CN113609657A - 基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法，该方法首先将汛期划分为前汛期、主汛期和后汛期；按照湖泊防洪排涝标准，计算设计暴雨强度和设计雨型，从而得到不同汛期的暴雨量过程线；在湖泊最低起排水位与防洪最高控制水位之间进行等步长插值，形成若干个水位，作为不同汛期湖泊多个起排调度水位方案；基于城市洪涝模型模拟不同汛期湖泊在不同起排调度水位方案下，入湖径流过程；根据入湖径流过程计算得到所述湖泊水位变化过程；确定湖泊在不同汛期时可行的调度水位方案。本发明基于城市洪涝模型，确定汛期不同阶段的湖泊调度水位，可在保证防洪安全的前提下，尽可能地兼顾灌溉、供水和生态景观等功能需求。

Description

基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法
技术领域
本发明涉及城市湖泊防洪排涝管理领域，具体涉及一种基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法。
背景技术
城市湖泊在城市建设中承担防洪排涝、供水水源、水产养殖、文化承载、旅游景观、休闲娱乐等多种功能。各功能之间相互作用、相互影响，使得湖泊功能得以充分发挥。由于各功能对湖泊水位的需求不同，难免在水位调控上产生矛盾。一方面，为保证湖泊防洪排涝功能的正常发挥，湖泊水位需尽可能地降低，以腾空足够的蓄水容积，保障湖泊的防洪安全。另一方面，为充分发挥其生态景观、休闲娱乐等功能，需适当抬高湖泊水位，营造良好水生态空间和水景观。
目前，大多数城市湖泊现行的调度规程，往往要求整个汛期按照统一的较低水位运行，以便腾空湖容随时准备迎接设计标准洪水的到来，确保区域防洪排涝的安全。事实上，暴雨是由气候条件所决定的，在汛期不同时段同一量级暴雨发生的频率显著不同，越靠近主汛期，发生的频率越大。这种保守的运行方式着眼于小概率事件的防洪效益，导致湖泊汛后常常无水可蓄，进而影响了灌溉供水、景观娱乐等其他功能的有效发挥。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法，本发明根据暴雨发生频率，将汛期划分为多个阶段，基于城市洪涝模型确定汛期不同阶段的防洪调度水位，这样相比传统的汛期统一调度方法，可在保证安全的前提下，尽可能多地利用雨洪资源为湖泊兴利服务，实现湖泊灌溉供水、景观娱乐等其他功能。
为实现上述目的，本发明所设计一种基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法，包括以下步骤：
S1：根据湖泊所在流域多年逐日降雨量数据，通过降雨量变化相对系数法或气候成因分析方法确定所述湖泊汛期的起止日期，并对汛期进行划分，将其划分为前汛期、主汛期和后汛期；
S2：按照湖泊防洪排涝标准，计算前汛期、主汛期和后汛期的设计暴雨强度和设计雨型，从而得到不同汛期的暴雨量过程线；
S3：以所述湖泊所在流域降雨数据、土地利用类型、地表高程数据、排水管网数据和产汇流参数作为模型输入数据，建立基于Mike Urban的城市洪涝模型；
S4：验证所述城市洪涝模型，以保证入湖径流过程模拟精度；
S5：在步骤S1所述湖泊最低起排水位与防洪最高控制水位之间进行等步长插值，形成若干个水位，作为前汛期、主汛期和后汛期的多个起排调度水位方案；
S6：基于步骤S3得到的城市洪涝模型，模拟不同汛期(前汛期、主汛期或后汛期)湖泊在不同起排调度水位方案下，入湖径流过程；
S7：根据入湖径流过程计算得到所述湖泊水位变化过程；同时根据步骤S6模拟得到的入湖径流过程，利用湖泊水位-容积关系曲线，计算得到不同汛期湖泊水位变化过程；
S8：以模拟得到的不同汛期湖泊水位变化不超过湖泊防洪最高控制水位为原则，确定湖泊在不同汛期时可行的调度水位方案。
进一步地，所述步骤S2中，设计暴雨强度采用皮尔逊Ⅲ型分布拟合得到，设计雨型根据流域典型暴雨雨型确定。
再进一步地，所述步骤S4中验证城市洪涝模型包括以下步骤：
(S4-1)输入模拟时段流域降雨数据；
(S4-2)确定水文水力参数初值；
(S4-3)模拟得到湖泊入湖径流过程，计算Nash系数；
Figure BDA0003168785150000021
式中：
Figure BDA0003168785150000022
