CN111046551B - 一种城市群排水过程模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市群排水过程模拟方法，其步骤包括(1)概念性城市群水文单元划分；(2)城区汇水零维区域及积水模拟；(3)雨水井概化与连通；(4)求解雨水井跟管道的连通关系；(5)与周边管道或河网模型的耦合。本发明解决了在区域、流域大尺度上城市产汇流模拟的精度与效率的矛盾，能够在城市群防洪排涝要求的时段内，对城市内涝、倒灌等排水过程进行高精度模拟，也可以降低模型在不同模拟尺度下的异质性影响。

Description

一种城市群排水过程模拟方法

技术领域

本发明涉及一种水文模拟方法，尤其涉及一种城市群排水过程模拟方法。

背景技术

传统的城市水文水动力学模型耦合主要包括：城市水文响应单元的降水-截留-蒸发-入渗-产流模块、地表汇流模块、管网汇流模块、河网水系一维水动力学模块等。对于城市洪涝研究中，需要建立二维水动力学模块模拟地表淹没过程以及排水管网、河湖水系的衔接过程，从而真实地模拟出水面在道路、小区、绿地、河道等不同地形情况下的漫流过程。如SWMM模型、InfoWorks模型、MIKE模型等，最核心的部分便是依靠地表二维浅水方程建立城市雨洪地表水动力模型。

然而，水动力学方法对资料需求较多，且计算时间较长。从城区到流域的洪涝模拟尺度过程中，高精度的模拟要求与计算效率形成了鲜明的矛盾，无法通过二维网格有效地模拟整个城市或城市群的产汇流过程，因此较少应用于洪涝的快速预报及评价。另一方面，在与周边河网模型的耦合部分，传统排水模型主要考虑的是城区内部由于管道排水能力不足导致雨水积余造成的内涝，对于管道满溢和回流情况下的内涝模拟存在不足，这就导致这种模型在大尺度的计算中是不适用的。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种城市群排水过程模拟方法，基于概念性城市群水文模型，在保证计算精度的同时，大幅降低计算工作量，使之能够在区域流域范围要求的时效内，对流域内城市群的内涝、倒灌等排水过程进行高精度模拟，同时可以降低模型在不同尺度下的异质性影响。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种城市群排水过程模拟方法，包括以下步骤：

(1)将城市群按照各自独立的汇水区域进行划分，再将各汇水区域划分为若干概念性城市群水文单元，所述概念性城市群水文单元是指每一个雨水井的汇水分区，从而建立城市群的排水模型；其中，每一个雨水井的汇水分区是按照雨水井及其数字高程模型来确定的。

(2)城区汇水零维区域及积水模拟：将城区产流在进入雨水井之前的阶段，概化为零维区域调蓄的过程，得到零维区域调蓄的水位容积曲线；所述的对所述零维区域调蓄的过程进行模拟，包括以下过程：对概念性城市群水文单元上地形的高程分布进行处理，形成对应的高程-面积关系，然后转化得到零维区域调蓄的水位容积曲线。

(3)收集每个雨水井的过流面积、地面高程信息，以及城市群排水管道的排布数据，雨水井按地形与距离最近的管道断面相连；优选的，步骤(3)中还包括排水流向设计，对排水管道的排布数据进行优化，在所述的收集城市群排水管道的排布数据之后进行，优化过程为：对管道首末节点进行编号，将具有相同连接点的管段按相同路名进行合并，合并处设置管道断面。

