CN114386337A

CN114386337A - 一种区域汇流和排水模拟方法和装置

Info

Publication number: CN114386337A
Application number: CN202111482367.8A
Authority: CN
Inventors: 周甜; 刘伟; 谭越
Original assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2022-04-22

Abstract

本申请公开了一种区域汇流和排水模拟方法，包括以下步骤：将汇水区域划分成多个子区域，每个子区域与管网拓扑对应位置连接；根据区域降雨历史数据确定区域降雨过程线，模拟瞬时降雨强度变化；根据瞬时降雨强度，采用非线性水库模型计算每一个汇水子区域的流量；将每一个汇水子区域的流量作为管网拓扑对应位置的流量增加量；采用圣维南方程模拟计算管网拓扑中任一截面的流量。本申请还包含用于实现所述方法的装置。本申请现有技术模型不能准确地反映研究区域汇流和排水过程问题。

Description

一种区域汇流和排水模拟方法和装置

技术领域

本申请涉及水动力技术领域，尤其涉及一种区域汇流和排水模拟方法和装置。

背景技术

近年来，强降雨对区域积水和汇流影响极其严重，有可能造成城市交通瘫痪、居民生活不便等等。因此对区域排水管网水动力模型研究，模拟和预防雨水严重积压和排水管线的溢流情况极为重要。

目前，对于城市的内涝研究，一般采用数学模型对城市雨洪过程进行模拟与预测。例如通过SWMMH(暴雨雨水管理模型)模拟城市区域内径流过程，模拟不同时刻子流域和管道中的水量等情况，作为开源软件，提供了编辑研究区域输入数据，执行水文、水力和水质模拟，并以各种格式浏览结果的集成环境。因此被广泛应用于城市内涝分析和排水系统评估规划等方面。

由于SWMMH中雨强设置仅使用平均雨强公式、且下渗量模型中与降雨过程没有关联关系，因此，不能精确地模拟研究区域的汇流时变过程，不能准确地反映研究区域的汇流和排水过程。

发明内容

本申请提出一种区域汇流和排水模拟方法和装置，解决现有技术不能准确地反映研究区域汇流和排水过程的问题。

本申请实施例提出一种区域汇流和排水模拟方法，包括以下步骤：

将汇水区域划分成多个子区域，每个子区域与管网拓扑对应位置连接；

根据区域降雨历史数据确定区域降雨过程线，模拟瞬时降雨强度变化；

根据瞬时降雨强度，采用非线性水库模型计算每一个汇水子区域的流量；

将每一个汇水子区域的流量作为管网拓扑对应位置的流量增加量；

采用圣维南方程模拟计算管网拓扑中任一截面的流量。

优选地，设定雨峰系数，为雨峰历时和降雨总历时的比值；用暴雨强度公式模拟雨峰前降雨强度曲线和雨峰后降雨强度曲线；所述峰前降雨强度曲线和峰后降雨强度曲线构成所述降雨过程线。

优选地，所述暴雨强度公式为公式(3)，优选地，取m＝11.591，n＝0.902。

优选地，对每一个汇水子区域的流量通过减除下渗量进行修正。进一步地，优选地，根据瞬时降雨强度，计算各汇水子区域任一时刻雨水下渗量为公式(5)。

优选地，所述汇水子区域中的任意一个的流量，直接汇入管网拓扑的对应点，或者，汇入相邻的另一子区域。

本申请还提出一种区域汇流和排水模拟系统，用于实现本申请任意一项实施例所述方法，包括：输入模块、计算模块、显示模块。

所述输入模块，用于将汇水区域划分成多个子区域，每个子区域与管网拓扑对应位置连接；

所述计算模块，进一步包含：第一模块，用于模拟瞬时降雨强度变化，产生瞬时降雨强度数据；第二模块，用于根据所述瞬时降雨强度数据，采用非线性水库模型计算每一个汇水子区域的流量；第三模块，用于根据所述汇水子区域的流量，增加管网拓扑对应位置的流量，并进一步采用圣维南方程模拟计算管网拓扑中每一点的流量；

所述显示模块，用于显示汇水区域、子区域的地理图形和流量数据，还用于显示管网拓扑的图形和流量数据。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

