CN117033856A - 一种短历时强降雨的城市淹没区域的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种短历时强降雨的城市淹没区域的计算方法，属于城市内涝淹没计算技术领域。本发明通过简化城市地面产汇流过程，将复杂的流域划分为若干个单元子汇水区，以一个单元为例计算单元内的地面积水量，依次类推各汇水区的地面积水量，进而得到流域整体的地面积水情况。本发明根据流域的水位～地形等地表特征将地面积水转化为地表淹没范围，计算涉及的模型参数少，计算过程快速、原理通用性强，因此可以全面推广。

Description

一种短历时强降雨的城市淹没区域的确定方法

技术领域

本发明属于城市暴雨洪水计算领域，具体结合城市管道动力流及流域地形DEM模型的无源淹没计算。

背景技术

近年来，国内夏季极端天气多发，短历时的强降雨导致的“城市看河”、“城市看海”的内涝情形频发，下水道水流冲破井盖喷涌而出数见不鲜。许多地区地形复杂、地下排水***资料不全，暴雨洪水监测设施不完善，重新勘测工作量巨大，耗时耗力，一般的城市暴雨洪水预测预警***难以应用，无法快速准确地确定区域内淹没积水，人员无法直接识别灾情陷入洪水危险区域。

短历时的强降雨主要直接产生地面径流，或通过排水管网排至下游河道，地面迅速形成积水。一方面，随着城市进程的发展，地面硬化占比率增大，下垫面条件改变，下渗速率减缓，下渗水量减少。一方面，排水管道只能承载设计年限内的洪水，发生超标准洪水时管道压力增大，加之河道水位上涨对管内水流形成顶托作用，加重各地管道检查井溢流压力，向地表溢流产生积水，叠加地表积水量，最终形成区域内的淹没积水。城市淹没积水严重影响人员出行，甚至导致人员伤亡。

可见，在区域排水管网资料短缺情况下，快速建立城市短历时的强降雨预测预警***，确定流域内的淹没水深分布和积水范围，对帮助民众识别洪水受灾区、防灾避灾和协助相关管理部门识别灾害灾情、抢险救灾、减少人员伤亡十分重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种短历时强降雨的城市淹没区域的确定方法，首先要确定流域的地面积水量，再根据地形特征将积水转化为淹没范围进行显示。概化流域的地面积水来源：包括排水管网溢流和降雨直接形成积水两部分水量。其中，根据区域路网快速建立流域排水管网***，并将流域离散为若干子汇水区，建立子汇水区的城市暴雨洪水模型计算子汇水区的管道溢流量。各子汇水区由降雨直接形成的地面积水量则利用无源淹没原理确定。再叠加汇总得到流域整体的地面积水量，最后根据地表特征将积水量转化为淹没范围。具体的确定方法如下：

S1.为快速确定城市地面积水量，进而确定洪水淹没范围，首先须搜集流域基础资料并进行预处理。包括流域降雨和综合地理资料。

(1)降雨资料预处理：

利用暴雨强度公式确定降雨历时序列，概化流域降雨的水量分配规律。降雨产生的地面积水主要为降雨扣除植物截留、填洼、蒸发、下渗和城市管网承载水量的剩余水量，由于降雨历时短，城市汇流速度快，植被覆盖相对较少，流域蒸发水量和植物截留水量在洪水历程中可忽略不计，因此雨量分配过程可概化为：一个降雨时段dt内(t从0～T₁时段内)，降雨量P₁进行首分配，地面水量占比K₁，流域下渗量占比K₂，其中K₁+K₂＝1；即首分配中地面水量为K₁P₁。地面水量K₁P₁再分配，地下管网分得水量占比K₃，剩余水量留在地面，即有K₁K₃P₁流向地下管网，地面滞留K₁(1-K₃)P₁水量。