(4)根据雨水井与管道、河道的连通关系，求解单一管道作用下通过雨水井的流量；求解过程包括以下步骤：

(41)建立雨水井流量与雨水井地表水位Z_N1及出水口河道水位Z_N2的关系：

其中：

式中，θ_i，η_i，γ_i，α_i，β_i，ζ_i均为相关系数，

为雨水井过堰流量系数，

为与河道衔接出水口流量系数；其中所述雨水井过堰流量系数、与河道衔接出水口流量系数计算式分别为：

式中，

为雨水井过堰流量系数，Hs为雨水井的宽带，B为雨水井的长度，As为雨水井的面积，g是重力加速度。

(42)对步骤(41)中的关系式进行求解，得到通过雨水井的流量Q_i。

(5)对雨水井汇入周边管道或河网进行耦合求解。所述步骤(5)包括以下过程：通过雨水井汇入周边管道或河网耦合求解，将水位-流量关系转变为流量边界条件；求解管道或河道的首末节点水位，即可求得管道或河道内部任一断面的水位；再以质量守恒原理为依据建立节点水位方程，最终将水位边界和流量边界带入节点水量平衡方程，求解矩阵方程就可以得出节点水位，进一步求得河道或管道各断面水力要素。

优选的，该方法中所述雨水井的规格采用国家标准的雨水口篦子。

有益效果：相比于现有的水动力学模型计算方法模拟城市群内涝、倒灌等排水过程，本发明创造性的提出了一种概念性城市群水文模型，通过将城市中每一个雨水井的汇水分区作为排水模型的一个组成单元，将城市群排水过程的大尺度模拟分解为对概念性城市群水文单元的计算，解决了在区域、流域大尺度上城市产汇流模拟的精度与效率的矛盾，能够在城市群防洪排涝要求的时段内，对城市内涝、倒灌等排水过程进行高精度模拟，也可以降低模型在不同模拟尺度下的异质性影响。

附图说明

图1为本发明的概念性城市群水文模型结构；

图2为本发明所述的概念性城市群水文模型结构；

图3为本发明所述的零维区域模拟积水技术过程图；

图4为本发明所述的汇水零维区域概化过程图；

图5为本发明所述的零维调蓄填洼示意图；

图6为本发明所述的雨水井高程示意图；

图7为本发明所述的雨水井概化示意图；

图8为雨水井篦子图；

图9为本发明所述的雨水井及出水口模型图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的城市群排水过程模拟方法，适用于模拟整个城市或城市群的产汇流过程，包括以下步骤。

(1)概念性城市群水文模型的组成单元划分：

如图2所示，将城市中雨水井的汇水分区作为排水模型的一个组成单元，称为概念性城市群水文单元，由概念性城市群水文单元组成整个城市或城市群的概念性城市群水文模型。各个雨水井的汇水分区与城市下水管道相连通城市群水文单元具有独立的水文和水力学属性，由区域水文模型、区域零维调蓄单元、雨水井等构成。降雨经由区域水文模型计算产流，汇入区域零维调蓄单元，对排水流向进行设计，再通过雨水井汇入周边管道或河网耦合。如果排水不畅或回水顶托，则可通过零维调蓄单元的水位面积关系曲线推求城市水文单元的淹没范围，同时可以具体展示淹没区域的空间分布。

(2)城区汇水零维区域及积水模拟：

将城区产流在进入雨水井之前的阶段，概化为经过零维区域调蓄的过程。对水文单元上地形的高程分布进行处理形成对应的高程-面积关系，进一步转化得到零维要素的水位容积曲线。

在旧的雨洪管网中，模型对调蓄零维的概化是根据划分好的汇水单元结合所在区域地形高程进行水位面积关系的概化，零维模拟积水过程如图3。在新的雨洪管网中，模型可自动根据导入的雨水井信息结合整个城区地形进行汇水单元的划分，同时自动概化生成调蓄零维的水位面积关系，概化示意图如下图4。

当城区产流量超过了雨水井下排的能力，则会在城区范围内发生积水，此时认为积水蓄积在零维要素中，根据零维要素的水位容积曲线可以推求不同积水情况下对应的城区淹没水深，见图3。由于城市地表情况复杂，并且在城区中存在河道池塘等天然水面调蓄要素，城市管道在设计时允许存在一定的地面积水。如图5所示，其中示意深蓝色低洼淹没地区，其调蓄面积随水位变化值较小，可以认为是区域内部河道池塘等调蓄水面影响，在计算零维要素底高时，采用填洼处理。

