CN110187413A - 一种城市内涝预报方法、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市内涝预报方法、电子设备及存储介质，该方法为：建立城市内涝模型；根据当地的暴雨强度公式以及芝加哥降雨雨型研制出不同重现期的设计降雨；将设计降雨输入至城市内涝模型进行计算，得到随着降雨过程的不同时刻的城市内涝数据并存储至数据库中；获取城市预报降雨，根据城市预报降雨查询数据库中对应的重现期的设计降雨从而得到城市预报降雨对应的城市内涝数据；根据城市预报降雨对应的城市内涝数据进行内涝风险预报。该方法能根据城市气象局提前发布的降雨预报信息，与数据库中的设计降雨进行比对确定对应的设计降雨从而确定对应的城市内涝数据，实现提前预报城市内涝风险信息，大幅提高城市内涝风险预报效率和精度。

Description

一种城市内涝预报方法、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及城市内涝风险预报技术领域，尤其涉及一种城市内涝预报方法、电子设备及存储介质。

背景技术

随着城市化进程加快，地表硬化率的提高，城市蓄水滞水能力减弱，加之汛期极端暴雨频发，每年汛期各地都出现“看海”景观，极大影响了城市出行和生活生产，甚至造成内涝灾害，危及生命财产安全。如何能减小城市内涝影响，提前预报城市内涝风险，定位内涝位置、定量内涝水深、面积、时间等信息，主动采取避险措施，对于提高城市水安全，保障城市安全有序运行至关重要。

降雨是城市内涝的源头条件，通过气象部门的雷达预测技术已经可以实现精准的未来降雨预报。但是城市内涝的产生是多要素影响的结果，包括降雨模块、地表产汇流模块、管网转输模块、下游河湖水体模块等，目前已经有成熟的城市内涝计算模型，但是仅满足离线计算效率要求，在线驱动计算时效性低，满足不了城市内涝预报避险处置的时间要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种城市内涝预报方法，其能根据城市气象局提前发布的降雨预报信息，与数据库中的设计降雨进行比对确定对应的设计降雨从而确定对应的城市内涝数据，实现提前预报城市内涝风险信息，大幅提高城市内涝风险预报效率和精度。

本发明的目的之二在于提供一种电子设备，其能根据城市气象局提前发布的降雨预报信息，与数据库中的设计降雨进行比对确定对应的设计降雨从而确定对应的城市内涝数据，实现提前预报城市内涝风险信息，大幅提高城市内涝风险预报效率和精度。

本发明的目的之三在于提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中的程序运行时能够根据城市气象局提前发布的降雨预报信息，与数据库中的设计降雨进行比对确定对应的设计降雨从而确定对应的城市内涝数据，实现提前预报城市内涝风险信息，大幅提高城市内涝风险预报效率和精度。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种城市内涝预报方法，包括以下步骤：

建立城市内涝模型；

根据当地的暴雨强度公式以及芝加哥降雨雨型研制出不同重现期的设计降雨；

将所研制的不同重现期的设计降雨输入至所述城市内涝模型进行计算，得到随着降雨过程的不同时刻的城市内涝数据并存储至数据库中；

获取城市预报降雨，根据所述城市预报降雨查询数据库中对应的重现期的设计降雨从而得到所述城市预报降雨对应的城市内涝数据；

根据所述城市预报降雨对应的城市内涝数据进行内涝风险预报。

进一步地，所述城市内涝模型包括产流模块、汇流模块以及管网转输模块，所述产流模块对降雨进行扣损从而得到地面有效净雨过程，所述汇流模块根据所述产流模块所得到的地面有效净雨过程计算得到汇流过程，所述管网转输模块根据所述汇流模块所得到的汇流过程以及管网排水过程计算得到城市内涝数据。

进一步地，所述产流模块具体为净雨过程计算模型，净雨过程按照以下公式进行计算：

R₀＝(q-f_m)Δt-D₀-E

其中，R₀为净雨量，单位为mm；q为降雨强度，单位为mm/s；f_m为下渗速率单位为mm/s；△t为计算时间步长，单位为s；D₀为截留和洼蓄量，单位为mm；E为蒸发量，单位为mm。

