考虑排水管网节点水位自动修正的城市洪涝过程模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种考虑排水管网节点水位自动修正的城市洪涝过程模拟方法。本发明专利技术首先在模拟计算前获得节点与地表单元的空间位置关系，根据两者之间的高程差异以及井深信息，对节点水位进行自动修正。在管网模型计算时，节点的水位采用未修正的数据；在节点和单元的水量交换计算时，节点水位采用修正后的数据。本发明专利技术能够解决城市洪涝模型搭建过程中普遍存在的排水管网节点和二维地表高程数据不一致的问题。本发明专利技术提出的方法不需要修改城市管网的原始数据，仅在水量交换时修正节点水位，提高模型整体精度的同时保证了数据的真实性，为解决城市洪涝模型中高程冲突的问题提供了一种可靠的处理方法。一种可靠的处理方法。一种可靠的处理方法。

【技术实现步骤摘要】
考虑排水管网节点水位自动修正的城市洪涝过程模拟方法


[0001]本专利技术属于水利工程
，特别涉及一种考虑排水管网节点水位自动修正的城市洪涝过程模拟方法。

技术介绍

[0002]城市洪涝的数值模拟是近年来城市水文学领域的重要研究方向，其目的在于为城市洪涝灾害的预防、减轻和管理提供科学数据支撑。
[0003]城市洪涝模型的搭建主要由一维排水管网模型、二维水动力学模型两部分组成。为了使得城市洪涝模型能够反应出洪水在地下排水管网以及城市地表流动的真实过程，一维和二维模型之间的水量交换计算显得尤为重要。由于在二维水动力学模型搭建过程中，二维单元的高度属性是由散点经插值计算得到的，在与一维管网模型耦合时，通常会存在插值计算得到的地表高程与节点表面高程冲突的现象。在进行城市洪水过程模拟时，这种高程冲突的现象会阻碍地表洪水流入排水管网，同时也使得排水管网模型中的水流无法溢出至地表(如图2所示)，进而影响了整个城市洪涝模型的精度和可靠性。
[0004]因此能否解决节点高程与地表高程不一致的问题，正确地反映出城市地下排水系统与地表排水系统之间真实洪水运动过程，是提高城市洪涝过程模拟精度的重点问题。

