【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于城市水利和计算水力学，具体涉及一种基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法。
技术介绍
1、随着全球气候变化导致的极端暴雨频发，加之城市化率的提高，不透水面积增大，使得排水压力激增。在变化环境和城市本身建设缺陷的共同作用下，城市产流显著增大，汇流时间缩短，自身排水和调蓄能力不足，极易形成城市洪涝灾害。
2、为缓解城市化建设带来的系列水问题：水环境、水安全、水生态和水资源问题，我国开展了海绵城市建设，目前已从海绵试点城市推进至全域海绵建设，同时出台多个关于内涝治理和排水防涝体系建设的建议与指南。基于城市水循环规律开发的城市水文水动力模型，可以实现城市洪涝过程的高精度模拟，是弄清城市洪涝致灾机理、减轻洪涝灾害和评估海绵城市减灾效果的重要工具。
3、目前，城市水文水动力模型可以计算出每个时间步长的网格中水深和流速，分析关注区域的洪涝风险动态变化过程。基于此，大部分示踪研究都是通过情景模拟的方法，即模拟不同降雨或者洪水组合情况下的城市洪涝过程，来分析洪涝风险与降雨或洪水特性之间的关系，从而判断城市洪涝致灾机理和综合评价海绵城市减灾效果。但情景模拟方法局限于输入数据与洪涝结果(水深和流速)之间关系分析，无法从径流运移规律角度揭示城市洪涝致灾机理和分析海绵城市的减灾效果。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，实现对城市降雨-径流-排水-积涝全过程进行追踪，并量化各源区或各时间段降雨对洪涝积水
2、本专利技术所采用的技术方案是，基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，包括收集研究区域的排水管网基础数据、地形、土地利用、径流源区分布数据，基于收集的数据构建一维管网模型和二维地表水动力模型，对两个模型进行初始化、运行时间设置及参数设置，并基于两个模型构建一二维全水动力耦合模型；
3、根据参数设置对一维管网模型、二维地表水动力模型、一二维全水动力耦合模型进行计算和数据更新，直至达到设置的运行时间，输出地表积水、示踪分布和管网排水过程。
4、本专利技术的特征还在于，
5、具体包括以下步骤：
6、步骤1，收集并整理研究区域的排水管网的基础数据、地形、土地利用和径流源区分布数据；
7、步骤2，基于swmm模型构建研究区域的一维管网模型；根据地形构建研究区域二维地表水动力模型，对二维地表水动力模型中地表网格进行编号，确定拓扑关系、网格的土地利用属性和径流源区属性；
8、步骤3，将一维管网模型和二维地表水动力模型初始化，设定模型的模拟时长为ttotal，并对一维管网模型和二维地表水动力模型进行参数设置；
9、步骤4，根据一维管网模型中的雨水节点坐标和二维地表水动力模型中的地表网格位置，将一维管网模型和二维地表水动力模型进行耦合，确定雨水节点和地表网格的耦合对应关系，构建一二维全水动力耦合模型；
10、步骤5，在二维水动力模型中进行降雨、下渗计算，确定每个地表网格中的雨水示踪标记的占比；
11、步骤6，基于步骤5计算的雨水示踪标记的占比及步骤4中的耦合对应关系，提取地表网格的水位高程和雨水节点的水位高程；
12、步骤7，根据步骤6提取的地表网格的水位高程和雨水节点的水位高程，计算一二维全水动力耦合模型交互的水量和雨水示踪量；
13、步骤8，根据步骤7中水量和雨水示踪量分别传入一维管网模型和二维地表水动力模型进行更新；
14、步骤9，在一维管网模型中进行管网和示踪标记计算，输出管网排水过程；同时在二维水动力模型中采用黎曼求解器进行黎曼通量计算，进行底坡与摩阻源项处理以获取二维网格间最终交互的水量水深和动量的通量；
15、步骤10，根据步骤9中水量水深和动量的通量，计算地表网格间示踪标记变化；
16、步骤11，根据步骤9的水量水深和动量的通量和步骤10的地表网格间示踪标记变化，对二维水动力模型的水深、示踪量和动量进行更新；
17、步骤12，重复步骤5～步骤11，直至模型运行时间达到模拟时长ttotal；输出最终地表水深、示踪分布和管网排水过程，完成研究区域的雨洪过程溯源。
18、步骤1中所述排水管网的基础数据包括雨水节点位置、管道拓扑连接关系与长度。
19、步骤2中构建研究区域二维地表水动力模型通过求解圣维南方程组实现，具体如公式(1-1)和公式(1-2)所示：
20、
21、
22、其中，t为时间，单位为s；i为为净雨速率；q包括水深h，以及x和y方向上的单宽流量qx和qy在内变量矢量；u、v为两个方向上的流速；f、g为两个方向上的通量矢量；s为源项矢量，包括净雨源项i、底坡及摩阻力源项；zb为河床底面高程，单位为m；cf为底面摩擦系数，cf＝gn2/h1/3，其中n为曼宁系数。
23、所述步骤3中所述参数设置具体为设置二维地表水动力模型不同土地利用的下渗与曼宁参数，确定径流源区数量，并对每个源区设置不同的降雨示踪标记；设置一维管网模型的曼宁系数，并在管网模型中设置相应数量的示踪标记物；
24、所述示踪标记物用r表示，其中，rk表示源区k的示踪标记变量，k＝1，2…n，物理意义为源区k降雨对网格水深的贡献率；示踪标记变量r的数量与源区数量相等；示踪标记变量rk计算相互独立且在网格内均匀分布。