由于现有SWMMH只提供划分子汇区域的原则，本发明根据研究区域的水文环境、管线拓扑关系，最终确认研究区域的划分；在模拟强降雨过程中，现有技术使用通用雨强公式，并不适合研究区域的场景，本发明设计了针对研究区域的暴雨过程曲线；现有径流产生过程中的下渗量模型中没有关联雨强的影响因数，本发明设计了加入雨强因素的下渗模型。因此，本申请提高了汇水子区域划分精度和地下管线空间拓扑模型的关联关系更加准确、对研究当地重现期内暴雨曲线设计符合当地具体水文规律，对径流产生过程中下渗模型也考虑了降雨强度关联因数，因此精确性、动态性提高，能够反映汇流和排水过程随降雨过程变化规律。本申请改进的SWMMH水动力模型，已应用到个省市部分区域地下管网建设中，根据当地的水文环境不断优化主要参数，使模型输出结果更精确；根据每次的强降雨能初步判断易积水的汇水子区域和地下管线易发生溢流和堵塞的部位，给当地政府部门提供一定的改造参考措施。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请方法的实施例流程图；

图2为子汇水划分区域图；

图3为管线空间拓扑图；

图4为2年重现期2小时降雨过程线；

图5为降雨开始2小时后汇水单元径流量；

图6为降雨开始2小时后液位深度；

图7为本申请的装置示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明公开一种基于SWMMH水动力模型，模拟不同年限期间暴雨过程中地表产汇流情况和各管线的负荷情况。主要包括采集研究区域测绘数据及当地的水文气象数据、建立当地地下管网模型及进行汇水子区域划分、构建强降雨设计过程线、建立地表水下渗模型、计算汇流和管道输送流量、结果展示。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请方法的实施例流程图。

步骤11、将汇水区域划分成多个子区域，每个子区域与管网拓扑对应位置连接；

优选地，所述汇水子区域中的任意一个的流量，直接汇入管网拓扑的对应点，或者，汇入相邻的另一汇水子区域。最终，每个汇水子区域都连接于管网拓扑中对应位置的入水口。

步骤12、根据区域降雨历史数据确定区域降雨过程线，模拟瞬时降雨强度变化；

优选地，设定雨峰系数，为雨峰历时和降雨总历时的比值；用暴雨强度公式模拟雨峰前降雨强度上升曲线和雨峰后降雨强度下降曲线；所述降雨强度上升曲线和降雨强度下降曲线购车所述降雨过程线。

优选地，所述暴雨强度采用公式3。

优选地，取m＝11.591,n＝0.902。

步骤13、根据瞬时降雨强度，采用非线性水库模型计算每一个汇水子区域的流量；

步骤14、优选地，对每一个汇水子区域的流量通过减除下渗量进行修正。进一步地，优选地，根据瞬时降雨强度i，计算各汇水子区域任一时刻雨水下渗量为公式(5)。

步骤15、将每一个汇水子区域的流量作为管网拓扑对应位置的流量增加量，采用圣维南方程模拟计算管网拓扑中任一截面的流量。

步骤16、结果显示，通过图形图像，显示汇水区域、子区域的地理图形和流量数据，及显示管网拓扑的图形和流量数据。

优选地，通过颜色表示汇水量、排水管线沿线流量和水位的分布，显示上述各参量随时间变化的过程。例如包括以颜色编码的排水面积和输送系统地图，时间序列图和表格，剖面线图，以及统计频率分析等。

通过步骤11～16，本申请的方案实现：汇水子区域的划分、地下管线建模、参数设置、暴雨过程线设计、雨水下渗模型建立、汇流和管道输送方法计算、输出结果展示。

以下对各步骤的实施例作进一步具体说明：

步骤11中，包括汇水子区域的划分、地下排水管线建模、参数设定过程。

图2为子汇水划分区域图。汇水子区域是利用地形和排水系统元素，将地表径流直接导向单一排放点的地表水文单元。用户负责将研究面积划分为适当数量的子汇水面积，并确定子汇水面积的出水口。出水口可以是排水系统的节点或者其他子汇水面积。

例如，根据某地区研究区域的基础测绘资料及水文气象数据，共划分集水区120个，最小面积0.03ha，最大面积2.5ha，平均面积0.61ha。最终汇水子区域划分如图2所示。如图2中的虚线所示，每个汇水子区域都连接于管网拓扑中对应位置的入水口。

图3为管线空间拓扑图。地下排水管线建模时，根据当地提供的地下管网测绘数据，包括节点标高，管线断面形状及尺寸，其中线条粗细与管线断面高度成正比。在建模过程中，将明显错误数据进行了适当的修正，最终管线空间拓扑模型如图3所示：