技术实现思路

[0005]为了正确地反映出城市地下排水系统与地表排水系统之间真实的洪水运动过程，提高城市洪涝过程模拟的精度，本专利技术提供一种考虑排水管网节点水位自动修正的城市洪涝过程模拟方法。
[0006]本专利技术不需要修改城市管网的原始数据，只在水量交换时自动修正节点水位，提高模型的整体精度的同时保证了数据的真实性，为解决城市洪涝模型中高程冲突的问题提供一种可靠的处理方法。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种考虑排水管网节点水位自动修正的城市洪涝过程模拟方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一、获取城市研究区域的地形高程数据、土地利用类型数据以及地下排水管网数据；所述地下排水管网数据包含节点信息、雨水管道信息和排水口信息，所述节点信息包括：节点底高程、井深和坐标信息；所述雨水管道信息包括：雨水管道的起始节点、终止节点、起始埋深、终止埋深、管道直径、管段长度和管道糙率信息；所述排水口信息包括排水口的坐标、高程和排水类型信息；
[0010]步骤二、采用三角形或四边形网格对研究区域进行网格剖分，将步骤一获得的研究区域的地形高程数据在网格中心处插值计算，得到每个网格的高程值，并默认每个网格内任何位置的高程值是恒定的；依据土地利用类型数据给每个网格(地表二维网格)赋值糙率值，该值储存在网格中心处，以此构建城市地表二维水动力模型；所述地表二维水动力模型的输入值为降雨；输出值包括水深和流速；
[0011]步骤三、提取获得的地下排水管网数据中节点信息、雨水管道信息、排水口信息，构建城市地下排水管网模型；所述城市地下排水管网模型的输入值为降雨；输出值包括水深和流速；
[0012]步骤四、使所述地表二维水动力模型和所述地下排水管网模型在同一坐标系统下，通过地理相对位置，确定与所述地下排水管网模型中的每个节点相对应的网格(地表二维网格)，将参与水量交换计算的节点与网格(地表二维网格)分别定义为耦合节点和耦合单元，构建城市洪涝模型；
[0013]步骤五、在步骤四中定义的各个耦合节点和耦合单元处，获得节点底高程、井深以及对应耦合单元的地表高程值，令节点的表面高程值为节点井深与底高程之和；比较耦合节点的表面高程与耦合单元的地表高程的大小，识别高程冲突的点位，在二者高程不一致的位置处，赋予节点“参考高程”属性，为后续节点水位的自动修正提供参考，节点参考高程为耦合单元的地表高程值减去耦合节点的井深；
[0014]步骤六、定义研究区域外边界及内部边界的边界类型，定义研究区域内初始水深及流速场，根据实际或预测的降雨情况输入降雨文件，驱动城市洪涝模型计算；
[0015]步骤七、在模拟的t时刻，对节点水位进行自动修正，由步骤五中节点参考高程和当前时刻的水深值相加得到，根据耦合节点修正后的水位值和耦合单元处水位值的相对大小，判断节点是否出现溢流或回流现象，并分别采用堰流公式和孔口流量公式进行水量交换计算，其中节点水位采用修正后的数据，以此获得下一时刻(t+dt时刻)耦合节点、耦合单元处的溢流量或回流量；
[0016]步骤八、将步骤七获得的耦合单元处的溢流量或回流量，以及当前时刻的降雨量，输入到所述地表二维水动力模型，通过在计算域的网格内求解二维浅水方程组(二维水动力模型是基于二维浅水方程组(SWE)构建的，SWE是该模型的控制方程)，得到下一时刻(t+dt时刻)的每个单元内的水深、流速信息；
[0017]步骤九、将步骤七获得的耦合节点处的溢流量或回流量输入到所述地下排水管网模型，采用一维圣维南方程组进行管网水流计算(一维圣维南方程组是该模型的控制方程)，其中节点水位采用未修正的数据，得到下一时刻(t+dt时刻)的节点的流速和水深；
[0018]步骤十、令t＝t+dt，重复步骤七
‑
九，直到计算结束。
[0019]进一步的，步骤五中节点参考高程值由下式计算得到：
[0020]Z
vb
＝Z
2d
‑
h
max
ꢀꢀꢀ
(1)
[0021]式中，Z
vb
为定义的节点参考高程，Z
2d
为与之耦合的单元的地表高程，h
max
为节点井深。
[0022]进一步的，步骤七中对耦合节点进行水位自动修正时，采用的方法如下式所示：
[0023][0024]式中，为耦合节点修正后的水位值，m；h
1d
为耦合节点的水深值，m。
[0025]进一步的，步骤七中采用孔口流量公式计算时，使用的节点水位数据为修正后的水位，
[0026]孔口流量公式：
[0027][0028]式中，Q
o
为计算得到的交换水量，m3/s；c
o
为孔口流量系数；g为重力加速度m/s2；A
mh
为节点处的蓄水面积，m2；H
2D
和分别为耦合单元的水位和耦合节点的修正水位值，m，绝对值符号用来区分溢流和回流。
[0029]堰流公式的计算公式为：
[0030][0031]式中：Q
o
为计算得到的交换水量，m3/s；c
w
为堰流系数；w为检查井的周长或者为雨水口的宽度，m；h
2D
为地表二维网格的水深，m，g为重力加速度，m/s2。
[0032]进一步的，步骤八中二维浅水方程组如式(4)～(6)所示：
[0033][0034][0035][0036]式中：h为水深，m；u和v分别为x和y方向的流速，m/s；t为时间，s；B(x,y)为底坡高程，m；τ为摩擦项；下标bx和by分别为摩擦项在x和y方向上的摩擦力分力，g为重力加速度，m/s2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑排水管网节点水位自动修正的城市洪涝过程模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、获取城市研究区域的地形高程数据、土地利用类型数据以及地下排水管网数据；所述地下排水管网数据包含节点信息、雨水管道信息和排水口信息，所述节点信息包括：节点底高程、井深和坐标信息；所述雨水管道信息包括：雨水管道的起始节点、终止节点、起始埋深、终止埋深、管道直径、管段长度和管道糙率信息；所述排水口信息包括排水口的坐标、高程和排水类型信息；步骤二、采用三角形或四边形网格对研究区域进行网格剖分，将步骤一获得的研究区域的地形高程数据在网格中心处插值计算，得到每个网格的高程值，并默认每个网格内任何位置的高程值是恒定的；依据土地利用类型数据给每个网格赋值糙率值，糙率值储存在网格中心处，以此构建城市地表二维水动力模型；步骤三、提取获得的地下排水管网数据中节点信息、雨水管道信息、排水口信息，构建城市地下排水管网模型；步骤四、使所述地表二维水动力模型和所述地下排水管网模型在同一坐标系统下，通过地理相对位置，确定与所述地下排水管网模型中的每个节点相对应的网格，将参与水量交换计算的节点与网格分别定义为耦合节点和耦合单元，构建城市洪涝模型；步骤五、在步骤四中定义的各个耦合节点和耦合单元处，获得节点底高程、井深以及对应耦合单元的地表高程值，令节点的表面高程值为节点井深与底高程之和；比较耦合节点的表面高程与耦合单元的地表高程的大小，识别高程冲突的点位，在耦合节点的表面高程与耦合单元的地表高程不一致的位置处，赋予节点“参考高程”属性，为后续节点水位的自动修正提供参考，节点参考高程为耦合单元的地表高程值减去耦合节点的井深；步骤六、定义研究区域外边界及内部边界的边界类型，定义研究区域内初始水深及流速场，根据实际或预测的降雨情况输入降雨文件，驱动城市洪涝模型计算；步骤七、在模拟的t时刻，对节点水位进行自动修正，由步骤五中节点参考高程和当前时刻的水深值相加得到，根据耦合节点修正后的水位值和耦合单元处水位值的相对大小，判断节点是否出现溢流或回流现象，并分别采用堰流公式和/或孔口流量公式进行水量交换计算，其中节点水位采用修正后的数据，以此获得下一时刻耦合节点、耦合单元处的溢流量或回流量；步骤八、将步骤七获得的耦合单元处的溢流量或回流量，以及当前时刻的降雨量，输入到所述地表二维水动力模型，通过在研究区域的网格内求解二维浅水方程组，得到下一时刻的每个单元内的水深、流速信息；步骤九、将步骤七获得的耦合节点处的溢流量或回流量输入到所述地下排水管网模型，采用一维圣维南方程组进行管网水流计算，其中节点水位采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玮琦，张大伟，林文青，王帆，毕吴瑕，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：