一种基于排水管网分布的城市地表混合产流计算方法与流程

1.本发明属于城市排水以及城市防洪减灾领域，特别涉及一种基于排水管网分布的城市地表混合产流计算方法。


背景技术：

2.城市暴雨内涝模拟是城市排水系统规划设计、暴雨内涝预警预报、排水工程和海绵措施效果评估等方面重要且必不可少的手段。城市暴雨内涝的模拟一般采用地表地下一二维耦合模型，其中一维模型用于计算城市排水管网和河道水流，二维模型用于模拟地面水流(包括管道溢流、河道漫堤洪水)，从过程上看包括地表产流计算、地表汇流计算、管网汇流计算、河网汇流计算等多个环节，地表产流计算是首要环节，对暴雨内涝模拟精度具有重要的影响。
3.现有的地表产流计算一般有两种思路：一是基于子汇水区进行产流计算；二是基于网格单元进行产流计算。
4.基于子汇水区进行产流计算的方法使用较为普遍，一般是将整个计算区域划分成若干个子汇水区分别进行产流计算，进而将产流量对应至特定排水节点(雨水井、雨水篦子)，这一种方法要求计算区域排水管网数据质量较好，在计算地表积水时，耦合的二维模型可以只在重点关注的和可能会发生地表积水的区域划分网格即可，且网格尺寸可以不要求很小，可以大幅度减少二维模型计算量。
5.基于网格单元进行产流的计算方法较为简单，不需要单独划分子汇水区，通常是结合二维地表模型，直接将降雨纳入二维网格中进行计算，不再划分子汇水区，由网格充当子汇水区的角色来与排水节点进行产流汇入，这一种方法要求高精度地形数据且要求整个区域划分精细化二维网格单元，否则地表产流可能无法最终汇入排水系统，并且计算量较大。
6.当前技术条件下，对于计算范围同时存在具有完善的排水系统且排水管网资料较为齐全的区域，和无排水管网系统或是没有完善的排水管网资料的区域时，上述两种产流方法均无法有效的适用。
7.因此，如何能够获得一种适用于不同类型计算区域的城市地表产流计算方法，是目前急需解决的问题。


技术实现要素：

8.为了克服现有技术的问题，本发明将现有基于二维网格单元和子汇水区这两种进行产流计算的方式相结合，首次提出了一种基于排水管网分布的城市地表混合产流计算方法，所述的方法能够适用于不同类型计算区域的城市地表产流计算，在无需额外收集资料的情况下，有效提升城市地表产流计算方法的适用性，同时大大减少计算量。
9.现有技术中，基于二维网格单元或子汇水区这两种方式来计算城市区域产汇流，各自均存在一定的缺陷，将两者结合使用是一种较为合理的思路和做法，但两种方式如何
结合使用，特别是两种方法结合使用时各自的边界如何确定是一个非常有意义的科学和技术问题，直接关系到两种方法过渡区域的产汇流计算精度。有鉴于此，发明人提供了本发明的如下方案：
10.为了实现上述目的，本发明提供了一种基于排水管网分布的城市地表混合产流计算方法，该方法的关键在于利用待研究区域内排水管网的分布，来确定两种方法各自适用的区域范围，具体实现包括以下步骤：
11.步骤1，排水管网拓扑检查与概化：
12.对于选定的城市待研究区域，收集区域内的排水管网数据、河流水系和河道断面数据，并对排水管网数据进行拓扑检查、属性检查和概化处理。
13.步骤2，子汇水区产流方法计算范围的初步确定：
14.利用步骤1收集到的排水管网数据，根据待研究区域内有无排水管道，将所述待研究区域划分为两种类型，分别为基于子汇水区产流方法计算区域和基于网格进行产流方法计算的区域；
15.其中，所述基于子汇水区产流方法计算区域的确定，先根据排水管道的级别或最大深度，设定对应的集水边界缓冲距离d，假设待研究区域内包含n条排水管道，则每条排水管道对应的集水边界缓冲距离分别为d1、d2、
…
、dn，生成每个排水管道节点的缓冲区，并将各缓冲区的重合部分进行合并，初步形成排水管网缓冲区；
16.当初步形成的排水管网缓冲区内局部存在空白区域时，需根据面积阈值a进行处理，面积阈值a的计算公式为：
17.a＝d
max
·dmax
18.式中，d
max
为集水边界缓冲距离d1、d2、
…
