CN114580126A - 一种城市排水防涝系统的构建方法及构建系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市排水防涝系统的构建方法及构建系统，搜集研究区域构建城市排水防涝模型用于内涝风险评估所需的各种资料，并对收集的管网、地面高程、河道、降雨及各种附属构筑物资料进行数据处理与概化。结合处理后的管网基础属性数据，建立管网模型。将处理后的地面高程数据导入到I CM中，建立地面洪水演进模型。根据河道中心线以及处理后的河道横断面数据，建立河道模型。设定各项边界条件，如降雨量、河道初始水位与流量、蒸发量等。运行模拟。进行模型的参数率定，修正模型的各项参数，优化模型运维精度。基于模型运行模拟结果，进行内涝风险评估，确定积水区域、积水深度，划分风险等级，并绘制洪水最大风险图。

Description

一种城市排水防涝系统的构建方法及构建系统

技术领域

本发明属于城市排水防涝领域，具体涉及一种城市排水防涝系统的构建方法及系统。

背景技术

随着城镇化进程的高速发展，人口、产业、财富向城市快速集中，城市化进程不断加快对城市应对洪水灾害的能力提出了全新的要求。据统计，我国大约有2/3的城市遭受过不同程度的洪水灾害。

城市排水(雨水)防涝综合规划编制大纲对城市排水(雨水)防涝综合规划的编制深度有了更高的要求，推荐采用排水防涝模型进行排水能力评估、内涝风险评估等。

室外排水设计标准(GB50014-2021)中规定，当汇水面积大于2km²时，应考虑区域降雨和地面渗透性能的时空分布不均匀性和管网汇流过程等因素，采用数学模型法确定雨水设计流量。构建城市排水防涝模型，是进行排水防涝系统规划、设计与管理的重要手段。通过构建城市排水防涝模型，有利于城市防洪排涝风险突发事件、排水系统改造以及运维的迅速判断和处理。

目前，城市排水防涝系统模型构建方法主要两类，一类是基于SWMM的只通过构建城市排水管网模型来研究城市排水防涝系统的方法，第二类是基于MIKE分别单独建立管网、河道、地面高程模型并且经MIKE Flood耦合的排水防涝模型构建方法。第一类方法只建立管网模型来研究城市排水防涝系统存在一定的片面性，因为排水防涝还有地形、构筑物等的影响。第二类方法则是耦合时过于繁琐，且建立的模型稳定性较差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种城市排水防涝系统的构建方法，该排水防涝模型包含管网模型、河道模型、地面积水模型，能模拟雨水在管道、河道中的水力运行工况，以及在地面上的积水演进情况。为城市的内涝风险防治工作提供指导，减少或避免城市内涝灾害的发生。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种城市排水防涝系统的构建方法，包括以下步骤：

1)获取排水防涝系统的相关数据并进行数据处理，包括管网基础属性数据、地面高程数据、河道数据；

2)利用处理后的管网基础属性数据，建立管网模型；

3)利用处理后的地面高程数据，建立地面洪水演进模型，并联立管网模型与地面洪水演进模型的连接；

4)根据河道中心线以及处理后的河道横断面数据，建立河道模型，并建立河道模型与管网模型、地面洪水演进模型的连接；

5)设定上述各个模型的边界条件，运行模拟；

6)修正模型的各项参数，优化模型运维精度；

7)基于模型运行模拟结果，进行内涝风险评估，确定积水区域、积水深度，划分风险等级，并绘制洪水最大风险图；

8)根据内涝风险评估确定出高风险积水区域后，提出高风险区域排水防涝系统的改造方案。

第二方面，本发明的实施例还提出了一种城市排水防涝系统的构建系统，如下：

第一模块：被配置为获取排水防涝系统的数据并进行数据处理，包括管网数据、地面高程数据、河道数据；

第二模块：被配置为利用处理后的管网基础属性数据，建立管网模型；

第三模块：被配置为利用处理后的地面高程数据建立地面洪水演进模型；并联立管网模型与地面洪水演进模型的连接；

第四模块：被配置为根据河道中心线以及处理后的河道横断面数据，建立河道模型，并建立河道模型与管网模型、地面洪水演进模型的连接；

第五模块：被配置为设定上述各个模型的边界条件，运行模拟；

第六模块：被配置为修正模型的各项参数，优化模型运维精度；

第七模块：被配置为基于模型运行模拟结果，进行内涝风险评估，确定积水区域、积水深度，划分风险等级，并绘制洪水最大风险图；

第八模块：被配置为建立高风险区域排水防涝系统的改造方案，并将提出的方案录入模型中，验证方案的合理性。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明通过构建某区域的排水模型，经模拟计算可以得到雨水在管道、河道中的水力运行工况以及地面积水演进情况，可以评估排水系统的内涝风险，确定内涝积水淹没范围、淹没深度、高风险区域等，并绘制洪水风险图。同时可以针对内涝高风险区域提出相应的改造方案，并通过模型验证方案的合理性。为城市管理者及建设者提供决策支持，并作为后期排水(雨水)系统改造建设的依据。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明提出的城市排水防涝系统的构建方法流程示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于Infoworks ICM构建城市排水防涝模型用于内涝风险评估的方法。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种基于Infoworks ICM构建城市排水防涝模型用于内涝风险评估的方法，包括以下步骤：

