[发明专利]一种城市群排水过程模拟方法

说明书

本发明公开了一种城市群排水过程模拟方法，其步骤包括(1)概念性城市群水文单元划分；(2)城区汇水零维区域及积水模拟；(3)雨水井概化与连通；(4)求解雨水井跟管道的连通关系；(5)与周边管道或河网模型的耦合。本发明解决了在区域、流域大尺度上城市产汇流模拟的精度与效率的矛盾，能够在城市群防洪排涝要求的时段内，对城市内涝、倒灌等排水过程进行高精度模拟，也可以降低模型在不同模拟尺度下的异质性影响。

技术领域

本发明涉及一种水文模拟方法，尤其涉及一种城市群排水过程模拟方法。

背景技术

传统的城市水文水动力学模型耦合主要包括：城市水文响应单元的降水-截留-蒸发-入渗-产流模块、地表汇流模块、管网汇流模块、河网水系一维水动力学模块等。对于城市洪涝研究中，需要建立二维水动力学模块模拟地表淹没过程以及排水管网、河湖水系的衔接过程，从而真实地模拟出水面在道路、小区、绿地、河道等不同地形情况下的漫流过程。如SWMM模型、InfoWorks模型、MIKE模型等，最核心的部分便是依靠地表二维浅水方程建立城市雨洪地表水动力模型。

然而，水动力学方法对资料需求较多，且计算时间较长。从城区到流域的洪涝模拟尺度过程中，高精度的模拟要求与计算效率形成了鲜明的矛盾，无法通过二维网格有效地模拟整个城市或城市群的产汇流过程，因此较少应用于洪涝的快速预报及评价。另一方面，在与周边河网模型的耦合部分，传统排水模型主要考虑的是城区内部由于管道排水能力不足导致雨水积余造成的内涝，对于管道满溢和回流情况下的内涝模拟存在不足，这就导致这种模型在大尺度的计算中是不适用的。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种城市群排水过程模拟方法，基于概念性城市群水文模型，在保证计算精度的同时，大幅降低计算工作量，使之能够在区域流域范围要求的时效内，对流域内城市群的内涝、倒灌等排水过程进行高精度模拟，同时可以降低模型在不同尺度下的异质性影响。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种城市群排水过程模拟方法，包括以下步骤：

(1)将城市群按照各自独立的汇水区域进行划分，再将各汇水区域划分为若干概念性城市群水文单元，所述概念性城市群水文单元是指每一个雨水井的汇水分区，从而建立城市群的排水模型；其中，每一个雨水井的汇水分区是按照雨水井及其数字高程模型来确定的。

(2)城区汇水零维区域及积水模拟：将城区产流在进入雨水井之前的阶段，概化为零维区域调蓄的过程，得到零维区域调蓄的水位容积曲线；所述的对所述零维区域调蓄的过程进行模拟，包括以下过程：对概念性城市群水文单元上地形的高程分布进行处理，形成对应的高程-面积关系，然后转化得到零维区域调蓄的水位容积曲线。

(3)收集每个雨水井的过流面积、地面高程信息，以及城市群排水管道的排布数据，雨水井按地形与距离最近的管道断面相连；优选的，步骤(3)中还包括排水流向设计，对排水管道的排布数据进行优化，在所述的收集城市群排水管道的排布数据之后进行，优化过程为：对管道首末节点进行编号，将具有相同连接点的管段按相同路名进行合并，合并处设置管道断面。

(4)根据雨水井与管道、河道的连通关系，求解单一管道作用下通过雨水井的流量；求解过程包括以下步骤：

(41)建立雨水井流量与雨水井地表水位Z_N1及出水口河道水位Z_N2的关系：

其中：

式中，θ_i，η_i，γ_i，α_i，β_i，ζ_i均为相关系数，为雨水井过堰流量系数，为与河道衔接出水口流量系数；其中所述雨水井过堰流量系数、与河道衔接出水口流量系数计算式分别为：