一种基于排水管网与地表淹没的城市内涝模拟方法与流程

1.本发明涉及城市洪涝管理技术领域，特别是一种基于排水管网与地表淹没的城市内涝模拟方法。


背景技术：

2.城市的产汇流机制远比天然流域复杂，且城市排水系统内具有多种水流状态，包括重力流、压力流、环流、回水、倒流和地面积水等。传统的城市内涝模拟方法主要包括水文学方法、水动力学方法和水文与水动力相结合的方法，不同的模拟方法常存在以下问题：
3.(1)雨水井集水区构建精确度低。集水区域是地表径流汇聚到一共同雨水井的过程中所流经的地表区域，直接影响雨水井乃至整个排水管网的汇水量大小及其时间分布。常见内涝模型中汇水区划分均粗略地采用泰森多边形法则构建雨水井集水区，导致跨越山脊、街区、河道的集水区大量存在，严重影响模型后期模拟精度。
4.(2)管网拓扑结构错误率高。城市管网数据量非常大，测绘数据存在一定偏差，例如管段上下游节点编号错误、井盖地面高程与所在地形不相符、管段管径过大、部分数据缺失等。
5.(3)模型模拟计算速度慢。由于排水管网拓扑关系复杂，或地表二维网格数量庞大，模型模拟耗时较多。在率定阶段，需要多次调整模型参数计算，每次模拟时间过长，使模型率定工作效率低下；在模型实际应用阶段，计算耗时过多不便于结果输出和结果查看。
6.(4)城市内涝模型率定准确率低。模型率定需要反复运算模型，将模型模拟数据与实际监测数据对比，不断调整模型产汇流参数，然后采用调整后的参数继续运算，直到模拟数据与实测数据相符。基于前述不足，或由于排水管网和河道的监测数据缺失，无法以管网或河道的水位、流量监测数据进行率定，模型率定准确率低。
7.因此需要一种能够精确构建雨水井集水区、准确检查管网拓扑结构和提高模型工作效率城市内涝模拟方法。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种基于排水管网与地表淹没的城市内涝模拟方法，能够提高城市内涝模型模拟精度，克服传统城市内涝模型存在的模型集水区构建精确度低、管网拓扑结构错误率高、模型模拟计算速度慢、城市内涝模型率定准确率低等问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于排水管网与地表淹没的城市内涝模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
10.(1)依据山脊、街道、河道等空间分布，划分雨水井集水区，确保地表径流汇入雨水井的距离和范围准确性；
11.(2)专业人员手动梳理排水管网的平面结构和垂向结构，雨水井井底高程、雨水井井顶高程和雨水管段管径，完成一维排水管网模型的构建；
12.(3)考虑城市不同下垫面对地表径流的影响，构建地表产流模型、地表汇流模型，
并完成步骤(2)中的一维排水管网模型和地表产流模型、地表汇流模型的耦合，构建-维精细化管网模型；
13.(4)基于准确度高的地形高程数据，采取整体剖分和局部加密的剖分方式进行地表二维网格划分，构建二维地表模型；
14.(5)将步骤(3)中的一维精细化管网模型与步骤(4)中的二维地表模型耦合，构建完整的城市内涝模型；
15.(6)通过地表淹没范围的实测数据代替雨水井井下液位和河道水位的方式与模拟数据对比，率定模型产汇流参数。
16.进一步的，步骤(4)中所述整体剖分的方式是率先对研究区域进行地表二维网格划分。
17.进一步的，步骤(4)中所述局部加密的区域选取主要考虑地形低洼、内涝风险大和城市关键机构所在区域。
18.进一步的，所述地形低洼、内涝风险大和城市关键机构所在区域包括高架桥下、地铁口、隧道内、医院、消防局。
19.进一步的，所述地形低洼、内涝风险大和城市关键机构所在区域通过调查统计流域内城市地图的关键区域以及相关单位历史内涝灾害记录选定。
20.进一步的，所述准确度高的地形高程数据是经过人工考虑实际地形情况修正处理的地形高程数据。
21.本发明的有益效果：
22.本发明以城市内涝灾害的模拟方法为研究对象，能为提高城市内涝模拟的精度和速度、提升城市内涝灾害预测能力提供一定的科学依据和技术支持。
23.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
24.(1)所提方法与传统方法相比，该方法能够考虑雨水井集水区的现实地表径流情况，解决仪器测绘数据的错误数据问题，提高内涝模型的模拟精度。
25.(2)所提方法与传统方法相比，该方法在保证地形精度的基础上，舍弃“一刀切”的建模思路，采取整体剖分和局部加密的剖分方式，提高内涝模型计算速度。
26.(3)新的发明及研究方法进一步提升城市内涝灾害预测能力，克服了传统城市内涝模型存在的模型集水区构建精确度低、管网拓扑结构错误率高、模型模拟计算速度慢、城市内涝模型率定准确率低等问题。
附图说明
27.图1为一维排水管网与地表产汇流模型耦合示意图；
