CN111881537A - 一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，本发明涉及海绵建设效果评价方法。本发明要解决现有绿色海绵设施的建设与管网排水能力评价无法同步计算的问题。方法：一、将城市管网排水系统中的检查井及管道按顺序依次构建入ArcFOG排水系统模型中；二、对计算区域进行集水区划分，并根据地块类型分别对各个集水区属性进行定义；三、对计算区域进行坡度等级划分，并对各个集水区设置相应的坡度等级；四、将城市雨量站信息分配至相对应集水区中；五、将各个绿色海绵设施模块构建入相对应集水区；六、将各个降雨重现期下的降雨量构建入；七、计算及评价。本发明用于基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法。
Description
技术领域
本发明涉及海绵建设效果评价方法。
背景技术
近年来，城镇化的发展使地表原有的林地、农田被道路、建筑、广场等不透水的地面所替代。不透水地面比例的增加使地表径流量增大，雨水的下渗率减小，自然水文的循环过程也随之改变。同时，由于全球气候的变化，极端气候增多，城市暴雨的频率增大。强降雨的发生加之地表径流量的增大，致使降雨由地表直接排入排水管网中或者直接进入城市水体中，而非经过植物的截留及下渗。而城市建设初期或城市老城区的管网排水能力设计标准偏低，导致城市内涝灾害频发，“城市看海”的现象时有发生，人们的生命安全受到威胁，公共财产也遭受到了严重的损失。因此，城市内涝已经成为全国高度重视的问题，而如何解决城市的排水内涝问题值得我们研究。
为解决城市内涝风险，城市尤其是老城区的排水系统排水能力应大大加强，而排水系统的再设计与更新无疑将是巨大的经济投入。面对城市水安全问题，国家高度重视，海绵城市建设这一任务应运而生。海绵城市，即城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水及净水，需要时将蓄存的水释放并加以利用。通过建立具有“渗、滞、蓄、净、用、排”功能的绿色设施，从源头对降雨进行控制，最大限度地减少降雨量对城市排水系统的冲击，缓解排水压力，有效减轻排水系统改造的巨大工程。
传统的排水能力评价方式通常是通过水力学计算，获得水流运动过程。而建设绿色海面设施后，城市的管网排水能力改善情况无法评价，绿色海绵设施的建设对管网排水能力的缓解无法体现，无法通过城市管网的排水能力反映城市中绿色海绵设施建设的效果，传统的水力计算只能将二者分别计算再加以分析，而不能实现同步计算，一步到位，因此，如何利用模型对二者的建设效果同步加以计算，是需要解决的问题。
发明内容
本发明要解决现有绿色海绵设施的建设与管网排水能力评价无法同步计算的问题，而提供一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法。
一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，它是按照以下步骤进行的：
一、对城市管网排水系统基础数据进行预处理，利用基于ArcGIS平台的ArcFOG排水系统模型，将城市管网排水系统中的检查井及管道按顺序依次构建入ArcFOG排水系统模型中；
二、将城市高程数据构建入ArcFOG排水系统模型中，对计算区域进行集水区划分，并根据地块类型分别对各个集水区属性进行定义；
三、根据城市高程数据，对计算区域进行坡度等级划分，并对各个集水区设置相应的坡度等级；
四、将城市雨量站信息分配至相对应集水区中；
五、整理绿色海绵设施的设计参数，结合实际的地理位置分布以及实际的服务范围，将各个绿色海绵设施模块构建入相对应集水区中，得到绿色海绵设施的城市排水系统数字模型；
六、结合城市的暴雨公式，将各个降雨重现期下的降雨量构建入绿色海绵设施的城市排水系统数字模型中；
七、对构建入绿色海绵设施的城市排水系统数字模型先进行集水区面积分配，分别分配至相对应的管网中，然后进行面积编辑及拓扑计算，排查干扰模型运行的因素，再进行产流计算及水力计算，可得到计算区域管网的排水能力结果，从绿色海绵设施构建入的城市排水系统数字模型中的各个检查井的水位线及各个管网的排水流量随着降雨时长的变化情况，得到对降雨量控制的效果，即完成一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法。
本发明的有益效果是：1、本发明将绿色海绵设施与城市排水管网同时构建入数字模型中，在模型中实现“灰绿融合”，可快速准确地评价海绵设施的建设对城市排水管网排水能力的有效影响。
2、本发明提供的“灰绿融合”数字模型，可通过城市排水管网的排水能力进一步反映海绵城市建设的效果，为海绵城市建设评价提供一种可参考的方法，实现了绿色海绵设施的建设与管网排水能力评价的同步计算。