当城区河网水位高于内部地表，管道出口淹没于河道水位之下，城区强排能力不足，会产生河网水位对于管网***水位的顶托作用。此时管道发生满溢，认为溢出的流量汇入区域零维要素中，根据零维要素的水量变化推断城区的对应水位。

(3)雨水井概化与连通：

收集每个雨水井的过流面积、地面高程信息，以及城市群排水管道的排布数据，雨水井按地形与距离最近的管道断面相连；根据雨水井的分布密度，结合本地区的管网布设情况，得出区域雨水口的总净空面积。

模型中的雨水井规格，采用国家标准的雨水口篦子，尺寸为750mm*450mm，外框尺寸是872mm*572mm，净空402mm*702mm。据此根据雨水井的分布密度，结合本地区的管网布设情况，得出区域雨水口的总净空面积。

在旧的雨洪管网模型中，雨水口的高程是零维区域积水汇入管网的水位阈值。当零维区域的积水水位低于雨水口高程时，积水仅为地表调节，不汇入地下管网；当零维区域的积水水位高于雨水口高度时，内涝积水经由雨水口汇入管网***。雨水口高程设置如图6所示，高于填洼后的零维汇水区域底高5-10cm。

在新的雨洪管网模型中，雨水井的概化采用完全模拟实际的方式，收集到每个雨篦子的过流面积、地面高程等信息，以数据库形式存入***中，示意图如图7。

收集城市群排水管道的排布数据，雨水井按地形与距离最近的管道断面相连。本例中提供了对城区排水管道的数据结构优化：

设计新的管网数据结构，使之在保证相同精度前提下，减少管段对象数量。对管道首末节点进行编号，将具有相同连接点的管段按相同路名进行合并，合并处设置管道断面，雨水井按地形和距离最近和管道断面相接连。在管段两段分别设定为两个节点，节点与另一段管道或者排水口相连接。地表径流通过雨水井进入管道之后，经过管道与管道之间的连接点，最终汇流到排水口。

(4)求解雨水井跟管道的连通关系：

根据雨水井与管道、河道的连通关系，求解单一管道作用下通过雨水井的流量。

对于雨水井的汇入流量，采用前苏联的雨水井流量公式计算，对于图8所示雨水井篦子：

当篦前水深较浅，即

时，Qpew＝1.55×Lpew×H^1.5；

当篦面布满水，即

时，Qpew＝2×Wpew×H^0.5；

其中：

上式中H为篦前街沟水深；V为水流至篦时的流速(m/s)；α为Kopuowc系数；Wpew为雨篦孔口面积；Lpew为进水的篦边长(即2B+C)，单位为m。

雨水井与管道相连时，采用的流量公式系数不同，如图9所示。其中，Z_N1为雨水井地表水位，Z_N2为出水口河道水位，Z_L1、Z_L2为管道首末两端的压力水头。

对于河网，追赶方程为：

对于通过雨水井进入管道的流量，可以采用如下通用公式计算：

其中，

为雨水井过堰流量系数，Hs为雨水井的宽带，B为雨水井的长度，g是重力加速度。

线性化后得到雨水井汇入流量为

不妨设

于是

又因为Q_fall＝Q_i，上式与Q_i＝θ_i+η_iZ_i+γ_iZ_L1联列有

代入原式后有

Q_i＝θ_i′+η_i′Z_i+γ_i′Z_N1 (5)

其中：

对于经由出水口的流量，可采用如下通用公式计算：

为雨水井过堰流量系数，As为雨水井的面积，g是重力加速度。

线性化后出水口流量为

不妨设

于是

因为Q_outlet＝Q_i，上式与Q_i＝α_i+β_iZ_i+ζ_iZ_L2联列有

代入原式后有

Q_i＝α_i′+β_i′Z_i+ζ_i′Z_N2 (9)

