CN112016179B - 海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法 - Google Patents

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Abstract

一种海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法。本发明步骤如下：A、获取城市雨洪模型和海绵城市设施评价模型的基础数据；B、建立海绵设施的空间组织及与城市雨洪模型要素的拓扑关系；C、确立城市雨洪模型中网格积水被海绵设施处理的比例；D、t时刻城市雨洪模型计算；E、t时刻的网格积水分配至海绵设施；F、t时刻海绵设施评价计算，计算结果反馈至城市雨洪模型；G、令t＝t+dt，判断是否满足计算结束的条件，当t＜计算总时间T，返回步骤D再计算，当t≥计算总时间T，计算结束，进入步骤H；H、输出模型计算结果。其有益效果是，通过水量交换关系，形成两类模型的耦合方法，解决两类不同空间尺度模型的同步模拟问题。

Description

海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法
技术领域
本发明涉及一种海绵城市设施的规划设计模型，尤其是涉及一种海绵城市 设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法，涉及防洪减灾、环境建设与保护技 术领域。
背景技术
海绵城市是指通过城市规划、建设的管控，从“源头减排、过程控制、系 统治理”着手，综合采用“渗、滞、蓄、净、用、排”等技术措施，统筹协调 绿色与灰色等多方关系，有效控制城市降雨径流，最大限度地减少城市建设行 为对原有自然水文特征和水生态环境造成的破坏，使城市能够像“海绵”一样， 在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，实现自 然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式，有利于达到修复城市水生态、 涵养城市水资源、改善城市水环境、保障城市水安全、复兴城市水文化的多重目标。
2018年发布的《海绵城市建设评价标准》(GBT 51345-2018)中，要求采 用模型模拟法对海绵城市建设的低影响开发雨水系统设施(以下简称“海绵设 施”)进行评价，尤其是针对“路面积水控制与内涝防治”，要求模型应具有下 垫面产汇流、管道汇流、地面漫流、河湖水系等综合模拟功能。目前，国内尚 缺乏较完善的城市雨洪、海绵设施耦合同步模拟模型工具，文献中较多采用了 EPA(Environmental Protection Agency，环境保护署)的SWMM(storm water management model，暴雨洪水管理模型)等模型，开展的评价工作多是按照建 立地表水文模型、管网系统一维水动力学模型的方式，不能模拟海绵设施影响 下详细的地表洪水演进情况；或者采用一、二维水动力学模型对海绵设施特殊 处理建模，但这种方式建模繁琐、专业性强，多适合于研究性工作。因此，研 发海绵设施评价模型与城市雨洪模型的耦合技术对于开展海绵城市建设具有重 要意义。
由于海绵设施评价模型一般为水文模型，如果城市雨洪模型为水动力学模 型，二者存在模拟要素空间尺度不一致的问题，如何处理其不同的空间尺度， 并且计算两类模型中相关要素的水量交换是两类模型耦合的关键；另外，当采 用模型开展海绵设施的规划设计时，往往是城市雨洪模型中用于水动力学计算 的二维网格较为固定，在此基础上考虑海绵设施的位置、规模等，不便于频繁 改变作为二维模型基础的计算网格。
发明内容
为了克服利用现有模型开展海绵设施评价计算时存在的上述不足，本发明 提供一种海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法。本发明基于海绵 城市设施评价模型和城市雨洪模拟模型的计算原理，建立两类模型的空间拓扑 关系、水量交换关系，实现两类模型的同步耦合模拟。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种海绵城市设施评价模型 与城市雨洪模型的耦合方法，其步骤如下：
A、获取城市雨洪模型和海绵城市设施评价模型的基础数据；
B、建立海绵设施的空间组织及与城市雨洪模型要素的拓扑关系；
C、确立城市雨洪模型中网格积水被海绵设施处理的比例；
D、t时刻城市雨洪模型计算；
E、t时刻的网格积水分配至海绵设施；
F、t时刻海绵设施评价计算，计算结果反馈至城市雨洪模型；
G、令t＝t+dt，dt为时间步长，判断是否满足计算结束的条件，
当t＜计算总时间T，返回步骤D再计算，
当t≥计算总时间T，计算结束，进入步骤H；
H、输出模型计算结果，模拟完毕。
进一步，所述步骤A中，
所述城市雨洪模型的基础数据包括：二维模型数据、一维管网模型数据， 以及模型的运算控制参数；
所述海绵城市设施评价模型的基础数据包括：海绵设施的类型，空间分布， 特征尺寸，结构分层、材料，排水特性；
进一步，所述步骤B中，
B1、海绵设施与城市雨洪模型网格的位置关系，
根据海绵设施的空间分布和尺寸特征，将单个海绵设施与网格进行平面叠 加，判断海绵设施与网格的位置关系，
B1-1、交叉型：单个海绵设施与2个或2个以上的网格相交；
B1-2、被包含型：单个网格包含1个或多个海绵设施。
