CN115758712B - 城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法。它包括如下步骤，步骤一：基础数据获取与整理，城市雨洪模型构建；步骤二：基础数据获取与整理，城市内河、外江一维河网水动力学模型构建；步骤三：实现城市内涝过程与城市河网洪水过程的双向互馈联算；将城市雨洪模型中的雨水排口以点源方式加入一维河网水动力学模型，并由一维河网水动力学模型计算得到的水位作为雨水排口的下游水位边界条件，从而实现城市雨洪模型与城市内河、外江河网一维水动力学模型的耦合，实现城市内涝过程与城市河网洪水过程的双向互馈联算。本发明具有能准确反映城市复杂下垫面产汇流过程与城市内河、外江洪水过程的双向影响的优点。
Description
技术领域
本发明涉及城市内涝防治技术领域，更具体地说它是一种城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法。更具体地说它是一种耦合城市内涝、外洪的城市雨洪模型构建方法。
背景技术
城市雨洪模型是研究城市雨洪特性及内涝发生、发展和消退全过程的重要技术手段，20世纪70年代起，随着部分政府机构开展城市雨洪模型研发，城市雨洪模型得到了迅速的发展，目前已开发出诸如 TRRL、SWMM、Wallingford、MIKE URBAN等多种城市雨洪模型。
根据城市雨洪模型搭建的理论基础，主要分为水文学和水动力学模型两大类。水文模型通过建立输入-输出关系得到最终的地表汇流过程，适用性较强，方法简单，但背后的物理机制不明确。至上世纪 90年代，随着计算机技术的高速发展，多种城市雨洪水文学模型被相继开发出来。其中由EPA发布的SWMM因其适用性较广、代码开源等优势，作为代表性的水文学模型被广泛应用于国内外众多城市的雨洪模拟预测和风险评估中。对于上述基于经验算法的水文学模型，由于城市下垫面条件的复杂性，加之雨水管网的加速建设，市区内的产汇流条件相较于普通流域存在较大差异，已无法应用在城市雨洪过程的模拟中。水动力学模型的理论基础一般为圣维南方程组或其简化形式，由于其能较完整和精确地考虑研究区真实地形、产汇流参数时空变化、水流地表和地下的径流过程等，计算精度较传统水文学模型更精确和全面。
然而，目前所建立的水动力学模型大都无法准确考虑下游承泄区水位顶托影响，滨湖或沿河城市雨洪遭遇组合分析手段尚不完善，尚未见成熟的适合于城市复杂下垫面条件的降雨产汇流模拟方法。此外，城市排水分区的划分大都采用静态划分方法，一旦确定划分结果，在计算过程中不再进行调整，无法反应城市雨水口集雨面积随降雨强度变化这一事实，难以支撑高精度的城市降雨产汇流过程模拟。因此，亟需从城市雨洪模型的底层物理机制出发，对其降雨产流、地表和管渠汇流、排口外排、河道下泄等各组成部分进行模型重构，并提出有足够科学依据和较为固定的城市自排水区划分方法和流程，以适应城市复杂下垫面、外江内河洪水与内涝高度耦合的特征，提高我国城市内涝防治技术支撑能力。
发明内容
本发明的目的是为了提供城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法，结合城市实际产汇流特点，全面考虑城市降雨时空分布、下垫面条件变化、城市市政排水管渠系统、外江和内河洪水顶托等多维因素的联合作用，能较好适应城市复杂下垫面特征、复杂下垫面产汇流过程模拟精度高，城市排水分区为动态划分、能准确反映集雨面积随降雨强度变化，实现城市内涝过程与城市内河及外江洪水过程的耦合联算、能准确反映城市复杂下垫面产汇流过程与城市内河、外江洪水过程的双向影响；解决现有城市雨洪模型中复杂下垫面产汇流过程模拟精度不高、排水分区静态划分，以及难以准确反映城市外江、内河洪水对内涝过程影响的不足。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：基础数据获取与整理，城市雨洪模型构建，以及城市排水区的高精度动态划分；
