CN113204927B - 一种针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，包括如下步骤：绘制地表挡水、导水控制线；以管网排水口为基本单位，提取排水分区；构建基于排水分区的地表水文‑河网水动力模型；构建地表水文（不含道路）‑路面水动力‑河网水动力‑管网水动力耦合模型；构建基于网格的地表水动力‑河网水动力‑管网水动力模型；依据空间位置，建立不同尺度计算单元（即网格、除道路外地表分区、排水分区）之间的耦合关系，进行不同尺度的分级嵌套模拟。与现有技术相比，本发明可有效解决城市尺度洪涝分析问题中“宏观”和“局部”、“精细化需求”和“计算效率”之间的矛盾，这对于提高防汛应急处置工作的时效性和准确性具有重要意义。

Description

一种针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法
技术领域
本发明涉及水利工程的技术领域，特别是一种针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法。
背景技术
近年来，城市降雨洪涝灾害频繁发生，严重威胁了城市居民的正常生产生活以及生命财产安全。城市洪涝灾害问题推动了城市雨洪管理技术的不断发展，尤其对城市雨洪模型在刻画精度和计算效率方面提出了更高的要求。
然而，对于城市降雨洪涝模拟，刻画精度和计算效率往往是一对矛盾体。由于城市河湖水系的连通性、排水系统的复杂性以及交互性，降雨的水文响应范围较大甚至涵盖整个城市区域，因此必须在城市尺度上进行整体建模，否则不合理的边界条件会导致计算结果的不可靠。而且，各物理过程的相互作用也增加了模型的复杂性。另一方面，河流漫堤、管网溢流、地面积涝等的发生具有很强的空间局部性，而地表局部微地形往往对汇水过程起着决定性作用，尤其是立交桥、道路、隔离带、地下空间等强人类干扰条件下复杂下垫面的影响，这要求模型对局部雨洪过程具备精细化模拟的能力。因此，建模的整体性（空间大尺度以及各物理过程的交互）和关注点的局部性之间的矛盾使得模型在模拟精度和计算效率方面难以得到兼顾。
一般而言，相对完整的城市雨洪模型是由二维地表模型、河网模型和地下管网模型耦合而成，其中二维地表模型的构建方式及耦合方式是上述矛盾问题存在的关键所在。依据地表模型构建方式以及耦合方式，当前主要城市雨洪模型可以分为以下四类：基于GIS地形分析模型、水文驱动水动力模型、水文驱动水动力模型耦合地表溢流模型、基于直接降雨法模型。这些模型所代表的洪涝模拟技术虽然已经较为成熟，但基本上仅能实现某单一目标，不能同时满足防汛应急处置工作中的时效性和精确性。
中国知网在2019年8月刊登了中国水利水电科学研究院臧文斌的题目为《城市洪涝精细化模拟体系研究》的文章，该文章面对城市市政管网数据条件复杂及街区管网资料难以获取的现状,结合“地表-管网”排水物理机制与概化模式,给出了区分街区与道路的不同资料条件下城市地表排水模拟方法。结合城市地表复杂的排水物理过程,提出静态概念的五种基本城市雨水汇水区和动态概念的地表任一位置汇水区,并研究了其划分方法。针对城市洪涝计算的数据资料、边界条件等复杂现实问题,从模型嵌套模拟方法与模块化建模两方面提出了城市洪涝精细化模型集成技术框架,并应用于四种不同地表排水模式下城市洪涝精细化模型的案例计算。该方法的缺点是该研究主要探讨了在不同数据条件下的建模方式，重点关注局部精细化和准确性问题，与之相比，本发明着眼于“宏观”和“局部”、“精细化需求”和“计算效率”之间的矛盾，提出了基于三个尺度的分级嵌套模拟技术，这对于提高防汛应急处置工作的时效性和准确性具有重要意义。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提出的一种针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，在单个时间步内，以降雨为输入条件，首先基于1级模型对整个研究区进行模拟，得到河道内水流信息，以解决防洪、排涝联合调度宏观决策的需求；利用得到的排水分区出口流量和对应断面的水位作为当前排水分区的管网模型边界条件（管网排水口的流量、水位条件）， 视需求启动当前排水分区的2级模型分析（仅可得到道路积水情况）或1级模型分析（可得到任意空间点的积水情况），以解决城市大尺度下的局部微小地方的积水诊断需求。