B2、海绵设施的空间组织，
针对海绵设施，根据其平面位置和空间结构，将其概化为二维平面中的点、 线或面；
以单个海绵设施作为一个评价整体，该评价整体称为“海绵单元”；
一个海绵单元与网格交叉，以网格边为边界将海绵单元划分为多个“海绵 子单元”。
B3、海绵设施与城市雨洪模型要素的拓扑关系，
B3-1、海绵设施与网格的拓扑关系，
当海绵设施与网格的空间关系为交叉型时，以网格编号和海绵单元编号、 海绵子单元编号为关联建立关系，用于指定网格与海绵子单元之间的水量交换；
当海绵设施与网格的空间关系为被包含型时，网格包含单个或多个海绵单 元，即网格中有单个或多个海绵单元；以网格编号和海绵单元编号为关联建立 关系，用于指定网格与海绵单元之间的水量交换。
B3-2、海绵设施与排水管网中管道结点的拓扑关系，
指定海绵设施与排水管网中管道结点的关联关系，用于确定雨洪经海绵设 施处理后排至某条管道。
进一步，所述步骤C中，
C1、当海绵设施与网格的位置关系为交叉型时，海绵单元被网格划分为多 个海绵子单元，假设海绵设施对雨洪的处理能力按面积或长度分配，则；
C1-1、按面积分配时，海绵子单元对雨洪的处理能力按公式1计算：
Qsunit1＝Qunit×Asunit/Aunit 公式1
式中，
Qsunit1为按面积计算时海绵子单元对雨洪的处理能力；
Qunit为海绵单元对雨洪的处理能力；
Asunit为海绵子单元的面积；
Aunit为海绵单元的总面积。
C1-2、按长度分配时，海绵子单元对雨洪的处理能力按公式2计算：
Qsunit2＝Qunit×Lsunit/Lunit 公式2
式中，
Qsunit2为按长度计算时海绵子单元对雨洪的处理能力；
Qunit为海绵单元对雨洪的处理能力；
Lsunit为海绵子单元的长度；
Lunit为海绵单元的总长度。
C1-3、若每个海绵子单元仅处理所属网格中的雨洪，网格分配给所属海绵 子单元处理的雨洪比例按公式3计算：
Figure BDA0002665862710000051
式中，
Figure BDA0002665862710000053
指分配给第i1个海绵子单元处理的所在网格中的雨洪比例；
m1为网格中所包含的海绵子单元的个数；
Figure BDA0002665862710000054
为第i1个海绵子单元对雨洪的处理能力，由公式1或公式2计算获 得。
C2、当海绵设施与网格的位置关系为被包含型时，分配给每个海绵单元处 理的所在网格中的水量比例，按照海绵单元的设计处理能力占网格中所有海绵 单元的设计处理能力的比确定，按公式4计算：
Figure BDA0002665862710000052
式中，
Figure BDA0002665862710000055
为分配给第i2个海绵单元处理的所在网格中的雨洪比例；
m2为网格中所包含的海绵单元个数；
Figure BDA0002665862710000056
为第i2个海绵单元对雨洪的处理能力。
C3、当海绵设施与网格的位置关系同时包括交叉型和被包含型时，
分配给海绵单元或海绵子单元的雨洪处理比例按公式5计算：
Figure BDA0002665862710000061
式中，
Figure BDA0002665862710000062
为该网格中分配给第i3个海绵单元或海绵子单元的雨洪处理比例；
Figure BDA0002665862710000063
为该网格中第i3个海绵单元或海绵子单元对雨洪的处理能力，对 于交叉型采用公式1或公式2计算获得；对于被包含型，取海绵设施的设计处 理能力；
m3指该网格中的海绵单元、海绵子单元个数总和。
进一步，所述步骤D中，
利用城市雨洪模型计算t时刻的降雨产流，地表、河道洪水演进和排水， 得出t时刻城市雨洪模型中模拟要素的特征变量。
t时刻城市雨洪模型中模拟要素的特征变量包括：网格上的积水深度、积 水总量，河道断面的水位、流量，排水管网中各结点的水头信息。
在计算降雨产流时，扣除海绵设施产流部分，即落入海绵设施区域的降雨 产流由海绵城市设施评价模型计算。
进一步，所述步骤E中，
针对包含海绵设施的某一网格，按步骤C中确定的比例分配所包含海绵单 元和/或海绵子单元处理的水量，由该网格分配至海绵单元和/或海绵子单元的 入流按公式6计算：
Figure BDA0002665862710000064
式中，
Figure BDA0002665862710000065
为该网格积水流至第j个海绵单元和/或海绵子单元的入流；
Figure BDA0002665862710000071
为该网格分配给第j个海绵单元和/或海绵子单元的雨洪比例，由公 式3、公式4或公式5计算获得；
Vcel为网格的积水量，由城市雨洪模型计算提供；
dt为城市雨洪模型的计算时间步长；
当海绵设施为绿色屋顶时，公式6的
Figure BDA0002665862710000072
进一步，所述步骤F中，
海绵城市设施评价模型对海绵单元和/或海绵子单元入流雨洪的各水文过 程进行计算，包括：蒸散发、海绵设施对雨洪的存蓄、雨洪在海绵设施不同材 料之间的下渗或渗透，以及排至排水管网；
城市雨洪模型中的网格、管网排水系统与一个或多个海绵单元和/或海绵 子单元相关联；
F1、网格在海绵城市设施评价模型计算结束后的积水量更新，采用公式7 计算：
Figure BDA0002665862710000073
式中，
Vcelnew为某网格更新后的积水量；
Vcelold为某网格更新前的积水量；
k1为海绵单元和/或海绵子单元；