汇水子区域相关参设置涉及子汇水面积和管渠等各个参数的含义以及取值，一般包括：汇水子区域标识、汇水面积、坐标、雨量计、出水口标识、面积、坡度、渗透性、各常数值。

图4为2年重现期2小时降雨过程线。在步骤12中，实现强降雨过程模拟设计，具体实施例说明如下：

暴雨强度指单位面积上某一历时降水的体积，以升/(秒×公顷)(L/(S×ha))为单位。采用最小二乘法、数值逼近法拟合得暴雨强度公式为：

I＝S_p(t+m)^-n (1)

其中S_p＝167A₁(1+ClgP)，为雨强整合参数，I为平均雨强，t为降雨历时，A₁为雨力参数，C为雨力变动参数，P为重现期(年)，m为降雨历时修正参数，n为暴雨衰减指数。

则可得出历时t_d的强降雨总降雨量：

H＝I×t_d＝t_d×S_p(t+m)^-n (2)

由公式(2)可得瞬时降雨强度：

由公式(3)可得在峰前时刻t₁、峰后时刻t₂的瞬时降雨强度，并引入雨峰系数r，假设

雨峰前、后瞬时降雨强度表示为：

式中，i(t₁)为峰前降雨瞬时强度，i(t₂)为峰后降雨瞬时强度，t₁和t₂分别为相对峰值时刻的降雨历时(与峰值相比提前量为t₁，滞后量为t₂)，r为雨峰系数(即峰时历时与整场降雨总历时的比值)。

联合式公式(1)～(4)可以得到不同重现期，不同降雨历时的降雨过程线。为计算北京某地区的水文过程，根据公开的水文资料，对2年重现期，使用11.591为式(1)中m的取值，0.902为式(1)中n的取值。图4为根据m、n取值，及根据历史数据设定r值，获得的2年重现期降雨2小时的降雨过程线。

在步骤14中，涉及地表水下渗模型。地表水下渗是降雨穿透地表进入渗透性子汇水面积非饱和土壤区域的过程，主要是受降雨强度、地形条件、土壤等环境因素影响。

在本次的SWMMH模型中根据当地的水文环境采用修正后的Horton模型并结合上述降雨强度公式(3)，可得到

f(t)＝L_s[E+Ma^-t]+f_se^-ikt (5)

式中，f(t)为t时刻的下渗速率，L_s为导水率，f_s为下渗系数，k为衰减常数，E、M为修正值，a为平均吸湿率。

由式(5)对时间积分可以求出降雨过程中的下渗量，再由降雨量减去初期损失量及下渗量则可以得到径流量。

在步骤13中，计算各汇水子区域的流量。汇流过程是指每个部分净雨汇集到出口断面而排入城市河网和雨水管网的过程。地表径流模拟采用非线性水库模型，主要计算方法为连续性方程和曼宁方程。

连续性方程：

曼宁方程：

式中，V＝Ah为地表集水量，h为水深，t为时间，A为地表面积，i为降雨强度，Q为流量，W为流域宽度，n₀为曼宁粗糙系数，hp为地面蓄水深，S₀为流域坡度。

联立上述两个方程可求解得到流域汇流曲线。

需要说明的是，在步骤13中，根据瞬时降雨强度，采用非线性水库模型计算每一个汇水子区域的流量；在步骤14中，对每一个汇水子区域通过减除下渗量和/或其他初期损失量，对流量进行修正。

在步骤15中，将每一个汇水子区域的流量作为管网拓扑对应位置的流量增加量，采用圣维南方程模拟计算管网拓扑中任一截面的流量。

当汇流进入城市雨水管网后，模型通过求解圣维南方程来描述水流的运动。圣维南方程包括连续性方程和动量方程。

连续性方程：

动量方程：

式中，Q为流量，A为过水断面面积，B为断面宽度，v为流速，g为重力加速度，h为水深，t为时间，x为距离，S_f为摩阻坡度，S₀为底坡度，q_t为单位长度旁侧入流量。

在本申请的实施例中，针对北京某小区建立了地下排水管网水动力SWMMH模型，并根据当地的地的水文气象数据等，建立当地地下管网模型及区域划分；采用最小二乘法、数值逼近法拟合强降雨设计过程线；根据当地地理环境及强降雨设计过程线建立地表水下渗模型；引入汇流和管道输送计算方法(连续性方程和曼宁方程)得到流域汇流曲线。输出结果如下：