首先，收集整理研究区域城市雨洪模型构建所需基础数据(如下垫面、降雨、洪水、雨水管渠系统、排涝泵站、雨水排口这些基础资料)，构建集城市降雨产流、地表和管渠汇流、泵站和排口外排这些功能模块的城市雨洪模型，并通过地表汇流模块的反复试算实现城市排水分区的高精度动态划分；
步骤二：基础数据获取与整理，城市内河、外江一维河网水动力学模型构建；
其次，收集城市内河和外江河道断面、流域设计洪水等基础资料，构建城市内河、外江一维河网水动力学模型；
步骤三：实现城市内涝过程与城市河网洪水过程的双向互馈联算；
最后，将城市雨洪模型中的雨水排口以点源方式加入一维河网水动力学模型，并由一维河网水动力学模型计算得到的水位作为雨水排口的下游水位边界条件，从而实现城市雨洪模型与城市内河、外江河网一维水动力学模型的耦合，实现城市内涝过程与城市河网洪水过程的双向互馈联算。
在上述技术方案中，在步骤一中，基础数据为城市雨洪模型构建所需基础数据，基础数据包括城市高精度下垫面、降雨、洪水和排水系统资料；
其中，高精度下垫面资料具体包括高精度地形、地面各类建筑物和构筑物资料等，为达到较高的模拟精度，地形测绘在平面上须达到 1︰500比例尺精度，高程上须达到1︰100比例尺精度，地面建筑物和构筑物需高精度描绘地物轮廓和相互之交的空间交叉关系；
降雨资料获取和分析采用年最大值法进行暴雨选样，并采用“长包短、大包小”同频率方法推求不同降雨历时的设计雨型，确保短历时设计降雨过程包含在长历时设计降雨过程中；
城市排水系统包括雨水管渠、雨水口、检查井、排涝泵站和雨水排口，收集详尽的工程任务和规模参数、平面和断面设计和竣工验收图纸，并采用CAD或GIS这些软件进行数字化管理。
在上述技术方案中，在步骤1中，城市雨洪模型构建的方法，包括如下步骤：
步骤S11：降雨产汇流模块构建；
步骤S12：地表汇流模型构建；
采用数值求解二维浅水方程实现雨水在地表沿坡面的汇流过程，数值求解方法采用格子Botlzmann方法，其中离散速度模型采用D2Q9 模型；
步骤S13：雨水管渠汇流模型构建；
步骤S14：城市排水分区高精度动态划分；
步骤S15：管网汇流模型与地表汇流模型的耦合；
在上述技术方案中，在步骤S11中，降雨产汇流模块构建方法为：
采用时间-面积曲线法描述城市下垫面的汇流过程，假定汇水区内各点的雨水汇流速度相同，区域出水口流量由每个子汇水流面积上的径流按汇流至出水口的时间依次线性叠加而成，其计算公式为：
式(1)中，Q(ti)为ti时刻雨水口的入汇流量，F为雨水口的集雨面积，为ti-j时刻的降雨强度，α为单位换算系数，Δt为时间间隔；
对于任意形状的汇水区，其汇水时间-汇水面积曲线可由矩形、发散型、汇集型等三种基本的曲线类型，并根据研究区实际的降雨产汇流特征，通过比例参数组合确定。
在上述技术方案中，在步骤S13中，雨水管渠汇流模型构建的具体方法为：采用Preissmann假设，在管渠顶端引入一段假想的无限高狭槽，狭槽的宽度bslot取决于管道横断面面积和水流波速：
式(2)中，g为重力加速度，A0为重力流条件下的管渠过水面积， a0为水流的波速；可以证明，如此设置后，压力流条件下，管渠内部水流的密度ρ和过水面积A可表示为：
式(3)中，D为管道的直径，ρ0为重力流条件下的水流密度，ar取决于管道的杨氏模量和管壁厚度。
在上述技术方案中，在步骤S14中，城市排水分区高精度动态划分的具体方法为：
步骤S141：原始地形数据处理；
原始地形数据处理包括补充墙体、过桥涵洞、路肩这些对地表汇流过程影响较大但在地形中未能准确反映的地物，同时去除天棚、立交桥、过街天桥这些遮挡雨水实际汇流路径的地物；
步骤S142：排水分区初步划分；
根据城市水系格局、地势、用地布局，结合交通道路、竖向规划和雨水受纳水体位置，遵循高水高排、低水低排的原则进行划分，同时宜与河流、湖泊、沟塘、洼地等天然流域分区保持一致；
步骤S143：不同重现期降雨地表漫流模拟与排水分区修正；