本发明的目的是提供一种针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，包括绘制地表控制线，还包括以下步骤：
步骤1：梳理管网数据，划分排水分区；
步骤2：依据所述地表控制线生成非结构贴体网格；
步骤3：针对研究区，构建河网水动力模型和管网水动力模型；
步骤4：使用所述排水分区对基础网格系统进行框选，针对各排水分区构建二维地表精细化模型；
步骤5：各排水分区范围内的除道路以外区域的网格聚合，形成新的水文分区，构建地表水文-道路水动力-河网水动力-管网水动力耦合模型；
步骤6：地表以所述排水分区为基本计算单元，构建地表水文模型；
步骤7：针对某降雨事件进行模拟分析。
优选的是，所述绘制地表控制线步骤包括：依据高分辨率影像，沿建筑物轮廓、街道边线、围挡、河道堤岸中至少一种地表导水、挡水设施绘制控制线。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤1包括以下子步骤：
步骤11：以各排水口为起点，不断向上游追溯，划定排水口服务范围；
步骤12：综合考虑所述地表控制线，最终划定排水分区；
步骤13：在排水口和所述排水分区之间建立一一对应关系。
在上述任一方案中优选的是，生成的所述排水分区占满整个研究区，且互不重叠。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤2包括针对立交桥区或存在地下空间的局部区域构建竖向多层网格。将此网格系统定义为基础网格系统。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤4包括将各排水分区范围内的二维地表精细化模型与管网模型之间进行物理耦合，即地表模型与管网模型通过雨篦子或检查井进行水交换，河网模型和管网模型通过排水口进行水交换；将生成的地表水动力-河网水动力-管网水动力模型称为3级模型。
在上述任一方案中优选的是，所述地表水文-道路水动力-河网水动力-管网水动力耦合模型称为2级模型，其中地表水文计算结果视实际情况和数据条件与道路网格边或管网节点进行耦合。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤6还包括耦合河网模型，完成地表水文-河网水动力耦合模型，所述地表水文-河网水动力耦合模型称为1级模型，其中水文结果以侧向入流方式进入河道断面。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤7包括以下子步骤：
步骤71：以降雨为输入条件，运行1级模型进行计算；
步骤72：基于计算结果，根据边界条件，启动感兴趣的排水分区内的2级模型或3级模型进行计算；
步骤73：完成一个时间步的计算，进入下一个时间步计算；
步骤74：重复执行步骤71到步骤73，直到全部时间步计算完成。
在上述任一方案中优选的是，所述边界条件为排水口流量和对应断面处水位。
本发明提出了一种针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法及系统，与现有技术相比，本发明可有效解决城市尺度洪涝分析问题中“宏观”和“局部”、“精细化需求”和“计算效率”之间的矛盾，这对于提高防汛应急处置工作的时效性和准确性具有重要意义。
附图说明
图1为按照本发明的针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法的一优选实施例的流程图。
图2为按照本发明的针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法的排水区划分方法的一实施例的流程图。
图3为按照本发明的针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法的降水时间模拟分析方法的一实施例的流程图。
图4为按照本发明的针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法的另一优选实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例一
