CN111695305B - 一种无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法 - Google Patents

一种无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法，包括以下步骤：建立降水‑径流模型，将雨源型河道的汇水区域划分为多个子汇水区；建立雨水管道模型；根据各子汇水区与雨水管道的汇流关系，将各子汇水区与雨水管道的排水节点进行连接；构建降雨数据，将降雨数据输入至降水‑径流模型中；运行降水‑径流模型计算出各管道节点、管线、子汇水区和汇入河道的雨水排口的流量随时间的变化关系；根据河网数据构建河道一维动力模型；将汇入河道的雨水排口的流量随时间的变化关系流量数据耦合到河道一维动力模型中，计算得到雨源型河道水面线、流量及流速。能够快速精确地计算无实测水文资料下雨源型河道的水面线，可操作性强。

Description

一种无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法
技术领域
本发明涉及给排水技术领域，具体涉及一种无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法。
背景技术
雨源型河流体量较小，流域内的径流主要来源于降雨，由于缺乏天然水源补给，形成了有雨即有流量，无雨则基本断流的现象。同时由于缺少天然径流，环境容量不足，存在自净能力差，一旦有污水排入河道极易形成黑臭的问题，治理过程复杂困难。与自然河流利用降雨以地表水和地下水的形式储存并缓慢释放，以维持河流稳定流量不同，雨源型河流由于城市化进程，自然地表形态变化，水源涵养能力下降，而在之前的排水系统设计中河流以排水防涝功能为主，河道截弯取直，断面统一梯形，硬化严重形成“三面光”的景观，破坏了河流的生态修复功能，削弱了污染自净能力。而我国多处于季风区，四季降水量变化大，70％降雨集中在夏季，形成了暴雨期洪涝频繁，干旱季节河道干涸的现象。随着城镇经济和人口的迅速增长，入河污染负荷增加，河流水质水量难以保障，城市雨源型河流的黑臭问题较为普遍。
水面线的计算是计算水力学的重要内容，是河道整治的基础工作,其推算结果直接影响到河道断面的规划设计,进而影响到河道整治的工程量和工程造价。水面线的计算结果偏低会导致堤防建设防水效果较差，洪水来临时无法起到堤防应有的作用；计算结果较高会导致堤防建设偏高，增加建设成本。总之，正确的求解河道水面线在河流治理和岸边防护等方面有着不可忽视的意义。
雨源型河道的水位和流量是动态变化的，准确科学的求解雨源型河道的水面线是一个难题。目前，常用的方法是采用《室外排水设计规范》(2016年版)GB50014-2006中推理公式法计算：
Figure BDA0002495909860000011
式中：
Q——雨水管段设计流量(L/s)；
Figure BDA0002495909860000012
——综合径流系数，非城市建设区采用0.15～0.20，城市建设区采用0.65。
F——雨水管段汇水面积(hm2)，与子排水区面积匹配；
q——暴雨强度[L/(s·hm2)]，暴雨强度公式如下：
Figure BDA0002495909860000013
式中：
q——设计暴雨强度[L/(s·hm2)]；
t——降雨历时(min)；
P——设计重现期(a)；
A1,C,b,n——参数，根据统计方法进行计算确定。
雨水管渠的降雨历时计算：
t＝t1+t2
式中：
t——降雨历时(min)；
t1——地面集水时间(min)，视距离长短、地形坡度和地面铺盖情况而定，一般采用5～15min；
t2——管渠内雨水流行时间(min)。