不同重现期降雨地表漫流模拟可采用构建的地表汇流模型进行，地表汇流模型输入条件为不同重现期的设计降雨过程，重点对比分析随着降雨强度的增大，地表不同区域汇水路径的变化情况，确定导致区域汇水路径发生变化的降雨强度阈值，从而将不同雨水口的集雨面积与降雨强度挂钩，最终针对每一个雨水口，构建与降雨强度相关的排水分区集合，在实际的城市雨洪计算过程中随降雨强度的变化可实现相应排水分区的自动选取。
在上述技术方案中，在步骤S15中，管网汇流模型与地表汇流模型的耦合的具体方法为：
将一维管渠汇流模型与二维地表汇流模型进行耦合，模拟地表雨水通过雨水口进入管渠和管渠超载后雨水溢出地表的双向过程，两者间的水量交换采用孔口流量方程定量计算：
式(4)中，Qex为管渠和地表的交换流量，HP为管道水位，HG为地表水位，Ain为雨水口的过水面积，CD为流量系数；sign(x)为符号函数，当x>0时，sign(x)＝1；当x＝0时，sign(x)＝0；当x<0时，sign(x)＝-1。
在上述技术方案中，在步骤二中，城市内河包括城市内部的承担城市排水功能的排涝沟渠和排涝河道；
城市外江主要指承担流域性防洪任务的外部河道；
城市内河、外江一维河网水动力学模型构建，具体方法如下；
一维河网水动力学模型控制方程为一维明渠的圣维南方程组，采用4点Preissmann隐格式进行数值求解，时间偏导数取相邻节点时间偏导数的平均值，空间偏导数取相邻节点一阶向前差分的加权平均值，方程组离散后得到的非线性方程组采用Newton-Raphson迭代法求解，同时采用水位-预测矫正法实现一维河网联算。
在上述技术方案中，在步骤三中，雨水排口流量计算采用孔口淹没出流公式，考虑雨水管渠和下游承泄区的水头差：
式(5)中，Qout为雨水排口排出流量，H0为雨水管渠和下游承泄区的水头差，Aout为雨水排口的过水面积，ε为收缩系数，为流速系数；
计算雨水排口排出流量时需耦合下游承泄区水头，当雨水排口排放至城市内河、外江且其流速较缓时，速度水头可以忽略不计，下游承泄区水头可直接取为内河、外江在雨水排口处的水位变化过程，从而实现城市雨洪模型与城市内河、外江一维水动力学模型间的动态耦合。
本发明创新性提供一种城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法，本发明方法的有益效果具体包括：
(1)所提方法在收集城市高精度下垫面、降雨、洪水和排水系统等资料的基础上，能全面考虑城市降雨时空分布、下垫面条件变化、城市市政排水管渠系统、外江和内河洪水顶托等多维因素对城市内涝发生、发展和消退全过程的联合作用，提供完备的城市内涝模拟技术手段；
(2)针对现有流域产汇流模型难以适应城市复杂下垫面条件难题，采用时间-面积曲线法描述城市下垫面的产汇流过程，构建了适用于城市复杂下垫面条件的降雨产汇流模型，能较好适应城市复杂下垫面特征、复杂下垫面产汇流过程模拟精度高；
(3)针对城市排水分区静态划分的问题，提出了一种城市排水分区动态划分方法，通过原始地形数据处理、排水分区初步划分、不同重现期降雨地表漫流模拟与排水分区修正等三个步骤，针对城市每一个雨水口，构建与降雨强度相关的排水分区集合，在实际的城市雨洪计算过程中随降雨强度的变化可实现相应排水分区的自动选取，能准确反映集雨面积随降雨强度变化；
(4)针对现有城市雨洪模型难以准确反映下游承泄区水位顶托影响的不足，提出了一种耦合城市雨洪模型与城市内河、外江一维水动力学模型的方法，实现城市雨洪过程与承泄区洪水过程的联算，一方面可更为准确地计算承泄区水位变化对城市雨水外排过程的影响，另一方面可更为真实地反映城市复杂下垫面产汇流过程对内河、外江的区间入流的影响，从而实现准确反映城市复杂下垫面产汇流过程与城市内河、外江洪水过程的双向影响。
