CN117852449B - 基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，涉及城市内涝处理技术领域。为了解决现有技术中，无法提供可视化操作，无法直观且清晰的计算和推演灾害发生的概率的问题；基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，包括以下步骤：S1：构建高分卫星平台；S2：叠加仿真模型；S3：可视化展示；本发明通过基于高分卫星采集到的城市信息构建空白仿真界面，实现对城市的可视化场景的初始搭建，仿真动态图层基于水动力特征实现了城市的动态演示，提高了城市的可视化场景的充实性，对城市内涝状态进行实时监控，实现可视化操作，直观且清晰的计算和推演灾害发生的概率，提高了对城市监控管理的效果。

Description

基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法

技术领域

本发明涉及城市内涝处理技术领域，特别涉及基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法。

背景技术

城市暴雨内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力致使城市内产生积水灾害的现象；内涝严重，湖泊蓄水容积减少，汛期湖面水位上升、易破圩造成灾害，围垦削减了湖泊的调蓄功能，导致洪涝灾害频繁发生。现有关于城市内涝模型的积水处理方法，已有相关专利；比如公开号为CN111882830B的中国专利公开了一种城市内涝监测预报预警方法、装置、系统及存储介质，所述方法包括：内涝监测设备监测积水水深数据；视频网关设备向云端服务器发送获取实测降雨数据请求并接收云端服务器发送的实测降雨数据；视频网关设备根据实测降雨数据和监测的积水水深数据，对当前内涝监测点进行内涝模拟边缘计算，得到预报最大积水深度，判断当前内涝监测点是否存在内涝风险，并将内涝风险判断结果反馈给云端服务器；若存在内涝风险，则进行现场抓拍，并向内涝预警设备发送预警指令，内涝预警设备显示报警信息。该专利通过前端的视频网关设备进行内涝模拟计算，提高了内涝预报预警的实时性，减轻了云端服务器计算的压力，降低了对通信带宽的要求。

上述专利虽然对城市内涝进行模拟计算，但仍存在以下问题：

现有技术中，无法提供可视化操作，无法直观且清晰的计算和推演灾害发生的概率，建模过程复杂，需要根据详细的地理信息数据对城市汇水区准确划分，而且仅能提供局部地区的内涝模拟，多用于城市排水规划和内涝风险评估，此类模型计算时间往往达不到城市内涝预报预警的时效；

部分低洼地面低于河道水位，雨水径流难以自流排出，加之部分河道断面过流能力较低，跨河泵站提升能力不足，河网系统间连通和衔接不健全，造成雨水下泄通道不畅。

发明内容

本发明的目的在于提供基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，在基于高分卫星的可视化平台，叠加模型计算结果，实现基于高分卫星的可视化操作，对特定区域的积水分布进行精细化处理，建立基于水文模型的精细化积水处理方法，实现特定区域的精细化模拟，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，包括以下步骤：

S1：构建高分卫星平台：构建与高分卫星的数据传输通道，基于所述数据传输通道实时获取高分卫星采集到的城市信息，根据城市信息确定对应城市的地理特征，并根据所述地理特征搭建空白仿真界面；

S2：叠加仿真模型：基于城市位置调取目标地图，并根据目标地图的地图特征确定所述城市对应的环境参数，同时，将环境参数和目标地图在空白仿真界面中进行加载，得到仿真静态图层；

读取城市信息中的河网、路网、管网和社区水动力信息，获得水动力特征，并根据水动力特征构建仿真动态图层，将仿真静态图层与仿真动态图层进行叠加，获得所述城市的仿真界面；

S3：可视化展示：将所述城市的仿真界面进行三维模型构建，并基于构建结果生成所述城市的可视化场景，对所述城市的地形地貌、道路、建筑物和河流进行真实复现；

综合所述城市的天气、水雨情况、流量水量和水动力的各项参数信息，结合专业模型算法进行模拟仿真推演，在所述城市的可视化场景上实时显示仿真模拟内涝风险结果，实现仿真模拟内涝风险可视化；