本发明用于一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法。
附图说明
图1为实施例一步骤五中50年一遇24小时降雨量；
图2为降雨后同一检查井中水位线对比图，1为实施例一绿色海绵设施构建入的城市排水系统数字模型，2为对比实验绿色海绵设施未构建入的城市排水系统数字模型；
图3为降雨后同一排水管网中流量对比图，1为实施例一绿色海绵设施构建入的城市排水系统数字模型，2为对比实验绿色海绵设施未构建入的城市排水系统数字模型；
图4为具体实施方式一步骤一中将城市管网排水系统中的检查井构建入ArcFOG排水系统模型的导入界面；
图5为具体实施方式一步骤一中将城市管网排水系统中的管道构建入ArcFOG排水系统模型的导入界面；
图6为具体实施方式十所述的绿色海绵设施为调蓄池时，绿色海绵构建入相对应集水区的导入界面；
图7为具体实施方式一步骤七中集水区面积分配的工作界面；
图8为具体实施方式一步骤七中面积编辑及拓扑计算的工作界面。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：结合图4、5、7及8，本实施方式所述的一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、对城市管网排水系统基础数据进行预处理，利用基于ArcGIS平台的ArcFOG排水系统模型，将城市管网排水系统中的检查井及管道按顺序依次构建入ArcFOG排水系统模型中；
二、将城市高程数据构建入ArcFOG排水系统模型中，对计算区域进行集水区划分，并根据地块类型分别对各个集水区属性进行定义；
三、根据城市高程数据，对计算区域进行坡度等级划分，并对各个集水区设置相应的坡度等级；
四、将城市雨量站信息分配至相对应集水区中；
五、整理绿色海绵设施的设计参数，结合实际的地理位置分布以及实际的服务范围，将各个绿色海绵设施模块构建入相对应集水区中，得到绿色海绵设施的城市排水系统数字模型；
六、结合城市的暴雨公式，将各个降雨重现期下的降雨量构建入绿色海绵设施的城市排水系统数字模型中；
七、对构建入绿色海绵设施的城市排水系统数字模型先进行集水区面积分配，分别分配至相对应的管网中，然后进行面积编辑及拓扑计算，排查干扰模型运行的因素，再进行产流计算及水力计算，可得到计算区域管网的排水能力结果，从绿色海绵设施构建入的城市排水系统数字模型中的各个检查井的水位线及各个管网的排水流量随着降雨时长的变化情况，得到对降雨量控制的效果，即完成一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法。
本具体实施方式所述的灰绿融合中“灰”指城市的排水系统，“绿”指城市中的绿色海绵设施，即低影响开发设备。
本具体实施方式步骤一中所述的ArcGIS平台的ArcFOG排水系统模型由德国汉诺威ITWH公司开发。
本具体实施方式从项目执行方以及相关单位可得到以下工具及资料，主要包括但不限于：城市管网排水系统基础数据(shape格式或者CAD格式)、城市高程数据、地块类型、坡度信息、雨量站信息、海绵设施设计参数及服务面积、城市的暴雨公式等。
降雨重现期下的降雨量具体按以下暴雨公式计算：
其中，P为降雨重现期，单位为年；t为降雨时长，单位为分钟；i为每分钟降雨量；A为雨力参数；b为暴雨历时修正参数；c为暴雨变动参数；A，b，c参数的具体数值根据统计方法计算得出，因城市不同，此部分数据会产生差异。
本实施方式提供的构建“灰绿融合”的海绵城市建设评价方法，按以下方案进行：将管网基础信息，如检查井、管道等构建入基于ArcGIS平台的ArcFOG排水系统模型中；绘制集水区，并根据地块类型对集水区属性进行编辑；将坡度信息分配至各个集水区；将雨量站信息分配至各个集水区，以避免降雨的不均匀性引起计算的不准确性；将绿色海绵设施的设计参数以及服务面积等构建入相对应的集水区内；将以上城市信息分配至其相应的管网，构成城市排水系统数字模型；运用城市暴雨公式，将雨量构建入模型，即可评价该排水管网的排水能力。
本实施方式的有益效果是：
1、本实施方式将绿色海绵设施与城市排水管网同时构建入数字模型中，在模型中实现“灰绿融合”，可快速准确地评价海绵设施的建设对城市排水管网排水能力的有效影响。
