CN116306340A - 一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,通过建设调蓄池、LID等工程措施,以及辅助与城市内涝联合调度决策支持***,赋能城市水环境、水安全,有效改善水体水质,优化人居环境和景观,改善城市开放空间和步行空间体系,提高城市的蓄水、渗水、调水、治水、净水能力,优化城市的生态廊道建设,促进生态保护、经济社会发展和文化传承,增加城市韧性,以生态、安全、活力的海绵建设塑造城市新形象,实现“水生态良好、水安全保障、水环境改善、水景观优美、水文化丰富”的目标,促进人水和谐。
Description
技术领域
本发明属于模型模拟技术领域,具体涉及一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法。
背景技术
随着极端天气的产生,城市内涝日益严重,为了消除城市“城市看海”需要明确现状城市的内涝风险情况,因此需要构建河道-管网-地表的水文水动力耦合模型,模拟现状水平下城市在不同工况下的城市内涝风险分布情况,基于此,有针对性的通过建设调蓄池、LID等工程措施,以及辅助与城市内涝联合调度决策支持***,赋能城市水环境、水安全,有效改善水体水质,优化人居环境和景观,改善城市开放空间和步行空间体系,提高城市的蓄水、渗水、调水、治水、净水能力,优化城市的生态廊道建设,促进生态保护、经济社会发展和文化传承,增加城市韧性,以生态、安全、活力的海绵建设塑造城市新形象,实现“水生态良好、水安全保障、水环境改善、水景观优美、水文化丰富”的目标,促进人水和谐。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的是提供一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,构建河道-管网-地表的水文水动力耦合模型,模拟现状水平下城市在不同工况下的城市内涝风险分布情况。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,包括以下步骤:
1)确定计算范围:
根据水内涝治理的任务内容包括内涝风险模拟、管网现状能力评估、泵站及调蓄等设施规模优化等;通过制定不同整治方案对城市内涝防治、河湖水体水环境进行改善,结合区域下垫面条件和地形条件,划定城市暴雨内涝分析计算范围;
2)基础资料收集与现场调研,整理成为水文时间序列资料;
3)资料整编与评估;
对收集到的水文时间序列资料进行可靠性、一致性和代表性审查,对管网数据进行拓扑检查与修改,对其他资料进行分析整理,在资料条件不能满足内涝分析计算模型构建需要的情况下,开展现场勘测和调查,对缺失的数据资料进行补测和更新;
4)根据步骤3)审查后的水文时间序列资料构建河道-管网-地表的耦合模型,所模型构建包括确定边界,确定分析计算方案,二维地表浸流、流域骨干河道模型,河道官网耦合模型,模拟典型暴雨洪水情况下的城市内涝风险;具体模型包括:a、产汇流模型:根据土地利用类型和地表排水***,把一个整体的流域划分为若干个排水子流域,然后根据各子流域的概况特征模拟各自不同的径流过程,采用流量演算方法将各子流域的出流归结在一起,根据各子流域的概况特征设置参数模拟各自不同的径流过程。b、排水管网模型:主要是由两部分组成:水文模型,根据降雨资料计算表面径流水量,又叫降雨-径流模型。排水管网水力学模型,根据收集到的资料将排水管网相关信息,包括检查井的编号、形状、尺寸、井底标高等,管渠编号、上下游管底标高、尺寸、糙率等,及其他排水构筑物(泵站、堰、闸门、调蓄池)的数据录入模型,并检查录入信息的准确性,模拟水流在管道的流动、淹没。根据不同的设计雨强和雨型,模拟城市内涝、积水的情况,利用模型对项目区域的排水状况进行分析,特别是对重点积水区域积水产生的原因进行分析,并对排水管网的排水能力及内涝风险进行评估。c、地表淹没模型:首先引入地面高程模型,引入城市中的各类建筑物及其他阻碍,在此基础上模型软件自动生成三角计算网格,通过计算出各三角网格内的积水深度及流速,最终得到地面积水的积水深度及积水漫溢的路径及流速。d、河道模型:河道(明渠)水动力模型采用一维水动力模型,采用Saint-Venant方程组作为河道非恒定流控制方程,主要包括节点-河道模型、单元划分模型以及融合两者优点的混合模型。此外通过与管道模型进行耦合,能够反映出外洪与内涝的转变关系,找到外洪倒灌城市,阻碍涝水外排的排水管道,以便于采取控制措施在外水较高情况下,关闭这些排水管,以防止外洪入城:
5)依据步骤4)所述的水文水动力耦合模型,根据典型暴雨洪水下的城市内涝情况模拟结果,以及同期实测内涝积水监测数据、管网监测数据,对河道-管网-地表的城市内涝模型进行率定验收,直至达到技术规范要求;模型率定的流程如下:a、首先对获得的监测数据进行筛选评估,选取可用作模型率定的降雨场次监测数据,排除缺失和存在明显偏差数据;
b、采用一套或多套独立的监测数据进行参数率定,通常先假定一组参数,代入模型得到计算结果,将计算结果与监测数据进行比较,若计算值与监测值相差在允许范围内,则将此参数用于模型验证;若计算值与实测值相差较大,则合理调整模型中参数重新计算,再次进行比较,直到计算值与监测值的误差在允许范围内;
c、采用另外一套或者多套独立的监测数据进行模型验证,将率定得出的参数代入模型中计算,比较计算值与检测值进行比较,若误差在允许范围内,则把此时的参数作为模型的参数;若误差不符合标准,则重复模型参数率定过程,直到率定的参数满足模型验证要求。
由于用于参数率定和模型验证的降雨场次不同,因此应保证数据具有一致性,即在监测数据涵盖时间内排水***、海绵设施和河道等的物理特征不能有重大变化:
6)经率定验证后,根据步骤5)的水文水动力耦合模型计算不同模型下的城市暴雨洪水内涝情况,对模拟结果分析,以此得到造成当前城市内涝形式的成因所在;
7)根据步骤6)所述的当前城市内涝形式的成因所在,基于现状城市内涝情况,制定具有针对性的措施;
8)对采取治理措施后的城市进行规划水平年的典型暴雨洪水模拟,并与治理前的城市暴雨洪水内涝进行对比分析,评价治理效果,并对不同建设方案进行比选,最终确定内涝治理方案。
所述的不同模型包括产汇流模型、排水管网模型。
所述的水文时间序列资料包括基础资料收集与现场调研,基础资料收集包括收集编制范围及一定外延的基础地理资料、管网资料、土地利用资料、气象数据,现场调研包括河道及城市监测数据、历史洪涝灾害、防洪排涝工程设施、现状地物、河道水系断面的基础资料。
所述的步骤6)中城市暴雨洪水内涝情况包括地下管网、穿城河道、城市内涝积水漫流情况,当前地下管网的现状排水能力、有哪些入河管道存在外洪倒灌城市情况、河道的防洪能力以及城市内涝积水风险程度及分布情况。
所述的步骤6)模拟结果分析包括一维官网结果分析、一维河道结果分析及地表浸流分析。
所述的一维官网结果分析、一维河道结果分析及地表浸流分析中一维官网结果分析包括降雨径流,管道的流速、流量 、压力,节点溢流,管网现状排水能力评估;一维河道结果分析包括河道水位流量,河道风险点,外洪内涝耦合关系,河道防洪能力评估;地表浸流分析包括淹没水深,淹没历时,淹没面积,所述的地表浸流分析推出内涝风险评估。
所述的步骤6)中率定及验证包括内涝积水深度、内涝积水面积,降雨数据,管道实测流量。
所述的步骤7)中采取具有针对性的措施包括建设LID设施、城市防洪排涝共用设施的联合调度等手段提升城市积水调蓄、河道洪水防御、城市涝水外排能力。
所述的产汇流模型根据土地利用类型和地表排水***,把一个整体的流域划分为若干个排水子流域,然后根据各子流域的概况特征模拟各自不同的径流过程,采用流量演算方法将各子流域的出流归结在一起,根据各子流域的概况特征设置参数模拟各自不同的径流过程。
所述的排水管网模型主要是由两部分组成:水文模型,根据降雨资料计算表面径流水量,又叫降雨-径流模型;排水管网水力学模型,根据收集到的资料将排水管网相关信息,包括检查井的编号、形状、尺寸、井底标高等,管渠编号、上下游管底标高、尺寸、糙率,及其他排水构筑物(泵站、堰、闸门、调蓄池)的数据录入模型,并检查录入信息的准确性,模拟水流在管道的流动、淹没。
所述的排水管网模型采用两种洪涝计算场景,一种是针对历史洪水的实时计算,进行模型入参边界编辑、实时驱动模型进行计算,这种场景比较适用于对历时典型洪水的模拟;另一种是对未来即将发生洪涝的滚动预报计算,特别是在汛期,当降雨量达到滚动预报启动条件后,就会由后台自动组装方案入参边界,逐时滚动预报洪水过程,基于滚动预报的机制,也为我们进行提前应对部署提供了充足的时间。
与现有技术相比,本专利的有益效果是:
1、解决了内涝灾情监测不足的问题;
针对城市内涝问题,部分城市采用了在线监测的手段,例如在下穿隧道安装了电子水尺、在窨井中安装了水位计,但是由于物联网设备的造价高等因素,未能全覆盖的布设。采用模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,可对内涝风险高的区域进行重点监测,解决内涝灾情监测不足的问题。
2、提高预报能力;
从提前预报来说,绝大多数地区暂时没有提前预报的能力,多数预报还是以气象预报为主,经常发生预警和洪水同时到达的情况,群众几乎没有撤离时间。采用模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,对可能发生涝情区域进行提前预报。