n1为网格中包含的海绵单元和/或海绵子单元的个数；
Figure BDA0002665862710000074
为网格分配至第k1个海绵单元和/或海绵子单元的入流量；
Figure BDA0002665862710000075
为第k1个海绵单元和/或海绵子单元返至网格的流量。
F2、某管道结点在海绵城市设施评价模型计算结束后的入流水量，采用公
式8计算：
Figure BDA0002665862710000081
式中，
Vnode为由海绵单元和/或海绵子单元至某管道结点的入流量；
k2为海绵单元和/或海绵子单元；
n2为排至管道节点的海绵单元和/或海绵子单元的个数；
Figure BDA0002665862710000082
为第k2个海绵单元和/或海绵子单元的排水流量。
进一步，所述步骤G中，
根据设定的时间步长dt，令t＝t+dt，
当计算时刻t＜T，重复步骤D～步骤G；
当计算时刻t≥T，计算结束，进入步骤H。
再进一步，所述步骤A中，
所述二维模型数据包括：网格的空间位置、编号、面积、高程、糙率。
所述一维管网模型数据包括：管道和结点的空间位置，管道编号，结点编 号，管道与结点的拓扑关系。
本发明的有益效果是，根据海绵设施的空间组织，建立海绵设施与城市雨 洪模型网格的空间关系，通过海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的水量交 换关系，形成两类模型的耦合方法，解决海绵城市设施评价模型与城市雨洪模 型两类不同空间尺度模型的同步综合模拟问题，也避免了因海绵设施方案变动 导致的城市雨洪模型二维网格频繁改变的问题。
附图说明
图1是本发明海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法的流程图；
图2是本发明中海绵设施规模大并跨越交叉多个网格示意图；
图3是本发明中海绵设施规模小并跨越交叉网格示意图；
图4是本发明中海绵设施规模大并包含和交叉多个网格示意图；
图5是本发明中网格包含单个或多个海绵设施示意图；
图6是本发明中“海绵单元”与“海绵子单元”示意图；
图7是本发明中海绵单元与海绵子单元共存于单个网格示意图；
图8是本发明中实施例区域基本情况示意图；
图9是本发明中实施例区域二维模型网格示意图；
图10是本发明中实施例区域海绵设施位置分布图；
图11是本发明中实施例区域海绵设施局部(a)放大示意图；
图12是本发明中实施例区域海绵设施局部(b)放大示意图；
图13是本发明中实施例区域海绵设施TP1和ZSH与二维网格的关系图；
图14是本发明中实施例区域20年一遇暴雨积水最大水深的全图(未耦合海 绵设施评价模型)；
图15是本发明中实施例区域20年一遇暴雨积水最大水深的局部分布图(未 耦合海绵设施评价模型)；
图16是本发明中实施例区域20年一遇暴雨积水最大水深分布全图(耦合海 绵设施评价模型)；
图17是本发明中实施例区域20年一遇暴雨积水最大水深的局部分布图(耦 合海绵设施评价模型)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但是，本领域技术人员应 该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神， 都应该包括于本发明的保护范围内。
参见附图1。本发明一种海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方 法，包括海绵城市设施评价模型、城市雨洪模型，其步骤如下：
A、获取城市雨洪模型和海绵城市设施评价模型的基础数据；
B、建立海绵设施的空间组织及与城市雨洪模型要素的拓扑关系；
C、确立城市雨洪模型中网格积水被海绵设施处理的比例；
D、t时刻城市雨洪模型计算；
E、t时刻的网格积水分配至海绵设施；
F、t时刻海绵设施评价计算，计算结果反馈至城市雨洪模型；
G、令t＝t+dt，dt为时间步长，判断是否满足计算结束的条件，
当t＜计算总时间T，返回步骤D再计算，
当t≥计算总时间T，计算结束，进入步骤H；
H、输出模型计算结果，模拟完毕。
进一步，在所述步骤A的获取城市雨洪模型和海绵城市设施评价模型的基 础数据中，
所述城市雨洪模型的基础数据主要包括：二维模型数据、一维管网模型数 据，以及模型的运算控制参数，其中：
所述二维模型数据包括：网格的空间位置、编号、面积、高程、糙率；所 述一维管网模型数据包括：管道和结点的空间位置，管道编号，结点编号，管 道与结点的拓扑关系。
所述海绵城市设施评价模型的基础数据主要包括：海绵设施的类型，空间 分布，特征尺寸，结构分层、材料，排水特性。
进一步，在所述步骤B的建立海绵设施的空间组织及与城市雨洪模型要素 的拓扑关系中，开展城市雨洪的二维模型建模时，海绵设施在评价模型中的空 间概化存在多种类型，不完全是规则多边形，因此，在模型中海绵设施与二维 网格可能存在互为包涵或交叉叠加的多种关系。
B1、海绵设施与城市雨洪模型网格的位置关系，
根据海绵设施的空间分布和尺寸特征，将单个海绵设施与网格进行平面叠 加，判断海绵设施与网格的位置关系，本发明中从海绵设施的角度出发，将二 者的位置关系定义为交叉型和被包含型两类。具体的，
B1-1、交叉型：单个海绵设施与2个或2个以上的网格相交，即：与网格 尺寸相比，当单个海绵设施的规模较大时，海绵设施跨越交叉多个网格(如图 2所示)；或者，与网格尺寸相比，单个海绵设施的尺寸虽然较小，但空间位置 上仍然与网格交叉(如图3所示)；或者，与网格尺寸相比，单个海绵设施的规 模较大，包含并交叉多个网格(如图4所示)。
