CN110866215A - 计算城市降水区域汇水量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种计算城市降水区域汇水量的方法，包括如下步骤：确定主要降雨方向θ；确定对应降雨方向θ时的雨滴群特征直径Dn；确定在雨滴群的特征直径Dn下非垂直降落雨滴群占雨滴群的占比N(D)；根据非垂直降落雨滴群的占比N(D)来修正汇水面积参数F。

Description

计算城市降水区域汇水量的方法
技术领域
本发明属于建筑给排水工程技术领域，涉及海绵城市建设，尤其涉及一种计算城市降水区域汇水量的方法。
背景技术
SWMM是美国环境署开发的城市暴雨雨水管理模型，可模拟完整的城市降雨径流循环，自20世纪70年代研制至今，已发展至SWMM Version 5.1，是目前最成熟的“城市雨洪模拟技术”之一，在城市雨洪管理领域获得了较广泛的应用。该软件模型部分包括径流、输出、扩充输送、存储处理、水体水质等模块，在执行模拟前需要输入汇水(或径流)面积等环境参数，其中，通常用参数F表征汇水(或径流)面积汇水面积参数F是执行模拟前需输入的最重要的环境参数之一。
伴随城市化进程不断加深，商业综合体、综合交通枢纽等高密度城市核心区不断涌现城市内涝问题亟需解决。城市综合体通常位于城市的中心或者副中心，有效控制该此类区域在超设计降雨重现期的内涝积水有很强的现实意义。但是，高密度城市核心区城市综合体区域场地复杂，用传统的计算方法难以准确描述此类区域的雨水径流情况。通过对高密度城市核心区域城市综合体区域进行SWMM建模，可以得到较准确的雨水径流计算结果。
限于SWMM软件功能限制，重要汇水面积参数F只有一个输入端，不能直接通过该软件准确表征汇水面积值。在实际应用时，通常采用水平投影面积值F_w表征汇水面积参数F。在利用SWMM对大市政区域进行建模时，由于区域面积很大，仅以水平投影面积值表征汇水面积参数F，表征值与真实值偏差较小，不至于给SWMM模型的结果带来的不可接受的误差。但在在商业综合体、综合交通枢纽等高密度城市核心区域复杂建筑区域如城市综合体区域，因建筑彼此遮挡或风向变化，如果仅考虑用水平投影面积值F_w表征参数F，会给SWMM模型带米较大误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种计算城市降水区域汇水量的方法，能够降低SWMM模型的误差。
为了解决上述问题，本发明提供了一种计算城市降水区域汇水量的方法，包括如下步骤：确定主要降雨方向θ；确定对应降雨方向θ时的雨滴群特征直径Dn；确定在雨滴群的特征直径Dn下非垂直降落雨滴群占雨滴群的占比N(D)；根据非垂直降落雨滴群的占比N(D)来修正汇水面积参数F。
雨滴谱是大气物理学与大气环境学中的重要概念，指雨滴群中各种直径的雨滴数密度随直径的分布，又称雨滴尺度分布。马歇尔-帕尔默Marshall-Palmer分布(M-P分布)是理想雨滴谱，此时雨滴数密度仅与雨滴的直径D_i和降雨强度Q有关。在考虑因建筑彼此遮挡或风力变化而对汇水面积进行修正时，引入气象学中的雨滴谱概念，通过分解雨滴群为垂直降落雨滴群W0和非垂直降落雨滴群Wi，可以有效关联联系降雨方向θ与修正面积。本发明根据此设计一种联系关联方法，可以减少因参数F不准确而给SWMM模型带来的误差。
附图说明
图1为非垂直降落雨滴群Wi和垂直降落雨滴群W0的解释。
图2为非垂直降落雨滴群Wi偏离角度与降雨方向θ的关系。
图3为本发明所述具体实施方式的流程图。
图4为实施例项目效果图。
图5为实施例中降雨方向示意图(与正北方向夹角)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的计算城市降水区域汇水量的方法的具体实施方式做详细说明。
步骤1，确定主要降雨方向θ。
引入气象学中雨滴谱的概念，并将任意时刻的雨滴群W分为非垂直降落雨滴群Wi和垂直降落雨滴群W0两部分；定义Wi与水平面之间的角度为θi；单位面积单位时间的降雨量q即为对应区域的雨滴群W，降雨量q与雨滴群W可由下式表示：
∑Wi＝W×N(D)
W0＝W-∑Wi
q＝W＝W0+∑Wi
式中N(D)为非垂直降落雨滴群Wi占雨滴群W的百分比。
如附图1所示为非垂直降落雨滴群Wi和垂直降落雨滴群W0的几何关系图。Wi可表示为θi的函数。在水平开阔无遮挡场地，无论偏离角度θi为何值，均不影响单位面积单位时间的降雨量。但在水平开阔有遮挡场地，相邻区域的Wi因障碍物的遮挡并不能降落在对应区域中，即降雨量q与非垂直降落雨滴群Wi直接相关。则在确定的一次降雨过程中，降雨量q也可表示为非垂直降落雨滴群Wi的函数。
根据马歇尔-帕尔默Marshall-Palmer分布(M-P分布)，即任意时刻降雨过程稳定，此时雨滴分布为理想雨滴谱，雨滴数密度仅与雨滴的直径Di和降雨强度Q有关。非垂直降落雨滴群Wi占雨滴群W的百分比N(D)可以表示为
Figure BDA0002222562590000041
λ＝4.1×Q-0.21
式中：N(Di)为直径Di-Di+dD内的雨滴数密度，D单位为mm；Q为降雨强度，单位为mm/h，N0＝0.08cm-4。
结合上述公式∑Wi＝W×N(D)，当降雨强度Q确定后，雨滴群W可以用一个统一的偏离角度θ表示，如附图2所示，此时整体偏离角度即降雨方向θ仅与雨滴群的特征直径Dn有关。θ是设定量，由设计师确认，是主动参数，不是变量。比如在一个小区，设计师认为当降雨量最大的时候，降雨偏离方向是30度，那么θ就是30度。他可能与降雨强度Q有关，也与降雨的地理位置有关，还可能与季节有关。主动确认θ后，可通过Dn的公式求出来Dn。