2、本实施方式提供的“灰绿融合”数字模型，可通过城市排水管网的排水能力进一步反映海绵城市建设的效果，为海绵城市建设评价提供一种可参考的方法，实现了绿色海绵设施的建设与管网排水能力评价的同步计算。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的城市管网排水系统基础数据为检查井的标高及直径，雨水管道、污水管道以及混合管道的标高、材质和粗糙度。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的对城市管网排水系统基础数据进行预处理，具体为编辑为ArcGIS平台可识别的格式。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中集水区划分具体按虚拟面积划分，划分为硬化地面与非硬化地面。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中根据地块类型分别对各个集水区属性进行定义具体为将集水区定义为绿地、房屋、设备、路面和水体，并根据不同属性定义径流参数。其它与具体实施方式一至四相同。
根据不同属性定义径流参数：如绿地径流系数为0.15～0.3，各类房屋屋面、各类设备、混凝土或沥青的路面及混凝土或沥青的广场径流系数为0.85～0.95，大块石铺砌的路面及大块石铺砌的广场径流系数为0.55～0.7，沥青表面处理的碎石路面及沥青表面处理的碎石广场径流系数为0.55～0.65，级配碎石路面及级配碎石路面广场径流系数为0.40～0.50，干砌砖石或碎石的路面及干砌砖石或碎石的广场径流系数为0.35～0.40，非铺砌土路面径流系数为0.25～0.35。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中所述的坡度等级划分具体为坡度小于1％、坡度为1％～4％、坡度为4％～10％及坡度大于10％。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤五中所述的绿色海绵设施为植草沟、绿色屋顶、生物滞留池、生态停车场、透水铺装和调蓄池中的一种或其中几种。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：当所述的绿色海绵设施为植草沟时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、有效宽度、有效深度、有效容积、土壤层厚度和材料、排水层厚度和材料及植物类型；
当所述的绿色海绵设施为绿色屋顶时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、有效容积、基质层厚度和材料、过滤层厚度和材料、排水层厚度和材料、保护层厚度和材料、防水层厚度和材料及植物类型。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：当所述的绿色海绵设施为生物滞留池时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、设施有效溶剂、种植图层及砾石排水层厚度；
当所述的绿色海绵设施为生态停车场时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、生物滞留设施及透水铺装参数。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：结合图6，本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：当所述的绿色海绵设施为透水铺装时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、透水面厚度和材料、透水找平层厚度和材料、透水基层厚度和材料及透水底基层厚度和材料；
当所述的绿色海绵设施为调蓄池时，所述的绿色海绵设施的设计参数为有效调蓄容积。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，它是按照以下步骤进行的：
一、对城市管网排水系统基础数据进行预处理，利用基于ArcGIS平台的ArcFOG排水系统模型，将城市管网排水系统中的检查井及管道按顺序依次构建入ArcFOG排水系统模型中；
二、将城市高程数据构建入ArcFOG排水系统模型中，对计算区域进行集水区划分，并根据地块类型分别对各个集水区属性进行定义；
三、根据城市高程数据，对计算区域进行坡度等级划分，并对各个集水区设置相应的坡度等级；
四、将城市雨量站信息分配至相对应集水区中；
五、整理绿色海绵设施的设计参数，结合实际的地理位置分布以及实际的服务范围，将各个绿色海绵设施模块构建入相对应集水区中，得到绿色海绵设施的城市排水系统数字模型；
六、结合城市的暴雨公式，将50年一遇24小时降雨量构建入绿色海绵设施的城市排水系统数字模型中；