、dn中的最大值；
19.当排水管网缓冲区内空白区域的面积小于面积阈值a时，对该空白区域进行填充，使其与周边融合，同样视为排水管网缓冲区，设定为si区域。
20.步骤3，二维网格单元划分：
21.采用结构网格或非结构网格，对整个选定的城市待研究区域进行离散划分，形成若干二维网格单元。
22.步骤4，两类产流方法计算区域的最终确定：
23.将整个选定的城市待研究区域，与步骤2初步合并生成的si区域作剪切处理，得到的剩余部分区域设定为ti区域，将所述ti区域与步骤3划分得到的二维网格单元的边线进行融合处理，从而确定待研究区域中的基于网格进行产流方法计算的区域，设定为tf区域；再利用整个选定的城市待研究区域减去所述tf区域，剩余部分则是基于子汇水区产流方法计算区域，设定为sf区域。
24.步骤5，sf区域子汇水区的划分：
25.结合排水节点的分布，将所述sf区域划分为n个子汇水区，并分别设置包括不透水率、下渗率和填洼量在内的产流参数。
26.步骤6，tf区域内网格单元的产流设置：
27.将步骤3划分得到的二维网格单元与所述tf区域进行空间拓扑分析，将位于tf区域内的m个网格单元，分别设置包括不透水率、下渗率和填洼量在内的产流参数。
28.步骤7，地表产流计算：
29.分别向步骤5划分获得的各子汇水区，和步骤6各网格单元输入包括降雨数据在内的驱动因素，分别对n个子汇水区和m个网格单元进行产汇流计算，从而完成对所选定城市待研究区域的地表产流计算。
30.进一步的，步骤1中所述排水管网数据包括管道级别、管道深度，以及包括雨水口、检查井和排水管道在内的数量统计，所述管道级别分为小区内部管道、道路支管、次干管和主干管；所述河流水系和河道断面数据包括河道级别、河道深度，所述河道级别分为小沟渠、大中河道。
31.进一步的，步骤2所述排水管道为广义的排水节点和线性汇流通道，包括河道、地面沟渠和地下管网。
32.进一步的，步骤2中不同排水管道的级别或最大深度，所对应的集水边界缓冲距离d分别为：
33.小区内部管道或最大深度0mm＜d≤300mm，集水边界缓冲距离d为30m；
34.道路支管或最大深度300mm＜d≤600mm，集水边界缓冲距离d为80m；
35.次干管或最大深度600mm＜d≤1000mm，集水边界缓冲距离d为150m；
36.主干管或最大深度1000mm＜d≤2000mm，集水边界缓冲距离d为200m；
37.小沟渠或最大深度2000mm＜d≤3500mm，集水边界缓冲距离d为250m；
38.大中河道或最大深度d＞3500mm，集水边界缓冲距离d为300m。
39.进一步的，步骤3中，对于位于所述si区域范围内，且不存在洪水风险或不需要关注洪涝风险的区域，不进行所述二维网格单元划分。
40.进一步的，步骤4中，所述融合处理的方法为：以所述ti区域为基准，采用位于或与ti区域相交的所有二维网格，生成新的区域作为基于网格进行产流方法计算的区域，即tf区域。并且，所提及基于网格单元进行产流计算的区域，需要结合高精度地形(优于5米分辨率)，否则难以保证产汇流精度，在此情景下，应直接采用基于排水分区的方式进行产汇流计算。
41.进一步的，步骤5中，采用泰森多边形方法或者基于地形划分的方法，将sf区域划分为n个子汇水区。
42.本发明相比现有技术的优点和有益效果是：
43.1、本发明所述基于排水管网分布的城市地表混合产流计算方法，将现有基于二维网格单元和子汇水区这两种进行产流计算的方式相结合，特别明确了两种方法结合使用时，各自边界确定的具体方法，相较于传统只划分汇水区或者纯基于二维网格进行产流计算的思路，可以提升现有城市产流计算方法的适用性和两种方法过渡区计算结果的精度；
44.2、本发明所述基于排水管网分布的城市地表混合产流计算方法，在无需额外收集资料的情况下，有效提升城市地表产流计算方法的适用性，同时大大减少计算量。
45.本发明的其它特征和优点将通过随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