如图1所示，执行步骤100，绘制地表控制线，依据高分辨率影像，沿建筑物轮廓、街道边线、围挡、河道堤岸中至少一种地表导水、挡水设施绘制控制线。
执行步骤110，梳理管网数据，划分排水分区。如图2所示，执行步骤111，以各排水口为起点，不断向上游追溯，划定排水口服务范围。执行步骤112，综合考虑所述地表控制线，最终划定排水分区，生成的所述排水分区占满整个研究区，且互不重叠。执行步骤113，在排水口和所述排水分区之间建立一一对应关系。
执行步骤120，依据所述地表控制线生成非结构贴体网格，针对立交桥区或存在地下空间的局部区域构建竖向多层网格。将此网格系统定义为基础网格系统。
执行步骤130，针对研究区，构建河网水动力模型和管网水动力模型。
执行步骤140，使用所述排水分区对基础网格系统进行框选，针对各排水分区构建二维地表精细化模型。将各排水分区范围内的二维地表精细化模型与管网模型之间进行物理耦合，即地表模型与管网模型通过雨篦子或检查井进行水交换，建立基于排水口耦合河网模型和管网模型；将生成的地表水动力-河网水动力-管网水动力模型称为3级模型。
执行步骤150，各排水分区范围内的除道路以外区域的网格聚合，形成新的水文分区，构建地表水文（不含道路）-道路水动力-河网水动力-管网水动力耦合模型。所述地表水文-道路水动力-河网水动力-管网水动力耦合模型称为2级模型，其中地表水文计算结果视实际情况和数据条件与道路网格边或管网节点进行耦合。
执行步骤160，地表以所述排水分区为基本计算单元，构建地表水文模型，耦合河网模型，完成地表水文-河网水动力耦合模型，所述地表水文-河网水动力耦合模型称为1级模型，其中水文结果以侧向入流方式进入河道断面。
执行步骤170，针对某降雨事件进行模拟分析。如图3所示，执行步骤171，以降雨为输入条件，运行1级模型进行计算。执行步骤172，基于计算结果，根据界条件，启动感兴趣的排水分区内的2级模型或3级模型进行计算。所述边界条件为排水口流量和对应断面处水位。执行步骤173，完成一个时间步的计算，进入下一个时间步计算。执行步骤174，判断是否所有时间步都已计算完成。如果还有时间步未计算完成，则重新执行步骤171。如果所有时间步都已计算完成，则执行步骤175，计算结束。
实施例二
本发明提出了一种针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，可有效解决城市尺度洪涝分析问题中“宏观”和“局部”、“精细化需求”和“计算效率”之间的矛盾。
一种城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，具体技术方案如下。
一种城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，包括如下步骤：
步骤一：绘制地表控制线。具体内容包括：依据高分辨率影像，沿建筑物轮廓、街道边线、围挡、河道堤岸等地表导水、挡水设施绘制控制线。
步骤二：梳理管网数据，以各排水口为起点，不断向上游追溯，划定排水口服务范围；同时综合考虑步骤一中得到的地表控制线，最终划定排水分区，并在排水口和排水分区之间建立一一对应关系。注意：生成的排水分区占满整个研究区，且互不重叠。
步骤三：依据步骤一得到的控制线生成非结构贴体网格，并针对立交桥区或存在地下空间的局部区域构建竖向多层网格。将此网格系统作为基础网格系统。
步骤四：针对研究区，构建河网水动力模型和管网水动力模型。
步骤五：用步骤二得到的排水分区对基础网格系统进行框选，针对各排水分区构建二维地表精细化模型；将各排水分区范围内的二维地表精细化模型与管网模型之间进行物理耦合，即地表模型与管网模型通过雨篦子或检查井进行水交换；基于排水口耦合河网模型和管网模型；将此模型称为3级模型。
步骤六：将各排水分区范围内的除道路以外区域的网格聚合，形成新的水文分区，构建地表水文-道路水动力-河网水动力-管网水动力耦合模型，将此模型称为2级模型。其中地表水文计算结果视实际情况和数据条件与道路网格边或管网节点进行耦合。
步骤七：地表以排水分区为基本计算单元，构建地表水文模型；耦合河网模型，完成地表水文-河网水动力耦合模型，其中水文结果以侧向入流方式进入河道断面；将此模型称为1级模型。
步骤八：针对某降雨事件进行模拟分析，首先以降雨为输入条件，运行1级模型进行计算，基于计算结果，主要是排水口流量和对应断面处水位，以此为边界条件，启动感兴趣的排水分区内的2级模型或3级模型进行计算，至此完成一个时间步的计算，进入下一个时间步，直至结束。