其中：

综上所述，河网公式与雨水井地表水位Z_N1及出水口河道水位Z_N2建立关系

其中：

式中，

为雨水井过堰流量系数，雨水井过堰时分淹没与自由出流的系数不同。正常情况下落差大，为自由出流系数居多，满溢时可能为淹没出流；

为与河道衔接出水口流量系数，其中管网流进河道时分孔流与管嘴出流的系数不同。

(5)与周边管道或河网模型的耦合：

通过雨水井汇入周边管道或河网耦合求解，与汇水子流域雨水井相连接的管道一端是受水位-流量关系作为边界条件影响控制的，将水位-流量关系转变为流量边界条件。求解管道或河道的首末节点水位，即可求得管道或河道内部任一断面的水位。再以质量守恒原理为依据建立节点水位方程，最终将水位边界和流量边界带入节点水量平衡方程，求解矩阵方程就可以得出节点水位，进一步求得河道或管道各断面水力要素。

Claims (6)

1.一种城市群排水过程模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将城市群按照各自独立的汇水区域进行划分，再将各汇水区域划分为若干概念性城市群水文单元，所述概念性城市群水文单元是指每一个雨水井的汇水分区，从而建立城市群的排水模型；

(2)城区汇水零维区域及积水模拟：将城区产流在进入雨水井之前的阶段，概化为零维区域调蓄的过程，得到零维区域调蓄的水位容积曲线；

(3)收集每个雨水井的过流面积、地面高程信息，以及城市群排水管道的排布数据，雨水井按地形与距离最近的管道断面相连；

(4)根据雨水井与管道、河道的连通关系，求解单一管道作用下通过雨水井的流量；包括以下步骤：

(41)建立雨水井流量与雨水井地表水位Z_N1及出水口河道水位Z_N2的关系：

其中：

式中，θ_i，η_i，γ_i，α_i，β_i，ζ_i均为相关系数，

为雨水井过堰流量系数，

为与河道衔接出水口流量系数；其中所述雨水井过堰流量系数、与河道衔接出水口流量系数计算式分别为：

式中，

为雨水井过堰流量系数，Hs为雨水井的宽度 ，B为雨水井的长度，As为雨水井的面积，g是重力加速度；Z_L1、Z_L2为管道首末两端的压力水头；

(42)对步骤(41)中的关系式进行求解，得到通过雨水井的流量Q_i；

(5)对雨水井汇入周边管道或河网进行耦合求解。

2.根据权利要求1所述的城市群排水过程模拟方法，其特征在于：步骤(1)中所述每一个雨水井的汇水分区是按照雨水井及其数字高程模型来确定的。

3.根据权利要求1所述的城市群排水过程模拟方法，其特征在于：步骤(2)中所述的对所述零维区域调蓄的过程进行模拟，包括以下过程：对概念性城市群水文单元上地形的高程分布进行处理，形成对应的高程-面积关系，然后转化得到零维区域调蓄的水位容积曲线。

4.根据权利要求1所述的城市群排水过程模拟方法，其特征在于：步骤(3)中还包括排水流向设计，对排水管道的排布数据进行优化，在所述的收集城市群排水管道的排布数据之后进行，优化过程为：对管道首末节点进行编号，将具有相同连接点的管段按相同路名进行合并，合并处设置管道断面。

5.根据权利要求1所述的城市群排水过程模拟方法，其特征在于：所述步骤(5)包括以下过程：通过雨水井汇入周边管道或河网耦合求解，将水位-流量关系转变为流量边界条件；求解管道或河道的首末节点水位，即可求得管道或河道内部任一断面的水位；再以质量守恒原理为依据建立节点水位方程，最终将水位边界和流量边界带入节点水量平衡方程，求解矩阵方程就可以得出节点水位，进一步求得河道或管道各断面水力要素。

6.根据权利要求1所述的城市群排水过程模拟方法，其特征在于：该方法中所述雨水井的规格采用国家标准的雨水口篦子。

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