CN111985129A - 一种城市暴雨内涝精细化模拟方法 - Google Patents

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马文豪
徐奎
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Abstract

本发明公开一种城市暴雨内涝精细化模拟方法，包括步骤：根据所计算地区的暴雨实测资料，计算出各时段设计面暴雨过程线；根据洪水分析计算对地形的要求提取高程点，并对所提取的高程点进行检查与修正；对城区建筑工地内的施工坑和堆土分别做填洼和铲平处理；确定所计算地区的内外边界；将计算区剖分为网格，并将土地进行性质划分；确定抽排水能力；确定模型内糙率，径流系数，源、汇项，干湿边界，计算时间和步长以及输出参数；模型验证。本发明通过建立城市暴雨内涝精细化模型，综合考虑城区内对暴雨内涝产生影响的多种因素，对城市暴雨内涝的演进过程进行分析研究，有利于提升政府的灾害管理水平，最大程度降低城区暴雨内涝的灾害影响。

Description

一种城市暴雨内涝精细化模拟方法
技术领域
本发明涉及应急防灾技术领域，特别是涉及一种城市暴雨内涝精细化模拟方法。
背景技术
城市暴雨内涝是指发生在短时间内的集中降水，致使城市内产生积水灾害及相关次生灾害的现象。随着经济社会的进步与发展，城镇化持续推进，为了城乡居民更好的生活，社会更加和谐有序的发展，解决城市内涝问题迫在眉睫。城市暴雨内涝灾害风险分析是城市内涝灾害管理，可以有效减少内涝灾害损失。
国内的城市雨洪模型往往仅单独研究一维河网模型、二维非恒定流模型或者管网模型，较少研究模型之间的集成耦合，同时城市暴雨内涝二维水动力模拟的精度与基础地形数据精度直接相关联，且城区内排水系统(如管网、泵站)以及房屋建筑、城市道路等城市典型地物均为雨水汇流过程的主要影响要素，直接影响涝水的演进过程。
目前，综合考虑多种因素的城市暴雨内涝精细化水动力模型研究较少，因此建立一种城市暴雨内涝精细化模型方法具有现实意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述的技术问题，而提供一种城市暴雨内涝精细化模拟方法，旨在建立一种城市暴雨内涝精细化水动力模型，使模型计算结果更加精确，为城市规划与内涝防控提供重要决策支持。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种城市暴雨内涝精细化模拟方法，包括步骤：
S1.根据所计算地区的暴雨实测资料，计算出各时段设计面暴雨过程线；
S2.根据洪水分析计算对地形的要求提取高程点，并对所提取的高程点进行检查与修正；对城区建筑工地内的施工坑和堆土分别做填洼和铲平处理；
S3.确定所计算地区的内外边界；
S4.将计算区剖分为网格，并将土地进行性质划分；
S5.确定抽排水能力；
S6.确定模型内糙率，径流系数，源、汇项，干湿边界，计算时间和步长以及输出参数；
S7.模型验证。
其中，根据干水深和湿水深理论，将计算区域的网格设定为干单元，网格干水深设为0.02m，湿水深设为0.03m。
其中，外边界包括计算区暴雨内涝二维水动力模型所涉及到的闭边界和开边界；内边界包括阻水及过水构筑物、城市建筑房屋、城市泵站及管网排水出口。
其中，模型验证的步骤，是指根据历史实测灾害，从计算过程的流场、流态、淹没情况及与历史上易积水点对比方面分析，验证计算模型的合理性与可靠性。
其中，模型中的源、汇项分别模拟管网排水出口和城市泵站，来实现涝水的出流与入流。
其中，模型使用干湿判别功能，定义干水深和淹没水深；当网格单元的水深小于干水深时，网格单元不作为水域参与控制方程的计算；之后，当该单元格水深大于淹没水深时，模型再次视该单元格为水域。
其中，所述输出参数包括淹没风险数据与输出淹没统计计算数据；淹没风险数据包括输出水深、表面水深、流速、流向等，输出淹没统计计算数据包括最大水深、最大水深到达时间、最大流速、最大流速到达时间。
其中，通过统计各细化排水分区排水出口总设计流量，平均分配在细化排水分区面积作为该各细化排水分区管网排水能力；通过在细化的子排水分区上叠加各自对应的净雨折算过程，得到随时间和空间变化的排水文件，作为模型排水边界条件；
在强降雨过程中，考虑以顶托系数体现渠道顶托影响，比较管道出口高程和相应位置水位过程确定顶托时段；结合顶托水位和管道参数确定受顶托影响的管道长度和顶托系数，进而调整对应子排水分区的排水过程。
本发明通过建立城市暴雨内涝精细化模型，综合考虑城区内对暴雨内涝产生影响的多种因素，对城市暴雨内涝的演进过程进行分析研究，有利于提升政府的灾害管理水平，最大程度降低城区暴雨内涝的灾害影响。
附图说明
图1是本发明提供的一种城市暴雨内涝精细化模型流程图；
