CN110717233B - 一种基于gis下垫面解析的雨水管网流量计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及城市雨水管网规划、设计和评估技术领域，具体涉及一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法及系统，其方法包括，基于与检查井和管道相关的数据库文件创建雨水管网系统的GIS概化模型；对GIS概化模型进行预处理，为检查井划分汇水范围，得到子排水区；基于地块用地性质对排水区下垫面进行解析，对不同用地性质的地块赋予不同的径流系数，并以子排水区多边形为边界对排水区下垫面进行重新划分，得到子下垫面；基于子下垫面多边形几何面积和对应的径流系数计算管道的汇流量。本发明的方法充分尊重了排水区内下垫面的多样性，提高了雨水管网汇水量计算的准确性，为我国雨水管网的规划与设计工作提供了一种切实可行的计算方法。
Description
技术领域
本发明涉及城市雨水管网规划、设计和评估技术领域，具体涉及一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法及系统。
背景技术
现阶段我国城市雨水管网的规划、设计以及对现状雨水管网的评估工作中应用最广泛的是推理公式法，其核心要义是恒定流方程和汇水面积叠加，计算方法见如下公式：Q＝q·f·ψ。在基于推理公式法的雨水管网流量计算中，Ψ通常采用管网服务区的综合径流系数，即综合径流系数法，此时排水区的下垫面属性信息被概化，各类型下垫面采用同一个径流系数(一般取综合径流系数)。由此可见，推理公式法简单易行、操作方便，但与实际偏差较大。
根据《海绵城市建设评价标准(GB/T 51345)》，下垫面是指包括屋面、地面、水面等的降雨受水面的总称，排水分区是根据排水管渠的收水边界划分的、相对独立汇集排放雨水的区域，二者本质不同。下垫面种类和空间分布的多样性客观存在，种类不同则产流量不同，位置不同则入网时间不同，排水区较大时这种情况对管道排水能力评估带来的影响更加明显且不容忽视。因此，根据《室外排水设计规范(GB 50014)》的要求，当汇水区面积超过2km2时，宜采用数学模型法计算雨水设计流量。在数学模型法计算中，产流量为汇水区接受的降雨量扣除植物截留、填洼、蒸发及土壤入渗量之后的裕量，下垫面不同入渗量不同、产流量不同，见如下公式：Qs＝Qp-Qi-Qd-Qe-Qf，其中Qs为地面径流量，Qp为总降雨量，Qi为植物截流损耗降雨量，Qd为填洼损耗降雨量，Qe为雨期蒸发损耗降雨量，Qf为雨期下垫面入渗损耗降雨量。从产流机理上看，数学模型法更接近地表径流的水文学特征，但需要大量真实可靠的下垫面水文特征资料和专业的模拟软件。
目前，基于数学模型法的雨水管道汇流量计算方法中，下垫面水文特征参数多采用某些软件(如SWMM)默认值，虽然有部分地区通过专门的研究对下垫面水文参数进行校准，但总体来说这部分资料普遍存在针对性不足、种类偏少的情况。事实上，我国的给排水规范及规划往往只提供不同下垫面的径流系数，一般没有工程所在地下垫面基质特征资料可供参考。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法，通过对子排水区内不同用地性质的子下垫面采用不同的径流系数，提高了子排水区产流量的计算精度。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法，包括以下步骤，
S1，基于与检查井和管道相关的数据库文件创建雨水管网系统的GIS概化模型；
S2，对所述GIS概化模型进行预处理，为所述检查井划分汇水范围，得到子排水区；
S3，对排水区下垫面中不同用地性质的地块设置不同的径流系数，并基于所述子排水区对所述排水区下垫面进行解析，得到子下垫面；
S4，基于所述子下垫面多边形几何面积和对应的径流系数计算所述管道的汇流量。
本发明的有益效果是：在本发明的方法中，同一子排水区内不同用地性质的下垫面地块采用不同的径流系数，子排水区产流量的计算精度得到提高；该方法充分尊重了排水区内下垫面的多样性，提高了雨水管网汇水量计算的准确性，为我国雨水管网的规划与设计工作，乃至现状雨水管网排水能力评估工作提供了一种切实可行的计算方法。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述S1具体为，
从存储有管网普查资料或原始设计资料的数据库中获取检查井信息和管道信息；
根据检查井和管道所在地坐标系统设定坐标系和高程系，形成模型框架；
将所述检查井信息加载到所述模型框架中，形成代表所述检查井的离散点，并得到检查井点图层；
将所述管道信息加载到所述模型框架中，形成代表所述管道的线段，并得到管道线图层；
以起点坐标和止点坐标为关联字段将所述管道线图层与所述检查井点图层连接，并匹配管道起止点检查井编号，且以起止点检查井编号命名管道编号，得到雨水管网系统的GIS概化模型。
进一步，所述S2具体为，
在所述GIS概化模型中删除重复的检查井和管道，以及删除孤立的检查井和管道，得到预处理GIS概化模型；
