CN108846170A - 基于水力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法：确定高区和低区汇水面积；建立高区高精度DEM模型，建立低区DEM精确模型；二维水力模型建立；对排水出路安全评价；地道排水系统优化设计。本发明的优点在于采用道路纵断面拟合、高程点加密技术构建高精度高区DEM模型，同时采用BIM技术构建地道精确DEM模型，极大增加了二维地表漫流模拟的准确性，通过二维水力模型对下穿地道排水系统排水全程进行模拟，通过不同工况设置，可确定最佳的地道排水系统运行工况，通过二维动态模拟，系统的反映高区及地区排水系统运行情况，将水力模型校核结果反馈到地道排水系统设计方案，可提高地道排水系统设计的科学性和安全性，提高城市内涝防灾能力。

Description

基于水力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法

技术领域

本发明涉及市政工程技术与地理信息系统技术领域，尤其涉及一种基于水 力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法。

背景技术

近年来，我国城市内涝灾害日益严重，城市下穿地道形成封闭的积水洼地， 且道路纵坡较大，是城市内涝的重灾区，在强降雨条件下极易发生严重积水可 以导致交通堵塞甚至交通完全瘫痪。

由于城市下穿地道的重要性及其排水条件的特殊性，如何解决好下穿地道 排水问题关系到城市交通的正常运行及人民生命财产的安全。通过构建地道排 水系统水力模型，科学分析城市下穿地道内涝灾害产生原因，提供内涝灾害风 险评估，结合泵站设计方案进行优化，才能更好地服务于城市下穿地道排水系 统设计，减少下穿节点城市内涝灾害的发生。

本技术领域的技术人员致力于解决上述技术缺陷。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的技术目的在于提供一种基于水力模 型的城市下穿地道排水系统优化设计方法，通过构建水力模型在不同工况下对 地道排水内涝情景进行模拟，同时，可根据不同配泵及启泵水位进行模拟，确 定地道泵站最佳的运行工况。

为实现上述技术目的，本发明提供了一种基于水力模型的城市下穿地道排 水系统优化设计方法，其为：

(1)确定高区和低区汇水面积；

(2)建立高区高精度DEM模型，建立低区DEM精确模型；

(3)二维水力模型建立；

(4)对排水出路安全评价；

(5)地道排水系统优化设计；其中步骤(2)中的高区高精度DEM模型包 括离散点剔除、道路高程拟合和高程点加密；其中步骤(2)中的高区高精度 DEM模型的建立方法为：剔除TIN模型中显著孤立的凸点和凹点；然后将道路 红线识别到TIN模型中，并设置三角网格阻断线，拟合道路纵断面设计曲线， 得到平滑的道路TIN模型；最后采用三角形重心作为插入点对高程点进行加密， 并根据空间插值理论计算加密点高程。

优选地，其中低区DEM精确模型通过构建BIM模型，然后将BIM模型中坐 标及高程要素导出，制作低区DEM精确模型，低区DEM模型用于水力模拟可忽 略地道上部立交道路高程。

优选地，其中二维水力模型建立方法为：通过设置不同暴雨重现期、水泵 台数、启泵水位等控制因素组合，结合高区和低区高精度DEM模型构建二维地 表漫流模型，利用水力模型软件对不同工况下地道排水系统降雨全程进行模 拟。

优选地，其中排水出路安全评价根据立体交叉地道排水应设独立的排水系 统，其出水口必须可靠，结合上述二维水力模拟结果，对下穿地道排水系统在 设计重现期下，校核泵站排水出路安全性；结合上述二维水力模拟结果，对下 穿地道排水泵站水泵配置、启泵水位及泵前池设计进行校核，确定最优的泵站 运行工况。

优选地，其中地道排水系统设计优化方案为：通过水力模型软件二维地表漫 流模拟，对地道排水系统降雨全程模拟，分析积水原因，优化泵站排水系统设 计方案，确定最优的泵站运行工况。

优选地，其中离散点剔除通过初步测量高程散点或等高线资料，构建TIN 初步模型，剔除显著离散的凸点和凹点，确保高程数据的正确性

优选地，道路高程拟合将高区道路红线处理为闭合曲线，利用ArcGIS地 理信息系统软件将其导入TIN模型中，并将道路红线作为三角网格阻断线，同 时，将道路中心线拟合的纵断面高程点导入到TIN模型中，完成道路高精度TIN 模型拟合。