25、所述步骤5具体为在二维水动力模型中进行降雨计算，公式如(1-3)所示，并计算每个地表网格中的雨水示踪标记的占比，计算公式如(1-4)所示；
26、hrnew＝hrold-irainδt (1-3)；
27、其中，hrnew为降雨后的地表水深，单位为m；hrold为降雨前的地表水深，单位为m；irain为降雨强度，单位为m/s；δt为当前计算的时间步长；
28、
29、其中，为降雨后地表中的雨水示踪占比；为降雨前地表中的雨水示踪占比；为雨水中的示踪占比；k为源区示踪标记的编号；
30、进行下渗计算，公式如(1-5)所示，从而确定二维网格的水位高程；
31、hnew＝hrnew-finfilδt (1-5)；
32、其中，hnew为下渗计算后的地表水深，单位为m；finfil为下渗强度，单位为m/s，下渗计算不改变地表网格中的雨水示踪占比。
33、步骤7中所述计算一二维全水动力耦合模型交互的水量具体如公式(1-6)所示：
34、
35、其中，z1d为节点水位，单位为m；z2d为地表网格水位，单位为m；z为地表高程，单位为m；qin为地表进入管网的流量，单位为m3/s；qout为管网溢流到地表的流量，单位为m3/s；m1，m2和m3为堰流系数或孔流系数，范围[0,1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，包括收集研究区域的排水管网基础数据、地形、土地利用、径流源区分布数据，基于收集的数据构建一维管网模型和二维地表水动力模型，对两个模型进行初始化、运行时间设置及参数设置，并基于两个模型构建一二维全水动力耦合模型；
2.根据权利要求1所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，步骤1中所述排水管网的基础数据包括雨水节点位置、管道拓扑连接关系与长度。
4.根据权利要求2所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，步骤2中构建研究区域二维地表水动力模型通过求解圣维南方程组实现，具体如公式(1-1)和公式(1-2)所示：
5.根据权利要求2所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，所述步骤3中所述参数设置具体为设置二维地表水动力模型不同土地利用的下渗与曼宁参数，确定径流源区数量，并对每个源区设置不同的
6.根据权利要求2所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，所述步骤5具体为在二维水动力模型中进行降雨计算，公式如(1-3)所示，并计算每个地表网格中的雨水示踪标记的占比，计算公式如(1-4)所示；
7.根据权利要求2所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，步骤7中所述计算一二维全水动力耦合模型交互的水量具体如公式(1-6)所示：
8.根据权利要求2所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，步骤9中所述管网和示踪标记计算分别采用动力波方法和求解完全混合一阶衰减模型；
9.根据权利要求2所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，步骤10中所述计算地表网格间示踪标记变化具体如公式(1-8)、(1-9)和(1-10)所示：
10.根据权利要求2所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，所述二维水动力模型基于GPU并行技术进行加速计算。
...【技术特征摘要】
1.基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，包括收集研究区域的排水管网基础数据、地形、土地利用、径流源区分布数据，基于收集的数据构建一维管网模型和二维地表水动力模型，对两个模型进行初始化、运行时间设置及参数设置，并基于两个模型构建一二维全水动力耦合模型；
2.根据权利要求1所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，步骤1中所述排水管网的基础数据包括雨水节点位置、管道拓扑连接关系与长度。
4.根据权利要求2所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，步骤2中构建研究区域二维地表水动力模型通过求解圣维南方程组实现，具体如公式(1-1)和公式(1-2)所示：
5.根据权利要求2所述的基于一二维全水动力耦合模型的城市雨洪过程溯源方法，其特征在于，所述步骤3中所述参数设置具体为设置二维地表水动力模型不同土地利用的下渗与曼宁参数，确定径流源区数量，并对每个源区设置不同的降雨示踪标...
【专利技术属性】
技术研发人员：李东来，侯精明，王兴桦，王添，周庆诗，郭庆元，高徐军，刘园，薛树红，吴豪，马萌华，陈光照，吕佳豪，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。