利用拓扑原则使所述预处理GIS概化模型中的检查井与管道端点重合，并计算所述预处理GIS概化模型中要素的坐标信息；
在带有坐标信息的所述预处理GIS概化模型中对所述检查井点图层进行划分，为所述检查井划分汇水范围，得到子排水区，并形成子排水区面图层。
进一步，所述S3具体为，
获取排水区下垫面，并为所述排水区下垫面中不同用地性质的地块设置不同的径流系数，得到下垫面图层；
以所述子排水区面图层中的子排水区多边形为边界对所述下垫面图层中的下垫面多边形进行划分，得到子下垫面图层；
将所述子下垫面图层中共用编号的子下垫面多边形组炸开，形成多个子下垫面，并使各个子下垫面多边形独立编号，且计算各子下垫面多边形的几何面积。
进一步，所述S4具体为，
根据各个所述子下垫面多边形的几何面积和对应的径流系数计算各个子下垫面多边形的等效产流面积；
根据各个子下垫面多边形的等效产流面积计算对应的子排水区多边形的等效产流面积；
根据各个子排水区多边形的等效产流面积计算所述管道的汇流量。
进一步，子下垫面多边形的等效产流面积的计算公式为，Fi＝fi·ψi，其中，fi为编号为i的子下垫面多边形的几何面积，ψi为与fi对应的子下垫面的径流系数，Fi为编号为i的子下垫面的等效产流面积；
子排水区多边形的等效产流面积的计算公式为，
其中，/>
为编号为j的子排水区的等效产流面积，n为编号为j的子排水区中子下垫面的总数；
管道的汇流量的计算公式为，
其中，q为降雨强度，Qk是编号为k的管道汇流量。
基于上述一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法，本发明还提供一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算系统。
一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算系统，包括以下模块，
GIS概化模型创建模块，其用于基于与检查井和管道相关的数据库文件创建雨水管网系统的GIS概化模型；
子排水区划分模块，其用于对所述GIS概化模型进行预处理，为所述检查井划分汇水范围，得到子排水区；
子下垫面解析模块，其用于对排水区下垫面中不同用地性质的地块设置不同的径流系数，并基于所述子排水区对所述排水区下垫面进行解析，得到子下垫面；
汇流量计算模块，其用于基于所述子下垫面多边形几何面积和对应的径流系数计算所述管道的汇流量。
基于上述一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法，本发明还提供一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算装置。
一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算装置，包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序，所述计算机程序运行时实现上述所述的方法步骤。
基于上述一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法，本发明还提供一种计算机存储介质。
一种计算机存储介质，包括至少一个指令，在所述指令被执行时实现上述所述的方法步骤。
附图说明
图1为本发明一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法的流程图；
图2为本发明一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法的原理图；
图3为案例区下垫面及雨水管网GIS模型平面图；
图4为图3中YS365子排水区(左)和YS362子排水区(右)的平面示意图；
图5为本发明一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算系统的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和图2所示，一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法，包括以下步骤，
S1，基于与检查井和管道相关的数据库文件创建雨水管网系统的GIS概化模型；
S2，对所述GIS概化模型进行预处理，为所述检查井划分汇水范围，得到子排水区；
S3，对排水区下垫面中不同用地性质的地块设置不同的径流系数，并基于所述子排水区对所述排水区下垫面进行解析，得到子下垫面；
S4，基于所述子下垫面多边形几何面积和对应的径流系数计算所述管道的汇流量。
下面对各步骤进行详细的说明。
所述S1具体为：
S11，从存储有管网普查资料或原始设计资料的数据库中获取检查井信息(包括检查井的编号、XY坐标、井底高程、井地面高程)和管道信息(包括管道的起止点XY坐标、起止点内底高程)，并将所述检查井信息和所述管道信息分别另存为csv格式的表格文件；
S12，打开GIS软件，新建geodatabase工程文件，根据检查井和管道所在地坐标系统设定坐标系和高程系，形成模型框架；
