一种城市暴雨内涝及积涝的风险预警方法与流程

本发明涉及洪水灾害防控领域，特别涉及一种城市暴雨内涝及积涝的风险预警方法。
背景技术：
：近年来，随着城市建设的快速发展和强对流天气的增多，城市内涝及积涝呈现出一些新的特点，其造成的交通堵塞、河道蔓延、地质灾害等现象明显增加，城市建设及行业防灾工作面临新的课题。为此，需要根据城市积涝的新的灾害特征开展深入细致的风险评估研究，以评估结果指导各级生产管理部门进行有针对性的进行防灾、建设、运行和改造工作。然而，目前对暴雨灾害引起的城市内涝及积涝模型主要基于地表径流、水文动力学来实现，而对于气象部门而言，暴雨引起的内涝着重关注于对积涝灾害的预警及风险判断,随着评估要求的提高，对评估的精细程度、空间的表现方式、时效性等提出了更高的要求,传统的方法与技术不能满足需要，且现有的方法只能对降雨量和水位进行简单的估算，无法对暴雨带来的风险、损失及危害面积进行计算，进而导致暴雨前期人们的准备工作不充分，造成大量的人身事故和财产损失。改革开放以来，由于城市化的快速发展，强降雨常造成城市内涝及积涝，致使交通堵塞、甚至造成人员伤亡，城市内涝和积涝已成为城市特有的气象灾害，迫切需要开展城市内涝监测预报预警服务。技术实现要素：本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。为此，本发明的目的在于提出一种城市暴雨内涝及积涝的风险预警方法。2、为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种城市暴雨内涝及积涝的风险预警方法，其中，包括如下步骤：步骤s1，建立产流模型、一维管网模型和二维管网模型，产流模型根据降雨数据计算每一时间步的径流量，并将径流量数据传送给一维管网模型，在没有管网的区域，将径流量传送给二维管网模型，即假定径流量在有管网的地方先流入管网，没有管网的地方，直接在地表上流动；步骤s2，进行水量交互，在每一时间步上比较河道断面水位或者管网节点水位与地表二维管网模型的水位的大小，如果河道或者管道的水位高于地表二维管网模型的水位，水流发生漫溢，水流从一维管网模型进入二维管网模型，如果地面水位高于河道或者管网节点水位，地表水回流至管网或者河道，则水流从二维管网模型进入一维管网模型；步骤s3，进行水量交互之后，产流模型、一维管网模型和二维管网模型分别各自推算至下一时间步，依次类推。进一步，所述建立产流模型：第一步，进行子汇水区划分工作，即将整个计算区域划分成小的子汇水区分别进行产流计算；第二步，确定产流参数；第三步，以子汇水区为单位进行产流计算。进一步，所述建立一维管网模型又包括如下步骤：步骤1，排除部分不在研究区域内、没有明确出水口以及重要属性信息缺失的管道和节点，对于部分重要管道，如果属性信息缺少，则根据上下游管道及周边管道信息进行人工补齐；步骤2，排除部分完全重合的管道和节点；步骤3，拓扑关系检查与重建；步骤4，短管道合并；步骤5，外层支管删除。进一步，所述建立二维管网模型包括网格剖分，网格剖分又包括网格划分、属性赋值、排水泵站的处理和边界条件的确定。进一步，所述网格的属性赋值主要包括：对网格逐一进行编号、类型、高程和糙率的赋值进一步，所述网格的属性赋值包括如下步骤：首先需要对每个网格进行编号，赋予每个网格一个id；其次，根据基础底图将网格划分为水面型网格、河道型网格、农田网格、非农田陆地网格等不同类型网格，分别赋予网格相应的糙率。进一步，所述上边界条件的确定包括上游入流边界条件、下游出流边界条件和降雨边界条件。根据本发明实施例的一种城市暴雨内涝及积涝的风险预警方法，通过建立产流模型、一维管网模型和二维管网模型，进行水量交互，并根据进行水量交互将产流模型、一维管网模型和二维管网模型分别各自推算至下一时间步，依次类推，从而完成对城市暴雨内涝及积涝进行的预警分析。