B1-2、被包含型：单个网格包含1个或多个海绵设施，即：单个海绵设施 的尺寸较小，网格尺寸相对较大，单个网格包含一个或多个海绵设施(如图5 所示)。
B2、海绵设施的空间组织，
针对海绵设施，根据其平面位置和空间结构，将其概化为二维平面中的点、 线或面，如雨水桶可概化为点，植草沟、渗渠可概化为线或面，增渗绿地和绿 色屋顶可概化为面。在海绵城市设施评价模型中，根据海绵设施的种类不同， 在设计或开展评价分析时，对各个设施的统计方式不同，如：雨水桶以个为单 位，渗渠、植草沟以长度或面积为单位，增渗绿地、绿色屋顶等以面积为单位。
为使对海绵设施的评价分析合理，并易统计，以单个海绵设施作为一个评 价整体，该评价整体称为“海绵单元”。
一个海绵单元与网格交叉，即：在空间上与多个网格有重叠，以网格边为 边界将海绵单元划分为多个“海绵子单元”(如图6所示)。
B3、海绵设施与城市雨洪模型要素的拓扑关系。
在对城市雨洪模型与海绵城市设施评价模型进行耦合时，需要建立海绵设 施与城市雨洪模型中的网格、管道结点的拓扑关系，具体如下：
B3-1、海绵设施与网格的拓扑关系。
当海绵设施与网格的空间关系为交叉型时，海绵单元与多个网格交叉，以 网格的边为界，海绵单元被划分为多个海绵子单元，此时一个网格中包含某个 海绵子单元，或者整个网格即为某个海绵子单元。以网格编号和海绵单元编号、 海绵子单元编号为关联建立关系，用于指定网格与海绵子单元之间的水量交换。
当海绵设施与网格的空间关系为被包含型时，网格包含单个或多个海绵单 元，即网格中有单个或多个海绵单元；以网格编号和海绵单元编号为关联建立 关系，用于指定网格与海绵单元之间的水量交换。
B3-2、海绵设施与排水管网中管道结点的拓扑关系。
根据海绵设施的设计情况，指定海绵设施与排水管网中管道结点的关联关 系，用于确定雨洪经海绵设施处理后排至某条管道。
进一步，在所述步骤C的确立城市雨洪模型中网格积水被海绵设施处理的 比例中，根据海绵单元和/或海绵子单元与网格的关联关系，确定每一时间步长 下网格中积水在海绵单元和/或海绵子单元之间的分配比例。海绵设施中的绿色 屋顶不参与网格积水的分配。
C1、当海绵设施与网格的位置关系为交叉型时，海绵单元被网格划分为多 个海绵子单元，假设海绵设施对雨洪的处理能力按面积或长度分配，则；
按面积分配时，海绵子单元对雨洪的处理能力按公式1计算：
Qsunit1＝Qunit×Asunit/Aunit 公式1
式中，
Qsunit1为按面积计算时海绵子单元对雨洪的处理能力；
Qunit为海绵单元对雨洪的处理能力；
Asunit为海绵子单元的面积；
Aunit为海绵单元的总面积。
按长度分配时，海绵子单元对雨洪的处理能力按公式2计算：
Qsunit2＝Qunit×Lsunit/Lunit 公式2
式中，
Qsunit2为按长度计算时海绵子单元对雨洪的处理能力；
Qunit为海绵单元对雨洪的处理能力；
Lsunit为海绵子单元的长度；
Lunit为海绵单元的总长度。
若每个海绵子单元仅处理所属网格中的雨洪，网格分配给所属海绵子单元 处理的雨洪比例按公式3计算：
Figure BDA0002665862710000131
式中，
Figure BDA0002665862710000132
指分配给第i1个海绵子单元处理的所在网格中的雨洪比例；
m1为网格中所包含的海绵子单元的个数；
Figure BDA0002665862710000133
为第i1个海绵子单元对雨洪的处理能力，由公式1或公式2计算获 得。
C2、当海绵设施与网格的位置关系为被包含型时，整个海绵单元被网格包 含，因此，无需对海绵单元进行分割，各海绵单元对网格中雨洪的处理能力按 其设计能力计算。
分配给每个海绵单元处理的所在网格中的水量比例，按照海绵单元的设计 处理能力占网格中所有海绵单元的设计处理能力的比确定，按公式4计算：
Figure BDA0002665862710000141
式中，
Figure BDA0002665862710000142
为分配给第i2个海绵单元处理的所在网格中的雨洪比例；
m2为网格中所包含的海绵单元个数；
Figure BDA0002665862710000143
为第i2个海绵单元对雨洪的处理能力。
C3、当海绵设施与网格的位置关系同时包括交叉型和被包含型时，即某网 格中存在多个独立的海绵单元，及若干海绵子单元(如图7所示)，海绵单元或 海绵子单元在该网格的雨洪处理能力，以及分配处理的网格水量计算需要综合 交叉型和被包含型的方法进行计算。
分配给海绵单元或海绵子单元的雨洪处理比例按公式5计算：
Figure BDA0002665862710000144
式中，
Figure BDA0002665862710000145
为该网格中分配给第i3个海绵单元或海绵子单元的雨洪处理比例；
Figure BDA0002665862710000146
为该网格中第i3个海绵单元或海绵子单元对雨洪的处理能力，对 于交叉型采用公式1或公式2计算获得；对于被包含型，取海绵设施的设计处 理能力；
m3指该网格中的海绵单元、海绵子单元个数总和。
进一步，所述步骤D的t时刻城市雨洪模型计算中，利用城市雨洪模型计 算t时刻的降雨产流，地表、河道洪水演进和排水，得出t时刻城市雨洪模型中 模拟要素的特征变量。
t时刻城市雨洪模型中模拟要素的特征变量包括：网格上的积水深度、积 水总量，河道断面的水位、流量，排水管网中各结点的水头信息；
