CN116151013A - 小流域城市河道设计洪水的推求方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及小流域城市河道设计洪水的推求方法，包括以下步骤：确定控制断面；划定自然分区并计算自然分区特征参数；划定城市分区并计算城市分区特征参数；获取区域设计暴雨；推求河道各控制断面设计洪水。采用本发明，无需构建复杂的一维‑二维耦合和水文‑水动力耦合模型，所需资料简单易得，计算高效。本发明采用划定城市分区并计算城市分区特征参数的方法，能够充分考虑到城市的特点，准确评估城市河道的设计洪水，因此，能广泛应用于在工程实践，有利于城市的防洪安全。
Description
技术领域
本发明涉及工程水文的计算方法，具体而言是小流域城市河道设计洪水的推求方法。
背景技术
城市是人口和财富高度聚集的区域，做好城市的防洪安全，对于发展城市经济、推进城市稳定发展和保障人民生命财产安全，具有重大而深远的意义。科学合理地确定城市河道的设计洪水则是做好城市防洪安全最为基础的工作，至关重要。
城市河道的洪水来源主要有两部分，一部分是城市上游自然流域的来水，另外一部分是城市本身的产水。当城市自身面积远小于其上游的自然流域时，该城市自身的产水可以忽略不计；但当城市上游的自然流域面积较小时，该城市自身的产水便不可忽略。复杂而多样的城市下垫面尤其是排水管网密布造成城市区域的产汇流特点显著的异于自然流域，直接体现在城市河道的洪水相比较于自然流域河道的设计洪水峰高且集中。
目前在工程领域中，对于城市河道设计洪水的推求方法通常都忽略了城市的特殊点，而直接套用传统的基于天然流域洪水特性统计分析得到的设计洪水推求方法，如水利部门的推理公式法、瞬时单位线法、经验系数法(Q＝KSpFn,Q为洪峰流量，K为洪峰系数，Sp为设计暴雨，F为区域面积)；市政部门的推理公式法(又称室外排水公式法，Q＝ΦqF，Q为洪峰流量，Φ径流系数，q为设计暴雨，F为区域面积)等。文献《聊城市城区小流域设计洪水分析》介绍了采用推理公式法计算设计洪水；CN104615883A公开的“基于降雨过程理论的城市内河洪峰流量的计算方法”采用市政部门的推理公式法计算分区雨水流量；文献《滨海山丘区城市小流域设计洪水计算方法研究》、《城市小汇水区域设计洪水计算方法应用研究》及《城区小流域治理规划中的水文分析》等采用多种传统的方法计算城市设计洪水。上述传统方法均未考虑城市下垫面的改变加快了城市区域产汇流速度这一重要因素，因此不能真实地反映城市洪水特点，容易低估城市河道的设计洪水，从而造成安全隐患，如文献《城市化水文效应研究进展机理、方法与应对措施》所述。
CN113569438A公开了“基于多源降雨融合和实时校正的城市洪涝模型构建方法”，CN108446464A公开了“一种利用SWMM模型构建大排水系统的方法”，《SWMM模型在城市设计洪水中的应用研究》、《城市洪涝水文水动力耦合模型构建与评估》等见诸于专业期刊。它们通过构建专门的城市雨洪模型或者自然流域-城市耦合模型来模拟城市水文过程，这类模型有以下特点：一是所需资料繁多且精度要求高，需要收集详细的城市下垫面分类、建筑物分布、地下排水系统设计、高精度地形和河道地形等资料；二是模型的构建复杂，即使是借助商业软件，也需要对收集的资料进行繁琐的检查与处理；三是模型计算复杂，如《城市洪涝水文水动力耦合模型构建与评估》所述的计算过程就涉及到水文水动力耦合计算、一维二维耦合计算、地表地下耦合计算、地下河网耦合计算、地表河网耦合计算等诸多步骤；四是所涉参数较多，需要率定验证。由于水动力模型的特点，此类模型涉及参数较多且很难准确确定，计算十分耗时且极易不稳定。特别是对于规划建设城区，其地面详细高程、建筑物布局等还未最终确定，难以搜集到可供构建专门的城市雨洪模型所需的资料，同时也缺乏实测的观测资料供模型率定。因此，通过建模较难准确地计算出城市的设计洪水，尤其难以用于工程水文计算实践。