实施例三
如图4所示，一种城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，包括：
第一步：绘制地表控制线；
第二步：提取排水分区；
第三步：依据控制线生成地表网格（含多层）；
第四步：构建河网水动力模型和管网水动力模型；
第五步：排水分区框选地表网格，构建3级模型；
第六步：将各排水分区范围内的除道路以外区域的网格聚合，形成新的水文分区，构建2级模型；
第七步：排水分区为基本计算单元，构建1级模型；
第八步：针对某降雨事件进行模拟分析，依次启动1级、2级和3级模型。
为了更好地理解本发明，以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (7)

1.一种针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，包括绘制地表控制线，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤1：梳理管网数据，划分排水分区；
步骤2：依据所述地表控制线生成非结构贴体网格；
步骤3：针对研究区，构建河网水动力模型和管网水动力模型；
步骤4：使用所述排水分区对基础网格系统进行框选，针对各排水分区构建二维地表精细化模型；将各排水分区范围内的二维地表精细化模型与管网模型之间进行物理耦合，即地表模型与管网模型通过雨篦子或检查井进行水交换，排水口耦合河网模型和管网模型通过排水口进行交换；将生成的地表水动力-河网水动力-管网水动力模型称为3级模型；
步骤5：各排水分区范围内的除道路以外区域的网格聚合，形成新的水文分区，构建地表水文-道路水动力-河网水动力-管网水动力耦合模型；所述地表水文-道路水动力-河网水动力-管网水动力耦合模型称为2级模型，其中地表水文计算结果视实际情况和数据条件与道路网格边或管网节点进行耦合；
步骤6：地表以所述排水分区为基本计算单元，构建地表水文模型；耦合河网模型，完成地表水文-河网水动力耦合模型，所述地表水文-河网水动力耦合模型称为1级模型，其中水文结果以侧向入流方式进入河道断面；
步骤7：针对某降雨事件进行模拟分析。
2.如权利要求1所述的针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，其特征在于，所述绘制地表控制线步骤包括：依据高分辨率影像，沿建筑物轮廓、街道边线、围挡、河道堤岸中至少一种地表导水、挡水设施绘制控制线。
3.如权利要求2所述的针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，其特征在于，所述步骤1包括以下子步骤：
步骤11：以各排水口为起点，不断向上游追溯，划定排水口服务范围；
步骤12：综合考虑所述地表控制线，最终划定排水分区；
步骤13：在排水口和所述排水分区之间建立一一对应关系。
4.如权利要求3所述的针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，其特征在于，生成的所述排水分区占满整个研究区，且互不重叠。
5.如权利要求4所述的针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，其特征在于，所述步骤2包括针对立交桥区或存在地下空间的局部区域构建竖向多层网格，将此网格系统定义为基础网格系统。
6.如权利要求5所述的针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，其特征在于，所述步骤7包括以下子步骤：
步骤71：以降雨为输入条件，运行1级模型进行计算；
步骤72：基于计算结果，根据边界条件，启动感兴趣的排水分区内的2级模型或3级模型进行计算；
步骤73：完成一个时间步的计算，进入下一个时间步计算；
步骤74：重复执行步骤71到步骤73，直到全部时间步计算完成。
7.如权利要求6所述的针对城市降雨洪涝过程的不同尺度分级嵌套模拟方法，其特征在于，所述边界条件为排水口流量和对应断面处水位。
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