基于推演结果匹配对应的积水处理预案，基于所述积水处理预案进行可视化操控。

进一步的，针对S1中构建高分卫星平台，具体包括：

通过获取高分卫星资料，自动提取内涝仿真模型建模所需的城市最新下垫面地理信息数据，建立内涝仿真模型基础数据库；

下垫面地理信息数据包括地形高程和下垫面属性的基础数据，并在所述下垫面属性的基础数据上叠加河道地形、工程设施、防涝调度的基础数据；

其中，所述下垫面属性包括山地、湖泊坑塘、河流、公园、绿地和街道；

基于内涝仿真模型基础数据库，采用无结构不规则网格作为所述内涝仿真模型的计算单元，将每个网格设为一个计算单元，获取每个网格的节点和所述网格间的水量交换通道；

基于所述内涝仿真模型获取每个网格中心处的积水深度，计算所述网格间的水量交换通道上的水流量，获取所述节点对应的坐标确定所述网格和网格间的水量交换通道的所在位置。

进一步的，将每个网格设为一个计算单元，具体包括：

按积水区的大小和形状建立网格，并按照对不同地区内涝的关心程度来加密或放宽所述网格；

其中，所述网格的边数最多不超过6边，且边长大于等于50米；

同时，兼顾通道属性，将城市中连续型阻水建筑物概化成连续堤或缺口堤，按实际走向布置在通道上，形成连续堤或缺口堤型通道；

其中，所述连续型阻水建筑物包括房屋、堤防、高于地面的街道、立交路段和铁路。

进一步的，按积水区的大小和形状建立网格，并按照对不同地区内涝的关心程度来加密或放宽所述网格，具体包括：

基于高分卫星资料，获取城市卫星图像，对所述城市卫星图像进行特征提取，在所述城市卫星图像上勾勒出内涝边缘线，标记出城市的多个内涝区域；

基于内涝边缘线对各个内涝区域进行几何化处理，分别确定各个内涝区域对应的待定几何网格，根据卫星图像的比例尺，分别估测各个待定几何网格各个边的边长；

基于估测结果，判断所述待定几何网格是否符合预设网格标准；

若符合，判定所述待定几何网格合格，并将所述待定几何网格作为其对应的内涝区域的原始模型粗网格；

若不符合，判定所述待定几何网格不合格，并获取所述待定几何网格对应的内涝区域的通道分布，并基于卫星地理标识，确定各个通道的关联关系；

基于所述关联关系，将所述内涝区域的通道进行划分，获得多个通道群，并确定各个通道群的边缘通道；

获取所述待定几何网格对应的内涝区域对应的关心程度，基于所述关心程度，确定所述内涝区域对应的重要等级；

当所述重要等级大于等于预设等级时，将每个通道群对应的边缘通道进行几何化，获得所述内涝区域的多个原始模型粗网格；

当所述重要等级小于预设等级时，获取所述待定几何网格的不合格触发类型，当所述不合格触发类型为边长触发时，将所述待定几何网格作为其对应的内涝区域的原始模型粗网格；

否则，基于预设网格标准对通道群圈定区域进行合并，得到所述内涝区域的多个原始模型粗网格。

进一步的，针对S3中可视化展示，具体包括：

基于分区层化概念建立和集成河网、路网、管网和社区水动力计算模块，形成相对独立的河流、道路、排水管网和社区的水动力计算模拟体系；

建立多源降水数据接口，完成面雨量计算；

完成河网、路网、社区产汇流模拟，管网自流、水泵排水模块模拟，确定基于所述水动力计算模拟体系的水动力学模型模拟结果，进而得到城市内涝积水淹没范围和深度；

在所述水动力学模型模拟结果的基础上，利用水文模型，对特定区域的积水分布进行精细化处理，实现特定区域的精细化模拟；

对于任意一个原始模型粗网格，根据更高精度的数字高程模型在所述原始模型粗网格中细划个面积相等的细网格。

进一步的，所述河网、路网、管网和社区水动力计算模块，包括：

获取实际的雨水径流路径数据，构建社区计算模块、路网计算模块、河网计算模块以及管网计算模块，构建立体多重的网格计算形式，其中，将社区径流汇入管网系统；

所述社区计算模块、路网计算模块、河网计算模块构成地表汇流层，管网计算模块在地下汇流层；

管网与路网在平面上分布相同，通过排水口与河段汇流口以水动力的计算方式衔接；

地下管网通过闸门以自流方式排水和泵站排水的方式向河网排水；

其中，泵站排水为将雨水汇集于管网，经过汇流，依靠水泵强排至河道；自流方式排水为基于河道与管网衔接处的水位差计算数据进行水量交换;

地下汇流层采用一维非恒定流基本方程，路网和社区网格单元排入管网的流量，等于排水管网接受的流量，地下汇流的水量交换分解为有效降雨强度和单元排水强度。

进一步的，完成面雨量计算，具体包括：

自动雨量站监测的降水信息，由分布在城市不同地区的自动雨量站监测的实况降雨资料；

多普勒雷达监测的降水信息，由探测到的雷达回波强度按照Z-R关系反演的降水强度并随时间积分得到的累积降水量；

数值模式预测的降水信息，由不同类型的数值模式在特定的初始气象场计算的降雨量资料；

主观预报的降水信息，由预报员在每天值班过程中发布的降水预报资料；

将获取到的实测降雨量数据进行标准化格式转换，并将标准化格式转换后的数据输入至仿真模型进行计算。

进一步的，针对S3中，对所述城市进行真实复现，还包括：构建拟真气象环境模拟模型，基于所述拟真气象环境模拟模型实时调节所述城市的可视化场景的四季、天气、昼夜、日照变化，高拟真复现物理环境效果，基于时间和空间多重维度，对降雨量和路面积水高度的参数进行动态推演。