针对现有技术的上述不足，本发明提出了小流域城市河道设计洪水的推求方法。采用本发明，无需构建复杂的一维-二维耦合和水文-水动力耦合模型，所需资料简单易得，计算高效。本发明采用划定城市分区并计算分区特征参数的方法，能够充分考虑到城市的特点，准确评估城市河道的设计洪水，因此，能广泛应用于在工程实践，有利于城市的防洪安全。
发明内容
本发明的目的是提供小流域城市河道设计洪水的推求方法，无需构建复杂的数学模型，而充分考虑到城市的特点，划定城市分区并计算城市分区特征参数，准确评估城市河道的设计洪水。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：小流域城市河道设计洪水的推求方法，包括以下步骤：
S1.确定控制断面；
S1.1.根据河道所在区域的城市规划边界和水系规划资料，将城市边界与城市河道上游交界的断面确定为起点控制断面，记为DM0；
S1.2.根据雨水排口的数量和位置，按照河道流向自上游至下游依次确定城市河道内部的各控制断面位置，并分别记为DM1、DM2、…DMn，式中，n为雨水排口的个数；
S2.划定自然分区并计算自然分区特征参数；
S2.1.将步骤S1确定的DM0作为自然分区的出口；
S2.2.应用GIS软件对地形文件进行分析处理，所述分析处理包括河道烧录、填洼、生成流向、计算累计汇流面积、定义河流、河流分段和集水区划分，得到自然分区的范围，记为WN；
S2.3.量算步骤S2.2所得WN的面积，得到自然分区的面积特征参数FN；
S2.4.通过步骤S2.2生成的流向文件和累计汇流面积文件等过程文件从城市河道起点溯源至最远的分水岭，得到最长流路，量算最长流路的长度得到自然分区的河长特征参数LN；
S2.5.基于步骤S2.4得到的最长流路文件和地形文件，按照自下游至上游的顺序提取最长流路的每个转折点的坐标和高程，并按照公式(1)计算最长流路坡度，得到自然分区的坡度特征参数JN：
式中，m为转折点的个数减去1；xj为第j个转折点横坐标；yj为第j个转折点纵坐标；Hj为第j个转折点高程；H0为最长流路末端高程；LN为河长特征参数；JN为坡度特征参数；
S3.划定城市分区并计算城市分区特征参数；
S3.1.提取雨水系统规划资料所规划的雨水井，采用泰森多边形法划分每一个雨水井的集水区域；
S3.2.提取雨水系统规划资料所规划的雨水管网，按照雨水管网流向，将最终汇入到同一个雨水排口的雨水井对应的集水区域归并得到雨水排口的集水范围，每一个雨水排口的集水范围为一个独立的城市分区，得到城市分区文件，分别量算各城市分区面积，得到每一个城市分区的面积特征参数，记为FUi(i＝1,2…n)；
S3.3.根据步骤S3.2确定的城市分区和雨水管网资料，量算每一个城市分区内最长的管道流行路径长度得到城市分区的长度特征参数LUi(i＝1,2…n)，量算最长的管道流行路径坡度得到城市分区的坡度特征参数JUi(i＝1,2…n)；
S4.获取区域设计暴雨；
从水利资料成果库调取区域设计暴雨资料；
S5.推求河道各控制断面设计洪水；
S5.1.根据上述步骤S2得到的自然分区特征参数FN、LN和JN以及步骤S4得到的设计暴雨资料，采用推理公式法和瞬时单位线法综合比较，确定自然分区的设计洪水q0；
S5.2.根据上述步骤S3得到的城市分区特征参数和步骤S4得到的设计暴雨资料，采用推理公式法和瞬时单位线法综合比较，确定各城市分区的设计洪水qi(i＝1,2…n)；
S5.3.将上述自然分区起点控制断面DM0的设计洪水记为Q0，其余控制断面的设计洪水记为Qi(i＝1,2…n)，按照公式(2)依次计算：
Qi＝qi+Qi-1 (2)
式中，Qi为第i个控制断面设计洪水，qi为第i个城市分区设计洪水。