进一步地，所述汇流模块具体为非线性水库模型，所述非线性水库模型的连续性方程为：

其中，v为汇水区库容水量，单位为m³；d为水深，单位为m；A为汇水区面积，单位为m²；i^*为净雨强度，单位为mm/s；q为出流量，单位为m³/s。

进一步地，出流量q通过曼宁公式进行计算，具体计算过程如下：

其中，W为汇水区宽度，单位为m；n为曼宁粗糙系数；d为水深，单位为m；dp为滞蓄水深，单位为m；S为汇水区坡度。

进一步地，所述管网转输模块采用圣维南方程组计算雨水在管网内的排水过程，具体计算公式如下：

其中，A为过水断面面积，单位为m2；Q为流量，单位为m³/s；t为时间，单位为s；V为管内流速，单位为m/s；q为单位长度的旁侧入流量，单位为[m3/(s·m)]；h为管内水深，单位为m；x为管道方向的长度，单位为m；g为重力加速度，g＝9.81m/s²；S_f为阻力坡度；S₀为管道底坡。

进一步地，根据所述城市预报降雨查询数据库中对应的重现期的设计降雨从而得到所述城市预报降雨对应的城市内涝数据具体为：

根据所述城市预报降雨中的持续T1时间内的降雨量M1，查询数据库得到降雨量最接近M1的设计降雨；

当降雨量最接近M1的设计降雨只有一个时，则获取该设计降雨对应的城市内涝数据；

当降雨量最接近M1的设计降雨具有多个时，则获取这些设计降雨中的历时最接近T1的设计降雨所对应的城市内涝数据。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有可执行计算机程序，所述处理器可读取所述存储器中的计算机程序并运行以实现如上所述的城市内涝预报方法。

本发明的目的之三采用如下技术方案实现：

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有可执行计算机程序，所述计算机程序运行时可实现如上所述的城市内涝预报方法。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

该城市内涝预报方法通过建立城市内涝模型，然后根据当地的暴雨强度公式及芝加哥降雨雨型来研制出不同重现期的设计降雨的强度，然后将所研制的不同重现期的设计降雨输入到城市内涝模型中进行计算得到对应城市内涝数据并保存在数据库中，然后根据城市预报降雨信息查询与该城市预报降雨信息最最相近的设计降雨即可得到对应的城市内涝数据从而进行城市内涝预报。该方法实现了提前预报城市内涝风险信息，大幅提高城市内涝风险预报效率和精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种城市内涝预报方法的流程示意图；

图2为本发明所研制的广州市的设计降雨的芝加哥降雨过程(5年一遇2小时)的示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

请参阅图1，其为一种城市内涝预报方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

S1、建立城市内涝模型；

S2、根据当地的暴雨强度公式以及芝加哥降雨雨型研制出不同重现期的设计降雨；

S3、将所研制的不同重现期的设计降雨输入至所述城市内涝模型进行计算，得到随着降雨过程的不同时刻的城市内涝数据并存储至数据库中；每个重现期的设计降雨与城市内涝数据一一对应存储；

S4、获取城市预报降雨，根据所述城市预报降雨查询数据库中对应的重现期的设计降雨从而得到所述城市预报降雨对应的城市内涝数据；

S5、根据所述城市预报降雨对应的城市内涝数据进行内涝风险预报。

该城市内涝预报方法通过建立城市内涝模型，然后根据当地的暴雨强度公式及芝加哥降雨雨型来研制出不同重现期的设计降雨的强度，然后将所研制的不同重现期的设计降雨输入到城市内涝模型中进行计算得到对应城市内涝数据并保存在数据库中，然后根据城市预报降雨信息查询与该城市预报降雨信息最最相近的设计降雨即可得到对应的城市内涝数据从而进行城市内涝预报。该方法实现了提前预报城市内涝风险信息，大幅提高城市内涝风险预报效率和精度。

内涝形成的过程是降雨从天而降，落到地面会有一部分雨量渗透到地下，多余的水量会沿着地表由高到低流动，流入地面的雨水篦子，再进入雨水管道，最终流向下游河湖，如果雨量过大，超出雨水管道的转输能力，水就会冒出雨水篦子或者地面的水流不进雨水篦子，水就会积聚在地面，造成内涝。

