一种基于等流时线法的低洼道路积水计算方法

1.本发明属于市政防灾技术领域，具体涉及一种基于等流时线法的低洼道路积水计算方法。


背景技术：

2.随着我国城镇化进程的不断加快，城镇排水和污水处理能力与城市快速发展之间的矛盾愈加凸显。特别是在气候变化效应导致的极端天气条件下，全国一线城市都出现了“逢雨必涝”的现象，给国民经济与居民人身和财产安全造成了巨大的损失。2014年3月，住房城乡建设部办公厅发布了《关于加强2014年城市排水防涝汛前检查工作的通知》，要求构建城市排水设施地理信息系统，积极采用信息化手段建立雨情分析与内涝防治数学模型，建立城市内涝风险评估制度，提高内涝预判和防治水平。
3.目前，有许多数值模拟模型用于城市内涝研究，包括一维水文水动力模型、二维水动力模型以及一维、二维耦合模型。数值模拟模型需要汇集的数据非常丰富，包括矢量地图、数字地形、遥感影像、社会经济、地形地貌、地表覆盖、水文气象数据等，且计算效率受服务器的计算资源影响，很难满足实时运行需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于等流时线法的低洼道路积水计算方法。
5.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
6.一种基于等流时线法的低洼道路积水计算方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
7.s1、划分低洼道路上游道路的等流时线，计算等流时面积；
8.s2、计算相邻两条等流时线的时距；
9.s3、计算低洼道路上游道路的净雨量；
10.s4、根据等流时线法分时段计算到达低洼道路的上游道路的净雨量；
11.s5、计算低洼道路的积水量。
12.而且，所述步骤s1的具体步骤为：设雨水篦子布设平均间距为m米，将上游道路以m为单位分段，共分成n个上游路段，从下到上依次编号为1，2
…
n，称分割线为等流时线，相邻两条分割线之间的面积为等流时面积，为fn，计算公式如下：
[0013][0014]fn
＝m
×d[0015]
其中：l为上游道路的长度；
[0016]
m为雨水篦子的平均间距；
[0017]
n为上游路段的个数；
[0018]
d为上游道路的平均宽度。
[0019]
而且，所述步骤s2的具体步骤为：第n个上游路段到达低洼道路的时间t，计算公式如下：
[0020][0021]
其中：v为水流速度，
[0022]
则相邻两条等流时线的时距δt为：
[0023][0024]
而且，所述步骤s3的具体步骤为：分时段、分路段计算上游道路的净雨量，第i～i+1时段第j个上游路段，先计算排水量，再计算径流量，最后计算净雨量，
[0025]
每个雨水篦子的设计排水能力为qj，共有m个雨水篦子，由于杂物的堵塞作用，实际排水能力的折减系数为a，则实际排水能力qj的计算公式如下：
[0026]
qj＝aqj×m[0027]
实际排水量为oj：
[0028]
oj＝qj×
δt
[0029]
径流量p
ij
为：
[0030]
p
ij
＝pi×fj
[0031]
式中，pi为第i～i+1时段的降雨量；
[0032]
若，如果oj》＝p
ij
，则净雨量w
ij
为0，否则净雨量为：
[0033]wij
＝p
ij-qj。
[0034]
而且，所述步骤s4的具体步骤为：分时段计算到达低洼道路的上游道路的净雨量，第i～i+1时段，该时段内到达低洼道路的上游道路的净雨量由第1个上游路段的本时段净雨量、第2个上游路段的第i-1～i时段净雨、第3个上游路段的第i-2～i-1时段净雨
…
组成，具体公式如下：
[0035][0036]
而且，所述步骤s5的具体步骤为：分时段计算低洼道路的积水量，任一时段低洼道路的积水等于到达低洼道路的上游道路的净雨量和低洼道路的径流量之和减去低洼道路的排水量，第i～i+1时段，低洼道路的积水量wi为：
[0037]
wi＝wi+pif-qδt
[0038]
其中：f为低洼道路的面积；
[0039]
q为低洼道路的排水能力。
[0040]
本发明的优点和有益效果为：
[0041]
与现有技术相比，本发明基于等流时线法的低洼道路积水计算方法，计算模型简洁，不需要复杂的排水管网数据，输入数据少，运算量小，保证了实时计算速度，解决了水动力机理模型不能满足实时运算需求的问题；计算输入和计算速度的优势大大降低了内涝积水计算的成本；同时计算模型精度高，计算参数可根据研究区域情况更改，适用性强，尤其在调蓄能力小、坡度陡的区域，水动力机理模型求解困难，本发明仍然适用。本发明为定量计算低洼道路的积水提供了技术支持。