S13，在所述GIS软件中加载由所述检查井信息构成的表格文件，利用Display XYData工具导入代表所述检查井的离散点，得到检查井点图层；
S14，在所述GIS软件中加载由所述管道信息构成的表格文件，利用Features工具集下属的XY To Line工具导入代表所述管道的线段，得到管道线图层；
S15，通过Join工具分别以起点坐标和止点坐标为关联字段将所述管道线图层与所述检查井点图层连接，在Attributes Table中利用Field Calculator工具匹配管道起止点检查井编号，且以起止点检查井编号命名管道编号，得到雨水管网系统的GIS概化模型。
所述S2具体为:
S21，利用Delete Identical工具在所述GIS概化模型中快速删除重复的检查井和管道；
S22，利用Select By Loction工具和Switch Selection工具在所述GIS概化模型中快速查找并删除孤立的检查井和管道，得到预处理GIS概化模型；
S23，利用Topology工具中Endpoint of Line Must Be Covered By Point和Point Must Be Covered By Endpoint of Line拓扑原则使所述预处理GIS概化模型中的检查井与管道端点重合；
S24，在Attributes Table中利用Calculate Geometry工具重新计算所述预处理GIS概化模型中要素(要素是指：预处理GIS概化模型图层里面的内容，包括点、线、折线、面)的坐标信息；
S25，利用Create Thiessen Polygons工具自动划分子排水区，输入要素为所述检查井点图层，得到子排水区面图层。
所述S3具体为:
S31，加载排水区下垫面shp文件(排水区下垫面shp文件为原始资料)，以下垫面用地性质为检索字段，利用Select By Attributes快速选中用地性质相同的地块，在Attributes Table中利用Field Calculator工具为选中的地块设定不同的径流系数，得到下垫面图层；
S32，利用Intersect工具以所述子排水区面图层中的子排水区多边形为边界对所述下垫面图层中的下垫面多边形进行划分，得到子下垫面图层；
S33，利用Explode工具将所述子下垫面图层中共用编号的子下垫面多边形组炸开，形成多个子下垫面，并使各个子下垫面多边形独立编号；
S34，在Attributes Table中利用Calculate Geometry工具重新计算各子下垫面多边形的几何面积。
所述S4具体为:
S41，在Attributes Table中添加文件并命名为“等效产流面积”，按公式Fi＝fi·ψi计算编号为i的单个子下垫面多边形的等效产流面积；
S42，利用GIS中的Summary Statistics工具，并按公式
计算编号为j的单个子排水区多边形的等效产流面积，Case field为下垫面用地性质，Statistics Field(s)为Fi；
S43，利用S42中子排水区等效产流面积，按照公式
计算编号为k的管道的汇流量。
其中，fi为编号为i的子下垫面多边形的几何面积，ψi为与fi对应的子下垫面的径流系数，Fi为编号为i的子下垫面的等效产流面积，
为编号为j的子排水区的等效产流面积，n为编号为j的子排水区中子下垫面的总数，q为设计降雨强度(计算方法参见《室外排水设计规范(GB 50014)》)，Qk是编号为k的管道汇流量。
下面以具体实施例说明本发明的方法：
本具体实施例的案例区位于中部某城市，案例区下垫面及雨水管网GIS模型平面图如图3所示，降雨强度采用如下公式计算：
式中P为降雨重现期(取P＝1.66年)，t为设计集水时间，等于地面集水时间(取t0＝10min)和管内流行时间(tv)之和。案例区内裸地径流系数为0.30，建筑用地径流系数为0.95，铺装用地径流系数为0.85，道路用地径流系数为0.90，绿地径流系数为0.15，水域径流系数为0.00(因本案例中水域未接入雨水管网)。另外，依据所在区排水规划，该区属于城镇建筑较密集区综合径流系数为0.70。为便于对比本方法和传统方法计算结果的异同，管内流速统一采用0.8m/s。
图4为图3中YS365子排水区(左)和YS362子排水区(右)的平面示意图，利用本发明的方法计算YS365子排水区内各子下垫面和YS365子排水区的等效产流面积，结果见“表1YS365子排水区等效产流面积计算”。
表1 YS365子排水区等效产流面积计算
利用本发明的方法计算YS362子排水区内各子下垫面和YS362子排水区的等效产流面积，结果见“表2YS362子排水区等效产流面积计算”。
表2 YS362子排水区等效产流面积计算
利用本发明的方法计算管道YS365-YS362和管道YS362-YS408的汇流量，其它各管段以此类推，各管段计算结果见“表3案例区雨水管网汇流量本发明方法计算结果”。
利用本发明方法计算管道YS365-YS362的汇流量：
利用本发明方法计算管道YS362-YS408的汇流量：