本发明通用性较好，且模块化程度较高，可适用于一般城市内涝问题的分析模拟，并根据模拟结果剖析城市内涝成因和对积涝点进行有的放矢的治理，对我国各类特别是濒临河湖承泄区的城市内涝治理规划、设计和后评估工作提供良好的技术支撑。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是本发明中的三种规则的汇水面积以及其对应的汇流面积曲线图。
图2中的(a)图为汇水时间-汇水面积曲线类型为矩型；图2中的 (b)图为汇水时间-汇水面积曲线类型为发散型；图2中的(c)图为汇水时间-汇水面积曲线类型为汇集型；图2中的(d)图为汇水面积曲线。 在图2中(a)图、(b)图、(c)图中，b为汇水时间-汇水面积曲线的宽，h为汇水时间-汇水面积曲线的高；
图3是本发明在雨水管渠顶端设置的假想无限高狭槽示意图。
在图3中，D表示管道的直径；bslot表示狭槽的宽度。
图4是本发明实施例研究范围示意图。
图5是本发明实施例地表和管渠汇流模型构建示意图。
图6是本发明实施例中基于泰森多边形法和本发明划分的城市排水分区对比示意图。
图7是本发明实施例不同频率雨洪组合下，深圳市罗湖区罗雨干渠片区积涝水深分布情况图。
图8是本发明实施例中，50年一遇设计雨洪组合下，罗雨泵站、罗雨水闸、深圳火车站东广场泵站和雨水排口外排流量过程图。
图9是本发明实施例中，50年一遇设计雨洪组合下，罗雨干渠沿程最高水位示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
本发明从城市雨洪模型的底层物理机制出发，对其降雨产流、地表和管渠汇流、排口外排、河道下泄等各组成部分进行模型重构，并提出了有足够科学依据和较为固定的城市自排水区划分方法和流程，能较好适应城市复杂下垫面、外江内河洪水与内涝高度耦合的特征、复杂下垫面产汇流过程模拟精度高，城市排水分区为动态划分、能准确反映集雨面积随降雨强度变化，实现城市内涝过程与城市内河及外江洪水过程的耦合联算、能准确反映城市复杂下垫面产汇流过程与城市内河、外江洪水过程的双向影响，提高了我国城市内涝防治技术支撑能力。
参阅附图可知：城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法，包括如下步骤，
步骤一：基础数据获取与整理，城市雨洪模型构建，以及城市排水区的高精度动态划分；
首先，收集整理研究区域下垫面、降雨、洪水、雨水管渠系统、排涝泵站、雨水排口等基础资料，构建集城市降雨产流、地表和管渠汇流、泵站和排口外排等功能模块的城市雨洪模型，并通过地表汇流模块的反复试算实现城市排水分区的高精度动态划分；
步骤二：基础数据获取与整理，城市内河、外江一维河网水动力学模型构建；
其次，收集城市内河和外江河道断面、流域设计洪水等基础资料，构建城市内河、外江一维河网水动力学模型；
步骤三：实现城市内涝过程与城市河网洪水过程的双向互馈联算；
最后，将城市雨洪模型中的雨水排口以点源方式加入一维河网水动力学模型，并由一维河网水动力学模型计算得到的水位作为雨水排口的下游水位边界条件，从而实现城市雨洪模型与城市内河、外江河网一维水动力学模型的耦合，实现城市内涝过程与城市河网洪水过程的双向互馈联算(如图1所示)。
进一步地，在步骤一中，基础数据为城市雨洪模型构建所需基础数据，基础数据包括高精度下垫面、降雨、洪水和排水系统资料；
其中，高精度下垫面资料具体包括城市高精度地形、地面各类建筑物和构筑物资料等，为达到较高的模拟精度，地形测绘在平面上须达到1︰500比例尺精度，高程上须达到1︰100比例尺精度，地面建筑物和构筑物需高精度描绘地物轮廓和相互之交的空间交叉关系；
降雨资料获取和分析可参考《室外排水设计标准》(GB 50014-2022)，采用年最大值法进行暴雨选样，并采用“长包短、大包小”同频率方法推求不同降雨历时的设计雨型，确保短历时设计降雨过程包含在长历时设计降雨过程中；
城市排水系统包括雨水管渠、雨水口、检查井、排涝泵站和雨水排口等，应收集详尽的工程任务和规模参数、平面和断面设计和竣工验收图纸等，并采用CAD或GIS等软件进行数字化管理。