因此，本发明根据城市内涝形成的原理，利用城市排水管网数据、地表下垫面数据、高程数据、下游河湖数据等建立城市内涝模型，用于模拟计算降雨到地表产生内涝的过程。

关于设计降雨的研制过程：

降雨过程是指每个时刻的降雨强度，表征出降雨的大小。暴雨强度公式是每个地方独特的公式，每个区域不同，主要有三个参数，T-降雨历时，P-重现期，M降雨量，但这些都是数值，体现不出过程，芝加哥降雨雨型是一个过程函数，通过芝加哥降雨雨型可以把暴雨公式的数值变成过程值，用于城市内涝模型的降雨输入。

例如广州市暴雨强度公式如下：

芝加哥降雨过程(5年一遇2小时)如图2所示。

作为一种优选的实施方式，所述城市内涝模型包括产流模块、汇流模块以及管网转输模块，所述产流模块对降雨进行扣损从而得到地面有效净雨过程，所述汇流模块根据所述产流模块所得到的地面有效净雨过程计算得到汇流过程，所述管网转输模块根据所述汇流模块所得到的汇流过程以及管网排水过程计算得到城市内涝数据。

作为一种优选的实施方式，所述产流模块具体为净雨过程计算模型，产流模块是通过对降雨进行扣损从而得到地面有效净雨的过程。降雨的产流过程扣损通常需考虑流域的蒸发、植被截留、低洼地面的洼蓄和土壤下渗等因素影响。具体地，净雨过程可按照以下公式进行计算：

公式一：R₀＝(q-f_m)Δt-D₀-E

其中，R₀为净雨量，单位为mm；q为降雨强度，单位为mm/s；f_m为下渗速率单位为mm/s；△t为计算时间步长，单位为s；D₀为截留和洼蓄量，单位为mm；E为蒸发量，单位为mm。

汇流过程是指将各分区净雨汇集到出口控制断面或直接排入河道的过程。地表径流模拟采用非线性水库模型，即汇流模块具体为非线性水库模型，由连续方程和曼宁方程联立求解。模型需要输入每个排水小区的面积、宽度、坡度、透水地表和不透水地表的曼宁糙率，不透水地表的百分比，无洼蓄能力的不透水地表所占的百分比，透水地表和不透水地表的洼蓄量。

对于某一个汇水区，所述非线性水库模型的连续性方程为：

公式二：

其中，v为汇水区库容水量，单位为m³；d为水深，单位为m；A为汇水区面积，单位为m²；i^*为净雨强度，单位为mm/s；q为出流量，单位为m³/s。

出流量q通过曼宁公式进行计算，具体计算过程如下：

公式三：

其中，W为汇水区宽度，单位为m；n为曼宁粗糙系数；d为水深，单位为m；dp为滞蓄水深，单位为m；S为汇水区坡度。

将公式三代入公式二中，可得：

公式四：

其中，WCON代指常数，为该项的系数总值。

非线性水库求解的最终目标是计算得到汇水区出流流量随时间变化的过程。由公式四可知，只要求出每个计算时刻的水深d，即可通过曼宁公式计算得到汇水区的出流过程线。

每个计算时刻的水深d的计算方法如下：

对公式四进行有限差分近似，即

公式五：

式中，d1为前一计算时刻水深，单位为m；d2为当前计算时刻水深，单位为m，△t为计算时间步长，单位为s。

在具体求解中，净雨强度值在时间步长内取均值，出流中水深由前一时刻水深d1与当前时刻水深d2取平均获得，即

公式六：

公式六对于某个计算时刻只是一个含有一个未知数d2的非线性方程，可以使用数值方法求出数值解，也就是说可以求得每个时刻的水深d。

作为一种优选的实施方式，所述管网转输模块采用圣维南方程组计算雨水在管网内的排水过程，圣维南方程组将雨水在管内的运动简化为一维运动，忽略垂直方向的速度和加速度，通过分别构建水量平衡方程和能量守恒方程进行运动过程的描述，具体计算公式如下：

其中，A为过水断面面积，单位为m2；Q为流量，单位为m³/s；t为时间，单位为s；V为管内流速，单位为m/s；q为单位长度的旁侧入流量，单位为[m3/(s·m)]；h为管内水深，单位为m；x为管道方向的长度，单位为m；g为重力加速度，g＝9.81m/s²；S_f为阻力坡度；S₀为管道底坡。