该方法可以估算出河道汇水区域雨水管渠的设计流量，无法准确计算雨水从管网汇入排涝河道后河道的设计流量，这主要是因为不同排水口汇入河道的水量峰值存在时间差且未考虑河道的调蓄能力，计算的结果精度很低，可靠性较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法，能够快速精确地计算无实测水文资料下雨源型河道的水面线，可操作性强。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法，包括以下步骤：
步骤1，根据收集的水文资料建立降水-径流模型，并在降水-径流模型中将雨源型河道的汇水区域划分为多个子汇水区及下垫面相关参数取值；
步骤2，根据现状雨水口、雨水检查井、雨水管道和排口雨水节点信息对雨水管网进行概化处理，并结合雨水管道的相关特征参数，建立雨水管道模型及雨水管道的汇流关系；
步骤3，在降水-径流模型和雨水管道模型中，根据各子汇水区与雨水管道的汇流关系，将各子汇水区与雨水管道的排水节点进行连接；确保子汇水区与管线节点的汇流关系正确；
步骤4，收集研究区域当地的典型雨量数据和蒸发量数据并建立雨量计，构建降雨数据，将降雨数据输入至降水-径流模型中；
步骤5，运行降水-径流模型计算出各管道节点、管线、子汇水区和汇入河道的雨水排口的流量随时间的变化关系；
步骤6，根据河网数据构建河道一维动力模型；
步骤7，将汇入河道的雨水排口的流量随时间的变化关系流量数据耦合到河道一维动力模型中，计算得到雨源型河道水面线、流量及流速。
按照上述技术方案，所述的步骤1中水文资料包括河道周边汇水区的雨水管网资料、下垫面资料和地形资料。
按照上述技术方案，汇水区的管网资料包括管段长度、管径、坡度、管道起点和终点管底标高；
汇水区水文参数包括下垫面类型、不透水地面面积、典型降雨情况和地面高程；
河道的地形资料包括能反映河道内地形变化的地形点和河道横断面数据。
按照上述技术方案，所述的步骤1中，将雨源型河道的汇水区域划分为多个子汇水区的具体过程为在降雨-径流模型中，根据汇水区的地形情况、地面径流关系、汇水特点进行子汇水区的划分。
按照上述技术方案，所述的步骤1中还包括以下步骤：在降水-径流模型中进行下垫面相关参数取值，下垫面相关参数取值的具体过程为：根据各子汇水区下垫面情况进行地表产流、汇流、下渗等相关参数的取值，依次计算各个子汇水区的面积，坡度，不透水百分比确定性参数；不确定性参数包括透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数、不透水区洼地蓄水深度、透水区洼地蓄水深度、不透水区所占百分比、最大下渗率、最小下渗率、渗透衰减系数、干燥时间，需要根据实测数据结果反复调整不确定性参数，直至计算结果与实测结果在误差允许范围内。
按照上述技术方案，在所述的步骤2中，雨水管道的相关特征参数包括各管段长度、管径、上下游节点标高。
按照上述技术方案，所述的步骤6中，构建河道一维动力模型具体包括以下步骤：
步骤6.1，建立河网基础资料数据库；
步骤6.2，设置河道断面数据，形成断面文件；
步骤6.3，根据降水-径流模型计算得出的雨水排口流量数据，作为河道一维水动力模型的边界条件，设置河道的进出口边界；
步骤6.4，设置河道一维水动力模型的参数，河道一维水动力模型的参数包括初始水位、流量和河床糙率。
按照上述技术方案，在所述的步骤6.1中，若雨源型河道中存在桥梁、箱涵、水闸、溢流坝、泵站和相关水工构筑物时，则在河网数据中添加相应参数；水动力模型中即可体现水工构筑物的影响。
本发明具有以下有益效果：
本发明方法通过构建一维水动力模型能够快速精确地计算无实测水文资料下雨源型河道的水面线，可操作性强。
附图说明
图1是本发明实施例中无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法的流程图；
图2是本发明实施例中河道一维动力模型运行后水面线结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图2所示，本发明提供的一个实施例中的无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法，包括以下步骤：