进一步地，在步骤1中，城市雨洪模型构建的方法，包括如下步骤：
步骤S11：降雨产汇流模块构建；
步骤S12：地表汇流模型构建；
采用数值求解二维浅水方程实现雨水在地表沿坡面的汇流过程，数值求解方法采用格子Botlzmann方法，其中离散速度模型采用D2Q9 模型；
步骤S13：雨水管渠汇流模型构建；
步骤S14：城市排水分区高精度动态划分；
步骤S15：管网汇流模型与地表汇流模型的耦合；
进一步地，在步骤S11中，降雨产汇流模块构建方法为：
考虑到城市下垫面具有汇水面积较小、地表覆盖情况复杂、汇流区域边界不明显等特点，本发明采用时间-面积曲线法描述城市下垫面的汇流过程，假定汇水区内各点的雨水汇流速度相同，区域出水口流量由每个子汇水流面积上的径流按汇流至出水口的时间依次线性叠加而成，其计算公式为：
式(1)中，Q(ti)为ti时刻雨水口的入汇流量，F为雨水口的集雨面积，为ti-j时刻的降雨强度，α为单位换算系数，Δt为时间间隔；
为计算确定汇水区的汇流过程，还需要提供汇水区的汇水时间- 汇水面积关系。对于任意形状的汇水区，其汇水时间-汇水面积曲线可由矩形、发散型、汇集型等三种基本的曲线类型，并根据研究区实际的降雨产汇流特征，通过比例参数组合确定，三种基本的汇流面积曲线如图2所示。
进一步地，在步骤S13中，雨水管渠汇流模型构建的具体方法为：
一维管渠水动力学控制方程为一维圣维南方程组，数值离散求解方法采用6点Abbott格式。一维圣维南方程组只适用于重力流情形，当降雨强度超过雨水管渠输水能力时(管渠超载)，管渠中的流态将由重力流转变为压力流。针对这一问题，为让一维圣维南方程组依然适用于压力流情形，采用Preissmann假设，在管渠顶端引入一段假想的无限高狭槽，如图3所示，狭槽的宽度bslot取决于管道横断面面积和水流波速：
式(2)中，g为重力加速度，A0为重力流条件下的管渠过水面积， a0为水流的波速。可以证明，如此设置后，压力流条件下，管渠内部水流的密度ρ和过水面积A可表示为：
式(3)中，D为管道的直径，ρ0为重力流条件下的水流密度，ar取决于管道的杨氏模量和管壁厚度。
进一步地，在步骤S14中，城市排水分区高精度动态划分的具体方法为：
步骤S141：原始地形数据处理；
原始地形数据处理包括补充墙体、过桥涵洞、路肩等对地表汇流过程影响较大但在地形中未能准确反映的地物，同时去除天棚、立交桥、过街天桥等遮挡雨水实际汇流路径的地物；
步骤S142：排水分区初步划分；
排水分区初步划分可参考《城市片排水工程规划规范》(GB 50318-2017)，根据城市水系格局、地势、用地布局，结合交通道路、竖向规划和雨水受纳水体位置，遵循高水高排、低水低排的原则进行划分，同时宜与河流、湖泊、沟塘、洼地等天然流域分区保持一致；
步骤S143：不同重现期降雨地表漫流模拟与排水分区修正；
不同重现期降雨地表漫流模拟可采用构建的地表汇流模型进行，地表汇流模型输入条件为不同重现期的设计降雨过程，重点对比分析随着降雨强度的增大，地表不同区域汇水路径的变化情况，确定导致区域汇水路径发生变化的降雨强度阈值，从而将不同雨水口的集雨面积与降雨强度挂钩，最终针对每一个雨水口，构建与降雨强度相关的排水分区集合，在实际的城市雨洪计算过程中随降雨强度的变化可实现相应排水分区的自动选取。
进一步地，在步骤S15中，管网汇流模型与地表汇流模型的耦合的具体方法为：
将一维管渠汇流模型与二维地表汇流模型进行耦合，模拟地表雨水通过雨水口进入管渠和管渠超载后雨水溢出地表的双向过程，两者间的水量交换采用孔口流量方程定量计算：
式(4)中，Qex为管渠和地表的交换流量，HP为管道水位，HG为地表水位，Ain为雨水口的过水面积，CD为流量系数；sign(x)为符号函数，当x>0时，sign(x)＝1；当x＝0时，sign(x)＝0；当x<0时，sign(x)＝-1。
进一步地，在步骤二中，城市内河包括城市内部的承担城市排水功能的排涝沟渠和排涝河道；