附图说明
[0042]
图1为本发明的技术路线图；
[0043]
图2为本发明过流断面示意图。
具体实施方式
[0044]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0045]
等流时线法属于水文学中常用的数学模型，适用于调蓄能力小、坡度陡的区域。本发明属于首次运用到市政防灾减灾领域，为定量计算低洼道路的积水提供技术支持。
[0046]
如图1所示，一种基于等流时线法的低洼道路积水计算方法，其创新之处在于：所述方法的步骤为：
[0047]
1、确定所选低洼道路及上游道路的范围及参数，参数主要包括低洼道路的面积f、上游道路的长度l、上游道路的宽度d、上游道路的横坡iw、上游道路的纵坡i
l
、上游道路的糙率n。
[0048]
2、上游道路内雨水篦子布设平均间距为m，将上游道路以m为单位分段，共分成n个上游路段，从下到上依次编号为1，2，n，假设道路中任一地点净雨水质点的流速都相同，则任一地点净雨水质点到达低洼道路的时间取决于它与低洼道路的距离；因此，每条分割线上的净雨水质点将同时到低洼道路，称分割线为等流时线，进一步假定，处于相邻等流时线之间的所有净雨水质点将在这两条等流时线的时距内到达低洼道路，称相邻两条分割线之间的面积为等流时面积fn，计算公式如下：
[0049][0050][0051]
其中：l为上游道路的长度；
[0052]
m为雨水篦子的平均间距；
[0053]
n为上游路段的个数；
[0054]
d为上游道路的平均宽度。
[0055]
3、净雨水质点受到上游道路横坡、纵坡的影响，流到路缘石边，沿路缘石流动，过流断面示意图如图2所示。雨水径流传输流量按重力流管渠考虑，用修正后的曼宁公式计算其过流能力，计算公式为：
[0056][0057]
式中：q为横断面流量(m3/s)；
[0058]
n为糙率；
[0059]
kc为经验系数，一般取0.376；
[0060]iw
为上游道路的横坡；
[0061]il
为上游道路的纵坡；
[0062]
d为上游道路净雨扩散宽度(m)。
[0063]
过水断面面积s(m2)可按下式计算：
[0064][0065]
水流速度v(m3/s)为：
[0066][0067]
则第n个上游路段内的净雨水质点到达低洼道路的时间t可按下式计算：
[0068][0069]
4、计算相邻两条等流时线的时距，公式如下：
[0070][0071]
5、对于每个上游路段，根据时段内的降雨量与等流时面积相乘获取这一时段内的径流量。再将上游路段内雨水篦子的设计排水能力与雨水篦子个数相乘得到理想排水能力；考虑到实际排水会受到堵塞等作用，在理想排水能力的基础上乘以折减系数，得到实际排水能力；实际排水能力与时段长相乘得到该时段内实际排水量。将这一时段内的径流量减去实际排水量，得到这一时段内的净雨量。以第i～i+1时段第j个上游路段为例，先计算排水量，再计算径流量，最后计算净雨量；
[0072]
每个雨水篦子的设计排水能力为qj，共有m个雨水篦子，由于杂物的堵塞作用，实际排水能力的折减系数为a，则实际排水能力qj的计算公式如下：
[0073]
qj＝aqj×m[0074]
实际排水量为oj：
[0075]
oj＝qj×
δt
[0076]
径流量p
ij
为：
[0077]
p
ij
＝pi×fj
[0078]
式中，pi为第i～i+1时段的降雨量；
[0079]
若，如果oj》＝p
ij
，则净雨量w
ij
为0，否则净雨量为：
[0080]wij
＝p
ij-qj[0081]
6、将步骤5重复m*n次，得到全过程的分阶段分路段的净雨量，m为降雨总时段长；
[0082]
7、计算各个时段内到达低洼道路的上游道路的净雨量：以第i～i+1时段为例，该时段内到达低洼道路的上游道路的净雨量由第1个上游路段的本时段净雨量、第2个上游路段的第i-1～i时段净雨、第3个上游路段的第i-2～i-1时段净雨
…
组成。具体公式如下：
[0083][0084]
8、将步骤7重复n次，得到到达低洼道路的上游道路的分阶段净雨量。
[0085]
9、低洼道路的积水是不同时段降雨落在不同面积上的混合体，任一时段低洼道路的积水等于到达低洼道路的上游道路的净雨量和低洼道路的径流量之和减去低洼道路的排水量，以第i～i+1时段为例，低洼道路的积水量wi为：
[0086]
wi＝wi+pif-qδt
[0087]
式中：f为低洼道路的面积，q为低洼道路的排水能力；
[0088]
10、将步骤9重复n次，得到低洼道路的积水量。
[0089]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。