步骤1，根据收集的水文资料及相关参数建立降水-径流模型，并在降水-径流模型中将雨源型河道的汇水区域划分为多个子汇水区及下垫面相关参数取值；
步骤2，根据现状雨水口、雨水检查井、雨水管道和排口雨水节点信息对雨水管网进行概化处理，并结合雨水管道的相关特征参数，建立雨水管道模型及雨水管道的汇流关系；
步骤3，在降水-径流模型和雨水管道模型中，根据各子汇水区与雨水管道的汇流关系，将各子汇水区与雨水管道的排水节点进行连接；确保子汇水区与管线节点的汇流关系正确；
步骤4，收集研究区域当地的典型雨量数据和蒸发量数据并建立雨量计，构建降雨数据，将降雨数据输入至降水-径流模型中；
步骤5，运行降水-径流模型计算出各管道节点、管线、子汇水区和汇入河道的雨水排口的流量随时间的变化关系；
步骤6，根据河网数据构建河道一维动力模型；
步骤7，将汇入河道的雨水排口的流量随时间的变化关系流量数据耦合到河道一维动力模型中，计算得到雨源型河道水面线、流量及流速。
进一步地，所述的步骤1中水文资料包括河道周边汇水区的雨水管网资料、下垫面资料和地形资料。
进一步地，汇水区的管网资料包括管段长度、管径、坡度、管道起点和终点管底标高；
汇水区水文参数包括下垫面类型、不透水地面面积、典型降雨情况和地面高程；
河道的地形资料包括能反映河道内地形变化的地形点和河道横断面数据。
进一步地，所述的步骤1中，将雨源型河道的汇水区域划分为多个子汇水区的具体过程为在降雨-径流模型中，根据汇水区的地形情况、地面径流关系、汇水特点进行子汇水区的划分。
进一步地，所述的步骤1中还包括以下步骤：在降水-径流模型中进行下垫面相关参数取值，下垫面相关参数取值的具体过程为：根据各子汇水区下垫面情况进行地表产流、汇流、下渗等相关参数的取值，依次计算各个子汇水区的面积，坡度，不透水百分比确定性参数；不确定性参数包括透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数、不透水区洼地蓄水深度、透水区洼地蓄水深度、不透水区所占百分比、最大下渗率、最小下渗率、渗透衰减系数、干燥时间，需要根据实测数据结果反复调整不确定性参数，直至计算结果与实测结果在误差允许范围内。
进一步地，在所述的步骤2中，雨水管道的相关特征参数包括各管段长度、管径、上下游节点标高。
进一步地，所述的步骤6中，构建河道一维动力模型具体包括以下步骤：
步骤6.1，建立河网基础资料数据库；
步骤6.2，设置河道断面数据，形成断面文件；
步骤6.3，根据降水-径流模型计算得出的雨水排口流量数据，作为河道一维水动力模型的边界条件，设置河道的进出口边界；
步骤6.4，设置河道一维水动力模型的参数，河道一维水动力模型的参数包括初始水位、流量和河床糙率。
进一步地，在所述的步骤6.1中，若雨源型河道中存在桥梁、箱涵、水闸、溢流坝、泵站和相关水工构筑物时，则在河网数据中添加相应参数；水动力模型中即可体现水工构筑物的影响。
本发明的一个实施例中，本发明是在无实测水文资料情况下，计算雨源型河流的一种水面线方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
第一步：结合现场探勘情况，收集整理河道周边汇水区的雨水管网资料、下垫面资料及地形资料；
第二步：在降雨-径流模型中，根据汇水区的地形情况、地面径流关系、汇水特点进行子汇水区的划分。
第三步：根据各子汇水区下垫面情况进行地表产流、汇流、下渗等相关参数的取值。依次计算各个子汇水区的面积，坡度，不透水百分比等确定性参数；不确定性参数包括透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数、不透水区洼地蓄水深度、透水区洼地蓄水深度、不透水区所占百分比、最大下渗率、最小下渗率、渗透衰减系数、干燥时间等，需要根据实测数据结果反复调整不确定性参数，直至计算结果与实测结果在误差允许范围内。