城市外江主要指承担流域性防洪任务的外部河道，一般城市外部河道可作为城市防洪保护圈的划分边界；
城市内河、外江河道断面测量需满足如下要求：
①对于建有堤防的河道，河道断面需延伸至两侧堤防堤顶；对于未建有堤防的河道，河道断面需向两侧延伸至历史最高洪水位处；
②河道断面间距应根据计算精度需求布置，同时在河道束窄、拓宽和断面形态发生较大变化处进行加密测量。对于桥梁、跨河管线等跨河建筑物处，应在建筑物上、下游和建筑物所在断面进行断面测量；
城市内河、外江一维河网水动力学模型构建，具体方法如下；
一维河网水动力学模型控制方程为一维明渠的圣维南方程组，采用4点Preissmann隐格式进行数值求解，时间偏导数取相邻节点时间偏导数的平均值，空间偏导数取相邻节点一阶向前差分的加权平均值，方程组离散后得到的非线性方程组采用Newton-Raphson迭代法求解，同时采用水位-预测矫正法实现一维河网联算。
进一步地，在步骤三中，雨水排口流量计算采用孔口淹没出流公式，考虑雨水管渠和下游承泄区的水头差：
式(5)中，Qout为雨水排口排出流量，H0为雨水管渠和下游承泄区的水头差(由一维河网水动力学模型计算得到)，Aout为雨水排口的过水面积，ε为收缩系数，为流速系数；
计算雨水排口排出流量时需耦合下游承泄区水头，当雨水排口排放至城市内河、外江且其流速较缓时，速度水头可以忽略不计，下游承泄区水头可直接取为内河、外江在雨水排口处的水位变化过程，从而实现城市雨洪模型与城市内河、外江一维水动力学模型间的动态耦合。
实施例：
现以本发明试用于某市某片区进行城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它区域进行城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建同样具有指导作用。
本实施例以本发明应用于某市某片区为研究目标，研究范围如图 4所示，构建城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型，并以不同频率设计降雨和设计洪水为例进行模拟，评估片区现状内涝防治重现期。具体实施步骤如下：
步骤1：首先，收集片区高精度下垫面、降雨、洪水和排水系统等基础资料，并利用CAD或GIS等软件对各类资料进行数字化管理。
步骤2：构建片区城市雨洪模型，包括降雨产汇流模型、地表和管渠汇流模型，如图5所示，并实现城市排水分区的动态划分，如图 6所示，构建与降雨强度相关的排水分区集合，同时实现地表二维汇流模型与雨水管渠一维汇流模型间的耦合。
步骤3：构建片区城市内河、外江一维河网水动力学模型，并通过雨水排口实现该模型与城市雨洪模型间的耦合。
步骤4：以10年一遇、20年一遇、50年一遇等不同频率设计降雨和外江设计洪水组合为输入边界条件，运用构建的模型开展计算，模拟分析片区不同降雨和雨洪组合工况下内涝的发生、发展和消退情况，计算结果如图7所示。同时分析片区骨干雨水管渠和主要排涝泵站的运行情况，以此分析其内涝成因，片区内最大的罗雨泵站和深圳火车站东广场泵站及雨水排口外排流量过程如图8所示，罗雨干渠最高运行水位沿程变化情况如图9所示，可见作为片区骨干雨水外排通道，因在新都酒店处分布一处截污堰，存在较大的阻水作用，导致罗雨干渠堰上游渠段均处于超载状态。
步骤5：片区遭遇10年一遇3h降雨未出现内涝灾害，而遭遇20 年一遇降雨时，首先在爱国路沿线、东门老街、湖贝路与东门中路交汇处等位置开始出现内涝灾害，部分地段积涝水深超过《室外排水设计标准》(GB 50014-2022)规定的主干道一条车道积水深度不超过0.15m的标准，且随着降雨强度的增大，片区内涝灾害范围及严重程度逐渐增大。因此，罗雨干渠片区现状内涝防治标准为10～20年一遇。