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本发明一种城市暴雨内涝及积涝的风险预警方法的模型构建示意图；图2为本发明中产流模型的产流区划分示意图；图3为本发明中产流模型的坡度计算结构的示意图；图4为本发明中一维管网模型的河道断面输入和排水管网处理概化的分布图；图5为本发明实施例中成都市3小时暴雨雨型的条形图；图6为本发明实施例中成都市6小时暴雨雨型的条形图；图7为本发明实施例中成都市望江楼降雨过程线示意图；图8为本发明实施例中成都市望江楼站洪水过程计算值曲线图。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。如图1所示，本发明实施例的一种城市暴雨内涝及积涝的风险预警方法，包括如下步骤：步骤s1，建立产流模型、一维管网模型和二维管网模型，产流模型根据降雨数据计算每一时间步的径流量，并将径流量数据传送给一维管网模型，在没有管网的区域，将径流量传送给二维管网模型，即假定径流量在有管网的地方先流入管网，没有管网的地方，直接在地表上流动；步骤s2，进行水量交互，在每一时间步上比较河道断面水位或者管网节点水位与地表二维管网模型的水位的大小，如果河道或者管道的水位高于地表二维管网模型的水位，水流发生漫溢，水流从一维管网模型进入二维管网模型，如果地面水位高于河道或者管网节点水位，地表水回流至管网或者河道，则水流从二维管网模型进入一维管网模型；步骤s3，进行水量交互之后，产流模型、一维管网模型和二维管网模型分别各自推算至下一时间步，依次类推。模型的建立：又包括产流模型的建立、一维管网模型的建立和二维管网模型的建立。建立产流模型：第一步，进行子汇水区划分工作，即将整个计算区域划分成小的子汇水区分别进行产流计算。子汇水区的划分方法采用根据管网节点的位置，采用泰森多边形方法批量划分子汇水区。这种方法在节点数目比较多的情况下，误差在可接受范围内，对于大型区域的建模计算比较适用。如图2所示，为产流区划分示意图，从图2中可以看出基本上每个节点均会对应一个产流区，部分没有节点的地方，则产流区与二维管网模型单元一致，产流直接流入二维管网模型单元格。第二步，确定产流参数。产流计算实际包含两个部分：一是由降雨到净雨的过程，二是净雨汇入雨水口的过程。上述两个过程都放在了产流模型里计算，需要确定的参数主要有子汇水区不透水率、坡度和下渗率。参数确定主要采用三种方法：1)采用收集到的基础数据直接提取或者计算，这类参数选取受人工因素的影响比较小，通过这种方法确定的参数主要包括子汇水区的坡度和不透水率。结合遥感数据和dem数据，利用arcgis和envi计算和提取每个产流区的不透水率和坡度等重要产汇流参数。图3所示，为该区域坡度计算结果。2)根据实测数据进行率定得到，这类参数主要包括下渗率参数。3)根据经验方法确定。部分参数属于概念性参数，很难通过物理测量来获取，又属于对结果影响较小的参数，在参数率定时，比较小可能会调整的，因而此类参数主要根据经验来选定。第三步，以子汇水区为单位进行产流计算。建立一维管网模型：一维管网模型包括河道断面的输入和排水管网的处理概化。1)排除部分不在研究区域内、没有明确出水口以及重要属性信息缺失的管道和节点，对于部分重要管道，如果属性信息缺少，则根据上下游管道及周边管道信息进行人工补齐。2)排除部分完全重合的管道和节点。对于较大的城市，排水管道信息可能来自不同年代或不同的测绘公司，在不同的数据来源的边界处，可能会存在管道重复测量、重复绘制等问题，需要进行识别和处理。3)拓扑关系检查与重建。