28.图2为二维地表模型示意图；
29.图3为基于排水管网和地表淹没的城市内涝模拟方法路线图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明做进一步说明。
31.请参阅图1至图3，本发明提供了一实施例：一种基于排水管网与地表淹没的城市内涝模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
32.(1)依据山脊、街道、河道等空间分布，划分雨水井集水区，确保地表径流汇入雨水井的距离和范围准确性；考虑到城中山山脊、河道等城市地理要素对地表径流的阻断作用，以及宽距离街道的分流作用，本发明根据城市中山脊、街道、河道等空间分布，精确划分每个雨水井的集水区域，确保地表径流汇入雨水井的距离和范围准确性。
33.(2)专业人员手动梳理排水管网的平面结构和垂向结构，雨水井井底高程、雨水井井顶高程和雨水管段管径，完成一维排水管网模型的构建；这一步骤主要是考虑到排水管网数据拓扑关系复杂、测绘数据不准确等的问题，
34.(3)考虑城市不同下垫面对地表径流的影响，构建地表产流模型、地表汇流模型，并完成步骤(2)中的一维排水管网模型和地表产流模型、地表汇流模型的耦合，构建一维精细化管网模型；在步骤(2)的基础上，考虑城市不同下垫面对地表径流的影响，构建地表产流模型、地表汇流模型，其中再基于降雨数据，并先在泰森多边形划分集水区的基础上，根据山脊、街道、河道等空间分布，手动修改集水区，再结合地表产流模型和地表汇流模型，构建-维排水管网和地表产汇流耦合模型，如图1所示；
35.(4)基于准确度高的地形高程数据，采取整体剖分和局部加密的剖分方式进行地表二维网格划分，构建二维地表模型；在融合测绘数据和井盖数据的基础上，修正地形数据，基于地形数据，采取整体剖分和局部加密的剖分方式来构建二维地表模型，如图2所示的；
36.(5)将步骤(3)中的一维精细化管网模型与步骤(4)中的二维地表模型耦合，构建完整的城市内涝模型；在完成一维精细化排水管网模型的基础上，耦合二维地表淹没模型，完成基于排水管网和地表淹没模型的构建，如图3所示。
37.(6)通过地表淹没范围的实测数据代替雨水井井下液位和河道水位的方式与模拟数据对比，率定模型产汇流参数。在城市内涝模型率定阶段，针对管网或河道的监测数据缺失，无法以管网或河道的水位或流量监测数据进行率定的情况，采用实测地表淹没范围代替雨水井井下液位和河道水位的方式，与模拟淹没范围对比，完成模型的产汇流参数的率定工作。通过将模拟数据与实测数据对比，不断调整模型产汇流参数，进行模型参数率定，使模型更加准确，更加符合实际情况，进而使得进行模型预测时结果准确性更高。
38.请继续参阅图1至图3所示，本发明一实施例中，步骤(4)中所述整体剖分的方式是率先对研究区域进行地表二维网格划分。二维网格划分可以根据需要选择划分的方法。
39.请继续参阅图1至图3所示，本发明一实施例中，步骤(4)中所述局部加密的区域选取主要考虑地形低洼、内涝风险大和城市关键机构所在区域。这能够为提高城市内涝模拟的精度和速度，提升城市内涝灾害预测能力。
40.请继续参阅图1至图3所示，本发明一实施例中，所述地形低洼、内涝风险大和城市关键机构所在区域包括高架桥下、地铁口、隧道内、医院、消防局。高架桥下、地铁口、隧道内等等的地点地势比较低，是内涝极易发生的地方，医院、消防局等等的地点则是城市关键机构所在区域，为城市的生活提供保障的地方，所以对于局部加密的地方主要优先这几个地方和其他地形低洼、内涝风险大和城市关键机构所在区域，能够为提高城市内涝模拟的精度。
41.请继续参阅图1至图3所示，本发明一实施例中，所述地形低洼、内涝风险大和城市关键机构所在区域通过调查统计流域内城市地图的关键区域以及相关单位历史内涝灾害
记录选定。能够更快、更有针对性的进行区域的选取。
42.请继续参阅图1至图3所示，本发明一实施例中，述准确度高的地形高程数据是经过人工考虑实际地形情况修正处理的地形高程数据。由于测绘资料存在误差，可能出现地面高程数据与雨水井井盖高程数据不匹配的情况，所以需人工考虑实际地形情况修正处理。
43.本发明具有以下工作原理：本发明先以山脊、街道、河道为边界对汇水区逐一划分，并将其出水口与检查井或河道节点一一对应，接着通过人工核对排水管网结构和基本信息，获取满足建模精度需求的排水管网数据，再采用排水管网与地表二维耦合的方式，提高内涝模型模拟精度。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例，不能理解为对本技术的限制，方法中的各种模型可以耦合更多其他模型和数据，不断提升和完善模型功能，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