为t时刻入湖径流实测值，
Figure BDA0003168785150000023
为t时刻入湖径流模拟值，
Figure BDA0003168785150000024
为入湖径流实测值的总平均；
(S4-4)判断Nash系数是否满足大于0.6的要求；如果是，此时参数为率定后的最优参数；如果否，返回步骤(S4-2)。
再进一步地，所述步骤S5和S7中，湖泊防洪最高控制水位按照湖泊保护规划中确定的最高控制水位，
或者按照城市建设地块的不利点高程下调1～1.5m确定。
再进一步地，所述步骤S6具体包括：输入步骤S2得到的前汛期、主汛期和后汛期暴雨量过程线，采用率定后的城市洪涝模型，即可模拟得到前汛期、主汛期和后汛期不同调度水位方案下的入湖径流过程。
本发明具有以下有益效果：
传统的城市湖泊雨洪调蓄，大多以汛期统一水位调控为主，雨洪资源利用率不高，城市湖泊功能没有得到有效发挥。本发明所述基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法，将整个汛期分为前汛期、主汛期和后汛期三个阶段，通过不同阶段设计暴雨确定其相应时间的防洪调度水位，在保证防洪安全的前提下，可尽可能地兼顾灌溉、供水和生态环境保护等功能需求。
附图说明
图1为本发明的基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的湖泊实测和模拟入湖总量过程线对比图；
图3为本发明实施例的前汛期、主汛期和后汛期不同调度水位方案下湖泊水位变化过程图；
图4为本发明实施例的湖泊分期调度水位方案图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
如图1所示以某城市湖泊为例，基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法，具体步骤如下：
S1：根据湖泊所在流域1960～2018年逐日降雨量实测数据，通过降雨量变化相对系数法确定湖泊汛期为4月15日至8月31日，前汛期的起止日期为4月15日和6月15日，主汛期的起止日期为6月16日和7月31日，后汛期的起止日期为8月1日至8月31日。
S2：所述湖泊防洪排涝标准为50年一遇，采用皮尔逊Ⅲ型分布拟合得到前汛期、主汛期和后汛期50年一遇(设计频率P＝2％)最大15日设计暴雨量分别为269.02mm、700.92mm、418.82mm。根据所在流域成灾情况，前汛期、主汛期和后汛期的暴雨雨型分别选取“1977.4”型、“2016.6”型和“1980.8”型；
S3：以所述湖泊所在流域降雨数据、土地利用类型、地表高程数据、排水管网数据和产汇流参数作为模型输入数据，建立基于Mike Urban的城市洪涝模型；
S4：验证所述城市洪涝模型，以保证入湖径流过程模拟精度；
绘制湖泊实测和模拟入湖径流过程线，如图2所示，Nash系数平均值为0.83，模型模拟效果较好；其中，验证城市洪涝模型包括以下步骤：
(S4-1)输入模拟时段2016年6月16日～8月3日的流域降雨数据；
(S4-2)确定水文水力参数初值；
(S4-3)模拟得到湖泊入湖径流过程，计算Nash系数；
Figure BDA0003168785150000041
式中：
Figure BDA0003168785150000042
为t时刻入湖径流实测值，
Figure BDA0003168785150000043
为t时刻入湖径流模拟值，
Figure BDA0003168785150000044
为入湖径流实测值的总平均。
(S4-4)判断Nash系数是否满足大于0.6的要求；如果是，此时参数为率定后的最优参数；如果否，返回步骤(S4-2)；
S5：在步骤S1所述湖泊最低起排水位与防洪最高控制水位之间进行等步长插值，形成若干个水位，作为前汛期、主汛期和后汛期的多个起排调度水位方案；其中，湖泊防洪最高控制水位按照湖泊保护规划中确定的最高控制水位，或者按照城市建设地块的不利点高程下调1～1.5m确定；
根据湖泊现行调度规程，最低起排水位为18.0m，防洪最高控制水位为19.65m，在18.0m～19.65m之间以步长为0.2m设定多个调度水位方案，如表1所示。
表1湖泊调度水位方案表
Figure BDA0003168785150000051