七、对构建入绿色海绵设施的城市排水系统数字模型先进行集水区面积分配，分别分配至相对应的管网中，然后进行面积编辑及拓扑计算，排查干扰模型运行的因素，再进行产流计算及水力计算，可得到计算区域管网的排水能力结果，从绿色海绵设施构建入的城市排水系统数字模型中的各个检查井的水位线及各个管网的排水流量随着降雨时长的变化情况，得到对降雨量控制的效果，即完成一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法。
步骤一中所述的城市管网排水系统基础数据为检查井的标高及直径，雨水管道、污水管道以及混合管道的标高、材质和粗糙度；
步骤一中所述的对城市管网排水系统基础数据进行预处理具体为编辑为ArcGIS平台可识别的格式；
步骤二中集水区划分具体按虚拟面积划分，划分为硬化地面与非硬化地面；
步骤二中根据地块类型分别对各个集水区属性进行定义具体为将集水区定义为绿地、房屋、设备、路面和水体，并根据不同属性定义径流参数；
步骤三中所述的坡度等级划分具体为坡度小于1％、坡度为1％～4％、坡度为4％～10％及坡度大于10％；
步骤五中所述的绿色海绵设施为植草沟、绿色屋顶、生物滞留池、生态停车场、透水铺装和调蓄池中的一种或其中几种；
当所述的绿色海绵设施为植草沟时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、有效宽度、有效深度、有效容积、土壤层厚度和材料、排水层厚度和材料及植物类型；
当所述的绿色海绵设施为绿色屋顶时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、有效容积、基质层厚度和材料、过滤层厚度和材料、排水层厚度和材料、保护层厚度和材料、防水层厚度和材料及植物类型；
当所述的绿色海绵设施为生物滞留池时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、设施有效溶剂、种植图层及砾石排水层厚度；
当所述的绿色海绵设施为生态停车场时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、生物滞留设施及透水铺装参数；
当所述的绿色海绵设施为透水铺装时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、透水面厚度和材料、透水找平层厚度和材料、透水基层厚度和材料及透水底基层厚度和材料；
当所述的绿色海绵设施为调蓄池时，所述的绿色海绵设施的设计参数为有效调蓄容积。
步骤六所述的暴雨公式如下：
其中，P为降雨重现期，单位为年，P＝50年；t为降雨时长，单位为分钟；i为每分钟降雨量；A为雨力参数；b为暴雨历时修正参数；c为暴雨变动参数；A，b，c参数的具体数值根据统计方法计算得出，计算降雨重现期为50年一遇24小时降雨，图1为实施例一步骤六中50年一遇24小时降雨量。
对比实验：本对比实验与实施例一不同的是：未进行步骤五。其它与具体实施方式一相同。
图2为降雨后同一检查井中水位线对比图，1为实施例一绿色海绵设施构建入的城市排水系统数字模型，2为对比实验绿色海绵设施未构建入的城市排水系统数字模型；
由图可知，实施例一绿色海绵设施构建入的城市排水系统数字模型，对其中某一检查井S中水位线进行分析，从开始降雨0分钟起，水位线逐渐增加，当降雨时长为约500分钟时，水位线达到最高点，此时水深0.5米(水位线高程74.5米，检查井底标高位74.0米)，当降雨时长为约950分钟时，该检查井内水位线逐渐降低，此时此检查井不再会发生溢流，不会再造成积水甚至是内涝风险。对比实验绿色海绵设施未构建入的城市排水系统数字模型，对实施例1中提到的检查井S水位进行分析，发现在该情况下，该检查井的水位线在降雨开始450分钟时，即达到最大0.5米，且随着24小时的降雨以及降雨结束后8小时内，水位线一直处于最高的位置，说明此检查井在开始降雨450分钟后存在潜在的溢流风险。
图3为降雨后同一排水管网中流量对比图，1为实施例一绿色海绵设施构建入的城市排水系统数字模型，2为对比实验绿色海绵设施未构建入的城市排水系统数字模型；
由图可知，对与上述检查井S相连的管道L进行雨量分析，实施例一绿色海绵设施构建入的城市排水系统数字模型，观察到L管道在降雨开始至420分钟内，没有发生溢流，在降雨集中期，随着雨量的增大和积累，该管道发生溢流，最大溢流量为1500立方米，发生溢流总时长为580分钟，至降雨开始1000分钟时，溢流量为0，此时，管网排水风险降低。对比实验绿色海绵设施未构建入的城市排水系统数字模型，对实施例1中的管道L中的溢流量进行分析发现，在降雨开始420分钟时溢流发生，且在降雨900分钟左右时，溢流量达到最大，约为5300立方米，较实施例一中的最大溢流量增大253％，且在降雨24小时结束后仍有溢流。
通过上述管网排水能力，证明海绵设施的建设具有错峰削峰的功能，且通过海绵城市的建设，城市排水系统的排水能力大大增加。
Claims (10)