技术特征：
1.一种基于排水管网与地表淹没的城市内涝模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)依据山脊、街道、河道等空间分布，划分雨水井集水区，确保地表径流汇入雨水井的距离和范围准确性；(2)专业人员手动梳理排水管网的平面结构和垂向结构，雨水井井底高程、雨水井井顶高程和雨水管段管径，完成一维排水管网模型的构建；(3)考虑城市不同下垫面对地表径流的影响，构建地表产流模型、地表汇流模型，并完成步骤(2)中的一维排水管网模型和地表产流模型、地表汇流模型的耦合，构建一维精细化管网模型；(4)基于准确度高的地形高程数据，采取整体剖分和局部加密的剖分方式进行地表二维网格划分，构建二维地表模型；(5)将步骤(3)中的一维精细化管网模型与步骤(4)中的二维地表模型耦合，构建完整的城市内涝模型；(6)通过地表淹没范围的实测数据代替雨水井井下液位和河道水位的方式与模拟数据对比，率定模型产汇流参数。2.根据权利要求1所述的一种基于排水管网与地表淹没的城市内涝模拟方法，其特征在于：步骤(4)中所述整体剖分的方式是率先对研究区域进行地表二维网格划分。3.根据权利要求1所述的一种基于排水管网与地表淹没的城市内涝模拟方法，其特征在于：步骤(4)中所述局部加密的区域选取主要考虑地形低洼、内涝风险大和城市关键机构所在区域。4.根据权利要求3所述的一种基于排水管网与地表淹没的城市内涝模拟方法，其特征在于：所述地形低洼、内涝风险大和城市关键机构所在区域包括高架桥下、地铁口、隧道内、医院、消防局。5.根据权利要求3所述的一种基于排水管网与地表淹没的城市内涝模拟方法，其特征在于：所述地形低洼、内涝风险大和城市关键机构所在区域通过调查统计流域内城市地图的关键区域以及相关单位历史内涝灾害记录选定。6.根据权利要求1所述的一种基于排水管网与地表淹没的城市内涝模拟方法，其特征在于：所述准确度高的地形高程数据是经过人工考虑实际地形情况修正处理的地形高程数据。

技术总结
本发明涉及一种基于排水管网与地表淹没的城市内涝模拟方法，包括以山脊、街道、河道为边界对汇水区逐一划分，并将其出水口与检查井或河道节点一一对应，接着通过人工核对排水管网结构和基本信息，获取满足建模精度需求的排水管网数据，再采用排水管网与地表二维耦合，构建完整的城市内涝模型。本发明融合多源数据，耦合排水管网和地表淹没模型，对城市内涝过程进行模拟，提高内涝模型模拟精度，能够在城市内涝预报预警中发挥重要作用。城市内涝预报预警中发挥重要作用。城市内涝预报预警中发挥重要作用。


技术研发人员：高尚 陈德杨 肖毅宏
受保护的技术使用者：福州市城区水系联排联调中心
技术研发日：2023.01.03
技术公布日：2023/10/20