进一步的，针对S3中仿真模拟内涝风险可视化，包括：

读取城市暴雨内涝仿真模型计算产生的积水产品文本文件，生成Shp格式图层；

其中，所述积水产品文本文件包括：面雨量、未来最大积水水深、未来某一个时次积水水深和积水预警等级，Shp图层包括空间和属性数据，并基于不同时间序列的预报结果进行命名区分；

在基于高分卫星的平台叠加模型计算结果，实现基于高分卫星的可视化操作。

进一步的，基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，基于所述内涝仿真模型获取每个网格中心处的积水深度，计算所述网格间的水量交换通道上的水流量，包括：

获取所述内涝仿真模型的网格形状特征，若网格形状特征为规则的，则直接确定网格的网格中心，若网格形状特征为不规则的，则将网格型状态特征输入不规则形状中心确定模型中，确定网格的网格中心；

获取网格中心处的积水深度，并根据如下公式计算当前网格的积水体积；

其中，表示当前网格的积水体积，/>表示当前网格的中位高度，/>表示当前网格的中位面积，/>表示所述当前网格的不规则系数，取值为（0.5，2.0），/>表示对所述当前网格的体积补偿系数，取值为（0.5，1），/>表示当前网格的地质特征系数，取值为（0，1）；

基于水量交换通道上的每个网格的积水体积，并根据如下公式计算水量交换通道上的水流量；

其中，表示水量交换通道上的水流量，/>表示参考水流速度，/>表示参考水流速度对应的标准积水体积，n表示水量交换通道上的网格数量，/>表示水量交换通道上的第i个网格权重系数，且/>，/>表示水量交换通道上的第i个网格的积水体积，表示水量交换通道的横截面积。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用基于高分卫星的地理信息数据自动提取技术，为内涝仿真模型建模提供基础地理信息数据，分区层化概念建立的内涝仿真模型，可更好地模拟各个模块之间的水量交换，大大提高内涝积水模拟精度，基于构建的三维模型进行内涝模拟推演，通过数字化构建一个与物理世界同样的三维模型，实现为物理实体的分析、预测和远程控制，对城市内涝状态进行实时监控，实现可视化操作，并具备了处理路网行洪与管网及河网排水相耦合的双层排水计算能力，模块化的模型不仅可以增强独立模块的调控能力，而且可以进行局部细化，针对个别易积水区可实现精细化的内涝积水模拟。

附图说明

图1为本发明的城市暴雨内涝模型计算结构示意图；

图2为本发明的基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中，无法提供可视化操作，无法直观且清晰的计算和推演灾害发生的概率的技术问题，请参阅图1-2，本实施例提供以下技术方案：

基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，包括以下步骤：

S1：构建高分卫星平台：构建与高分卫星的数据传输通道，基于所述数据传输通道实时获取高分卫星采集到的城市信息，根据城市信息确定对应城市的地理特征，并根据所述地理特征搭建空白仿真界面；

S2：叠加仿真模型：基于城市位置调取目标地图，并根据目标地图的地图特征确定所述城市对应的环境参数，同时，将环境参数和目标地图在空白仿真界面中进行加载，得到仿真静态图层；

读取城市信息中的河网、路网、管网和社区水动力信息，获得水动力特征，并根据水动力特征构建仿真动态图层，将仿真静态图层与仿真动态图层进行叠加，获得所述城市的仿真界面；

构建拟真气象环境模拟模型，基于所述拟真气象环境模拟模型实时调节所述城市的可视化场景的四季、天气、昼夜、日照变化，高拟真复现物理环境效果，基于时间和空间多重维度，对降雨量和路面积水高度的参数进行动态推演；

S3：可视化展示：将所述城市的仿真界面进行三维模型构建，并基于构建结果生成所述城市的可视化场景，对所述城市的地形地貌、道路、建筑物和河流进行真实复现；

综合所述城市的天气、水雨情况、流量水量和水动力的各项参数信息，结合专业模型算法进行模拟仿真推演，在所述城市的可视化场景上实时显示仿真模拟内涝风险结果，实现仿真模拟内涝风险可视化；

基于推演结果匹配对应的积水处理预案，基于所述积水处理预案进行可视化操控。

具体的，通过基于高分卫星采集到的城市信息，通过构建空白仿真界面，从而实现对城市的可视化场景的初始搭建，仿真静态图层有效丰富了所述城市的可视化场景，仿真动态图层基于水动力特征实现了城市的动态演示，提高了城市的可视化场景的充实性，基于城市信息获取关于城市内涝的数据，基于构建的三维模型进行内涝模拟推演，通过数字化构建一个与物理世界同样的三维模型，实现为物理实体的分析、预测和远程控制，对城市内涝状态进行实时监控，实现可视化操作，直观且清晰的计算和推演灾害发生的概率，提高了对城市监控管理的效果。