(2)地理信息资料预处理：

流域综合地理信息是确定地面积水与淹没范围关系的地理基础，不同地区淹没区域分布规律根据地理分布不同存在区别。前期处理主要包含对流域地形、DEM高程、河网分布、水位-水量关系、土地利用类型、北斗高清卫星图、街道情况、路网高程等资料的处理，利用强大的地理信息处理平台确定流域植被覆盖、地表起伏坡度、下渗等参数和地表水量随水位变化的关系。

S2.构建地下排水管网：道路是城市的核心和骨架，为避免非道路区域建筑物的影响，地下管线一般都是沿道路敷设的，这种布设方式可以同步建设，从投资建设的角度较优。因此，针对短缺排水管网资料的流域，根据区域道路的分布建立地下管线，管道形状一般采用圆管，根据当地排水要求、设计规范、参照相似城市地下管网设计标准等综合确定管径，结合道路高程与地面起伏情况确定管线埋设高程及长度，由此构建流域大致的地下排水管网。

S3.流域离散化：

流域划分为多个子汇水区，对每个子汇水区单独进行分析以确定地面积水量。假设流域内皆为无源淹没，无源淹没适用于地理区域平坦、地形结构比较单一、且不考虑地域之间连通性的情况，即只要某个区域的搞成只低于淹没高程值就将被淹没。所有单个的子汇水区内地面积水只与降雨有关，单个子汇水区内、子汇水区与子汇水区之间均无相互流通情况。

S4.分析单个子汇水区上的地面积水量：

根据前述降雨分配规则，短历时内降雨水量按一定比例分配，直接滞留地面的水量K₁(1-K₃)P₁(对应水量w₁)。单个子汇水区内存在若干个地下管段和i个集水井节点，第一个降雨时段dt各节点溢流量分别为q_i，则子汇水区内所有节点产生的节点溢流量为即该子汇水区ds内地下管网通过集水井节点向地面产生溢流水量为则该子汇水区时段dt内产生地面积水量为：

W₁＝W₁+W₂

S5.同理可得时段内dt其他子汇水区S2，S3，…Sn的地面积水量分别为W₂，W₃，…，W_n，则整个流域的地面积水量为所有子汇水区地面积水量之合即流域子汇水区划分足够小时，面积为ds的子汇水区在dt时段内产生的地面积水量为dw，则流域在dt时段内的地面总积水量为/>

S6.确定流域的地面总积水量：

流域划分为n个子汇水区，则流域整体地面积水量为所有子汇水区积水量之合：

(1)时段Δt₁(T＝T₁时刻)

n个子汇水区地面积水量为：W₁～S1，W₂～S2，W₃～S3，…，W_n～Sn，

整个流域的地面积水量为：

T₁时刻流域地面积水为：W₁＝ΔW₁

即当Δt₁→0时，即在时段dt内，t从0～Δt₁(T从0～T₁)，整个流域面积为S，划分为若干个ds的子汇水区，每个子汇水区ds上的积水为dw，则时段dt内，整个流域的积水量为：

(2)时段Δt₂(T＝T₂时刻)

n个子汇水区地面积水量为：W₁～S1，W₂～S2，W₃～S3，…，W_n～Sn，

整个流域的地面积水量为：

T₂时刻流域地面积水为：W₂＝ΔW₁+ΔW₂

即T从T₁～T₂时段内，当Δt₂→0时，即在时段dt内(t从T₁～T₂)，每个子汇水区ds上的积水为dw，则时段dt内，流域的积水量为：

则T从0～T₂时段内，整个流域的地面积水量为

依次类推，……

(m)时段Δt_m(T＝T_m时刻)

n个子汇水区地面积水量为：W₁～S1，W₂～S2，W₃～S3，…，W_n～S_n，

整个流域的地面积水量为：

T_m时刻流域地面积水为：W_m＝ΔW₁+ΔW₂+…+ΔW_m

即T从0～T_m时段内，整个流域的地面积水量为：

依次计算时段Δt₂，Δt₃，…，Δt_m的流域地面积水量ΔW₂，ΔW₃，…，ΔW_m，对每个时段进行累加，计算出各时刻T_m流域对应的地表积水量W_m(m＝1，2，…)，即得到地表积水量时间序列W_m～T_m。即对流域的地面总积水量进行各时段积分，得到积水量随时间变化情况：