设定好模型参数后，在给定的降雨条件下，模型计算出了整个管网各个管段的流量过程线，本研究以2年一遇的降雨为例给出了流域各汇水单元的径流量、液位、节点溢流情况等。

各汇水单元径流情况。图5所示为降雨开始2小时后的子流量瞬时径流量，可以看出，径流量基本上与流域面积成正比，原因是各汇水单元的参数设置是一致的。

各管线的液位。图6所示为降雨开始2小时后各管线的瞬时液位值。总体上越靠近下游，液位越深，但也有例外，因为液位不仅与流量有关，还与管线的宽度有关。

图7为本申请的装置示意图。

本申请还提出一种区域汇流和排水模拟系统，用于实现本申请任意一项实施例所述方法，包括：输入模块71、计算模块72、显示模块73。

所述计算模块，进一步包含：第一模块721，用于模拟瞬时降雨强度变化，产生瞬时降雨强度数据；第二模块722，用于根据所述瞬时降雨强度数据，采用非线性水库模型计算每一个汇水子区域的流量，进一步地，还用于对每一个汇水子区域计算下渗量，通过减除下渗量和/或其他初期损失量，对流量进行修正；第三模块723，用于根据所述汇水子区域的流量，增加管网拓扑对应位置的流量，并进一步采用圣维南方程模拟计算管网拓扑中每一点的流量；

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

因此，本申请还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请中任一实施例所述的方法。

进一步地，本申请还提出一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本申请任一实施例所述的方法。

可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现本申请方法各功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现本申请方法的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现本很轻发案发的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

本发明属于处理城市区域径流产生的各种水文过程，涉及到通过仿真计算模拟汇水区域的产流，汇流，进行管网水动力学模拟，水质模拟等模型机理。雨水管理模型是一个动态降雨、径流模拟计算机程序，主要用于城市区域径流水量和水质的单一事件或者长期(连续)模拟。本计算机程序的径流组件模拟汇水区域面积上的运行，接收降水并产生径流和污染物负荷。本申请装置的演算部分，能够计算通过由管道、渠道、蓄水/处理设施、水泵和调节器所构成系统的径流。本申请的方法和装置能够跟踪由多个时间步长构成的模拟时段内每一区域的径流水量和水质，每一条管渠中的流量、水深和水质。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种区域汇流和排水模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用圣维南方程模拟计算管网拓扑中任一截面的流量。

2.如权利要求1所述区域汇流和排水模拟方法，其特征在于，

设定雨峰系数，为雨峰历时和降雨总历时的比值；

用暴雨强度公式模拟雨峰前降雨强度曲线和雨峰后降雨强度曲线；所述峰前降雨强度曲线和峰后降雨强度曲线构成所述降雨过程线。

3.如权利要求2所述区域汇流和排水模拟方法，其特征在于，

所述暴雨强度公式为：

其中，S_p＝167A₁(1+ClgP)

式中，i(t₁)为峰前降雨瞬时强度，i(t₂)为峰后降雨瞬时强度；t₁和t₂分别为相对峰值时刻的降雨历时，与峰值相比提前量为t₁，滞后量为t₂；r为雨峰系数，即峰时历时与整场降雨总历时的比值；A₁为雨力参数，C为雨力变动参数，P为重现期(年)，m为降雨历时修正参数，n为暴雨衰减指数。

4.如权利要求3所述区域汇流和排水模拟方法，其特征在于，

取m＝11.591，n＝0.902。

5.如权利要求1所述区域汇流和排水模拟方法，其特征在于，

根据瞬时降雨强度i，计算各汇水子区域任一时刻雨水下渗量为：

f(t)＝L_s[E+Ma^-t]+f_se^-ikt

6.如权利要求5所述区域汇流和排水模拟方法，其特征在于，

对每一个汇水子区域的流量通过减除下渗量进行修正。

7.如权利要求1所述区域汇流和排水模拟方法，其特征在于，

所述汇水子区域中的任意一个的流量，直接汇入管网拓扑的对应点，或者，汇入相邻的另一子区域。

8.一种区域汇流和排水模拟系统，用于实现权利要求1～7任意一项所述方法，其特征在于，包括：输入模块、计算模块、显示模块；

所述计算模块，进一步包含：

第一模块，用于模拟瞬时降雨强度变化，产生瞬时降雨强度数据；

第二模块，用于根据所述瞬时降雨强度数据，采用非线性水库模型计算每一个汇水子区域的流量；

第三模块，用于根据所述汇水子区域的流量，增加管网拓扑对应位置的流量，并进一步采用圣维南方程模拟计算管网拓扑中每一点的流量；

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一所述的方法。

10.一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1～7中任一所述的方法。