为了解决目前在减少洪涝灾害、排水系统设计和雨水管理等方面广泛应用的城市暴雨内涝模型建模过程复杂，需要根据详细的地理信息数据对城市汇水区准确划分的技术问题，请参阅图1-2，本实施例提供以下技术方案：

通过获取高分卫星资料，自动提取内涝仿真模型建模所需城市最新下垫面地理信息数据，建立内涝仿真模型基础数据库；

下垫面地理信息数据包括地形高程和下垫面属性的基础数据，并在所述下垫面属性的基础数据上叠加河道地形、工程设施、防涝调度的基础数据；

其中，所述下垫面属性包括山地、湖泊坑塘、河流、公园、绿地和街道；

基于内涝仿真模型基础数据库，采用无结构不规则网格作为所述内涝仿真模型的计算单元，将每个网格设为一个计算单元，获取每个网格的节点和所述网格间的水量交换通道；

基于所述内涝仿真模型获取每个网格中心处的积水深度，计算所述水量交换通道上的水流量，获取所述节点对应的坐标确定所述网格和水量交换通道的所在位置；

将每个网格设为一个计算单元，具体包括：

按积水区的大小和形状建立网格，并按照对不同地区内涝的关心程度来加密或放宽所述网格；

其中，所述网格的边数最多不超过6边，且边长大于等于50米；

同时，兼顾通道属性，将城市中连续型阻水建筑物概化成连续堤或缺口堤，按实际走向布置在通道上，形成连续堤或缺口堤型通道；

其中，所述连续型阻水建筑物包括房屋、堤防、高于地面的街道、立交路段和铁路；

基于分区层化概念建立和集成河网、路网、管网和社区水动力计算模块，形成相对独立的河流、道路、排水管网和社区的水动力计算模拟体系；

建立多源降水数据接口，完成面雨量计算；

设雨量观测站的个数为，在计算区域内任意一位置（/>，/>）选取与之最近的/>（/>）个观测点，/>个观测点的实测降雨量/>，/>，…，/>，基于最小二乘法拟合二次曲面，基于二次曲面确定（/>，/>）点的降雨量；具体为：

设二次曲面方程为：

点的误差和为：/>

由最小二乘法的原理，要使点的误差和为/>最小，则有：

/>1，2，…，/>

求出（/>1，2，…，/>），再代入二次曲面方程，求出（/>，/>）的插值降雨量；

完成河网、路网、社区产汇流模拟，管网自流、水泵排水模块模拟，确定基于所述水动力计算模拟体系的水动力学模型模拟结果，进而得到城市内涝积水淹没范围和深度；

在所述水动力学模型模拟结果的基础上，利用水文模型，对特定区域的积水分布进行精细化处理，实现特定区域的精细化模拟。

具体的，通过以城市地表汇流层与地下汇流层为主要模拟对象，采用无结构不规则网格描述城市复杂下垫面，构建计算网格，实现分区层化、立体多重的内涝仿真模拟，采用无结构不规则网格作为模型的计算单元，每个网格都是一个计算单元，仿真模型在网格中心处计算水位，通道即是行水通道，又起到两个网格间的水量交换作用，仿真模型在通道上计算流量，每个节点都有经纬度坐标，通过节点可以得知网格、通道所在位置，在排水处理方式上，将排水管网向河道排水的方式分为泵排水和自排水，泵排水是指雨水汇集于管网，经过汇流，依靠水泵强排至河道，距离泵站越近，管网排水效率越强，自排水方式通过判断河道与管网衔接处水位差来计算水量交换，通过自动雨量站观测的实况降水、雷达估算降水、数值预报降水等有效的降水资料，都可作为内涝模型的降水边界，实现多源降水数据的融合，以上降水数据采用曲面插值方法，得到面雨量，以水动力学方程为基础，耦合了社区、道路、河道、管网等水动力学模拟，计算效率可以满足预报预警要求，并实现了在城市暴雨内涝预报预警业务中的应用。