第四步：根据现状雨水口、雨水检查井、雨水管道、排口等雨水节点信息对雨水管网进行概化处理，建立雨水管道模型，并输入雨水管道的相关特征参数，包括各管段长度、管径、上下游节点标高等。
第五步：根据各子汇水区与雨水管道的汇流关系，将各子汇水区与雨水排水系统的节点进行连接，确保子汇水区与管线节点的汇流关系正确；
第六步：收集研究区域当地的典型雨量数据和蒸发量数据，建立雨量计并将这些基础数据输入到降雨-径流模型中。
第七步：运行模型即可计算出各节点、管线、子汇水区等的流量随时间的变化关系，将汇入河道的雨水排口的流量随时间的变化关系，以EXCEL形式保存，将流量数据耦合到水动力模型的时间序列文件中；
第八步：提取河网背景图，缩放图形区域至完整包含所有将要模拟的河道，记下此区域左下角和右上角的UTM坐标，比如分别为(8448327.54，517015.05)和(8545141.72，590115.16)，输出为bmp格式图；
第九步：确定所要模拟的各河段名及长度；
第十步：建立河道一维水动力模型的河网文件，在河网模型区域的范围背景图左下角和右上角坐标(8448327.54，517015.05)和(8545141.72，590115.16)，引入第八步生成的bmp背景图，可以放大背景图以准确绘制河段走向，准确的河段走向有助于确定各河段连接关系、确定该河段上水工建筑物或雨水排口的里程，所以是很重要的工作，完成河网绘制后修改河段名和长度，若出现多条河段时。设置河道中桥梁、箱涵、水闸、溢流坝、泵站等水工建筑物各项参数。
第十一步：建立水动力模型的断面文件，并输入到模型中。
第十二步：建立水动力模型的边界文件，由于雨源型河道的边界主要为雨水排口入流，雨水排口流量随时间变化，需要设置成时间序列变化文件，根据实际情况在模型边界条件中设置雨源型河道的进出口边界，内部边界雨水排口可作为点源，重复边界设置步骤直到所有边界都设置完成。
第十三步：建立水动力模型的河床糙率参数，河床糙率是率定参数，应根据对模拟河道的认识及模型计算结果确定，通常可以从0.03开始率定。
第十四步：完成以上步骤后，定义输出结果文件名和保存频率后，即可开始计算。
第十五步：计算完成后，选择水位和流量结果，即可得到所需水面线数据，可见图2。
本发明的技术方案为一种无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法，它包含以下步骤：
1.资料收集：需要的基础数据包括三方面，一是汇水区的管网资料，具体包括管段长度、管径、坡度、管道起点和终点管底标高、检查井的坐标及标高等；二是汇水区水文参数，具体包括下垫面类型、不透水地面面积、典型降雨情况和地面高程等；三是河道的地形资料，具体包括能反映河道内地形变化的地形点和河道横断面数据。
2.降水-径流模型建模步骤:(1)根据研究区域的地形情况、地面径流关系、汇水特点进行子汇水区的划分，并根据各子汇水区下垫面情况进行地表产流、汇流、下渗等相关参数的取值；(2)根据现状雨水口、雨水检查井、雨水管道、排口等雨水节点信息对雨水管网进行概化处理，建立雨水管道模型，并输入雨水管道的相关特征参数；(3)根据各子汇水区与雨水管道的汇流关系，将各子汇水区与雨水排水系统的节点进行连接；(4)建立雨量计并输入当地的雨量数据；(5)最后运行模型即可计算出各节点、管线、子汇水区等的流量随时间的变化关系。
3.根据降水-径流模型计算结果，整理出汇入河道的雨水排口的流量随时间的变化的数值，以EXCEL形式保存。
4.构建雨源型河道的一维水动力模型：(1)建立河网基础资料数据库；(2)设置断面数据，形成断面文件；(3)根据降水-径流模型计算得出的雨水排口流量数据，作为水动力模型的边界条件，设置河道的进出口边界；(4)定义模拟的初始条件和河床糙率；(5)完成以上步骤后，可计算得到雨源型河道的水面线、流量及流速等数据。
5.若雨源型河道中存在桥梁、箱涵、水闸、溢流坝、泵站等水工构筑物时，可在河网文件中添加相应参数，水动力模型中即可体现水工构筑物的影响。