结论：本实施例采用本发明方法能较好适应某市某片区复杂下垫面特征、复杂下垫面产汇流过程模拟精度高，对某市某片区排水分区为动态划分、能准确反映集雨面积随降雨强度变化，实现某市某片区内涝过程与某市某片区内河及外江洪水过程的耦合联算、能准确反映某市某片区复杂下垫面产汇流过程与城市内河、外江洪水过程的双向影响。本实施例采用本发明通用性较好，且模块化程度较高(如构建城市雨洪模型、构建城市内河、外江一维河网水动力学模型，等)，可适用于某市某片区内涝问题的分析模拟，并根据模拟结果剖析某市某片区内涝成因和对积涝点进行有的放矢的治理，对本实施例某市某片区内涝治理规划、设计和后评估工作提供良好的技术支撑。
其它未说明的部分均属于现有技术。
Claims (7)
1.城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法，其特征在于：从城市雨洪模型的底层物理机制出发，对其降雨产流、地表和管渠汇流、排口外排、河道下泄各组成部分进行模型重构，并提出城市自排水区划分方法和流程，适应城市下垫面、外江内河洪水与内涝高度耦合的特征、下垫面产汇流过程模拟，城市排水分区为动态划分、反映集雨面积随降雨强度变化，实现城市内涝过程与城市内河及外江洪水过程的耦合联算、反映城市下垫面产汇流过程与城市内河、外江洪水过程的双向影响；
具体方法，包括如下步骤，
步骤一：基础数据获取与整理，城市雨洪模型构建，以及城市排水区的高精度动态划分；
首先，收集整理研究区域城市雨洪模型构建所需基础数据，构建集城市降雨产流、地表和管渠汇流、泵站和排口外排功能模块的城市雨洪模型，并通过地表汇流模块的反复试算实现城市排水分区的动态划分；
步骤二：基础数据获取与整理，城市内河、外江一维河网水动力学模型构建；
其次，收集城市内河和外江河道断面、流域设计洪水基础资料，构建城市内河、外江一维河网水动力学模型；
步骤三：实现城市内涝过程与城市河网洪水过程的双向互馈联算；
最后，将城市雨洪模型中的雨水排口以点源方式加入一维河网水动力学模型，并由一维河网水动力学模型计算得到的水位作为雨水排口的下游水位边界条件，从而实现城市雨洪模型与城市内河、外江河网一维水动力学模型的耦合，实现城市内涝过程与城市河网洪水过程的双向互馈联算；
在所述步骤1中，城市雨洪模型构建的方法，包括如下步骤：
步骤S11：降雨产汇流模块构建；
步骤S12：地表汇流模型构建；
采用数值求解二维浅水方程实现雨水在地表沿坡面的汇流过程，数值求解方法采用格子Botlzmann方法，其中离散速度模型采用D2Q9模型；
步骤S13：雨水管渠汇流模型构建；
步骤S14：城市排水分区动态划分；
步骤S15：管网汇流模型与地表汇流模型的耦合；
在所述步骤二中，城市内河包括城市内部的承担城市排水功能的排涝沟渠和排涝河道；
城市外江主要指承担流域性防洪任务的外部河道；
城市内河、外江一维河网水动力学模型构建，具体方法如下；
一维河网水动力学模型控制方程为一维明渠的圣维南方程组，采用4点Preissmann隐格式进行数值求解，时间偏导数取相邻节点时间偏导数的平均值，空间偏导数取相邻节点一阶向前差分的加权平均值，方程组离散后得到的非线性方程组采用Newton-Raphson迭代法求解，同时采用水位-预测矫正法实现一维河网联算。
2.根据权利要求1所述的城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法，其特征在于：在步骤一中，基础数据为城市雨洪模型构建所需基础数据，基础数据包括城市下垫面、降雨、洪水和排水系统资料；
其中，下垫面资料具体包括地形、地面各类建筑物和构筑物资料，地形测绘在平面上达到1︰500比例尺精度，高程上达到1︰100比例尺精度，地面建筑物和构筑物描绘地物轮廓和相互之交的空间交叉关系；
降雨资料获取和分析采用年最大值法进行暴雨选样，并采用“长包短、大包小”同频率方法推求不同降雨历时的设计雨型，确保短历时设计降雨过程包含在长历时设计降雨过程中；
城市排水系统包括雨水管渠、雨水口、检查井、排涝泵站和雨水排口，收集详尽的工程任务和规模参数、平面和断面设计和竣工验收图纸，并采用CAD或GIS软件进行数字化管理。