按积水区的大小和形状建立网格，并按照对不同地区内涝的关心程度来加密或放宽所述网格，具体包括：

基于高分卫星资料，获取城市卫星图像，对所述城市卫星图像进行特征提取，在所述城市卫星图像上勾勒出内涝边缘线，标记出城市的多个内涝区域；

基于内涝边缘线对各个内涝区域进行几何化处理，分别确定各个内涝区域对应的待定几何网格，根据卫星图像的比例尺，分别估测各个待定几何网格各个边的边长；

基于估测结果，判断所述待定几何网格是否符合预设网格标准；

若符合，判定所述待定几何网格合格，并将所述待定几何网格作为其对应的内涝区域的原始模型粗网格；

若不符合，判定所述待定几何网格不合格，并获取所述待定几何网格对应的内涝区域的通道分布，并基于卫星地理标识，确定各个通道的关联关系；

基于所述关联关系，将所述内涝区域的通道进行划分，获得多个通道群，并确定各个通道群的边缘通道；

获取所述待定几何网格对应的内涝区域对应的关心程度，基于所述关心程度，确定所述内涝区域对应的重要等级；

当所述重要等级大于等于预设等级时，将每个通道群对应的边缘通道进行几何化，获得所述内涝区域的多个原始模型粗网格；

当所述重要等级小于预设等级时，获取所述待定几何网格的不合格触发类型，当所述不合格触发类型为边长触发时，将所述待定几何网格作为其对应的内涝区域的原始模型粗网格；

否则，基于预设网格标准对通道群圈定区域进行合并，得到所述内涝区域的多个原始模型粗网格。

在本实施例中，内涝边缘线是指在城市卫星图像中连片内涝的区域的区域边缘线。

几何化处理是指将不规则的边缘线处理成平滑的直线。

待定几何网格是指基于内涝区域对应的内涝边缘线形成几何图形。

预设网格标准即格的边数最多不超过6边，且边长大于等于50米。

卫星地理标识是指卫星图像上下垫面各个建筑或者景观的标注名称。

关联关系是指城市中连续型阻水建筑物概化成连续堤或缺口堤型通道，之间的关联性，例如同一小区的房屋形成的通道，以及与其小区相邻的城市路段，具有通道相邻，区域内水流流通。

通道群是指具有关联关系且构建的区域的符合预设网格标准的通道的形成即集群。

边缘通道是指通道群中最外围的通道。

关心程度越高重要等级也越高。不合格触发类型包括边长触发和形状触发，其中边长触发是指待定几何网格的边长大于50米；形状触发是指待定几何网格的边长数大于6。

圈定区域是指每个通道群的边缘通道构成的几何网格圈定的区域。

具体的，通过城市卫星图像确定城市的对各内涝区域，完成了内涝区域的定位的，并根据内涝区域的边缘线对内涝区域进行粗略的网格划分得到待定几何网格，将内涝区域进行了几何化，方便对几何区域面积以及降雨量的计算，然后在根据预设的网格标准对待定几何网格进行判断，判断其是否可以为内涝区域的原始模型粗网格，并在待定几何网格不合格时，基于内涝区域对应的关心程度，确定内涝区域对城市的重要程度，基于内涝区域内各个通道形成的通道群对内涝区域进行较为稠密的划分，缩短数字高程模型对重要内涝区域的细化过程，有利于提高内涝仿真模型数据的准确性以及获取效率，在内涝区域对城市的重要程度较弱时，适当放宽几何网格有利于缩短网格划分时间，提高原始模型粗网格生成效率。

为了解决部分低洼地面低于河道水位，雨水径流难以自流排出，加之部分河道断面过流能力较低，跨河泵站提升能力不足，河网系统间连通和衔接不健全，造成雨水下泄通道不畅的技术问题，请参阅图1-2，本实施例提供以下技术方案：

所述河网、路网、管网和社区水动力计算模块，包括：

获取实际的雨水径流路径数据，构建社区计算模块、路网计算模块、河网计算模块以及管网计算模块，构建立体多重的网格计算形式，其中，将社区径流汇入管网系统；

所述社区计算模块、路网计算模块、河网计算模块构成地表汇流层，管网计算模块在地下汇流层；

管网与路网在平面上分布相同，通过排水口与河段汇流口以水动力的计算方式衔接；

地下管网通过闸门以自流方式排水和泵站排水的方式向河网排水；

其中，泵站排水为将雨水汇集于管网，经过汇流，依靠水泵强排至河道；自流方式排水为基于河道与管网衔接处的水位差计算数据进行水量交换；

实测降雨量，包括：

自动雨量站监测的降水信息，由分布在城市不同地区的自动雨量站监测的实况降雨资料；

多普勒雷达监测的降水信息，由探测到的雷达回波强度按照Z-R关系反演的降水强度并随时间积分得到的累积降水量；

数值模式预测的降水信息，由不同类型的数值模式在特定的初始气象场计算的降雨量资料；

主观预报的降水信息，由预报员在每天值班过程中发布的降水预报资料；

将获取到的实测降雨量数据进行标准化格式转换，并将标准化格式转换后的数据输入至仿真模型进行计算；

仿真模型的地表径流量由下式计算：

式中为地表径流量,/>为面积修正值,/>为网格面雨量，/>为径流系数，仿真模型以地表径流量为源信息；

河网、路网、社区产汇流模拟，管网自流、水泵排水模块模拟，具体包括：

其中，地表汇流层采用二维非恒定流基本方程：

连续方程：

动量方程：

其中，为水深；/>为水位，/>，/>为底高程；/>，/>分别为/>，方向上的单宽流量，且/>，/>；/>，/>分别为流速在/>，/>方向上的分量；/>为重力加速度；/>为源汇项，即效降雨量，包括有效降雨量和排水强度；/>为糙率；