表3案例区雨水管网汇流量本发明方法计算结果
利用传统方法计算管道YS365-YS362和管道YS362-YS408汇流量，其它各管段以此类推，各管段计算结果见“表4案例区雨水管网汇流量传统方法计算结果”。
利用传统方法计算管道YS365-YS362汇流量：
利用传统方法计算管道YS362-YS408汇流量：
表4案例区雨水管网汇流量传统方法计算结果
由表3和表4可知，在基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法中，同一子排水区内不同用地性质的子下垫面地块采用不同径流系数，每一个子下垫面地块作为一个独立的产流单元单独计算，计算结果比传统综合径流系数法更准确、更符合实际。
在传统方法中，所有子排水区的径流系数采用同一个参数，不管下垫面用地性质和水文特征，只要其几何面积相同则其产流量一定相同。但水文特征不同的地块，即便是几何面积相同其产流量也绝不相同，这是客观事实。
本发明的方法利用GIS系统强大的空间分析与数据处理能力，实现了下垫面和子排水区的耦合，根据用地性质将子排水区细分为多个子下垫面并以之作为计算子排水区产流量的基本单元，通过为子排水区内不同用地性质的子下垫面采用不同的径流系数，提高了子排水区产流量的计算精度。
以上所述，仅是本发明的一个实施例，并非对本发明的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。本发明实现了地块产流量的精确计算，实现了管网实际汇水量的精确计算，有利于提高雨水管网规划与设计结果的准确性和现状雨水管网排水能力评估结果的准确性。
基于上述一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法，本发明还提供一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算系统。
如图5所示，一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算系统，包括以下模块，
GIS概化模型创建模块，其用于基于与检查井和管道相关的数据库文件创建雨水管网系统的GIS概化模型；
子排水区划分模块，其用于对所述GIS概化模型进行预处理，为所述检查井划分汇水范围，得到子排水区；
子下垫面解析模块，其用于对排水区下垫面中不同用地性质的地块设置不同的径流系数，并基于所述子排水区对所述排水区下垫面进行解析，得到子下垫面；
汇流量计算模块，其用于基于所述子下垫面多边形几何面积和对应的径流系数计算所述管道的汇流量。
在本发明的系统中，各模块的具体功能参见本发明方法的各具体步骤。
基于上述一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法，本发明还提供一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算装置。
一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算装置，包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序，所述计算机程序运行时实现上述所述的方法步骤。
基于上述一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法，本发明还提供一种计算机存储介质。
一种计算机存储介质，包括至少一个指令，在所述指令被执行时实现上述所述的方法步骤。
本发明首先通过GIS对雨水管网系统进行预处理和下垫面解析，根据规范或区域排水规划对不同用地性质的下垫面选用对应的径流系数；然后，通过对下垫面产水量和管网收水量进行相关分析，建立下垫面产水量和管网收水量之间的计算关系。传统计算方法中以子排水区为基本产流单元，所有子排水区采用同一个径流系数(一般取综合径流系数)，概化了下面信息、忽略了下垫面的多样性。本发明以子排水区内的子下垫面为基本产流单元，各子下垫面的径流系数依据《室外排水设计规范(GB 50014)》和建筑密度确定，或依据区域雨水规划确定，不同用地性质的子下垫面采用不同的径流系数，如实还原了雨水管网服务区内下垫面基质特征对地块产水量的影响。本发明避免了传统计算方法的局限性，实现了雨水管网汇水流量的分项径流系数法计算，提高了结果的合理性和科学性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，基于与检查井和管道相关的数据库文件创建雨水管网系统的GIS概化模型；
S2，对所述GIS概化模型进行预处理，为所述检查井划分汇水范围，得到子排水区；
S3，基于地块用地性质对排水区下垫面进行解析，对不同用地性质的地块赋予不同的径流系数，并以子排水区多边形为边界对排水区下垫面进行重新划分，得到子下垫面；
S4，基于所述子下垫面多边形几何面积和对应的径流系数计算所述管道的汇流量；
所述S1具体为，
从存储有管网普查资料或原始设计资料的数据库中获取检查井信息和管道信息；