46.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
47.图1是本发明所述城市地表产流计算方法的流程图；
48.图2是本发明实施例所选定研究区域及其排水管网分布示意图；
49.图3是本发明实施例所述初步形成的排水管网缓冲区示意图；
50.图4是本发明实施例中两类产流方法初步划定范围示意图；
51.图5是本发明实施例所述二维网格单元划分示意图；
52.图6是本发明实施例所述两类产流方法范围边界融合处理前后示意图；
53.图7是本发明实施例步骤5所述子汇水区划分示意图；
54.图8是本发明实施例步骤6所述网格单元产流设置示意图。
具体实施方式
55.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
56.实施例：
57.如图1所示的计算方法流程图，本实施例提供了一种基于排水管网分布的城市地表混合产流计算方法，包括以下步骤：
58.步骤1，排水管网拓扑检查与概化：
59.如图2示出了本实施例选定的城市待研究区域，并设定该区域为z区域。收集z区域内的排水管网数据、河流水系和河道断面数据，并对排水管网数据进行拓扑检查、属性检查和概化处理，使上述相关数据可以用于排水模型构建。所述拓扑检查、属性检查和概化处理可采用arcgis在内的商业工具、或自行编写程序完成。经统计本实施例中所述z区域中，包含3657个雨水口(雨水篦子)和3785个检查井，7838根排水管道。
60.步骤2，子汇水区产流方法计算范围的初步确定：
61.利用步骤1收集到的排水管网数据，根据待研究区域内有无排水管道，以及排水节点和管道的分布情况，将所述待研究区域划分为两种类型，分别为基于子汇水区产流方法计算区域和基于网格进行产流方法计算的区域。
62.具体的，需按照特定距离先构建排水管网缓冲区的方法来初步确定所述基于子汇水区产流方法计算区域的范围。先根据排水管道的级别(支管、次干管、主干管、河道等)或最大深度，参考下表分别设定对应的集水边界缓冲距离d，假设待研究区域内包含n条排水管道，则每条排水管道对应的集水边界缓冲距离分别为d1、d2、
…
、dn，生成每个排水管道节点的缓冲区，并将各缓冲区的重合部分进行合并，初步形成排水管网缓冲区。
63.管道或河道级别缓冲距离d(m)最大深度d(mm)缓冲距离d(m)小区内部支管300＜d≤30030道路支管80300＜d≤60080次干管150600＜d≤1000150主干管2001000＜d≤2000200小沟渠2502000＜d≤3500250大中河道300》3500300
64.上表中缓冲距离的设定是结合大量实际项目经验和国内相关排水设计规范总结归纳得到，对两类产流方法计算范围的确定有较大的影响。
65.本实施例中按照上表中管道的级别，道路支管的缓冲距离设80m，次干管的缓冲距离设为150m，本实施例由于区域较小，只存在这两类管道，初步形成排水管网缓冲区，如图3所示。
66.从生成的图3中可以看出，初步形成的排水管网缓冲区内局部存在面积较小的空白区域，如图3中所标记的
①
、
②
、
③
和
④
(但不限于此4处)，此时基于缓冲距离最大取值，即次干管的缓冲距离d
max
＝150m，计算面积阈值a，面积阈值a的计算公式为：
67.a＝d
max
·dmax
68.式中，d
max
为集水边界缓冲距离d1、d2、
…
、dn中的最大值；单位为m。
69.a＝150m
×
150m＝22500m2。对于图3中小于该阈值的空白区域进行填充处理，使其与周边融合，同样视为排水管网缓冲区，形成初步划分范围，设定为si区域，如图4颜色填充部分所示。
70.需要说明的是，步骤2所述排水管道为广义的排水节点和线性汇流通道，包括河道、地面沟渠和地下管网。