3、提升决策支撑力度;
防汛部门在指挥部署过程中,往往依靠挂图、历时洪水以及人工经验进行风险研判及指挥决策、在决策的过程中,没有比较明确的决策支撑,比如哪些地方会有淹没、积水会达到多深、影响多少人、损失大概是多少,这些都不是很清楚,因此也就很难进行有比较针对性的应对部署。采用模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,对地区淹没水深、淹没历时、淹没面积进行模拟,提高辅助决策能力。
附图说明
图1为本发明的模型评估分析流程图。
图2为实施例图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步叙述。
如图1,2所示,针对某流域,我们是以实测水文资料及区间降雨数据作为水文模型入参边界,然后将水文模型计算结果作为水动力模型入参条件,最终计算生成预报结果。
在洪水推演的过程中呢,把三维倾斜实景模型与水文水动力模型计算结果有机结合起来,实现三维空间洪水演进仿真,直观展示上游来水到下游淹没的过程,动态展示河流断面水位流量过程及流域范围内洪水淹没情况。如图1所示:在50年一遇的降雨强度下,该区域的洪水淹没情况,其中颜色越深的区域表明内涝越严重。
Claims (10)
1.一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)确定计算范围:
根据水内涝治理的任务内容,包括内涝风险模拟、管网现状能力评估、泵站及调蓄等设施规模优化等;通过制定不同整治方案对城市内涝防治、河湖水体水环境进行改善,结合区域下垫面条件和地形条件,划定城市暴雨内涝分析计算范围;
2)基础资料收集与现场调研,整理成为水文时间序列资料;
3)资料整编与评估;
对收集到的水文时间序列资料进行可靠性、一致性和代表性审查,对管网数据进行拓扑检查与修改,对其他资料进行分析整理,在资料条件不能满足内涝分析计算模型构建需要的情况下,开展现场勘测和调查,对缺失的数据资料进行补测和更新;
4)根据步骤3)审查后的水文时间序列资料构建河道-管网-地表的耦合模型,所模型构建包括确定边界,确定分析计算方案,二维地表浸流、流域骨干河道模型,河道官网耦合模型,模拟典型暴雨洪水情况下的城市内涝风险;具体模型包括:a、产汇流模型:根据土地利用类型和地表排水***,把一个整体的流域划分为若干个排水子流域,然后根据各子流域的概况特征模拟各自不同的径流过程,采用流量演算方法将各子流域的出流归结在一起,根据各子流域的概况特征设置参数模拟各自不同的径流过程;b、排水管网模型:主要是由两部分组成:水文模型,根据降雨资料计算表面径流水量,又叫降雨-径流模型,排水管网水力学模型,根据收集到的资料将排水管网相关信息,包括检查井的编号、形状、尺寸、井底标高等,管渠编号、上下游管底标高、尺寸、糙率等,及其他排水构筑物(泵站、堰、闸门、调蓄池)的数据录入模型,并检查录入信息的准确性,模拟水流在管道的流动、淹没,根据不同的设计雨强和雨型,模拟城市内涝、积水的情况,利用模型对项目区域的排水状况进行分析,特别是对重点积水区域积水产生的原因进行分析,并对排水管网的排水能力及内涝风险进行评估;c、地表淹没模型:首先引入地面高程模型,引入城市中的各类建筑物及其他阻碍,在此基础上模型软件自动生成三角计算网格,通过计算出各三角网格内的积水深度及流速,最终得到地面积水的积水深度及积水漫溢的路径及流速;d、河道模型:河道(明渠)水动力模型采用一维水动力模型,采用Saint-Venant方程组作为河道非恒定流控制方程,主要包括节点-河道模型、单元划分模型以及融合两者优点的混合模型;此外通过与管道模型进行耦合,能够反映出外洪与内涝的转变关系,找到外洪倒灌城市,阻碍涝水外排的排水管道,以便于采取控制措施在外水较高情况下,关闭这些排水管,以防止外洪入城;
5)依据步骤4)所述的水文水动力耦合模型,根据典型暴雨洪水下的城市内涝情况模拟结果,以及同期实测内涝积水监测数据、管网监测数据,对河道-管网-地表的城市内涝模型进行率定验收,直至达到技术规范要求;模型率定的流程如下:a、首先对获得的监测数据进行筛选评估,选取可用作模型率定的降雨场次监测数据,排除缺失和存在明显偏差数据;
b、采用一套或多套独立的监测数据进行参数率定,通常先假定一组参数,代入模型得到计算结果,将计算结果与监测数据进行比较,若计算值与监测值相差在允许范围内,则将此参数用于模型验证;若计算值与实测值相差较大,则合理调整模型中参数重新计算,再次进行比较,直到计算值与监测值的误差在允许范围内;