在计算降雨产流时，扣除海绵设施产流部分，即落入海绵设施区域的降雨 产流由海绵城市设施评价模型计算。
进一步，所述步骤E的t时刻的网格积水分配至海绵设施中，
所述海绵设施的入流主要包括降雨和网格积水。降雨入流可直接根据雨强、 海绵设施覆盖的面积计算。
本发明提出了由网格积水至海绵设施的入流计算方法，针对包含海绵设施 的某一网格，按步骤C中确定的比例分配所包含海绵单元和/或海绵子单元处理 的水量，由该网格分配至海绵单元和/或海绵子单元的入流按公式6计算：
Figure BDA0002665862710000151
式中，
Figure BDA0002665862710000152
为该网格积水流至第j个海绵单元和/或海绵子单元的入流；
Figure BDA0002665862710000153
为该网格分配给第j个海绵单元和/或海绵子单元的雨洪比例，由公 式3、公式4或公式5计算获得；
Vcel为网格的积水量，由城市雨洪模型计算提供；
dt为城市雨洪模型的计算时间步长。
在步骤E中，网格积水不分配至绿色屋顶，即当海绵设施为绿色屋顶时， 公式6为
Figure BDA0002665862710000154
进一步，所述步骤F的t时刻海绵设施评价计算，计算结果反馈至城市雨 洪模型中，本发明采用以海绵单元、海绵子单元为单位进行评价计算的方法。
海绵城市设施评价模型对海绵单元和/或海绵子单元入流雨洪的各水文过 程进行计算，包括：蒸散发、海绵设施对雨洪的存蓄、雨洪在海绵设施不同材 料之间的下渗或渗透，以及排至排水管网。
为了更好的说明海绵城市设施反馈至雨洪模型的结果及计算方法，下面列 出了海绵设施评价模型的相关变量，以及变量之间的主要关系。
由海绵城市设施评价模型计算得出的各部分水量需要满足水量平衡，即公 式9：
qfrain+qfnet＝qstor+qout 公式9
公式9的左边为海绵单元和/或海绵子单元的入流，包括海绵单元和/或海 绵子单元上的降雨qfrain和由网格分配的入流qfnet；公式右边的qstor为海绵单 元和/或海绵子单元的蓄水，qout为海绵单元和/或海绵子单元的出流,其中的部 分变量将反馈至雨洪模型，各变量满足公式10：
qout＝qEvap+qrunoff+qdrain+qinfil 公式10
式中，
qEvap为海绵单元和/或海绵子单元的蒸发率，不再参与计算，qrunoff为由 海绵单元和/或海绵子单元返回至网格的流量；
qdrain为海绵单元和/或海绵子单元排至排水系统的流量；
qinfil为经由海绵单元和/或海绵子单元下渗的流量。
城市雨洪模型中的网格、管网排水系统与一个或多个海绵单元和/或海绵 子单元相关联。海绵设施评价模型计算完成后，城市雨洪模型中的网格积水等 洪水特征变量需要进行更新。
F1、网格在海绵城市设施评价模型计算结束后的积水量更新，采用公式7 计算：
Figure BDA0002665862710000171
式中，
Vcelnew为某网格更新后的积水量；
Vcelold为某网格更新前的积水量；
k1为海绵单元和/或海绵子单元；
n1为网格中包含的海绵单元和/或海绵子单元的个数；
Figure BDA0002665862710000172
为网格分配至第k1个海绵单元和/或海绵子单元的入流量；
Figure BDA0002665862710000173
为第k1个海绵单元和/或海绵子单元返至网格的流量。
F2、某管道结点在海绵城市设施评价模型计算结束后的入流水量，采用公
式8计算：
Figure BDA0002665862710000174
式中，
Vnode为由海绵单元和/或海绵子单元至某管道结点的入流量；
k2为海绵单元和/或海绵子单元；
n2为排至管道节点的海绵单元和/或海绵子单元的个数；
Figure BDA0002665862710000175
为第k2个海绵单元和/或海绵子单元的排水流量。
进一步，所述步骤G中的模型运算参数指计算时间步长dt和计算总时长T，
设定时间步长dt，令t＝t+dt，判断是否满足计算结束的条件，
当计算时刻t＜T，重复步骤D～步骤G，
当计算时刻t≥T，计算结束，进入步骤H。
进一步，所述步骤H获得模型计算结果之后，模拟完毕。
实施例：
以上海市浦东新区典型区域为例对本发明进行案例示范。研究区域为黄浦 江、赵家沟、浦东运河以及张家浜围成的封闭区域。案例区涉及的河流包括黄 浦江、赵家沟、浦东运河和张家浜等外边界河流，以及曹家沟、马家浜和三八 河三条内部河流。在连接黄浦江和入海口的河道上建有6个控制闸门。案例区 内有18个排水分区，通过排水管网和泵站将雨水排入边界河流。图8为案例区 基本情况示意图。
一、获取城市雨洪模型和海绵城市设施评价模型的基础数据(步骤A)。
本案例中需获取的城市雨洪模型和海绵城市设施评价模型基础数据采用 现有建模工具和技术，建模软件为FRAS。但为了展示本耦合方法的应用，案 例中对此也做了介绍。
1、城市雨洪模型数据
城市雨洪模型中包括地面二维洪水演进模型，以及河网和管网两个一维模 型。本次采用的FRAS建模软件已将管网一维模型内嵌入二维模型，因此，不 需单独建立管网模型，但仍需建立河网模型。
(1)一维河网模型
一维河网模型的输入文件包括黄浦江、赵家沟、浦东运河、张家浜、曹家 沟、马家浜和三八河的汇流关系，这7条河流的断面，东沟水闸、西沟水闸、 洋泾水闸、张家浜水闸、五号沟水闸和张家浜东闸的特征参数和调度规则，模 型的边界条件等。本案例以黄浦江米市渡站、吴淞口站、赵家沟和张家浜入海 口处作为河网边界条件，利用黄浦公园站实测数据对建立的一维河网模型进行 率定。