1.一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、对城市管网排水系统基础数据进行预处理，利用基于ArcGIS平台的ArcFOG排水系统模型，将城市管网排水系统中的检查井及管道按顺序依次构建入ArcFOG排水系统模型中；
二、将城市高程数据构建入ArcFOG排水系统模型中，对计算区域进行集水区划分，并根据地块类型分别对各个集水区属性进行定义；
三、根据城市高程数据，对计算区域进行坡度等级划分，并对各个集水区设置相应的坡度等级；
四、将城市雨量站信息分配至相对应集水区中；
五、整理绿色海绵设施的设计参数，结合实际的地理位置分布以及实际的服务范围，将各个绿色海绵设施模块构建入相对应集水区中，得到绿色海绵设施的城市排水系统数字模型；
六、结合城市的暴雨公式，将各个降雨重现期下的降雨量构建入绿色海绵设施的城市排水系统数字模型中；
七、对构建入绿色海绵设施的城市排水系统数字模型先进行集水区面积分配，分别分配至相对应的管网中，然后进行面积编辑及拓扑计算，排查干扰模型运行的因素，再进行产流计算及水力计算，可得到计算区域管网的排水能力结果，从绿色海绵设施构建入的城市排水系统数字模型中的各个检查井的水位线及各个管网的排水流量随着降雨时长的变化情况，得到对降雨量控制的效果，即完成一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，其特征在于步骤一中所述的城市管网排水系统基础数据为检查井的标高及直径，雨水管道、污水管道以及混合管道的标高、材质和粗糙度。
3.根据权利要求1所述的一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，其特征在于步骤一中所述的对城市管网排水系统基础数据进行预处理，具体为编辑为ArcGIS平台可识别的格式。
4.根据权利要求1所述的一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，其特征在于步骤二中集水区划分具体按虚拟面积划分，划分为硬化地面与非硬化地面。
5.根据权利要求1所述的一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，其特征在于步骤二中根据地块类型分别对各个集水区属性进行定义具体为将集水区定义为绿地、房屋、设备、路面和水体，并根据不同属性定义径流参数。
6.根据权利要求1所述的一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，其特征在于步骤三中所述的坡度等级划分具体为坡度小于1％、坡度为1％～4％、坡度为4％～10％及坡度大于10％。
7.根据权利要求1所述的一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，其特征在于步骤五中所述的绿色海绵设施为植草沟、绿色屋顶、生物滞留池、生态停车场、透水铺装和调蓄池中的一种或其中几种。
8.根据权利要求1所述的一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，其特征在于当所述的绿色海绵设施为植草沟时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、有效宽度、有效深度、有效容积、土壤层厚度和材料、排水层厚度和材料及植物类型；
当所述的绿色海绵设施为绿色屋顶时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、有效容积、基质层厚度和材料、过滤层厚度和材料、排水层厚度和材料、保护层厚度和材料、防水层厚度和材料及植物类型。
9.根据权利要求1所述的一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，其特征在于当所述的绿色海绵设施为生物滞留池时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、设施有效溶剂、种植图层及砾石排水层厚度；
当所述的绿色海绵设施为生态停车场时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、生物滞留设施及透水铺装参数。
10.根据权利要求1所述的一种基于灰绿融合的海绵建设效果评价方法，其特征在于当所述的绿色海绵设施为透水铺装时，所述的绿色海绵设施的设计参数包括汇水面积、透水面厚度和材料、透水找平层厚度和材料、透水基层厚度和材料及透水底基层厚度和材料；
当所述的绿色海绵设施为调蓄池时，所述的绿色海绵设施的设计参数为有效调蓄容积。
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