.一种地表网格分层建模方法，包括获取建模基础数据，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤1：把地表构筑物结构划分为若干层网格；

步骤2：对顶层网格进行降雨产流计算；

步骤3：对地表各层网格进行汇流计算；

步骤4：生成复杂多层构筑物产汇流过程模型。

2.如权利要求1所述的地表网格分层建模方法，其特征在于，所述步骤1包括使用地表网格分层方法划分网络。

3.如权利要求2所述的地表网格分层建模方法，其特征在于，所述地表网格分层方法是根据建模对象的实际状况，分析各层地表的产汇流特征，确定地表建模需要划分网格的层数以及每层网格的建模对象。

4.如权利要求3所述的地表网格分层建模方法，其特征在于，所述网格分层方法包括以下两个部分：

1)坚持平面二维、竖向分层的原则对地表网格进行剖分，根据构筑物是否承接降雨及汇水结构特征，把地表模型在垂直方向分为若干层网格；

2)垂向分层时，保证垂向相互重叠的多层网格的大小、形状、网格边、结构完全一致。

5.如权利要求1所述的地表网格分层建模方法，其特征在于，所述降雨产流采用初损后损法计算每个网格单元的产流，将净雨产生过程简化为初损和后损两个水文过程，即扣除初损和后损，剩余的降水即为净雨。

6.如权利要求5所述的地表网格分层建模方法，其特征在于，所述初损是指在网格单元内由于植物截留、坑洼截留、尘土吸附等引起水量损失，初损的计算公式如下：

其中，FI为初期损失水量(mm)，P为累积降雨量(mm)，im为最大前损量(mm)。

7.如权利要求5所述的地表网格分层建模方法，其特征在于，所述后损是指网格单元内土壤下渗引起的水量损失，地表网格下渗能力计算采用经典的霍顿下渗理论，霍顿下渗公式如下：

f_m(t)＝f_c+(f₀-f_c)e^-kt

其中，f_m为实际下渗能力(mm/h)，f₀为最大下渗能力(mm/h)，f_c为稳定下渗能力(mm/h)，k为下渗衰减系数，t为下渗历时(h)。

8.如权利要求1所述的地表网格分层建模方法，其特征在于，所述地表分层网格的汇流关系包括层内网格汇流和/或层间网格汇流。

9.如权利要求8所述的地表网格分层建模方法，其特征在于，所述层间网格汇流包括以下步骤：

步骤31：对各层网格间的汇流关系展开分析；

步骤32：以平面共线网格边为桥梁构建不同层网格间的耦合关系。

10.一种地表网格分层建模系统，包括用于获取建模基础数据的数据获取模块，其特征在于，还包括以下模块：

网格划分模块：用于把地表构筑物结构划分为若干层网格；

产流计算模块：用于对顶层网格进行降水产流计算；

汇流计算模块：用于对地表各层网格进行汇流计算；

模型生成模块：用于生成复杂多层构筑物产汇流过程模型。