(2)二维洪水演进模型
考虑了堤防、道路、铁路等阻水建筑物，采用不规则多边形剖分网格，平 均面积控制在0.05km2左右，案例区共划分为9187个网格(如图9所示)。输 入网格的编号、面积、高程、糙率、面积修正率、各网格的下渗参数等，道路、 铁路和堤防等阻水建筑物的高程，排水泵站及调度规则等基本参数；输入排水 管网各管道的编号、形状、尺寸、超始点高程，管道结点编号、尺寸、高程等， 排水分区编号、面积等，管道、结点与网格和排水分区的关系等基本数据；二 维模型的边界为黄浦江、赵家沟、浦东运河和张家浜围成的封闭区域，除与一维河网进行水量交换外，地面无其他入流，因此，只以降雨作为外部边界条件。
(3)一维河网模型与二维地面洪水演进模型的耦合
采用侧向连接、泵站连接两种方式，建立一维河网模型与二维地面洪水演 进模型的耦合关系，形成能够对案例区开展暴雨内涝及洪水演进模拟的城市雨 洪模型。
本发明中模型耦合所需获取的城市雨洪模型基础数据包括：
二维模型数据包括：9187个网格的空间位置、编号、面积、高程、糙率、 各网格的下渗参数等。
一维管网模型数据包括：管道和结点的空间位置，管道编号，结点编号， 管道与结点的关系等。
需获取的模型计算参数包括：计算时间步长dt，设为10秒；计算总时长T， 设为2100分钟。
2、海绵设施评价模型数据
在案例区设置10处海绵设施，其中，透水铺装4处、绿色屋顶2处、植 草沟1处、增渗绿地1处、生物滞留池2处(见表1)，各处海绵设施的位置分 布见图10。建模过程中输入每处海绵设施的面积、宽度等外部特征尺寸；结构 分层，如绿色屋顶分为表层、土壤层、排水层等；各层的材料特性，如厚度、 孔隙率、导水率；排水特性，如排入管道的结点等。
表1海绵设施及与网格关系统计表
序号 设施类型 设施名称 面积(m<sup>2</sup>) 长度(m)
1 透水铺装 TP1 246841
2 透水铺装 TP2 42339
3 透水铺装 TP3 3500
4 透水铺装 TP4 2798
5 绿色屋顶 LW1 14930
6 绿色屋顶 LW2 27271
7 植草沟 ZCG 17234 382
8 增渗绿地 ZSH 18557
9 生物滞留池 SZ1 5016
10 生物滞留池 SZ2 15222
二、建立海绵设施的空间组织及与城市雨洪模型要素的拓扑关系(步骤B)。
1、海绵设施与城市雨洪模型网格的位置关系、拓扑关系
根据海绵设施的大小、空间分布，与网格图层进行空间叠加，确定海绵设 施与相关网格的位置关系，除透水铺装3(TP3)被网格整个包含外，其他均与 网格交叉(见表2和图11、图12)。
表2海绵设施及与网格关系统计表
序号 设施名称 与网格关系 涉及的网格数目
1 TP1 交叉 38
2 TP2 交叉 10
3 TP3 被包含 1
4 TP4 交叉 4
5 LW1 交叉 4
6 LW2 交叉 9
7 ZCG 交叉 4
8 ZSH 交叉 6
9 SZ1 交叉 4
10 SZ2 交叉 8
2、海绵设施的空间组织
本案例中除植草沟概化为线外，其他均概化为面。所有海绵设施中，TP3 被整个网格包含，按海绵单元整体计算；其他海绵设施均被网格划分为多个海 绵子单元(见表3)。
表3海绵单元/海绵子单元划分数量统计表
序号 设施名称 海绵单元/海绵子单元数量 概化形式
1 TP1 38 面
2 TP2 10 面
3 TP3 1 面
4 TP4 4 面
5 LW1 4 面
6 LW2 9 面
7 ZCG 4 线
8 ZSH 6 面
9 SZ1 4 面
10 SZ2 8 面
3、海绵设施与排水管网的拓扑关系
本案例中，海绵设施按就近排水的原则，同一海绵设施的各子单元排入同 一条管道。
三、确立城市雨洪模型中网格积水被海绵设施处理的比例(步骤C)。
针对10处海绵设施划分形成的海绵单元、海绵子单元，确定所涉及网格 的积水分配比例。因涉及的网格众多，此处不一一列举，只选取典型例子进行 说明。
以透水铺装的TP4为例，概化为面状，与网格交叉，按交叉型计算。TP4 涉及4个网格，编号分别为2806、2807、2808和2913，划分为4个海绵子单 元，而这4个网格也只与TP4有关联。按照公式1可计算出4个海绵子单元的 雨洪处理能力分别为0.14QTP4、0.35QTP4、0.32QTP4和0.19QTP4，利用公式3，可计算出4个网格分配给TP4各子单元处理的雨洪比例均为1。
以植草沟为ZCG例，概化为线状，与网格交叉，按交叉型计算。ZCG涉 及4个网格，编号分别为4948、4949、4950和4951，而这4个网格与只与ZCG 关联。按照本发明中的公式2计算出4个海绵子单元的雨洪处理能力分别为 0.22QZCG、0.30QZCG、0.29QZCG和0.19QZCG，利用公式3，可计算出4个 网格分配给ZCG各子单元处理的雨洪比例均为1。
以透水铺装的TP3为例，概化为面状，整体上被网格包含，按被包含型计 算。TP3涉及的网格编号为3686，而该网格只与TP3关联。按照公式4，该网 格分配给TP3各子单元处理的雨洪比例为1。
上述三个例子中TP3、ZCG和TP4涉及到的各网格只关联一个海绵单元或 海绵子单元，因此每个相关联的网格分配给海绵单元或海绵子单元处理的雨洪 比例均为1。
本案例中的10处海绵设施中，透水铺装TP1和增渗绿地ZSH关联的4989、 4990、4991、4992、4993和4994号6个网格均关联了两个海绵子单元，如图 13所示。