优选地，将道路高程拟合模型重新生成TIN模型，为增加地面高程模型精 度，增加TIN三角网格高程内插点，为便于模型计算，确定三角形重心为高程 内插点；

内插点坐标由公式1计算：

根据空间插值理论：空间位置上越靠近的点，其特征值越具有相似性。基 于此将上述三角形重心坐标导入模型中，通过检索锁定最近的三角形网格，并 作为相应三角形的内插点；

内插点高程有公式2计算：

由:

令：

得:

上述公式中：重心(O点)坐标为(x0，y0，z0)；三角形顶点坐标分别 为：A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)，其中Z值为高 程。

本发明的有益效果：

1、本发明的优点在于采用道路纵断面拟合、高程点加密技术构建高精度 高区DEM模型，同时采用BIM技术构建地道精确DEM模型，极大增加了二维地 表漫流模拟的准确性。

2、本发明通过二维水力模型对下穿地道排水系统排水全程进行模拟，通 过不同工况设置，可确定最佳的地道排水系统运行工况。

3、本发明通过二维动态模拟，系统的反映高区及低区排水系统运行情况， 将水力模型校核结果反馈到地道排水系统设计方案，可提高地道排水系统设计 的科学性和安全性，提高城市内涝防灾能力。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说 明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的工作流程示意图；

图2是本发明的高区DEM模型构建工作流程示意图；

图3是本发明的原始TIN模型图；

图4是本发明的道路高程拟合效果图；

图5是本发明的高程点加密效果图；

图6是本发明的水力模型构建流程图。

具体实施方式

如图1并结合图2和图3所示：本发明的方法的一个具体实施例，基于水 力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法，其为：

(1)确定高区和低区汇水面积；

(2)建立高区高精度DEM模型，建立低区DEM精确模型；

(3)二维水力模型建立；

(4)对排水出路安全评价；

(5)地道排水系统优化设计。

其中，步骤(2)中的高区高精度DEM模型包括离散点剔除、道路高程拟 合和高程点加密；

其中，步骤(2)中的高区高精度DEM模型的建立方法为：剔除TIN模型 中显著孤立的凸点和凹点；然后将道路红线识别到TIN模型中，并设置三角网 格阻断线，拟合道路纵断面设计曲线，得到平滑的道路TIN模型；最后采用三 角形重心作为插入点对高程点进行加密，并根据空间插值理论计算加密点高 程。

其中，低区DEM精确模型通过构建BIM模型，然后将BIM模型中坐标及高 程要素导出，制作低区DEM精确模型，低区DEM模型用于水力模拟可忽略地道 上部立交道路高程。

其中，二维水力模型建立方法为：通过设置不同暴雨重现期、水泵台数、 启泵水位等控制因素组合，结合高区和低区高精度DEM模型构建二维地表漫流 模型，利用水力模型软件对不同工况下地道排水系统降雨全程进行模拟。

其中，排水出路安全评价根据立体交叉地道排水应设独立的排水系统，其 出水口必须可靠，结合上述二维水力模拟结果，对下穿地道排水系统在设计重 现期下，校核泵站排水出路安全性；结合上述二维水力模拟结果，对下穿地道 排水泵站水泵配置、启泵水位及泵前池设计进行校核，确定最优的泵站运行工 况。

其中，地道排水系统设计优化方案为：通过水力模型软件二维地表漫流模 拟，对地道排水系统降雨全程模拟，分析积水原因，优化泵站排水系统设计方 案，确定最优的泵站运行工况。

其中，离散点剔除通过初步测量高程散点或等高线资料，构建TIN初步模 型，剔除显著离散的凸点和凹点，确保高程数据的正确性

道路高程拟合将高区道路红线处理为闭合曲线，利用ArcGIS地理信息系 统软件将其导入TIN模型中，并将道路红线作为三角网格阻断线，同时，将道 路中心线拟合的纵断面高程点导入到TIN模型中，完成道路高精度TIN模型拟 合。