管道与管道、管道与节点之间的相互连接关系称之为管道的拓扑关系，这些拓扑关系在管道测量时就应该明确给出，但有时由于测量或者数据输入出现偏差，导致部分管道拓扑关系出错，对于这类管道需要根据地理位置重建拓扑关系，部分无法重建拓扑关系的管线进行删除处理。4)短管道合并。管道数目过多对模型稳定，需要对于一些特别短的管道进行合并处理，合并处理时，只合并管径相同的管道。5)外层支管删除。对于管径小于某个值的最外层管道进行删除简化处理。如图4为一维管网模型的河道断面输入和排水管网处理概化的分布图。建立二维管网模型：包括网格剖分，网格的属性赋值主要包括：对网格逐一进行编号、类型、高程、糙率等的赋值。首先需要对每个网格进行编号，赋予每个网格一个id；其次，根据基础底图将网格划分为水面型网格、河道型网格、农田网格、非农田陆地网格等不同类型网格，分别赋予网格相应的糙率。网格剖分又包括网格划分、属性赋值、排水泵站的处理和边界条件的确定，其中属性赋值主要是确定网格单元的高程、糙率以及修正率等参数。1)网格属性赋值网格高程：由dem数据提取，将dem与网格关联，取每个网格内所有dem栅格高程的平均值作为网格形心点的高程；糙率：按照草地、居民区和街道等不同类型，赋予网格相应的糙率；面积修正率：提取每个网格内的居民地面积，与网格面积的比值作为该网格的面积修正率。2)通道属性赋值将道路、堤沿程的通道挑选出来；道路通道赋值：将道路通道与dem空间关联，提取通道高程，并与高程点图层做比较，修改不合理属性。堤防通道赋值：由于数据比通道稀疏，利用收集到的堤防高程数据，根据距离做插值，赋值给每条堤防通道。河道型特殊通道：较小的河道概化为特殊性通道，利用已有的河道断面数据，计算各个断面的等效断面，并将河底高程、左堤高程、右堤高程、上宽、下宽分别进行插值，赋值给每条河道型特殊通道。阻水型特殊通道与其它特殊通道的交口处，根据实际情况设置涵洞，有缺口的特殊通道则采用宽顶堰的方式进行计算。3)排水泵站的处理水深大于0.3米时，泵站开启，在泵站的抽排能力范围内，具体每时刻抽排量根据泵站所在位置的网格单元水量来确定，直到水深小于一定值才停止。4)边界条件的确定边界类型的确定：模型边界条件主要依据成都市河流分布及洪水来源确定。现以成都市城区洪水分离计算案例为实施例。成都市的主要洪水来源为暴雨内涝，年降水量为800～1400mm，按地域分布由西北向东南递减。降雨过程中的短时强度大，历时长。中心城区小范围、高强度的局部暴雨时有发生，很容易导致内涝。据统计，五十年来，区间暴雨洪水发生了13次，约平均四年发生一次。成都市另一洪水来源为岷江洪水，虽然经过紫平铺水库和都江堰水利工程的调控，成都市的外洪风险大大降低，但在上游暴雨强度很大的情况下，来流量仍会带来内部河流包括府河、清水河、江安河、沙河等河流发生漫堤的风险。根据成都市洪水来源以及河流分布情况，模型边界条件类型主要为3种：1)上游入流边界条件；2)下游出流边界条件；3)降雨边界条件。成都市城区的主要边界条件上游入流边界成都市外环路以内的十八条中、小河流控制断面的设计洪水过程线按以下两种情况分析计算。(1)实时测量洪水过程线(2)利用暴雨推求设计洪水过程线利用暴雨资料和洪水资料对照分析，成都市小河流的设计洪水过程线有三种类型：1)涨水慢，退水快；2)涨水快，退水慢；3)前两种类型的平均情况。对成都市岷、沱江水系的下垫面条件及实测洪水资料分析，属于府河水系的红光七斗、马河、沱江河、杨柳河、磨底河、苏坡排洪渠、黄堰河按第二种类型(涨水快，退水慢)计算各控制断面500年一遇、200年一遇、100年一遇以及50年一遇的设计洪水采用的过程线。城区主要河道200年一遇、100年一遇和50年一遇设计洪峰流量和采用的洪水过程线如下表：城区主要河道上游设计洪水过程(p＝0.5％)城区主要河道上游设计洪水过程(p＝1％)城区主要河道上游设计洪水过程(p＝2％)(3)降雨量推求成都市24小时，6小时和3小时设计暴雨如下表所示。