S6：基于步骤S3得到的城市洪涝模型，模拟不同汛期(前汛期、主汛期或后汛期)湖泊在不同起排调度水位方案下，入湖径流过程；具体步骤如下：
输入步骤S2得到的前汛期、主汛期和后汛期暴雨量过程线，采用率定后的城市洪涝模型，即可模拟得到前汛期、主汛期和后汛期不同调度水位方案下的入湖径流过程；
S7：根据入湖径流过程计算得到所述湖泊水位变化过程；同时根据步骤S6模拟得到的入湖径流过程，利用湖泊水位-容积关系曲线，计算得到不同汛期湖泊水位变化过程，如图3所示；
S8：以模拟得到的不同汛期湖泊水位变化不超过湖泊防洪最高控制水位19.65m为原则，确定前汛期、主汛期和后汛期的湖泊调度水位分别为18.6m、18.2m和18.6m，不同汛期调度水位方案如图4所示。
相对于传统汛期统一调度方法的不足，上述方法可在保证防洪安全的前提下，尽可能地兼顾灌溉、供水和生态景观等功能需求。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (5)

1.一种基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据湖泊所在流域多年逐日降雨量数据，通过降雨量变化相对系数法或气候成因分析方法确定所述湖泊汛期的起止日期，并对汛期进行划分，将其划分为前汛期、主汛期和后汛期；
S2：按照湖泊防洪排涝标准，计算前汛期、主汛期和后汛期的设计暴雨强度和设计雨型，从而得到不同汛期的暴雨量过程线；
S3：以所述湖泊所在流域降雨数据、土地利用类型、地表高程数据、排水管网数据和产汇流参数作为模型输入数据，建立基于Mike Urban的城市洪涝模型；
S4：验证所述城市洪涝模型，以保证入湖径流过程模拟精度；
S5：在步骤S1所述湖泊最低起排水位与防洪最高控制水位之间进行等步长插值，形成若干个水位，作为前汛期、主汛期和后汛期的多个起排调度水位方案；
S6：基于步骤S3得到的城市洪涝模型，模拟不同汛期(前汛期、主汛期或后汛期)湖泊在不同起排调度水位方案下，入湖径流过程；
S7：根据入湖径流过程计算得到所述湖泊水位变化过程；同时根据步骤S6模拟得到的入湖径流过程，利用湖泊水位-容积关系曲线，计算得到不同汛期湖泊水位变化过程；
S8：以模拟得到的不同汛期湖泊水位变化不超过湖泊防洪最高控制水位为原则，确定湖泊在不同汛期时可行的调度水位方案。
2.根据权利要求1所述基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法，其特征在于，所述步骤S2中，设计暴雨强度采用皮尔逊Ⅲ型分布拟合得到，设计雨型根据流域典型暴雨雨型确定。
3.根据权利要求1所述基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法，其特征在于，所述步骤S4中验证城市洪涝模型包括以下步骤：
(S4-1)输入模拟时段流域降雨数据；
(S4-2)确定水文水力参数初值；
(S4-3)模拟得到湖泊入湖径流过程，计算Nash系数；
Figure FDA0003168785140000021
式中：
Figure FDA0003168785140000022
为t时刻入湖径流实测值，
Figure FDA0003168785140000023
为t时刻入湖径流模拟值，
Figure FDA0003168785140000024
为入湖径流实测值的总平均；
(S4-4)判断Nash系数是否满足大于0.6的要求；如果是，此时参数为率定后的最优参数；如果否，返回步骤(S4-2)。
4.根据权利要求1所述基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法，其特征在于，所述步骤S5和S7中，湖泊防洪最高控制水位按照湖泊保护规划中确定的最高控制水位，
或者按照城市建设地块的不利点高程下调1～1.5m确定。
5.根据权利要求1所述基于城市洪涝模型确定湖泊分期调度水位的方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：输入步骤S2得到的前汛期、主汛期和后汛期暴雨量过程线，采用率定后的城市洪涝模型，即可模拟得到前汛期、主汛期和后汛期不同调度水位方案下的入湖径流过程。
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