(1)搜集研究区域构建城市排水防涝模型用于内涝风险评估所需的各种资料，并对收集的管网、地面高程、河道、降雨及各种附属构筑物资料进行数据处理与概化。

(2)结合处理后的管网基础属性数据，建立管网模型。首先导入检查井、管道、下垫面等基础属性数据，并进行拓扑关系检查，对检查出的各种问题一一进行处理。然后导入子集水区或者自行划分子集水区，之后进行区域面积提取，提取下垫面的贡献面积，最后设置管网模型相关参数。

(3)将处理后的地面高程数据导入到ICM(Infoworks ICM是一款可以将排水管网模型、河道模型、地面洪水演进模型等整合在一起的模拟软件，ICM是其简称)中，建立地面洪水演进模型。将处理好的地面高程点通过数字导入中心导入模型中后，创建二维区域，并设置二维区域相关参数，然后将二维区域网格化，得到二维区域网格。网格化之后联立管网模型与地面洪水演进模型的连接。

(4)根据河道中心线以及处理后的河道横断面数据，建立河道模型。首先导入河道中心线，再导入或绘制横断面线，之后开始创建河道两侧的河岸线，创建完河岸线后创建河岸，并设置相关参数。河岸创建完成后，创建河岸边界。最后建立河道与地面洪水演进模型的连接，使河道与二维区域网格才能产生水量交互计算。

(5)设定各项边界条件，对于整个管网与地面洪水演进模型而言，边界条件有降雨量、蒸发量等。对于河道模型，边界条件有河道初始水位、流量等。

(6)运行模拟。

(7)进行模型的参数率定，修正模型的各项参数，优化模型运维精度。通过将实测降雨下的模拟结果与实测值对比，分析差值是否在允许范围内，若满足要求，说明模型可用。若不满足，不断修正各项系数，直至满足要求为止。

(8)基于模型运行模拟结果，进行内涝风险评估，确定积水区域、积水深度，划分风险等级，并绘制洪水最大风险图。根据积水深度和积水时间来综合确定内涝风险评估指标。将评估指标按照风险等级的高低划分为红、黄、蓝三级。风险等级：红色＞黄色＞蓝色。分别在10年一遇、20年一遇、30年一遇长历时降雨条件下进行模拟，得到不同风险等级下的内涝积水区域。并将三种风险等级的内涝积水区域以多边形的形式导出为shape file(是一种空间数据格式，用于描述几何体对象，如点、折线与多边形)，然后在Arc Gis(Arc Gis是世界领先的地理信息系统构建和应用平台)中制作洪水风险图。

(9)方案优化。根据内涝风险评估确定出高风险积水区域后，提出高风险区域排水防涝系统的改造方案(如增加泵站、增加调蓄设施、管网改造等)，并将提出的方案录入模型中，来验证方案的合理性。通过模型模拟，判断所提方案是否可以有效降低该区域的内涝积水风险。若通过模型模拟，方案不合理，则对方案进行优化调整，直至其满足要求为止。

下面以J区域为例对本发明做进一步的说明。

本实施例以某地区排水防涝模型构建，并基于构建的模型进行内涝风险评估为实例进行详细说明。

步骤1，收集研究区域内的管网资料(检查井井底高程、地面高程；管道管径、上下游管内底标高等)、河湖断面形状及标高、地面高程数据(如DEM)、用地类型等基础数据。对管网进行概化，删除对整个排水防涝系统影响较小的管道。将基础数据整理成可导入Infoworks ICM的格式。

步骤2，建立管网模型。首先通过数据导入中心导入检查井基础数据、管道基础数据。然后进行拓扑关系检查。对其中孤立节点、孤立管道、重合管道、下游底高程高于地面标高、上游底高程高于地面标高、检查井地面标高数据缺失等错误进行处理。将所有拓扑关系检查出现的问题一一解决后，开始划分子集水区。若基础数据中已有各个子集水区的边界，则直接将其导入即可。若没有，需先绘制边界多边形，在绘制的边界多边形内基于泰森多边形自动划分子集水区。子集水区由路面、屋面、绿地等产流表面构成，每个子集水区加和其所有产流表面产生的径流，由此得到子集水区的总径流量。然后分别定义径流表面(道路、房屋、绿地等)与土地用途，并初步设定其相关参数。导入道路与建筑物多边形，并更改多边形种类，分别将各类多边形的用户编号与产流表面一一对应。执行区域面积提取，得到子集水区中各类用地类型的绝对产流面积。最后设置管网模型的相关参数，如管道的曼宁系数设置为0.014。