S7.流域淹没范围可视化：

根据流域的地表特征确定水位～地形对应关系(Z～A～W)，确定T时刻流域的地表积水量W对应的地面淹没水位Z和淹没范围A，利用地理信息处理可视化技术，将各时刻的流域地面积水量转化为流域淹没区域的云图显示。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明流域地面积水量确定方法的结构示意图；

图3是本发明流域离散化为子汇水区示意图；

图4是实施例流域土地利用分类图；

图5是实施例流域排水管网分布卫星图(含路网)；

图6是实施例流域子汇水区划分图；

图7是实施例流域水系分布图；

图8是实施例流域20年一遇暴雨曲线；

图9是实施例不同淹没水位下流域淹没范围图。

具体实施方式：

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的确定方法思路进行说明。

如图1所示的流程和图2所示的结构：

(1)利用地理信息***平台处理覆盖区域的基础地理文件。首先从地理空间数据云搜集覆盖区域的DEM数字高程栅格文件(分辨率30m×30m)和行政区划的矢量文件，从全球地表覆盖官网提取区域的土地利用分类资料(分辨率30m×30m)，如图4，利用北斗高精度遥感影像获取分辨率等级较高的区域卫星图及路网卫星图，如图5，通过基础地理信息处理，综合路网分布和区域地理条件，沿主干道路两边建立排水管网，再根据管网与排水节点的情况将区域划分为若干个子汇水区，如图3和图6所示，完善流域的矢量文件并导出，然后转化格式文件。

(2)在经过前期处理转化格式后的模型文件基础上，建立区域的暴雨洪水模型。查阅当地水利局官方公布的水文资料和文献，利用暴雨强度公式快速确定当地不同年限标准的降雨历时过程线，如图8，完善流域的暴雨洪水模型并运行，从计算结果文件中提取各时间步长各节点的溢流量。

(3)将提取的各节点溢流量与降雨直接降落至地面的水量叠加，根据本地区的地形特征确定不同地表积水量对应的淹没范围及水深，如图9所示。

Claims (2)

1.一种短历时强降雨的城市淹没区域的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先要确定流域的地面积水量，再根据地形特征将积水转化为淹没范围进行显示；

概化后流域的地面积水来源：包括排水管网溢流和降雨直接形成积水两部分水量；其中管网溢流需要根据区域路网快速建立流域排水管网***，并将流域离散为若干子汇水区，建立子汇水区的城市暴雨洪水模型计算子汇水区的管道溢流量；各子汇水区由降雨直接形成的地面积水量则利用无源淹没原理确定；再叠加汇总得到流域整体的地面积水量，最后根据地表特征将积水量转化为淹没范围。

2.根据权利要求1所述的一种短历时强降雨的城市淹没区域的确定方法，其特征在于，具体步骤为：

S1.搜集流域基础资料并进行预处理；包括流域降雨和综合地理资料；

(1)降雨资料预处理：

利用暴雨强度公式确定降雨历时序列，概化流域降雨的水量分配规律；

雨量分配过程概化为：一个降雨时段dt内，t从0～T₁时段内，降雨量P₁进行首分配，地面水量占比K₁，流域下渗量占比K₂，其中K₁+K₂＝1；即首分配中地面水量为K₁P₁；地面水量K₁P₁再分配，地下管网分得水量占比K₃，剩余水量留在地面，即有K₁K₃P₁流向地下管网，地面滞留K₁(1-K₃)P₁水量；

(2)地理信息资料预处理：

前期处理包含对流域地形、DEM高程、河网分布、水位-水量关系、土地利用类型、北斗高清卫星图、街道情况、路网高程等资料的处理，确定流域植被覆盖、地表起伏坡度、下渗参数和地表水量随水位变化的关系；