c、采用另外一套或者多套独立的监测数据进行模型验证,将率定得出的参数代入模型中计算,比较计算值与检测值进行比较,若误差在允许范围内,则把此时的参数作为模型的参数;若误差不符合标准,则重复模型参数率定过程,直到率定的参数满足模型验证要求;
由于用于参数率定和模型验证的降雨场次不同,因此应保证数据具有一致性,即在监测数据涵盖时间内排水***、海绵设施和河道等的物理特征不能有重大变化:
6)经率定验证后,根据步骤5)的水文水动力耦合模型计算不同模型下的城市暴雨洪水内涝情况,对模拟结果分析,以此得到造成当前城市内涝形式的成因所在;
7)根据步骤6)所述的当前城市内涝形式的成因所在,基于现状城市内涝情况,制定具有针对性的措施;
8)对采取治理措施后的城市进行规划水平年的典型暴雨洪水模拟,并与治理前的城市暴雨洪水内涝进行对比分析,评价治理效果,并对不同建设方案进行比选,最终确定内涝治理方案。
2.根据权利要求1所述的一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,其特征在于,所述的不同模型包括产汇流模型、排水管网模型。
3.根据权利要求1所述的一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,其特征在于,所述的水文时间序列资料包括基础资料收集与现场调研,基础资料收集包括收集编制范围及一定外延的基础地理资料、管网资料、土地利用资料、气象数据,现场调研包括河道及城市监测数据、历史洪涝灾害、防洪排涝工程设施、现状地物、河道水系断面的基础资料。
4.根据权利要求1所述的一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,其特征在于,所述的步骤6)中城市暴雨洪水内涝情况包括地下管网、穿城河道、城市内涝积水漫流情况,当前地下管网的现状排水能力、有哪些入河管道存在外洪倒灌城市情况、河道的防洪能力以及城市内涝积水风险程度及分布情况。
5.根据权利要求1所述的一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,其特征在于,所述的步骤6)中模拟结果分析包括一维官网结果分析、一维河道结果分析及地表浸流分析,所述的一维官网结果分析包括降雨径流,管道的流速、流量 、压力,节点溢流,管网现状排水能力评估;所述的一维河道结果分析包括河道水位流量,河道风险点,外洪内涝耦合关系,河道防洪能力评估;所述的地表浸流分析包括淹没水深,淹没历时,淹没面积,所述的地表浸流分析推出内涝风险评估。
6.根据权利要求1所述的一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,其特征在于,所述的步骤6)中率定及验证包括内涝积水深度、内涝积水面积,降雨数据,管道实测流量。
7.根据权利要求1所述的一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,其特征在于,所述的步骤7)中采取具有针对性的措施包括建设LID设施、城市防洪排涝共用设施的联合调度等手段提升城市积水调蓄、河道洪水防御、城市涝水外排能力。
8.根据权利要求2所述的一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,其特征在于,所述的产汇流模型根据土地利用类型和地表排水***,把一个整体的流域划分为若干个排水子流域,然后根据各子流域的概况特征模拟各自不同的径流过程,采用流量演算方法将各子流域的出流归结在一起,根据各子流域的概况特征设置参数模拟各自不同的径流过程。
9.根据权利要求2所述的一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,其特征在于,所述的排水管网模型主要是由两部分组成:水文模型,根据降雨资料计算表面径流水量,又叫降雨-径流模型;排水管网水力学模型,根据收集到的资料将排水管网相关信息,包括检查井的编号、形状、尺寸、井底标高等,管渠编号、上下游管底标高、尺寸、糙率,及其他排水构筑物(泵站、堰、闸门、调蓄池)的数据录入模型,并检查录入信息的准确性,模拟水流在管道的流动、淹没。
10.根据权利要求9所述的一种模拟不同工况下的城市内涝风险分布的方法,其特征在于,所述的排水管网模型采用两种洪涝计算场景,一种是针对历史洪水的实时计算,进行模型入参边界编辑、实时驱动模型进行计算;另一种是对未来即将发生洪涝的滚动预报计算,在汛期,当降雨量达到滚动预报启动条件后,会由后台自动组装方案入参边界,逐时滚动预报洪水过程,基于滚动预报的机制,也为我们进行提前应对部署提供了充足的时间。
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