以4990号网格为例，该网格内包括透水铺装TP1和增渗绿地ZSH的海绵 子单元，分别为Sub-TP1和Sub-ZSH。本案例中假设这两类设施的单位面积雨 洪控制能力相等，按照公式1和公式3可计算出4990号网格分配给Sub-TP1 和Sub-ZSH两个海绵子单元处理的雨洪比例分别为0.46和0.54。
四、模拟计算
模拟计算涉及到步骤D～H，通过计算机编程实现。从起始时刻t＝0开始 循环如下，
首先，执行步骤D，在输入的边界条件下，计算出城市雨洪模型中二维网 格、一维断面、管道及管道结点等在t时刻的各状态变量；
然后，执行步骤E，根据海绵单元、海绵子单元与网格、管道结点等的关 联关系，将网格积水作为海绵单元、海绵子单元的输入之一；
之后，执行第F步，开展t时刻海绵单元或海绵子单元的评价计算，得出 的径流、渗流和排水结果返回至所属网格，一次循环结束；
再执行步骤G，令t增加dt＝10s；判断新赋值所得的t是否大于等于计算 总时间T＝2100分钟，如果满足条件，则计算结束，执行步骤H，输出模型的计 算结果。如果不满足条件，则返回至步骤G，继续执行步骤D～H的循环过程。
本案例针对步骤D～H中每一时间步的执行不做具体说明，但列出针对一 场设计洪水的实际模拟结果图。以1997年第11号台风期间的历史潮(水)位 过程作为一维河道模型的输入，24小时20年一遇暴雨过程作为二维模型的输 入，分别模拟研究区域无海绵设施和耦合海绵设施后两种情况的积水。
本案例模拟结果是，由案例区全图(见图14、16)可以看出，无海绵设施 (图14)和耦合海绵设施(图16)两种情况下的整体积水区域基本一致；但从 案例区海绵设施布设点的局部放大图(见图15、17)可以看出，海绵设施所在 网格或周边网格的积水区域有明显减小。
基于本发明海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法的耦合模 型模拟结果，即能体现海绵城市建设的整体效益，也能反映单个设施的效果， 对于开展海绵城市建设过程中的规划、设计和后评估均能提供良好的技术支撑， 也引领了发展具备对海绵设施进行详细评价能力的模型研发趋势。
应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够 设计很多替代实施例而不脱离本专利的权利要求范围。

Claims (6)

1.一种海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法，其步骤如下：
A、获取城市雨洪模型和海绵城市设施评价模型的基础数据；
B、建立海绵设施的空间组织及与城市雨洪模型要素的拓扑关系，包括：海绵设施与网格的拓扑关系，海绵设施与排水管网中管道结点的拓扑关系；
C、确立城市雨洪模型中网格积水被海绵设施处理的比例；
D、利用城市雨洪模型计算t时刻的降雨产流，地表、河道洪水演进和排水，得出包括网格上的积水深度、积水总量，河道断面的水位、流量，排水管网中各结点的水头信息的特征变量；
E、t时刻的网格积水分配至海绵设施；
F、t时刻海绵设施评价计算，利用海绵城市设施评价模型对海绵单元和/或海绵子单元入流雨洪的各水文过程进行计算，包括：蒸散发、海绵设施对雨洪的存蓄、雨洪在海绵设施不同材料之间的下渗或渗透，以及排至排水管网，将网格在海绵城市设施评价模型计算结束后的积水量、某管道结点在海绵城市设施评价模型计算结束后的入流水量的计算结果反馈至城市雨洪模型；
G、令t＝t+dt，dt为时间步长，判断是否满足计算结束的条件，
当t＜计算总时间T，返回步骤D再计算，
当t≥计算总时间T，计算结束，进入步骤H；
H、输出模型计算结果，模拟完毕；
所述步骤A中，
所述城市雨洪模型的基础数据包括：二维模型数据、一维管网模型数据，以及模型的运算控制参数；
所述海绵城市设施评价模型的基础数据包括：海绵设施的类型，空间分布，特征尺寸，结构分层、材料，排水特性；
所述步骤B中，
B1、海绵设施与城市雨洪模型网格的位置关系，
根据海绵设施的空间分布和尺寸特征，将单个海绵设施与网格进行平面叠加，判断海绵设施与网格的位置关系，
B1-1、交叉型：单个海绵设施与2个或2个以上的网格相交，
B1-2、被包含型：单个网格包含1个或多个海绵设施；
B2、海绵设施的空间组织，
针对海绵设施，根据其平面位置和空间结构，将其概化为二维平面中的点、线或面；
以单个海绵设施作为一个评价整体，该评价整体称为“海绵单元”；
一个海绵单元与网格交叉，以网格边为边界将海绵单元划分为多个“海绵子单元”；
B3、海绵设施与城市雨洪模型要素的拓扑关系，
B3-1、海绵设施与网格的拓扑关系，
当海绵设施与网格的空间关系为交叉型时，以网格编号和海绵单元编号、海绵子单元编号为关联建立关系，用于指定网格与海绵子单元之间的水量交换；
当海绵设施与网格的空间关系为被包含型时，网格包含单个或多个海绵单元，即网格中有单个或多个海绵单元；以网格编号和海绵单元编号为关联建立关系，用于指定网格与海绵单元之间的水量交换；
B3-2、海绵设施与排水管网中管道结点的拓扑关系，
指定海绵设施与排水管网中管道结点的关联关系，用于确定雨洪经海绵设施处理后排至某条管道。
2.根据权利要求1所述海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法，其特征是：所述步骤C中，
C1、当海绵设施与网格的位置关系为交叉型时，海绵单元被网格划分为多个海绵子单元，假设海绵设施对雨洪的处理能力按面积或长度分配，则；
C1-1、按面积分配时，海绵子单元对雨洪的处理能力按公式1计算：