地下汇流层采用一维非恒定流基本方程，路网和社区网格单元排入管网的流量，等于排水管网接受的流量，地下汇流的水量交换分解为有效降雨强度和单元排水强度，即式中的源汇项：

连续方程：

动量方程：

其中，、/>分别为管网内水深和流速，水击波速/>，为平均水深，/>为断面面积，/>为过流断面宽度，/>为管流的水力半径；

一维非恒定流基本控制方程：

式中，为截面流量；/>为计算断面的过水面积；/>为摩阻坡降，由曼宁公式可得：/>

宽顶堰溢流公式：

式中，为堰顶单宽流量，/>为宽顶堰溢流系数，/>为淹没系数，/>为堰顶上游水位。

具体的，在地面积水形成过程中，地表积水会通过排水设施向地下管网汇集，进入管网的水流沿着城市排水管网汇合至出水口，通过闸门或者泵站的控制向河道排水，最终形成 “降水→地表汇流→管网汇流→闸门或者泵站排水”一系列连续的水力过程，定义了用网格面雨量和面积修正值地表径流量的关系式，同一网格内包含多种下垫面属性，对易积水区的精细化模拟能力明显不足，重点针对特定易积水区，在分区层化大城市尺度暴雨内涝模型基础上，基于模拟结果和高精度地理信息数据，在水量平衡的前提下，利用水文模型建立精细化积水处理方法，实现特定区域的精细化模拟。

为了解决仅能提供局部地区的内涝模拟，多用于城市排水规划和内涝风险评估，此类模型计算时间往往达不到城市内涝预报预警的时效的技术问题，请参阅图1-2，本实施例提供以下技术方案：

对特定区域的积水分布进行精细化处理，具体为：

对于任意一个原始模型粗网格，根据更高精度的数字高程模型在所述原始模型粗网格中细划个面积相等的细网格，则所述原始模型粗网格的积水体积为：/>

根据水量平衡原理，每个原始粗网格内的细网格的积水体积和为：

根据上式，得出：

每个细网格的积水深度为：

得出细网格积水深度计算公式：

其中，为细网格数量，/>、/>、/>、/>分别为原始模型粗网格的积水体积、积水深度、面积和平均高程，/>、/>、/>分别为细网格的积水深度、高程和减去建筑物所占面积；

针对S3中仿真模拟内涝风险可视化，具体为：

读取城市暴雨内涝仿真模型计算产生的积水产品文本文件，生成Shp格式图层；

其中，所述积水产品文本文件包括：面雨量、未来最大积水水深、未来某一个时次积水水深和积水预警等级，Shp图层包括空间和属性数据，并基于不同时间序列的预报结果进行命名区分；

在基于高分卫星的平台叠加模型计算结果，实现基于高分卫星的可视化操作。

具体的，通过以模型网格内总体水量平衡为前提，利用易积水区内高精度的数字高程模拟的高程数据对网格进行细化，使特定区域空间分辨率达到10米以内，更加直观的反应易积水区内积水变化情况，实现特定区域的精细化模拟，利用上述精细化积水计算方法，对易积水区进行积水模拟细化，更加精细的反应不同下垫面类型的地表积水淹没过程，根据细网格的水文特性、排水能力与粗网格差异，进一步改进精细化处理方法，有效提升精细化模拟效果，在基于高分卫星的平台叠加模型计算结果，实现基于高分卫星的可视化操作，计算效率可以满足预报预警要求，并实现了在城市暴雨内涝预报预警业务中的应用。

在一个实施例中，基于所述内涝仿真模型获取每个网格中心处的积水深度，计算所述网格间的水量交换通道上的水流量，包括：

获取所述内涝仿真模型的网格形状特征，若网格形状特征为规则的，则直接确定网格的网格中心，若网格形状特征为不规则的，则将网格型状态特征输入不规则形状中心确定模型中，确定网格的网格中心；

获取网格中心处的积水深度，并根据如下公式计算当前网格的积水体积；

其中，表示当前网格的积水体积，/>表示当前网格的中位高度，/>表示当前网格的中位面积，/>表示所述当前网格的不规则系数，取值为（0.5，2.0），/>表示对所述当前网格的体积补偿系数，取值为（0.5，1），/>表示当前网格的地质特征系数，取值为（0，1）；

基于水量交换通道上的每个网格的积水体积，并根据如下公式计算水量交换通道上的水流量；

其中，表示水量交换通道上的水流量，/>表示参考水流速度，/>表示参考水流速度对应的标准积水体积，n表示水量交换通道上的网格数量，/>表示水量交换通道上的第i个网格权重系数，且/>，/>表示水量交换通道上的第i个网格的积水体积，表示水量交换通道的横截面积。