作为一种优选的实施方式，根据所述城市预报降雨查询数据库中对应的重现期的设计降雨从而得到所述城市预报降雨对应的城市内涝数据具体为：

根据所述城市预报降雨中的持续T1时间内的降雨量M1，查询数据库得到降雨量最接近M1的设计降雨；

当降雨量最接近M1的设计降雨只有一个时，则获取该设计降雨对应的城市内涝数据；

当降雨量最接近M1的设计降雨具有多个时，则获取这些设计降雨中的历时最接近T1的设计降雨所对应的城市内涝数据。

本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有可执行计算机程序，所述处理器可读取所述存储器中的计算机程序并运行以实现如上所述的城市内涝预报方法。

此外，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有可执行计算机程序，所述计算机程序运行时可实现如上所述的城市内涝预报方法。

该计算机可读存储介质存储有计算机程序，本发明的方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在该计算机存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机存储介质不包括电载波信号和电信信号。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种城市内涝预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立城市内涝模型；

根据当地的暴雨强度公式以及芝加哥降雨雨型研制出不同重现期的设计降雨；

将所研制的不同重现期的设计降雨输入至所述城市内涝模型进行计算，得到随着降雨过程的不同时刻的城市内涝数据并存储至数据库中；

获取城市预报降雨，根据所述城市预报降雨查询数据库中对应的重现期的设计降雨从而得到所述城市预报降雨对应的城市内涝数据；

根据所述城市预报降雨对应的城市内涝数据进行内涝风险预报。

2.如权利要求1所述的城市内涝预报方法，其特征在于，所述城市内涝模型包括产流模块、汇流模块以及管网转输模块，所述产流模块对降雨进行扣损从而得到地面有效净雨过程，所述汇流模块根据所述产流模块所得到的地面有效净雨过程计算得到汇流过程，所述管网转输模块根据所述汇流模块所得到的汇流过程以及管网排水过程计算得到城市内涝数据。

3.如权利要求2所述的城市内涝预报方法，其特征在于，所述产流模块具体为净雨过程计算模型，净雨过程按照以下公式进行计算：

R₀＝(q-f_m)Δt-D₀-E

其中，R₀为净雨量，单位为mm；q为降雨强度，单位为mm/s；f_m为下渗速率单位为mm/s；△t为计算时间步长，单位为s；D₀为截留和洼蓄量，单位为mm；E为蒸发量，单位为mm。

4.如权利要求2所述的城市内涝预报方法，其特征在于，所述汇流模块具体为非线性水库模型，所述非线性水库模型的连续性方程为：

其中，v为汇水区库容水量，单位为m³；d为水深，单位为m；A为汇水区面积，单位为m²；i^*为净雨强度，单位为mm/s；q为出流量，单位为m³/s。

5.如权利要求4所述的城市内涝预报方法，其特征在于，出流量q通过曼宁公式进行计算，具体计算过程如下：

其中，W为汇水区宽度，单位为m；n为曼宁粗糙系数；d为水深，单位为m；dp为滞蓄水深，单位为m；S为汇水区坡度。

6.如权利要求2所述的城市内涝预报方法，其特征在于，所述管网转输模块采用圣维南方程组计算雨水在管网内的排水过程，具体计算公式如下：

其中，A为过水断面面积，单位为m2；Q为流量，单位为m³/s；t为时间，单位为s；V为管内流速，单位为m/s；q为单位长度的旁侧入流量，单位为[m3/(s·m)]；h为管内水深，单位为m；x为管道方向的长度，单位为m；g为重力加速度，g＝9.81m/s²；S_f为阻力坡度；S₀为管道底坡。

7.如权利要求1所述的城市内涝预报方法，其特征在于，根据所述城市预报降雨查询数据库中对应的重现期的设计降雨从而得到所述城市预报降雨对应的城市内涝数据具体为：

根据所述城市预报降雨中的持续T1时间内的降雨量M1，查询数据库得到降雨量最接近M1的设计降雨；

当降雨量最接近M1的设计降雨只有一个时，则获取该设计降雨对应的城市内涝数据；

当降雨量最接近M1的设计降雨具有多个时，则获取这些设计降雨中的历时最接近T1的设计降雨所对应的城市内涝数据。

8.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有可执行计算机程序，所述处理器可读取所述存储器中的计算机程序并运行以实现如权利要求1至7任一项所述的城市内涝预报方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有可执行计算机程序，所述计算机程序运行时可实现如权利要求1至7任一项所述的城市内涝预报方法。