S2.构建地下排水管网：针对短缺排水管网资料的流域，根据区域道路的分布建立地下管线，构建流域大致的地下排水管网；

S3.流域离散化：

流域划分为多个子汇水区，对每个子汇水区单独进行分析以确定地面积水量；假设流域内皆为无源淹没，无源淹没适用于地理区域平坦、地形结构比较单一、且不考虑地域之间连通性的情况，即只要某个区域的搞成只低于淹没高程值就将被淹没；所有单个的子汇水区内地面积水只与降雨有关，单个子汇水区内、子汇水区与子汇水区之间均无相互流通情况；

S4.分析单个子汇水区上的地面积水量：

根据前述降雨分配规则，短历时内降雨水量按一定比例分配，直接滞留地面的水量K₁(1-K₃)P₁，对应水量w₁；单个子汇水区内存在若干个地下管段和i个集水井节点，第一个降雨时段dt各节点溢流量分别为q_i，则子汇水区内所有节点产生的节点溢流量为即该子汇水区ds内地下管网通过集水井节点向地面产生溢流水量为/>则该子汇水区时段dt内产生地面积水量为：

W₁＝w₁+w₂

S5.同理，得时段内dt其他子汇水区S2，S3，...Sn的地面积水量分别为W₂，W₃，...，Wn，则整个流域的地面积水量为所有子汇水区地面积水量之合即流域子汇水区划分足够小时，面积为ds的子汇水区在dt时段内产生的地面积水量为dw，则流域在dt时段内的地面总积水量为/>

S6.确定流域的地面总积水量：

流域划分为n个子汇水区，则流域整体地面积水量为所有子汇水区积水量之合：

(1)时段Δt₁(T＝T₁时刻)

n个子汇水区地面积水量为：W₁～S1，W₂～S2，W₃～S3，...，W_n～Sn，

整个流域的地面积水量为：

T₁时刻流域地面积水为：W₁＝ΔW₁

即当Δt₁→0时，即在时段dt内，t从0～Δt₁，T从0～T1，整个流域面积为S，划分为若干个ds的子汇水区，每个子汇水区ds上的积水为dw，则时段dt内，整个流域的积水量为：

(2)时段Δt₂，T＝T₂时刻

n个子汇水区地面积水量为：W₁～S1，W₂～S2，W₃～S3，...，W_n～Sn，

整个流域的地面积水量为：

T2时刻流域地面积水为：W₂＝ΔW₁+ΔW₂

即T从T₁～T₂时段内，当Δt₂→0时，即在时段dt内，t从T₁～T₂，每个子汇水区ds上的积水为dw，则时段dt内，流域的积水量为：

则T从0～T₂时段内，整个流域的地面积水量为

依次类推；

m时段Δt_m，T＝T_m时刻；

n个子汇水区地面积水量为：W₁～S1，W₂～S2，W₃～S3，...，W_n～Sn，

整个流域的地面积水量为：

T_m时刻流域地面积水为：W_m＝ΔW₁+ΔW₂+...+ΔW_m

即T从0～T_m时段内，整个流域的地面积水量为：

依次计算时段Δt₂，Δt₃，...，Δt_m的流域地面积水量ΔW2，ΔW3，...，ΔWn，对每个时段进行累加，计算出各时刻T_m流域对应的地表积水量W_m，m＝1，2，...，即得到地表积水量时间序列W_m～T_m；即对流域的地面总积水量进行各时段积分，得到积水量随时间变化情况：

S7.流域淹没范围可视化：

根据流域的地表特征确定水位～地形对应关系Z～A～W，确定T时刻流域的地表积水量W对应的地面淹没水位Z和淹没范围A，利用地理信息可视化处理技术，将各时刻的流域地面积水量转化为流域淹没区域的云图显示。