进一步地，所述步骤S2.2中，GIS软件为Arcgis、ArcgisPro和Qgis中的一种或者Arcgis、ArcgisPro和Qgis中两种以上的结合。
进一步地，所述步骤S4中，水利资料成果库包括区域典型雨量站的实测暴雨资料、区域水文手册、暴雨等值线图和经过审定的设计报告。
进一步地，所述步骤S5.1和步骤S5.2中，采用推理公式法和瞬时单位线法综合比较为分别采用两种方法计算出设计洪水，再从两者中选择最大值作为最终的设计洪水。
采用本发明，无需构建复杂的一维-二维耦合和水文-水动力耦合模型，所需资料简单易得，计算高效。本发明采用划定城市计算分区并提取分区特征参数的方法，能够充分考虑到城市的特点，准确评估城市河道的设计洪水，因此，能广泛应用于在工程实践，有利于城市的防洪安全。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明一个实施例的河道控制断面位置分布图；
图3为本发明一个实施例的自然分区范围图；
图4为本发明一个实施例的雨水井集水区域图；
图5为本发明一个实施例的城市分区范围图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
小流域城市河道设计洪水的推求方法，包括以下步骤：
S1.确定控制断面；
S1.1.根据河道所在区域的城市规划边界和水系规划资料，将城市边界与城市河道上游交界的断面确定为起点控制断面，记为DM0；
S1.2.根据雨水排口的数量和位置，按照河道流向自上游至下游依次确定城市河道内部的各控制断面位置，并分别记为DM1、DM2、…DMn，式中，n为雨水排口的个数；
S2.划定自然分区并计算自然分区特征参数；
S2.1.将步骤S1确定的DM0作为自然分区的出口；
S2.2.应用GIS软件对地形文件进行分析处理，所述分析处理包括河道烧录、填洼、生成流向、计算累计汇流面积、定义河流、河流分段和集水区划分，得到自然分区的范围，记为WN；
S2.3.量算步骤S2.2所得WN的面积，得到自然分区的面积特征参数FN；
S2.4.通过步骤S2.2生成的流向文件和累计汇流面积文件等过程文件从城市河道起点溯源至最远的分水岭，得到最长流路，量算最长流路的长度得到自然分区的河长特征参数LN；
S2.5.基于步骤S2.4得到的最长流路文件和地形文件，按照自下游至上游的顺序提取最长流路的每个转折点的坐标和高程，并按照公式(1)计算最长流路坡度，得到自然分区的坡度特征参数JN：
式中，m为转折点的个数减去1；xj为第j个转折点横坐标；yj为第j个转折点纵坐标；Hj为第j个转折点高程；H0为最长流路末端高程；LN为河长特征参数；JN为坡度特征参数；
S3.划定城市分区并计算城市分区特征参数；
S3.1.提取雨水系统规划资料所规划的雨水井，采用泰森多边形法划分每一个雨水井的集水区域；
S3.2.提取雨水系统规划资料所规划的雨水管网，按照雨水管网流向，将最终汇入到同一个雨水排口的雨水井对应的集水区域归并得到雨水排口的集水范围，每一个雨水排口的集水范围为一个独立的城市分区，得到城市分区文件，分别量算各城市分区面积，得到每一个城市分区的面积特征参数，记为FUi(i＝1,2…n)；
S3.3.根据步骤S3.2确定的城市分区和雨水管网资料，量算每一个城市分区内最长的管道流行路径长度得到城市分区的长度特征参数LUi(i＝1,2…n)，量算最长的管道流行路径坡度得到城市分区的坡度特征参数JUi(i＝1,2…n)；
S4.获取区域设计暴雨；
从水利资料成果库调取区域设计暴雨资料；
S5.推求河道各控制断面设计洪水；
S5.1.根据上述步骤S2得到的自然分区特征参数FN、LN和JN以及步骤S4得到的设计暴雨资料，采用推理公式法和瞬时单位线法综合比较，确定自然分区的设计洪水q0；