将道路高程拟合模型重新生成TIN模型，为增加地面高程模型精度，增加 TIN三角网格高程内插点，为便于模型计算，确定三角形重心为高程内插点；

内插点坐标由公式1计算：

根据空间插值理论：空间位置上越靠近的点，其特征值越具有相似性。基 于此将上述三角形重心坐标导入模型中，通过检索锁定最近的三角形网格，并 作为相应三角形的内插点；

内插点高程有公式2计算：

由：

令：

得:

上述公式中：重心(O点)坐标为(x0，y0，z0)；三角形顶点坐标分别 为：A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)，其中Z值为高 程。

本发明的有益效果：

本发明的优点在于采用道路纵断面拟合、高程点加密技术构建高精度高区 DEM模型，同时采用BIM技术构建地道精确DEM模型，极大增加了二维地表漫 流模拟的准确性。本发明通过二维水力模型对下穿地道排水系统排水全程进行 模拟，通过不同工况设置，可确定最佳的地道排水系统运行工况。本发明通过 二维动态模拟，系统的反映高区及地区排水系统运行情况，将水力模型校核结 果反馈到地道排水系统设计方案，可提高地道排水系统设计的科学性和安全 性，提高城市内涝防灾能力。

实施例：

结合附图1本发明主要实施内容包括DEM制作、水力模型构建、二维水力 模拟构建、排水出路安全评价、泵站工况校核、地道排水系统设计优化。

DEM模型制作分为高区DEM模型和低区DEM模型，由于常规测量数据难以 满足DEM模型精度要求，因此，高区DEM模型采用高程点加密技术，制作高精 度DEM模型，低区通过BIM技术制作DEM精确模型。

结合附图2高区DEM模型制作主要包括离散点剔除、道路高程拟合、高程 点加密计算三部分；

(1)离散点剔除

通过初步测量高程散点或等高线资料，构建TIN初步模型，剔除显著离散 的凸点和凹点，确保高程数据的正确性,。TIN初步模型详见附图3。

(2)道路高程拟合

将高区道路红线处理为闭合曲线，利用ArcGIS地理信息系统软件将其导 入TIN模型中，并将道路红线作为三角网格阻断线，同时，将道路中心线拟合 的纵断面高程点导入到TIN模型中，完成道路高精度TIN模型拟合。拟合效果 详见附图4。

(3)高程点加密计算

将上述道路高程拟合模型重新生成TIN模型，为增加地面高程模型精度， 增加TIN三角网格高程内插点，为便于模型计算本发明确定三角形重心为高程 内插点；

内插点坐标由公式1计算：

根据空间插值理论：空间位置上越靠近的点，其特征值越具有相似性。基 于此将上述三角形重心坐标导入模型中，通过检索锁定最近的三角形网格，并 作为相应三角形的内插点。

内插点高程有公式2计算：

由：

令:

得：

上述公式中：重心(O点)坐标为(x0，y0，z0)；三角形顶点坐标分别 为：A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)，其中Z值为高 程，插值效果详见附图5。

低区DEM模型：本发明通过构建BIM模型，将BIM模型中坐标及高程等要 素导出，制作低区DEM精确模型，低区DEM模型制作应忽略地道上部立交道路 高程。

二维水力模拟构建：城市排水管网的水流状态主要分为无压非恒定流和有 压非恒定流，当降雨强度较小时，排水管网中的水流一般根据管渠两端水面高 差向底处流动，此时水流为无压非恒定流；当遇到短时强降雨，管网过水断面 不能满足流量要求，可能出现有压非恒定流。

传统排水系统水力计算以无压非恒定流为假设前提，无法反应排水系统实 际运行情况。本发明使用的水力模型软件运用动力波法，模拟排水系统中水流 的时间和空间变化及回水、逆流和有压流动等复杂流态。并将上述DEM模型导 入模型中，进行二维地表漫流分析。水力模型构建流程详见附图6。