图2是本发明提供的具体实施方式中计算边界外边界情况图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供的城市暴雨内涝精细化模拟方法，包括步骤：
S1.主城区降雨特性及设计暴雨计算。
判断待计算区所属地区的降雨特性，根据所计算地区的暴雨实测资料，计算出各时段设计面暴雨过程线。
S2.模型构建。
S21.处理基础地理数据。
根据洪水分析计算对地形的要求提取高程点，并对所提取的高程点进行检查与修正。对城区大量建筑工地内的施工坑和堆土，分别做填洼和铲平处理。
城市的建筑房屋，从降雨和汇流角度考虑，屋顶雨水排出迅速，且具有不透水的特性；从行涝角度考虑，房屋实体具有阻水作用。因此赋予房屋建筑一定实体高度，实现屋面雨水下排和建筑实体阻水效果。
S22，确定计算边界。
即确定所计算地区的内、外边界；外边界包括计算区暴雨内涝二维水动力模型所涉及到的闭边界和开边界；内边界包括阻水及过水构筑物、城市建筑房屋、城市泵站及管网排水出口等。以本例进行说明，外边界情况如图2所示，内边界由城市内泵站、排水管网等的位置确定。
S23，剖分网格与土地性质划分。
S231.剖分网格。
综合考虑建筑、道路及计算时间等因素，城市暴雨内涝模拟二维模型网格采用20m×20m的小尺寸矩形网格。在高精度地形数据的基础上，取较小的网格剖分尺度，能够真实体现城区内典型地物及复杂地形，并很好地反映水流边界。
本例采用20m×20m的小尺寸矩形网格，将计算区剖分为2192250(1866×1175)个网格。
S232，划分土地性质。
参照土地划分标准，结合城市土地利用的实际情况和专家意见，根据土地利用性质对计算区范围内土地进行划分。本实施例参照《石家庄市城市排水(雨水)防涝综合规划》的土地划分标准，结合城市土地利用的实际情况和专家意见，将土地划分为建设用地、道路、河流、绿地和农田。
S24，确定抽排水能力。
城市排水管网涝水收纳能力与其所在排水分区系统的管网排水能力直接相关。通过统计各细化排水分区排水出口总设计流量，平均分配在细化排水分区面积作为该区管网排水能力。通过在细化的子排水分区上叠加各自对应的净雨折算过程，得到随时间和空间变化的排水文件，作为模型排水边界条件。
在强降雨过程中，考虑以顶托系数体现渠道顶托影响，比较管道出口高程和相应位置水位过程确定顶托时段；结合顶托水位和管道参数确定受顶托影响的管道长度和顶托系数，进而调整对应子排水分区的排水过程。
S3，确定参数。
主要是确定模型内糙率、计算时间和步长、径流系数等参数。在城市暴雨内涝二维水动力学模型中，需要设置的主要参数有：地面糙率、计算时间和步长、干湿边界等。洪水模拟目的是计算洪水在淹没区的演进过程，提取包括淹没水深、淹没历时和洪水流速等风险要素，参数选取的合理性对于计算结果的准确性和精度有直接决定作用。
S31.确定糙率。
考虑到研究区域内线状工程与地物种类较多且分布零散，为保证二维模型计算精度，按研究区域土地利用情况进行糙率分区。
S32.确定径流系数。
参照《室外排水设计规范(2014年版)》及同类型项目参数取值，最终确定各土地类型径流系数。
S33.源汇项设置。
模型中设置源、汇项分别模拟管网排水出口和城市泵站，来实现涝水的出流与入流。考虑到降雨产汇流和管网内水流输运过程所需时间，将排水闸门处的出流滞后半小时。
S34.干湿边界。
模型使用干湿判别功能，定义干水深和淹没水深，当网格单元的水深小于干水深时网格单元不作为水域参与控制方程的计算，之后，当该单元格水深大于淹没水深时，模型再次视该单元格为水域。
S35.时间步长。
影响二维水动力模型另一重要参数为模型单步计算时间，为保证模型稳定运行且具有较高运行效率，模型根据网格质量、进洪情况及区域地形复杂程度，最终确定运行时间步长。
S36.输出参数。
输出水深、表面水深、流速、流向等淹没风险数据，同时输出淹没统计计算数据，包括最大水深、最大水深到达时间、最大流速、最大流速到达时间等输出项。
本实施例中，糙率及径流系数取值见下表1。
Figure BDA0002595496190000061
表1
本实施例中，概化后的源汇项总数为97个。
本实施例中，根据干水深和湿水深理论，将计算区域的网格设定为干单元，网格干水深设为0.02m，湿水深设为0.03m。
本实施例中，为保证模型稳定运行且具有较高运行效率，模型根据网格质量、进洪情况及区域地形复杂程度，最终确定运行时间步长为1.5s，输出步长为10分钟。
步骤S4，模型验证。
根据历史实测灾害，从计算过程的流场、流态、淹没情况及与历史上易积水点对比等方面分析，验证计算模型的合理性与可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，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 (8)