S5.2.根据上述步骤S3得到的城市分区特征参数和步骤S4得到的设计暴雨资料，采用推理公式法和瞬时单位线法综合比较，确定各城市分区的设计洪水qi(i＝1,2…n)；
S5.3.将上述自然分区起点控制断面DM0的设计洪水记为Q0，其余控制断面的设计洪水记为Qi(i＝1,2…n)，按照公式(2)依次计算：
Qi＝qi+Qi-1 (2)
式中，Qi为第i个控制断面设计洪水，qi为第i个城市分区设计洪水。
优选的实施例是：在上述方案中，所述步骤S2.2中，GIS软件为Arcgis、ArcgisPro和Qgis中的一种或者Arcgis、ArcgisPro和Qgis中两种以上的结合。
优选的实施例是：在上述方案中，所述步骤S4中，水利资料成果库包括区域典型雨量站的实测暴雨资料、区域水文手册、暴雨等值线图和经过审定的设计报告。
优选的实施例是：在上述方案中，所述步骤S5.1和步骤S5.2中，采用推理公式法和瞬时单位线法综合比较为分别采用两种方法计算出设计洪水，再从两者中选择最大值作为最终的设计洪水。
实施例一
本实施例以湖北鄂州市马园港支港顺丰产业园段设计洪水推求为实例，来表现本发明达到的效果。
马园港支港位于鄂州市临空经济区，所在区域为典型的平原丘陵区，地势南高北低。顺丰产业园为规划的城市区域，面积2.3km2，马园港支港自南向北横穿产业园，河道上游面积3.79km2，属于典型的小流域城市河道。马园港支港顺丰产业园段河道长度0.9km，划防洪标准为20年一遇，沿河道自上而下规划有四个雨水排口Y1，Y2，Y3，Y4，参见图2。
马园港支港顺丰产业园段设计洪水的推求方法包括以下步骤：
S1.根据城市河道和城市规划范围的位置关系，将河道上游与城市规划范围交点设定为河道起点控制断面DM0；根据雨水系统规划资料所规划的4个雨水排口(Y1,Y2,Y3,Y4)按照河道流向自上而下依次将雨水排口位置设定为河道控制断面DM1、DM2、DM3和DM4，河道控制断面位置如图2所示。
S2.划定自然分区并计算自然分区特征参数：
获取区域地形文件，以河道起点控制断面DM0为控制点，应用ArcGIS软件对地形文件进行分析处理，通过河道烧录、填洼、生成流向、计算累计汇流面积、定义河流、河流分段、集水区划分和数据转换操作，得到自然分区的范围，记为WN，自然分区范围如图3所示。
量算自然分区的面积，得到自然分区的面积特征参数FN＝3.79km2。
以河道起点断面DM0为起点，溯源至最远的自然分区范围边界，得到自然分区的最长流路，量算最长流路的长度，得到自然分区的河长特征参数LN＝3.17km。
基于上述得到的最长流路和地形文件，按照自下游至上游的顺序，提取最长流路的每个转折点的坐标和高程，本实施例中，自然分区最长流路的各转折点坐标和高程如表1所示：
表1自然分区最长流路的转折点坐标和高程
| 转折点序号 | 转折点横坐标 | 转折点纵坐标 | 转折点高程 |
| 0 | 878796 | 3362712 | 74 |
| 1 | 878921 | 3362800 | 60 |
| 2 | 879121 | 3362912 | 54 |
| 3 | 879309 | 3362912 | 45 |
| 4 | 879533 | 3363062 | 37 |
| 5 | 879633 | 3363149 | 37 |
| 6 | 879708 | 3363349 | 33 |
| 7 | 879783 | 3363449 | 31 |
| 8 | 879983 | 3363649 | 29 |
| 9 | 880233 | 3363849 | 26 |
| 10 | 880308 | 3364324 | 22 |
| 11 | 880421 | 3364764 | 29 |
将表1中的数据代入公式(1)，计算出自然分区的坡度特征参数JN＝0.0093。
S3.划定城市分区并计算城市分区特征参数：