在该实施例中，当前网格的中位高度为最高高度和最低高度的平均值。

在该实施例中，当前网格的中尉面积为最大横截面积和最小横截面积的平均值。

在该实施例中，当前网格的体积补偿新书与网格形状特征相关。

在该实施例中，当前网格的地址越疏松，对应的地址特征系数越大。

在该实施例中，参考水流速度和标准积水体积根据历史经验的到。

在该实施例中，网格对水量交换通道上的水流量影响越大，对应的网格权重系数越大。

上述设计方案的有益效果是：通过根据内涝仿真模型，从内涝仿真模型上分析计算得到网格间的水量交换通道上的水流量，在计算过程中考虑地质特征，不规则网格补偿系数等，保证最终计算得到的水量交换通道上的水流量的准确性，从而通过建模实现对城市汇水去准确划分的技术问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：构建高分卫星平台：构建与高分卫星的数据传输通道，基于所述数据传输通道实时获取高分卫星采集到的城市信息，根据城市信息确定对应城市的地理特征，并根据所述地理特征搭建空白仿真界面；

S2：叠加仿真模型：基于城市位置调取目标地图，并根据目标地图的地图特征确定城市对应的环境参数，同时，将环境参数和目标地图在空白仿真界面中进行加载，得到仿真静态图层；

读取城市信息中的河网、路网、管网和社区水动力信息，获得水动力特征，并根据水动力特征构建仿真动态图层，将仿真静态图层与仿真动态图层进行叠加，获得所述城市的仿真界面；

S3：可视化展示：将所述城市的仿真界面进行三维模型构建，并基于构建结果生成所述城市的可视化场景，对所述城市的地形地貌、道路、建筑物和河流进行真实复现；

综合所述城市的天气、水雨情况、流量水量和水动力的参数信息，结合专业模型算法进行模拟仿真推演，在所述城市的可视化场景上实时显示仿真模拟内涝风险结果，实现仿真模拟内涝风险可视化；

基于推演结果匹配对应的积水处理预案，基于所述积水处理预案进行可视化操控，

其中，针对S3中可视化展示，具体包括：

基于分区层化概念建立和集成河网、路网、管网和社区水动力计算模块，形成相对独立的河流、道路、排水管网和社区的水动力计算模拟体系；

建立多源降水数据接口，完成面雨量计算；

完成河网、路网、社区产汇流模拟，管网自流、水泵排水模块模拟，确定基于所述水动力计算模拟体系的水动力学模型模拟结果，进而得到城市内涝积水淹没范围和深度；

在所述水动力学模型模拟结果的基础上，利用水文模型，对特定区域的积水分布进行精细化处理，实现特定区域的精细化模拟；

对于任意一个原始模型粗网格，根据更高精度的数字高程模型在所述原始模型粗网格中细划个面积相等的细网格。

2.如权利要求1所述的基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，其特征在于：针对S1中构建高分卫星平台，具体包括：

通过获取高分卫星资料，自动提取内涝仿真模型建模所需的城市最新下垫面地理信息数据，建立内涝仿真模型基础数据库；

下垫面地理信息数据包括地形高程和下垫面属性的基础数据，并在所述下垫面属性的基础数据上叠加河道地形、工程设施、防涝调度的基础数据；

其中，所述下垫面属性包括山地、湖泊坑塘、河流、公园、绿地和街道；

基于内涝仿真模型基础数据库，采用无结构不规则网格作为所述内涝仿真模型的计算单元，将每个网格设为一个计算单元，获取每个网格的节点和所述网格间的水量交换通道；

基于所述内涝仿真模型获取每个网格中心处的积水深度，计算所述网格间的水量交换通道上的水流量，获取所述节点对应的坐标确定所述网格和网格间的水量交换通道的所在位置。

3.如权利要求2所述的基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，其特征在于：将每个网格设为一个计算单元，具体包括：

按积水区的大小和形状建立网格，并按照对不同地区内涝的关心程度来加密或放宽所述网格；

其中，所述网格的边数最多不超过6边，且边长大于等于50米；

同时，兼顾通道属性，将城市中连续型阻水建筑物概化成连续堤或缺口堤，按实际走向布置在通道上，形成连续堤或缺口堤型通道；

其中，所述连续型阻水建筑物包括房屋、堤防、高于地面的街道、立交路段和铁路。

4.如权利要求3所述的基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，其特征在于：按积水区的大小和形状建立网格，并按照对不同地区内涝的关心程度来加密或放宽所述网格，具体包括：