成都市24小时暴雨量计算成果表注：任意设计频率的雨量按照cs＝3.5cv的皮尔逊iii型频率计算。成都市6小时暴雨量计算成果表成都市3小时暴雨量计算成果表(4)暴雨雨型推求采用pilgrim&cordery法推求设计暴雨雨型，依据pilgrim&cordery法的原理，将峰值放置在级序最大的位置上，结合级序和比例，则可分析得到与360分钟、180分钟和60分钟的雨型分配比例相对应的雨峰发生位置r，其分别为0.13、0.28、0.33。1)180分钟设计暴雨雨型：(pilgrim&cordery法)180分钟设计暴雨雨型，如图5所示，峰型为单峰，峰时发生在第10位，单位时段为5分钟。2)360分钟设计暴雨雨型：(pilgrim&cordery法)360分钟设计暴雨雨型，如图6所示，峰型为单峰，峰时发生在第9位，单位时段为5分钟。3)24小时暴雨雨型：24小时设计暴雨的雨型采用典型降雨过程按等比例分配得到，典型降雨选用成都市2013年7月9日的降雨，具体过程如下：24小时设计暴雨雨型(5)模型验证采用成都市2013年7月10-11日长历时暴雨对模型的合理性进行检验，降雨数据采用成都市城区范围内望江楼、永宁等在内的15个站点的实测降雨数据，这些站点包括成都市气象部门和水文部门设立的雨量站和水文站，基本能够反映成都城区范围内降雨分布情况。如图7所示，给出了望江楼站实测暴雨过程线。望江楼站洪水过程计算值如图8所示，望江楼站实测和模型计算的洪峰流量值、洪峰到达时间的对比情况见下表。从表中的结果来看，模型总体上跟实测值较为接近，表明模型产汇流计算参数选取是合理的，模型具有较好的精度。与此同时，由于模型上边界的流量过程并没有实测值，对模型结果精度，特别是退水段产生了一定的影响。模型计算值与实测值比较(6)洪水计算方案汇总成都城区洪水分析计算方案见下表。1)暴雨内涝以暴雨为来源的计算方案列表2)河道洪水以河道洪水为来源的计算方案列表序号方案情况1650年一遇外洪17100年一遇外洪18200年一遇外洪3)洪水遭遇以暴雨和河道洪水组合为来源的计算方案列表序号方案情况1950年一遇洪水遭遇20年一遇24h暴雨4)典型洪水典型洪水的计算方案列表序号方案情况20遭遇与2011年7月同量级的暴雨洪水(20110703)21遭遇与2013年7月同量级的暴雨洪水(20130710)(2)洪水计算成果1)淹没过程分析当计算开始6小时，苏坡排洪渠发生漫溢，但淹没水深相对较小，当计算开始12小时后，苏坡排洪渠及下游地区淹没范围有所扩大，在18小时后，清水河发生比较严重的河道洪水漫溢，府河上游段也有一部分水漫至地表，当计算至24小时后，局部水深有所增加，大部分地区水深开始回退。由于清水河的防洪标准相对较低，从结果上看，总体上符合实际。2)方案比较以3小时不同重现期的降雨淹没情况为例进行分析，成都城区范围内遭遇3小时5年一遇、20年一遇、50年一遇暴雨时的淹没情况。从这些图中可以看出，随着降雨由5年一遇增大到50年一遇，淹没范围逐渐扩大。根据统计数据，淹没面积在5年一遇时为15.2km2，20年一遇暴雨时为42.3km2，当遭遇50年一遇暴雨时，淹没面积达到了75.2km2，占到整个计算范围的10％以上。根据本发明实施例的一种城市暴雨内涝及积涝的风险预警方法，通过建立产流模型、一维管网模型和二维管网模型，进行水量交互，并根据进行水量交互将产流模型、一维管网模型和二维管网模型分别各自推算至下一时间步，依次类推，从而完成对城市暴雨内涝及积涝进行的预警分析。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。当前第1页12