不同工况设置：为校核下穿地道排水系统设计效果，可通过设置不同工况 利用水力模型进行校核。结合常规泵站设计内容，常规工况设计参见表1：

表1不同工况设置

排水出路安全评价：结合上述工况设置，利用水力模型软件对下穿地道排 水系统泵站排水出路安全性进行论证，并应考虑排水系统受纳水体水位对排水 出路的顶托影响。

泵站工况校核：结合上述工况设置，利用水力模型软件对下穿地道泵站水 泵台数、泵前池容积及启泵水位等条件进行模拟，通过参数调整确定最佳的泵 站运行工况。

地道排水系统设计优化，通过高精度DEM模型及水力模型构建，对城市下 穿地道高区及低区排水系统进行二维模拟，真实反映地道排水系统在设计参数 下实际运行效果。评估高区排水系统对低区排水系统的影响及下穿地道排水系 统设计的科学性和合理性，并根据模型结果，分析积水原因，对下穿地道排水 系统设计参数进行优化。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术 人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡 本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推 理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范 围内。

Claims (8)

1.一种基于水力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法，其特征在于：其方法为：

(6)确定高区和低区汇水面积；

(7)建立高区高精度DEM模型，建立低区DEM精确模型；

(8)二维水力模型建立；

(9)对排水出路安全评价；

(10)地道排水系统优化设计；

步骤(2)中的高区高精度DEM模型包括离散点剔除、道路高程拟合和高程点加密；

步骤(2)中的高区高精度DEM模型的建立方法为：剔除TIN模型中显著孤立的凸点和凹点；然后将道路红线识别到TIN模型中，并设置三角网格阻断线，拟合道路纵断面设计曲线，得到平滑的道路TIN模型；最后采用三角形重心作为插入点对高程点进行加密，并根据空间插值理论计算加密点高程。

2.如权利要求1所述的一种基于水力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法，其特征在于：低区DEM精确模型通过构建BIM模型，然后将BIM模型中坐标及高程要素导出，制作低区DEM精确模型，低区DEM模型用于水力模拟可忽略地道上部立交道路高程。

3.如权利要求1所述的一种基于水力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法，其特征在于：二维水力模型建立方法为：通过设置不同暴雨重现期、水泵台数、启泵水位等控制因素组合，结合高区和低区高精度DEM模型构建二维地表漫流模型，利用水力模型软件对不同工况下地道排水系统降雨全程进行模拟。

4.如权利要求1所述的一种基于水力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法，其特征在于：排水出路安全评价根据立体交叉地道排水应设独立的排水系统，其出水口必须可靠，结合上述二维水力模拟结果，对下穿地道排水系统在设计重现期下，校核泵站排水出路安全性；结合上述二维水力模拟结果，对下穿地道排水泵站水泵配置、启泵水位及泵前池设计进行校核，确定最优的泵站运行工况。

5.如权利要求1所述的一种基于水力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法，其特征在于：地道排水系统设计优化方案为：通过水力模型软件二维地表漫流模拟，对地道排水系统降雨全程模拟，分析积水原因，优化泵站排水系统设计方案，确定最优的泵站运行工况。

6.如权利要求1所述的一种基于水力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法，其特征在于：离散点剔除通过初步测量高程散点或等高线资料，构建TIN初步模型，剔除显著离散的凸点和凹点，确保高程数据的正确性。

7.如权利要求1所述的一种基于水力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法，其特征在于：道路高程拟合将高区道路红线处理为闭合曲线，利用ArcGIS地理信息系统软件将其导入TIN模型中，并将道路红线作为三角网格阻断线，同时，将道路中心线拟合的纵断面高程点导入到TIN模型中，完成道路高精度TIN模型拟合。

8.如权利要求1所述的一种基于水力模型的城市下穿地道排水系统优化设计方法，其特征在于：将道路高程拟合模型重新生成TIN模型，为增加地面高程模型精度，增加TIN三角网格高程内插点，为便于模型计算，确定三角形重心为高程内插点；

内插点坐标由公式1计算：

根据空间插值理论：空间位置上越靠近的点，其特征值越具有相似性。基于此将上述三角形重心坐标导入模型中，通过检索锁定最近的三角形网格，并作为相应三角形的内插点；

内插点高程有公式2计算：

由；

令：

得:

上述公式中：重心(O点)坐标为(x0，y0，z0)；三角形顶点坐标分别为：A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)，其中Z值为高程。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。