基于高分卫星资料，获取城市卫星图像，对所述城市卫星图像进行特征提取，在所述城市卫星图像上勾勒出内涝边缘线，标记出城市的多个内涝区域；

基于内涝边缘线对各个内涝区域进行几何化处理，分别确定各个内涝区域对应的待定几何网格，根据卫星图像的比例尺，分别估测各个待定几何网格各个边的边长；

基于估测结果，判断所述待定几何网格是否符合预设网格标准；

若符合，判定所述待定几何网格合格，并将所述待定几何网格作为其对应的内涝区域的原始模型粗网格；

若不符合，判定所述待定几何网格不合格，并获取所述待定几何网格对应的内涝区域的通道分布，并基于卫星地理标识，确定各个通道的关联关系；

基于所述关联关系，将所述内涝区域的通道进行划分，获得多个通道群，并确定各个通道群的边缘通道；

获取所述待定几何网格对应的内涝区域对应的关心程度，基于所述关心程度，确定所述内涝区域对应的重要等级；

当所述重要等级大于等于预设等级时，将每个通道群对应的边缘通道进行几何化，获得所述内涝区域的多个原始模型粗网格；

当所述重要等级小于预设等级时，获取所述待定几何网格的不合格触发类型，当所述不合格触发类型为边长触发时，将所述待定几何网格作为其对应的内涝区域的原始模型粗网格；

否则，基于预设网格标准对通道群圈定区域进行合并，得到所述内涝区域的多个原始模型粗网格。

5.如权利要求1所述的基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，其特征在于：所述河网、路网、管网和社区水动力计算模块，包括：

获取实际的雨水径流路径数据，构建社区计算模块、路网计算模块、河网计算模块以及管网计算模块，构建立体多重的网格计算形式，其中，将社区径流汇入管网系统；

所述社区计算模块、路网计算模块、河网计算模块构成地表汇流层，管网计算模块在地下汇流层；

管网与路网在平面上分布相同，通过排水口与河段汇流口以水动力的计算方式衔接；

地下管网通过闸门以自流方式排水和泵站排水的方式向河网排水；

其中，泵站排水为将雨水汇集于管网，经过汇流，依靠水泵强排至河道；自流方式排水为基于河道与管网衔接处的水位差计算数据进行水量交换;

地下汇流层采用一维非恒定流基本方程，路网和社区网格单元排入管网的流量，等于排水管网接受的流量，地下汇流的水量交换分解为有效降雨强度和单元排水强度。

6.如权利要求5所述的基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，其特征在于：完成面雨量计算，具体包括：

自动雨量站监测的降水信息，由分布在城市不同地区的自动雨量站监测的实况降雨资料；

多普勒雷达监测的降水信息，由探测到的雷达回波强度按照Z-R关系反演的降水强度并随时间积分得到的累积降水量；

数值模式预测的降水信息，由不同类型的数值模式在特定的初始气象场计算的降雨量资料；

主观预报的降水信息，由预报员在每天值班过程中发布的降水预报资料；

将获取到的实测降雨量数据进行标准化格式转换，并将标准化格式转换后的数据输入至仿真模型进行计算。

7.如权利要求6所述的基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，其特征在于：针对S3中，对所述城市进行真实复现，还包括：构建拟真气象环境模拟模型，基于所述拟真气象环境模拟模型实时调节所述城市的可视化场景的四季、天气、昼夜、日照变化，高拟真复现物理环境效果，基于时间和空间多重维度，对降雨量和路面积水高度的参数进行动态推演。

8.如权利要求7所述的基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，其特征在于：针对S3中仿真模拟内涝风险可视化，包括：

读取城市暴雨内涝仿真模型计算产生的积水产品文本文件，生成Shp格式图层；

其中，所述积水产品文本文件包括：面雨量、未来最大积水水深、未来某一个时次积水水深和积水预警等级，Shp图层包括空间和属性数据，并基于不同时间序列的预报结果进行命名区分；

在基于高分卫星的平台叠加模型计算结果，实现基于高分卫星的可视化操作。

9.如权利要求2所述的基于大尺度城市暴雨内涝模型的精细化积水处理方法，其特征在于：基于所述内涝仿真模型获取每个网格中心处的积水深度，计算所述网格间的水量交换通道上的水流量，包括：

获取所述内涝仿真模型的网格形状特征，若网格形状特征为规则的，则直接确定网格的网格中心，若网格形状特征为不规则的，则将网格型状态特征输入不规则形状中心确定模型中，确定网格的网格中心；

获取网格中心处的积水深度，并根据如下公式计算当前网格的积水体积；

其中，/>表示当前网格的积水体积，/>表示当前网格的中位高度，/>表示当前网格的中位面积，/>表示所述当前网格的不规则系数，取值为（0.5，2.0），/>表示对所述当前网格的体积补偿系数，取值为（0.5，1），/>表示当前网格的地质特征系数，取值为（0，1）；

基于水量交换通道上的每个网格的积水体积，并根据如下公式计算水量交换通道上的水流量；

其中，表示水量交换通道上的水流量，/>表示参考水流速度，/>表示参考水流速度对应的标准积水体积，n表示水量交换通道上的网格数量，/>表示水量交换通道上的第i个网格权重系数，且/>，/>表示水量交换通道上的第i个网格的积水体积，/>表示水量交换通道的横截面积。