步骤3，建立地面洪水演进模型。首先导入地面高程点。将处理好的地面高程点通过数字导入中心导入模型中。然后创建2维区域，可手动绘制，也可导入。然后设置2维区域相关参数，最大、最小三角区域面积根据实际需求(精度、区域面积等)设置，本次建模最大三角形面积取500m²，最小取80m²。然后将二维区域网格化。然后通过改变管网模型的洪水类型来建立一维管网与二维地面的连接。

步骤4，建立河道模型。首先导入河道中心线。若有横断面基础数据，直接导入，若无，则通过沟渠转断面生成横断面线。选中河道中心线和河道断面，通过以线创建断面功能，更新河道断面数据。然后创建河道两侧的河岸线，根据需要选择是否沿中心线走向生成河岸线。选中生成的河岸线，创建河岸。并通过SQL语句设置河岸相关参数。之后创建河岸边界，河岸边界起到了空白区的功能，使河道内部不再生成2D网格，沿着河道边缘生成2D网格。建立河道与2D区间之间的连接，建立连接后，河道与二维网格才能产生水量交互计算。

步骤5,建立各种边界条件，如降雨、河道初始水位、流量、蒸发等。首先根据当地的暴雨强度公式建立不同重现期下的降雨事件，或者直接将实测降雨分钟级数据导入后建立实测降雨事件。然后设置河道初始边界条件，针对各条河道，分别建立各条河道的流量与水位事件。蒸发量可根据当地的实际情况设置相关参数。

步骤6，基于实测的降雨事件，运行模拟。

步骤7，参数率定。通过将实测降雨下的模拟结果与实测值对比，分析差值是否在允许范围内，若满足要求，说明模型可以用于内涝风险评估。若不满足，不断修正管道曼宁系数、下垫面各项参数、河道相关参数等，优化模型运维精度，直到其满足参数率定要求为止。本实施例中，经参数率定，管道的曼宁系数设置为0.013。绿地汇流参数取0.05，径流量类型为horton，初期入渗率280ml/hr，极限入渗率6.3ml/hr。铺装地块汇流参数取0.02，径流量类型选择fixed，固定径流系数为0.9；建筑屋顶汇流系数取0.01，径流量类型选fixed，固定径流系数为0.85。

步骤8，进行内涝风险评估。评估指标根据积水深度和积水时间来综合确定。风险等级划分为红、黄、蓝三级。将积水深度大于0.5m以及积水深度介于0.25m～0.5m之间且积水时间大于30min的积水区域划为红色等级；将积水深度介于0.25m～0.5m且积水时间在0～30min内或积水深度介于0.15m～0.25m且积水时间大于30min的划为黄色等级；将积水深度介于0.15～0.25且积水时间在30分钟以内的区域划为蓝色等级。风险等级红色＞黄色＞蓝色。分别在10年一遇、20年一遇、30年一遇长历时降雨条件下进行模拟，得到不同风险等级下的内涝积水区域。并将三种风险等级的内涝积水区域以多边形的形式导出为shapefile，然后在Arc Gis中制作洪水风险图。

步骤9，方案优化。提出相应的排水防涝系统改造方案，如新建管道、改造管道、新建泵站、新建调蓄池、扩建河道等，并将改造方案录入模型中，验证方案的合理性。本实施例在内涝积水区域将一条雨水管道由D600改造为D1200，坡度1％，将该改造方案录入模型中，通过模拟，该方案可以有效解决该区域的内涝积水问题。

此外，基于上述的方法，本实施例还提出了一种城市排水防涝系统模型构建及内涝风险评估系统，包括如下模块：第一模块：被配置为获取排水防涝系统的数据并进行数据处理，包括管网数据、地面高程数据、河道数据；第二模块：被配置为利用处理后的管网基础属性数据，建立管网模型；第三模块：被配置为利用处理后的地面高程数据建立地面洪水演进模型；并联立管网模型与地面洪水演进模型的连接；第四模块：被配置为根据河道中心线以及处理后的河道横断面数据，建立河道模型，并建立河道模型与管网模型、地面洪水演进模型的连接；第五模块：被配置为设定上述各个模型的边界条件，运行模拟；第六模块：被配置为修正模型的各项参数，优化模型运维精度；第七模块：被配置为基于模型运行模拟结果，进行内涝风险评估，确定积水区域、积水深度，划分风险等级，并绘制洪水最大风险图；第八模块：被配置为建立高风险区域排水防涝系统的改造方案，并将提出的方案录入模型中，验证方案的合理性。