获取规划的雨水井资料，将雨水排口视为雨水井，划分每一个雨水井的集水区域，如图4所示；
获取规划的雨水管网资料，按照管道流向，将最终汇入到同一个雨水排口的雨水井对应的集水区域归并得到雨水排口的集水范围，每一个雨水排口的集水范围为一个独立的城市计算分区，得到城市分区文件，将雨水排口Y1、Y2、Y3和Y4所对应的城市分区分别记为WU1，WU2，WU3和WU4，如图5所示。
量算各城市分区面积，得到每一个城市分区面积特征参数FUi(i＝1,2…4)；
根据所确定的城市分区和雨水管网文件，量算各城市分区内最长的管道流行路径长度，得到每一个城市分区的长度特征参数LUi(i＝1,2…4)，量算最长的管道流行路径坡度，得到每一个城市分区的坡度特征参数JUi(i＝1,2…4)；
城市分区特征参数如表2所示：
表2城市分区特征参数
S4.获取区域设计暴雨：
本实例中，通过查算区域的暴雨等值线图，得到区域相应防洪标准下的年最大1小时、6小时、24小时设计暴雨分别为80mm，168mm和268mm，并依据该区域典型暴雨过程的百分比对设计暴雨进行时程分配，从而得到区域的设计降雨过程。
S5.推求河道各控制断面设计洪水：
根据步骤S2和S3得到的自然分区(WN)的特征参数和城市分区(WU1，WU2，WU3，WU4)的特征参数，分别采用推理公式法和瞬时单位线法计算各分区的设计洪水，结果如表3所示：
表3分区设计洪水成果
| 分区 | 项目 | 瞬时单位线法(m3/s) | 推理公示法(m3/s) | 采用(m3/s) |
| WN | q0 | 49 | 58 | 58 |
| WU1 | q1 | 15 | 12 | 15 |
| WU2 | q2 | 6 | 11 | 11 |
| WU3 | q3 | 15 | 21 | 21 |
| WU4 | q4 | 7 | 10 | 10 |
其中WN分区两种方法计算的最大值为58m3/s，将它选作最终WN分区的设计洪水；WU1分区两种方法计算的最大值为15m3/s，将它选作最终WU1分区的设计洪水；同理其余WU2、WU3、WU4分区的最终设计洪水分别为11、21、10m3/s。
将自然分区的设计洪水58m3/s作为起点控制断面的设计洪水，即Q0＝58m3/s，其余控制断面DM1-DM4的设计洪水按照公式(2)依次计算，得到城市河道控制断面设计洪水如表4所示：
表4为城市河道控制断面设计洪水成果
| 断面 | 项目 | 设计洪水(m3/s) |
| DM0 | Q0 | 58 |
| DM1 | Q1 | 73 |
| DM2 | Q2 | 84 |
| DM3 | Q3 | 105 |
| DM4 | Q4 | 115 |
本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。
Claims (5)
1.小流域城市河道设计洪水的推求方法，包括以下步骤：
S1.确定控制断面；
S1.1.根据河道所在区域的城市规划边界和水系规划资料，将城市边界与城市河道上游交界的断面确定为起点控制断面，记为DM0；
S1.2.根据雨水排口的数量和位置，按照河道流向自上游至下游依次确定城市河道内部的各控制断面位置，并分别记为DM1、DM2、…DMn，式中，n为雨水排口的个数；
S2.划定自然分区并计算自然分区特征参数；
S2.1.将步骤S1确定的DM0作为自然分区的出口；
S2.2.应用GIS软件对地形文件进行分析处理，所述分析处理包括河道烧录、填洼、生成流向、计算累计汇流面积、定义河流、河流分段和集水区划分，得到自然分区的范围，记为WN；
S2.3.量算步骤S2.2所得WN的面积，得到自然分区的面积特征参数FN；
S2.4.通过步骤S2.2生成的流向文件和累计汇流面积文件等过程文件从城市河道起点溯源至最远的分水岭，得到最长流路，量算最长流路的长度得到自然分区的河长特征参数LN；