1.一种城市暴雨内涝精细化模拟方法，其特征在于，包括步骤：
S1.根据所计算地区的暴雨实测资料，计算出各时段设计面暴雨过程线；
S2.根据洪水分析计算对地形的要求提取高程点，并对所提取的高程点进行检查与修正；对城区建筑工地内的施工坑和堆土分别做填洼和铲平处理；
S3.确定所计算地区的内外边界；
S4.将计算区剖分为网格，并将土地进行性质划分；
S5.确定抽排水能力；
S6.确定模型内糙率，径流系数，源、汇项，干湿边界，计算时间和步长以及输出参数；
S7.模型验证。
2.根据权利要求1所述城市暴雨内涝精细化模拟方法，其特征在于，根据干水深和湿水深理论，将计算区域的网格设定为干单元，网格干水深设为0.02m，湿水深设为0.03m。
3.根据权利要求1所述城市暴雨内涝精细化模拟方法，其特征在于，外边界包括计算区暴雨内涝二维水动力模型所涉及到的闭边界和开边界；内边界包括阻水及过水构筑物、城市建筑房屋、城市泵站及管网排水出口。
4.根据权利要求1所述城市暴雨内涝精细化模拟方法，其特征在于，模型验证的步骤，是指根据历史实测灾害，从计算过程的流场、流态、淹没情况及与历史上易积水点对比方面分析，验证计算模型的合理性与可靠性。
5.根据权利要求1所述城市暴雨内涝精细化模拟方法，其特征在于，模型中的源、汇项分别模拟管网排水出口和城市泵站，来实现涝水的出流与入流。
6.根据权利要求1所述城市暴雨内涝精细化模拟方法，其特征在于，模型使用干湿判别功能，定义干水深和淹没水深；当网格单元的水深小于干水深时，网格单元不作为水域参与控制方程的计算；之后，当该单元格水深大于淹没水深时，模型再次视该单元格为水域。
7.根据权利要求1所述城市暴雨内涝精细化模拟方法，其特征在于，所述输出参数包括淹没风险数据与输出淹没统计计算数据；淹没风险数据包括输出水深、表面水深、流速、流向等，输出淹没统计计算数据包括最大水深、最大水深到达时间、最大流速、最大流速到达时间。
8.根据权利要求1所述城市暴雨内涝精细化模拟方法，其特征在于，通过统计各细化排水分区排水出口总设计流量，平均分配在细化排水分区面积作为各细化排水分区管网排水能力；通过在细化的子排水分区上叠加各自对应的净雨折算过程，得到随时间和空间变化的排水文件，作为模型排水边界条件；
在强降雨过程中，考虑以顶托系数体现渠道顶托影响，比较管道出口高程和相应位置水位过程确定顶托时段；结合顶托水位和管道参数确定受顶托影响的管道长度和顶托系数，进而调整对应子排水分区的排水过程。
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