上述各个模块处理的具体过程参见前面的方法部分在此就不进行赘述了。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种城市排水防涝系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取排水防涝系统的相关数据并进行数据处理，包括管网基础属性数据、地面高程数据、河道数据；

2)利用处理后的管网基础属性数据，建立管网模型；

3)利用处理后的地面高程数据，建立地面洪水演进模型，并联立管网模型与地面洪水演进模型的连接；

4)根据河道中心线以及处理后的河道横断面数据，建立河道模型，并建立河道模型与管网模型、地面洪水演进模型的连接；

5)设定上述各个模型的边界条件，运行模拟；

6)修正模型的各项参数，优化模型运维精度；

7)基于模型运行模拟结果，进行内涝风险评估，确定积水区域、积水深度，划分风险等级，并绘制洪水最大风险图；

8)根据内涝风险评估确定出高风险积水区域后，提出高风险区域排水防涝系统的改造方案。

2.如权利要求1所述的城市排水防涝系统的构建方法，其特征在于，步骤2)的具体过程如下：

首先导入管网系统的基础属性数据，并进行拓扑关系检查，对检查出的各种问题一一进行处理；然后导入子集水区或者自行划分子集水区，之后进行区域面积提取，提取下垫面的贡献面积，最后设置管网模型相关参数。

3.如权利要求1所述的城市排水防涝系统的构建方法，其特征在于，步骤3)的具体过程如下：

将处理后的地面高程点通过数字导入中心导入模型中后，创建二维区域，并设置二维区域相关参数，然后将二维区域网格化，得到二维区域网格；网格化之后联立管网模型与地面洪水演进模型的连接。

4.如权利要求1所述的城市排水防涝系统的构建方法，其特征在于，步骤4)的具体过程如下：

首先导入河道中心线，再导入或绘制横断面线，创建河道两侧的河岸线，创建完河岸线后创建河岸，并设置相关参数；河岸创建完成后，创建河岸边界；最后建立河道与地面洪水演进模型的连接，使河道与二维区域网格产生水量交互计算。

5.如权利要求1所述的城市排水防涝系统的构建方法，其特征在于，管网模型与地面洪水演进模型的边界条件包括降雨量、蒸发量。

6.如权利要求1所述的城市排水防涝系统的构建方法，其特征在于，河道模型的边界条件包括河道初始水位、流量。

7.如权利要求1所述的城市排水防涝系统的构建方法，其特征在于，模型优化的方法如下：

通过将实测降雨下的模拟结果与实测值对比，分析差值是否在允许范围内，若满足要求，说明模型可用，若不满足，不断修正各项系数，直至满足要求为止。

8.如权利要求1所述的城市排水防涝系统的构建方法，其特征在于，内涝风险评估的方法如下：

根据积水深度和积水时间来综合确定内涝风险评估指标，将评估指标按照风险等级的高低划分三级，分别在10年一遇、20年一遇、30年一遇长历时降雨条件下进行模拟，得到不同风险等级下的内涝积水区域，并制作洪水风险图。

9.如权利要求1所述的城市排水防涝系统的构建方法，其特征在于，在提出改进方案之后，并将提出的方案录入相关的模型中，来验证方案的合理性，通过模型模拟，判断所提方案是否可以有效降低该区域的内涝积水风险；若通过模型模拟，方案不合理，则对方案进行优化调整，直至其满足要求为止。

10.一种城市排水防涝系统的构建系统，其特征在于，如下：

第一模块：被配置为获取排水防涝系统的数据并进行数据处理，包括管网数据、地面高程数据、河道数据；

第二模块：被配置为利用处理后的管网基础属性数据，建立管网模型；

第三模块：被配置为利用处理后的地面高程数据建立地面洪水演进模型；并联立管网模型与地面洪水演进模型的连接；

第四模块：被配置为根据河道中心线以及处理后的河道横断面数据，建立河道模型，并建立河道模型与管网模型、地面洪水演进模型的连接；

第五模块：被配置为设定上述各个模型的边界条件，运行模拟；

第六模块：被配置为修正模型的各项参数，优化模型运维精度；

第七模块：被配置为基于模型运行模拟结果，进行内涝风险评估，确定积水区域、积水深度，划分风险等级，并绘制洪水最大风险图；

第八模块：被配置为建立高风险区域排水防涝系统的改造方案，并将提出的方案录入模型中，验证方案的合理性。

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