步骤2，确定对应降雨方向θ时的雨滴群特征直径Dn。
确定主要降雨方向θ之后，雨滴群中所有直径小于等于特征直径Dn的雨滴全部构成对应区域的非垂直降落雨滴群Wi，所有直径大于特征直径Dn的雨滴按其与雨滴直径Di的线性比例构成对应区域的非垂直降落雨滴群Wi，则特征直径Dn可由下式计算：
Figure BDA0002222562590000042
式中：Dmax为雨滴群中最大雨滴直径。Dmax的范围为0.5～8mm。
步骤3，确定在雨滴群的特征直径为Dn时非垂直降落雨滴群Wi占雨滴群W的百分比N(D)。
N(D)可由下式表示：
Figure BDA0002222562590000051
步骤4，根据非垂直降落雨滴群的占比来修正汇水面积参数。
修正汇水面积参数F可由修正水平投影面积ΔFw与附加投影面积ΔFZ两部分组成，可用下式表示：
F＝ΔFw+ΔFZ
式中ΔFw和ΔFZ可用下式表示：
Figure BDA0002222562590000052
Figure BDA0002222562590000053
以上逐步计算汇水面积参数F的方法的具体实施步骤可由附图3示意。
接下来给出上述技术方案的一个实施例。
某综合体项目应用SWMM模型模拟雨水径流过程及评价海绵城市措施效果的实施例中，本发明截取其中对汇水面积参数F的修正部分，并对比修正前后的雨水径流模拟结果以对本发明加以阐述。
该综合体项目总用地面积25000m2，总建筑面积280000m2，同时具有办公、商业、文化中心、地下车库等多种建筑功能，是典型的商业综合体项目。该项目具有1)建筑间彼此遮挡、2)地下室面积大且首层降板复杂、3)地表覆土情况不唯一等特点，用常规计算方式得到的雨水径流结果存在较大误差，需要采用SWMM模型模拟对比评估雨水径流情况，并对汇水面积参数F进行修正。
结合附图3具体实施步骤以及实施例对本发明的实施关键点加以阐述。
采用SWMM执行模拟前，需输入的环境参数汇水面积参数F，实施例中对参数F进行修正。
步骤1，确定主要降雨方向θ。可根据具体项目的实际需要进行设定，本发明实施例设定降雨方向θ为15、30、45和60度。此实施例中，降雨方向包括1)与正北方向夹角、2)与水平面的垂直夹角，本发明降雨方向θ是指2)与水平面的垂直夹角，降雨方向1)与正北方向夹角仅为综合分析评价模型。实施例中降雨方向示意图(与正北方向夹角)示意如图4所示。
步骤2及步骤3，确定对应降雨方向θ的雨滴群特征直径Dn以及确定在雨滴群的特征直径为Dn时非垂直降落雨滴群Wi占雨滴群W的百分比N(D)。此实施例中，降雨重现期P和降雨方向θ确定后，经本发明中所述计算，可求得非垂直降落雨滴群Wi占雨滴群W的百分比N(D)。θ/N(D)/P取值如表3所示：
表3.θ/N(D)/P取值表
Figure BDA0002222562590000061
步骤4，将N(D)以水平投影面积Fw及遮挡面积FZ加权转化为修正汇水面积参数F。将修正汇水面积参数F输入SWMM软件中，并执行模拟，可得表2结果值，参照值指未考虑参数F修正时的结果。
表2
Figure BDA0002222562590000071
本方法发明能够有效减少高密度城市核心区域因参数F不准确而给SWMM模型带来的误差，模拟结果表明，修正前后排放口(PFK)峰值出现时间及区域径流总量差异不大，但排放口(PFK)峰值流量有较大差异，此时可通过1)设置调蓄措施或者2)增大局部管段管径等方式保障此工程场地雨水排水系统的安全可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种计算城市降水区域汇水量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定主要降雨方向θ；
确定对应降雨方向θ时的雨滴群特征直径Dn；
确定在雨滴群的特征直径Dn下非垂直降落雨滴群占雨滴群的占比N(D)；
根据非垂直降落雨滴群的占比N(D)来修正汇水面积参数F。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，特征直径Dn与主要降雨方向θ之间的关系可由下式表示：
Figure FDA0002222562580000011
式中：Dmax为雨滴群中最大雨滴直径。Dmax的范围为0.5～8mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，特征直径Dn下非垂直降落雨滴群占雨滴群的占比N(D)的关系如下：
Figure FDA0002222562580000012
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，修正汇水面积参数F与非垂直降落雨滴群的占比N(D)之间的关系如下：
修正汇水面积参数F可山修正水平投影面积ΔFW与附加投影面积ΔFz两部分组成，可用下式表示：
F＝ΔFw+ΔFz
式中ΔFw和ΔFz可用下式表示：
Figure FDA0002222562580000013
Figure FDA0002222562580000014
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