S2.5.基于步骤S2.4得到的最长流路文件和地形文件，按照自下游至上游的顺序提取最长流路的每个转折点的坐标和高程，并按照公式(1)计算最长流路坡度，得到自然分区的坡度特征参数JN：
式中，m为转折点的个数减去1；xj为第j个转折点横坐标；yj为第j个转折点纵坐标；Hj为第j个转折点高程；H0为最长流路末端高程；LN为河长特征参数；JN为坡度特征参数；
S3.划定城市分区并计算城市分区特征参数；
S3.1.提取雨水系统规划资料所规划的雨水井，采用泰森多边形法划分每一个雨水井的集水区域；
S3.2.提取雨水系统规划资料所规划的雨水管网，按照雨水管网流向，将最终汇入到同一个雨水排口的雨水井对应的集水区域归并得到雨水排口的集水范围，每一个雨水排口的集水范围为一个独立的城市分区，得到城市分区文件，分别量算各城市分区面积，得到每一个城市分区的面积特征参数，记为FUi(i＝1,2…n)；
S3.3.根据步骤S3.2确定的城市分区和雨水管网资料，量算每一个城市分区内最长的管道流行路径长度得到城市分区的长度特征参数LUi(i＝1,2…n)，量算最长的管道流行路径坡度得到城市分区的坡度特征参数JUi(i＝1,2…n)；
S4.获取区域设计暴雨；
从水利资料成果库调取区域设计暴雨资料；
S5.推求河道各控制断面设计洪水；
S5.1.根据上述步骤S2得到的自然分区特征参数FN、LN和JN以及步骤S4得到的设计暴雨资料，采用推理公式法和瞬时单位线法综合比较，确定自然分区的设计洪水q0；
S5.2.根据上述步骤S3得到的城市分区特征参数和步骤S4得到的设计暴雨资料，采用推理公式法和瞬时单位线法综合比较，确定各城市分区的设计洪水qi(i＝1,2…n)；
S5.3.将上述自然分区起点控制断面DM0的设计洪水记为Q0，其余控制断面的设计洪水记为Qi(i＝1,2…n)，按照公式(2)依次计算：
Qi＝qi+Qi-1 (2)
式中，Qi为第i个控制断面设计洪水，qi为第i个城市分区设计洪水。
2.根据权利要求1所述的小流域城市河道设计洪水的推求方法，其特征在于：所述步骤S2.2中，GIS软件为Arcgis、ArcgisPro和Qgis中的一种或者Arcgis、ArcgisPro和Qgis中两种以上的结合。
3.根据权利要求1或2所述的小流域城市河道设计洪水的推求方法，其特征在于：所述步骤S4中，水利资料成果库包括区域典型雨量站的实测暴雨资料、区域水文手册、暴雨等值线图和经过审定的设计报告。
4.根据权利要求1或2所述的小流域城市河道设计洪水的推求方法，其特征在于：所述步骤S5.1和步骤S5.2中，采用推理公式法和瞬时单位线法综合比较为分别采用两种方法计算出设计洪水，再从两者中选择最大值作为最终的设计洪水。
5.根据权利要求3所述的小流域城市河道设计洪水的推求方法，其特征在于：所述步骤S5.1和步骤S5.2中，采用推理公式法和瞬时单位线法综合比较为分别采用两种方法计算出设计洪水，再从两者中选择最大值作为最终的设计洪水。
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|---|---|---|---|---|
| CN116703126A (zh) * | 2023-08-01 | 2023-09-05 | 北京云庐科技有限公司 | 一种基于自然排水分区的排水预测方法和系统 |
| CN117113038A (zh) * | 2023-10-25 | 2023-11-24 | 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 | 城市水土流失黄泥水事件溯源方法及系统 |
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