Qsunit1＝Qunit×Asunit/Aunit 公式1
式中，
Qsunit1为按面积计算时海绵子单元对雨洪的处理能力，
Qunit为海绵单元对雨洪的处理能力，
Asunit为海绵子单元的面积，
Aunit为海绵单元的总面积；
C1-2、按长度分配时，海绵子单元对雨洪的处理能力按公式2计算：
Qsunit2＝Qunit×Lsunit/Lunit 公式2
式中，
Qsunit2为按长度计算时海绵子单元对雨洪的处理能力，
Qunit为海绵单元对雨洪的处理能力，
Lsunit为海绵子单元的长度，
Lunit为海绵单元的总长度；
C1-3、若每个海绵子单元仅处理所属网格中的雨洪，网格分配给所属海绵子单元处理的雨洪比例按公式3计算：
Figure FDA0002932194750000031
式中，
Figure FDA0002932194750000041
指分配给第i1个海绵子单元处理的所在网格中的雨洪比例，
m1为网格中所包含的海绵子单元的个数，
Figure FDA0002932194750000042
为第i1个海绵子单元对雨洪的处理能力，由公式1或公式2计算获得；
C2、当海绵设施与网格的位置关系为被包含型时，分配给每个海绵单元处理的所在网格中的水量比例，按照海绵单元的设计处理能力占网格中所有海绵单元的设计处理能力的比确定，按公式4计算：
Figure FDA0002932194750000043
式中，
Figure FDA0002932194750000044
为分配给第i2个海绵单元处理的所在网格中的雨洪比例，
m2为网格中所包含的海绵单元个数，
Figure FDA0002932194750000045
为第i2个海绵单元对雨洪的处理能力；
C3、当海绵设施与网格的位置关系同时包括交叉型和被包含型时，
分配给海绵单元或海绵子单元的雨洪处理比例按公式5计算：
Figure FDA0002932194750000046
式中，
Figure FDA0002932194750000047
为该网格中分配给第i3个海绵单元或海绵子单元的雨洪处理比例，
Figure FDA0002932194750000048
为该网格中第i3个海绵单元或海绵子单元对雨洪的处理能力，对于交叉型采用公式1或公式2计算获得；对于被包含型，取海绵设施的设计处理能力；
m3指该网格中的海绵单元、海绵子单元个数总和。
3.根据权利要求2所述海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法，其特征是：所述步骤D中，
在计算降雨产流时，扣除海绵设施产流部分，即落入海绵设施区域的降雨产流由海绵城市设施评价模型计算。
4.根据权利要求3所述海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法，其特征是：所述步骤E中，
针对包含海绵设施的某一网格，按步骤C中确定的比例分配所包含海绵单元和/或海绵子单元处理的水量，由该网格分配至海绵单元和/或海绵子单元的入流按公式6计算：
Figure FDA0002932194750000051
式中，
Figure FDA0002932194750000052
为该网格积水流至第j个海绵单元和/或海绵子单元的入流，
Figure FDA0002932194750000053
为该网格分配给第j个海绵单元和/或海绵子单元的雨洪比例，由公式3、公式4或公式5计算获得，
Vcel为网格的积水量，由城市雨洪模型计算提供，
dt为城市雨洪模型的计算时间步长，
当海绵设施为绿色屋顶时，公式6的
Figure FDA0002932194750000054
5.根据权利要求4所述海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法，其特征是：所述步骤F中，
城市雨洪模型中的网格、管网排水系统与一个或多个海绵单元和/或海绵子单元相关联；
F1、网格在海绵城市设施评价模型计算结束后的积水量更新，采用公式7计算：
Figure FDA0002932194750000061
式中，
Vcelnew为某网格更新后的积水量，
Vcelold为某网格更新前的积水量，
k1为海绵单元和/或海绵子单元，
n1为网格中包含的海绵单元和/或海绵子单元的个数，
Figure FDA0002932194750000062
为网格分配至第k1个海绵单元和/或海绵子单元的入流量，
Figure FDA0002932194750000063
为第k1个海绵单元和/或海绵子单元返至网格的流量；
F2、某管道结点在海绵城市设施评价模型计算结束后的入流水量，采用公式8计算：
Figure FDA0002932194750000064
式中，
Vnode为由海绵单元和/或海绵子单元至某管道结点的入流量，
k2为海绵单元和/或海绵子单元，
n2为排至管道节点的海绵单元和/或海绵子单元的个数，
Figure FDA0002932194750000065
为第k2个海绵单元和/或海绵子单元的排水流量。
6.根据权利要求1所述海绵城市设施评价模型与城市雨洪模型的耦合方法，其特征是：所述步骤A中，
所述二维模型数据包括：网格的空间位置、编号、面积、高程、糙率；
所述一维管网模型数据包括：管道和结点的空间位置，管道编号，结点编号，管道与结点的拓扑关系。
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