综上所述，1、在无实测水文资料情况下能较为准确的模拟雨源型河道的实际流量和水面线情况，指导河道设计；2、可根据降雨情况分别模拟暴雨、中雨及小雨情况下的河道水面线及流量，更好的指导河道景观设计；3、可较为准确的模拟桥梁、箱涵、水闸、溢流坝、泵站等水工构筑物对河道水面线的影响。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据收集的水文资料建立降水-径流模型，并在降水-径流模型中将雨源型河道的汇水区域划分为多个子汇水区；
步骤2，根据现状雨水口、雨水检查井、雨水管道和排口雨水节点信息对雨水管网进行概化处理，并结合雨水管道的相关特征参数，建立雨水管道模型；
步骤3，在降水-径流模型和雨水管道模型中，根据各子汇水区与雨水管道的汇流关系，将各子汇水区与雨水管道的排水节点进行连接；
步骤4，收集研究区域当地的典型雨量数据和蒸发量数据并建立雨量计，构建降雨数据，将降雨数据输入至降水-径流模型中；
步骤5，运行降水-径流模型计算出各管道节点、管线、子汇水区和汇入河道的雨水排口的流量随时间的变化关系；
步骤6，根据河网数据构建河道一维动力模型；
步骤7，将汇入河道的雨水排口的流量随时间的变化关系流量数据耦合到河道一维动力模型中，计算得到雨源型河道水面线、流量及流速。
2.根据权利要求1所述的无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法，其特征在于，所述的步骤1中水文资料包括河道周边汇水区的雨水管网资料、下垫面资料和地形资料。
3.根据权利要求2所述的无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法，其特征在于，汇水区的管网资料包括管段长度、管径、坡度、管道起点和终点管底标高；
汇水区水文参数包括下垫面类型、不透水地面面积、典型降雨情况和地面高程；
河道的地形资料包括能反映河道内地形变化的地形点和河道横断面数据。
4.根据权利要求1所述的无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法，其特征在于，所述的步骤1中还包括以下步骤：在降水-径流模型中进行下垫面相关参数取值，下垫面相关参数取值的具体过程为：根据各子汇水区下垫面情况进行地表产流、汇流、下渗相关参数的取值，依次计算各个子汇水区的面积，坡度，不透水百分比确定性参数；不确定性参数包括透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数、不透水区洼地蓄水深度、透水区洼地蓄水深度、不透水区所占百分比、最大下渗率、最小下渗率、渗透衰减系数、干燥时间，需要根据实测数据结果反复调整不确定性参数，直至计算结果与实测结果在误差允许范围内。
5.根据权利要求1所述的无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法，其特征在于，在所述的步骤2中，雨水管道的相关特征参数包括各管段长度、管径、上下游节点标高。
6.根据权利要求1所述的无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法，其特征在于，所述的步骤6中，构建河道一维动力模型具体包括以下步骤：
步骤6.1，建立河网资料数据库；
步骤6.2，设置河道断面数据，形成断面文件；
步骤6.3，根据降水-径流模型计算得出的雨水排口流量数据，作为河道一维水动力模型的边界条件，设置河道的进出口边界；
步骤6.4，设置河道一维水动力模型的参数，河道一维水动力模型的参数包括初始水位、流量和河床糙率。
7.根据权利要求6所述的无实测水文资料情况下雨源型河流的水面线计算方法，其特征在于，在所述的步骤6.1中，若雨源型河道中存在桥梁、箱涵、水闸、溢流坝、泵站和相关水工构筑物时，则在河网数据中添加相应参数。
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