71.发明人发现，面积阈值a的取值对最终结果有较为明显的影响，如果阈值a取值过大，会导致部分管道节点对应的汇水面积(子汇水区)过大，产生错误的结果，如果取值过小，则会导致子汇水区之间存在大量面积不大的“空白区域”(即由二维网格计算产流的区域)，两类计算方法过渡边界区域过多，结果也容易失真。本发明依据大量工程项目经验和案例测试，确定的上述面积阈值a的计算方式，可最大限度保证过渡区计算结果的精度。
72.步骤3，二维网格单元划分：
73.对整个选定的城市待研究区域进行离散划分，形成若干二维网格单元，二维网格划分主要用于构建地表二维水动力学模型，动态计算城市地表淹没深度、面积和时间。如图5所示，本实施例将选定的待研究区域分为8560个非结构网格，平均尺寸为30米。
74.本实施例为制图演示更清晰，采用了较大的网格尺寸，在实际应用中采用更小的网格划分尺寸(按照本技术所述方法中要求，采用5米网格，网格数量则为30.82万个)。
75.另外，为了提升城市雨洪模型计算效率，减少计算量，对不存在洪水风险或是不需要关注洪涝风险，并且位于si范围内的区域，可以不用划分网格。
76.步骤4，两类产流方法计算区域的最终确定：
77.将整个选定的z区域，与步骤2初步合并生成的si区域作剪切处理，得到的剩余部分区域设定为ti区域，将所述ti区域与步骤3划分得到的二维网格单元的边线进行融合处理，从而确定待研究区域中的基于网格进行产流方法计算的区域，设定为tf区域；再利用整个选定的城市待研究区域减去所述tf区域，剩余部分则是基于子汇水区产流方法计算区域，设定为sf区域。
78.具体到本实施例，步骤2中合并生成了si区域(即图4中颜色填充部分)，但该区域边界与步骤3划分的二维网格单元边界并不完全重合。如图6中处理前所示，图6中是以图3中
①
号标记所在位置局部放大示意。ti区域与步骤3划分得到的二维网格单元的边线的融合处理，具体来说是以所述ti区域为基准，采用位于或与ti区域相交的所有二维网格，生成新的区域作为基于网格进行产流方法计算的区域，即tf区域，如图6中处理后所示。
79.步骤5，sf区域子汇水区的划分：
80.结合排水节点的分布、采用泰森多边形方法，如图7所示，将所述sf区域划分为n＝
7442个子汇水区，并城市地表下垫面类型(如土地利用、土壤类型)分别设置包括不透水率、下渗率和填洼量在内的产流参数。
81.步骤6，tf区域内网格单元的产流设置：
82.将步骤3划分得到的二维网格单元与tf区域进行空间拓扑分析，将位于tf区域内的m个网格单元，根据城市地表下垫面类型(如土地利用、土壤类型)，分别设置包括不透水率、下渗率和填洼量在内的产流参数，其他网格单元不用单独进行产流计算。
83.如图8所示，按30米划分网格，本实施例所示tf区域内共m＝1942个网格单元，需要进行设置产流参数，其他网格单元不用单独进行产流计算。若按5米划分网格，则有6.99万个网格单元，需要进行设置产流参数、分别进行计算。
84.步骤7，地表产流计算：
85.分别向步骤5划分获得的各子汇水区，和步骤6各网格单元输入包括降雨数据在内的驱动因素，分别对n＝7442个子汇水区和m＝1942个网格单元，共计9384个对象需要进行产汇流计算，从而完成对所选定城市待研究区域的地表产流计算。若按5米划分网格，则有7.74万个网格单元，需要进行设置产流参数、分别进行计算。
86.如依照传统划分子汇水区的方法，本实施例所选定的城市待研究区域-z区域的西北没有管网的区域无法划分子汇水区或是划分了子汇水区没有对应的汇入节点，如果采用纯二维计算产流的方式，则整个区域网格都需要计算产流，计算量较大(5米网格尺寸，共30.82万个产流计算对象)。而采用本技术所述计算方法，若同样按5米划分网格，只有7.74万个对象需要计算产流，并且在子汇水区计算产流的区域，若没有内涝发生的区域，可以不划分网格，可进一步减少计算量，由此可见，本发明所述城市地表产流计算方法优势明显。
87.本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。