3.根据权利要求1所述的城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法，其特征在于：在步骤S11中，降雨产汇流模块构建方法为：
采用时间-面积曲线法描述城市下垫面的汇流过程，假定汇水区内各点的雨水汇流速度相同，区域出水口流量由每个子汇水流面积上的径流按汇流至出水口的时间依次线性叠加而成，其计算公式为：
式(1)中，Q(ti)为ti时刻雨水口的入汇流量，F为雨水口的集雨面积，Iti-j为ti-j时刻的降雨强度，α为单位换算系数，△t为时间间隔。
4.根据权利要求3所述的城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法，其特征在于：在步骤S13中，雨水管渠汇流模型构建的具体方法为：
采用Preissmann假设，在管渠顶端引入一段假想的无限高狭槽，狭槽的宽度取决于管道横断面面积和水流波速，如此设置后，压力流条件下，管渠内部水流的密度和过水面积表示为：
式(2)中，D为管道的直径，a0为水流的波速，ρ0和A0为重力流条件下的水流密度和过水面积，ar取决于管道的杨氏模量和管壁厚度。
5.根据权利要求4所述的城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法，其特征在于：在步骤S14中，城市排水分区高精度动态划分的具体方法为：
步骤S141：原始地形数据处理；
原始地形数据处理包括补充墙体、过桥涵洞、路肩对地表汇流过程影响较大但在地形中未能反映的地物，同时去除天棚、立交桥、过街天桥遮挡雨水实际汇流路径的地物；
步骤S142：排水分区初步划分；
根据城市水系格局、地势、用地布局，结合交通道路、竖向规划和雨水受纳水体位置，遵循高水高排、低水低排的原则进行划分，同时与河流、湖泊、沟塘、洼地天然流域分区保持一致；
步骤S143：不同重现期降雨地表漫流模拟与排水分区修正；
不同重现期降雨地表漫流模拟采用构建的地表汇流模型进行，地表汇流模型输入条件为不同重现期的设计降雨过程，重点对比分析随着降雨强度的增大，地表不同区域汇水路径的变化情况，确定导致区域汇水路径发生变化的降雨强度阈值，从而将不同雨水口的集雨面积与降雨强度挂钩，最终针对每一个雨水口，构建与降雨强度相关的排水分区集合，在实际的城市雨洪计算过程中随降雨强度的变化实现相应排水分区的自动选取。
6.根据权利要求5所述的城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法，其特征在于：在步骤S15中，管网汇流模型与地表汇流模型的耦合的具体方法为：
将一维管渠汇流模型与二维地表汇流模型进行耦合，模拟地表雨水通过雨水口进入管渠和管渠超载后雨水溢出地表的双向过程，两者间的水量交换采用孔口流量方程定量计算：
式(3)中，Qex为管渠和地表的交换流量，HP为管道水位，HG为地表水位，Ain为雨水口的过水面积，CD为流量系数；sign(x)为符号函数，当x>0时，sign(x)＝1；当x＝0时，sign(x)＝0；当x<0时，sign(x)＝-1。
7.根据权利要求1所述的城市雨洪全过程分布式水文水动力学耦合模型构建方法，其特征在于：在步骤三中，雨水排口流量计算采用孔口淹没出流公式，考虑雨水管渠和下游承泄区的水头差：
式(4)中，Qout为雨水排口排出流量，H0为雨水管渠和下游承泄区的水头差，Aout为雨水排口的过水面积，ε为收缩系数，为流速系数；
计算雨水排口排出流量时耦合下游承泄区水头，当雨水排口排放至城市内河、外江且其流速较缓时，速度水头忽略不计，下游承泄区水头直接取为内河、外江在雨水排口处的水位变化过程，从而实现城市雨洪模型与城市内河、外江一维水动力学模型间的动态耦合。
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