根据检查井和管道所在地坐标系统设定坐标系和高程系，形成模型框架；
将所述检查井信息加载到所述模型框架中，形成代表所述检查井的离散点，并得到检查井点图层；
将所述管道信息加载到所述模型框架中，形成代表所述管道的线段，并得到管道线图层；
以起点坐标和止点坐标为关联字段将所述管道线图层与所述检查井点图层连接，并匹配管道起止点检查井编号，且以起止点检查井编号命名管道编号，得到雨水管网系统的GIS概化模型；
所述S2具体为，
在所述GIS概化模型中删除重复的检查井和管道，以及删除孤立的检查井和管道，得到预处理GIS概化模型；
利用拓扑原则使所述预处理GIS概化模型中的检查井与管道端点重合，并计算所述预处理GIS概化模型中要素的坐标信息；
在带有坐标信息的所述预处理GIS概化模型中对所述检查井点图层进行划分，为所述检查井划分汇水范围，得到子排水区，并形成子排水区面图层；
所述S3具体为，
获取排水区下垫面，并为所述排水区下垫面中不同用地性质的地块设置不同的径流系数，得到下垫面图层；
以所述子排水区面图层中的子排水区多边形为边界对所述下垫面图层中的下垫面多边形进行划分，得到子下垫面图层；
将所述子下垫面图层中共用编号的子下垫面多边形组炸开，形成多个子下垫面，并使各个子下垫面多边形独立编号，且计算各子下垫面多边形的几何面积。
2.根据权利要求1所述的基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法，其特征在于：所述S4具体为，
根据各个所述子下垫面多边形的几何面积和对应的径流系数计算各个子下垫面多边形的等效产流面积；
根据各个子下垫面多边形的等效产流面积计算对应的子排水区多边形的等效产流面积；
根据各个子排水区多边形的等效产流面积计算所述管道的汇流量。
3.根据权利要求2所述的基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算方法，其特征在于：子下垫面多边形的等效产流面积的计算公式为，Fi＝fi·ψi，其中，fi为编号为i的子下垫面多边形的几何面积，ψi为与fi对应的子下垫面的径流系数，Fi为编号为i的子下垫面的等效产流面积；
子排水区多边形的等效产流面积的计算公式为，
其中，/>
为编号为j的子排水区的等效产流面积，n为编号为j的子排水区中子下垫面的总数；
管道的汇流量的计算公式为，
其中，q为降雨强度，Qk是编号为k的管道汇流量。
4.一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算系统，其特征在于：包括以下模块，
GIS概化模型创建模块，其用于基于与检查井和管道相关的数据库文件创建雨水管网系统的GIS概化模型；
子排水区划分模块，其用于对所述GIS概化模型进行预处理，为所述检查井划分汇水范围，得到子排水区；
子下垫面解析模块，其用于对排水区下垫面中不同用地性质的地块设置不同的径流系数，并基于所述子排水区对所述排水区下垫面进行解析，得到子下垫面；
汇流量计算模块，其用于基于所述子下垫面多边形几何面积和对应的径流系数计算所述管道的汇流量；
所述GIS概化模型创建模块具体用于，
从存储有管网普查资料或原始设计资料的数据库中获取检查井信息和管道信息；
根据检查井和管道所在地坐标系统设定坐标系和高程系，形成模型框架；
将所述检查井信息加载到所述模型框架中，形成代表所述检查井的离散点，并得到检查井点图层；
将所述管道信息加载到所述模型框架中，形成代表所述管道的线段，并得到管道线图层；
以起点坐标和止点坐标为关联字段将所述管道线图层与所述检查井点图层连接，并匹配管道起止点检查井编号，且以起止点检查井编号命名管道编号，得到雨水管网系统的GIS概化模型；
所述子排水区划分模块具体用于，
在所述GIS概化模型中删除重复的检查井和管道，以及删除孤立的检查井和管道，得到预处理GIS概化模型；
利用拓扑原则使所述预处理GIS概化模型中的检查井与管道端点重合，并计算所述预处理GIS概化模型中要素的坐标信息；
在带有坐标信息的所述预处理GIS概化模型中对所述检查井点图层进行划分，为所述检查井划分汇水范围，得到子排水区，并形成子排水区面图层；
所述子下垫面解析模块具体用于，
获取排水区下垫面，并为所述排水区下垫面中不同用地性质的地块设置不同的径流系数，得到下垫面图层；
以所述子排水区面图层中的子排水区多边形为边界对所述下垫面图层中的下垫面多边形进行划分，得到子下垫面图层；
将所述子下垫面图层中共用编号的子下垫面多边形组炸开，形成多个子下垫面，并使各个子下垫面多边形独立编号，且计算各子下垫面多边形的几何面积。
5.一种基于GIS下垫面解析的雨水管网流量计算装置，其特征在于：包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序，所述计算机程序运行时实现如权利要求1至3任一项所述的方法步骤。
6.一种计算机存储介质，其特征在于：包括至少一个指令，在所述指令被执行时实现如权利要求1至3任一项所述的方法步骤。
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