CN114692432A - 一种城市暴雨积水模拟实时订证的预报系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气象预测技术领域，具体涉及一种城市暴雨积水模拟实时订证的预报系统及方法。本发明要解决的是城市暴雨实时订证的预报模式的技术问题，提供了一种城市暴雨实时订证的预报方法；采用模型计算与积水监测同化处理，确定局部产汇流系数和排水系数，是基于模型计算结果与积水监测结果数据同化，并通过同化参数订证来完成的数学模式；所提出的模式可以提高城市暴雨预报模拟的精度，通过实时修正产汇流系数和排水系数可以提高计算效率，采用模型计算与积水监测同化处理可以增加计算稳定性。
Description
技术领域
本发明属于气象预测技术领域，具体涉及一种城市暴雨积水模拟实时订证的预报系统及方法。
背景技术
近年来，随着全球性的气候变暖以及城市化进程的不断加快，中国各大城市汛期频繁出现极端强降水天气，当降水量超过城市的排水能力时，将导致城市内涝灾害的发生，给人民群众生产生活及生命财产安全带来较大危害，已成为影响城市公共安全的重要因素。科学利用暴雨内涝数学模型开展积水预测，提升城市内涝灾害风险预警服务能力，最大程度地减轻内涝灾害损失，是城市排水及相关管理部门亟待解决的重要问题。
在城市暴雨内涝数学模型研究中，国内大部分采用基于水文水力学模型的仿真模拟法，其中具有代表性的为中国水科院和天津市气象科学研究所合作研发的城市暴雨内涝数学模型，其以城市地表和明渠河道水流运动为研究对象，采用数值模式预报的降水、雷达估算的降水、自动气象站观测的雨量作为模型的降水初值和边界条件，模拟不同暴雨强度下内涝灾害的发生与发展过程，且具有明确的物理机理，是探究内涝灾害形成过程的一种科学方法。
目前国内外多数暴雨内涝模型在模拟计算时的输入场仅考虑降雨量及先期预先设定的相关参数，未见有将实况积水深度数据代入模型对模拟结果进行实时订正，而排水系统实际运作中往往受人为因素影响很大，如周边泵站、闸门等排水设施是否及时开启、下水道口被垃圾堵塞以及排水管网老化等因素，多数情况下工作状态无法满足模型先期设定参数条件，使得模型计算结果与实际存在偏差较大的问题。
因此研究降雨积水计算模拟过程与实际观测过程的资料同化和参数订证模式，仍然是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于设计提供一种城市暴雨积水模拟实时订证的预报系统及方法。
一种城市暴雨积水模拟实时订证的预报系统，用有限体积方法建立城市范围内河网、路网、管网和社区分类分区模型，形成分类分区间的结构和逻辑关系；
根据雨量站资料用泰森方法进行暴雨分布网格化，下垫面积水深度考虑汇流、管网、网格内建筑率和地表渗透率的影响；
对模型计算模拟实时结果与积水监测实时结果进行同化处理，同化参数是基于产汇流系数和排水系数综合的水量等效的概念出发，通过实时修正综合修正水量，使短时段内计算模拟结果趋近于积水监测结果。
优选的，具体的将城市模型划分为包括河道型网格、道路型网格、社区型网格、管道型网格、桥梁型网格、农田型网格，网格由区域单元边界的通道衔接，同一层面的单元通道为过流断面，通道高于两侧地面的为堤坝；不同层面的单元通道为不过流壁面，水流经可汇流坡道运动。
优选的，建立各城市模型单元雨水量数学模型，单元积水量与降雨、汇流、分流、渗流、管排有关，而积水深度与单元内的有效积水面积有关，影响有效积水面积的重要因素是单元内的建筑面积和突兀的高地。
一种城市暴雨积水模拟实时订证的预报方法，具体的建立各城市模型单元雨水量数学模型包括以下步骤：
步骤1，建立研究区域包含数字高程的任意多边形无结构网格单元；
步骤2，对所述网格单元确定网格单元边、网格单元边端点对应关系；
步骤3，对所述网格单元确定排水管道直径、长度和地面竖井数量；
步骤4，对所述网格单元用泰森多边形方法确定网格单元实时雨量分布；
步骤5，对所述网格单元边用水动力方法确定网格单元边实时通过的流量；
步骤6，累计所述网格单元的降雨量、渗流量、管道排水量和网格单元边分出和汇入水量，确定网格单元的积水量；
步骤7，确定网格单元上的综合修正水量Sj＝λj(ΔRj+ΔFj+ΔGj+ΔOj+ΔWj)，
其中，Sj为综合修正水量，下标j表示网格单元序号；λj为修正尺度系数，建议选取0.01；ΔRj为网格单元降雨量模化误差；ΔFj为网格单元边出入水量模化误差；ΔGj为网格单元管道排水量模化误差；ΔOj为网格单元渗流水量模化误差；ΔWj为网格单元模拟与实测积水量误差。
步骤8，计算网格单元上实时订证的积水量Hjs＝Hj+Sj，
其中，Hjs为网格单元上订证后的水量，下标j表示网格单元序号，下标s表示网格单元实时订证后量；Hj为网格单元上订证前的水量。
步骤9，判断网格单元上计算与实测积水量的误差|Hjs-Hs|≤εj，
其中，Hs为网格单元上实测积水量，εj为网格单元上给定的精度值，建议选取0.01。在达到精度要求的情况下转入下一网格单元或时段的计算。
与现有技术相比：本发明要解决的是城市暴雨实时订证的预报模式的技术问题，提供了一种城市暴雨实时订证的预报方法；采用模型计算与积水监测同化处理，确定局部产汇流系数和排水系数，是基于模型计算结果与积水监测结果数据同化，并通过同化参数订证来完成的数学模式；所提出的模式可以提高城市暴雨预报模拟的精度，通过实时修正产汇流系数和排水系数可以提高计算效率，采用模型计算与积水监测同化处理可以增加计算稳定性。
(一)本发明有效利用短时段内通过实时修正综合修正水量，使计算模拟结果趋近于积水监测结果，用神经网络方法可以将长期记录的综合修正水量，经过模型训练确定综合修正水量的有效变化幅度。
(二)本发明给出的可变幅综合修正水量可用于模型积水的验证和预报，尤其对邻近和短时段模型积水预报，可提高计算模拟的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为城市暴雨积水模拟实时订证的预报系统城市模型图。
图中：河道型网格1、道路型网格2、社区型网格3、管道型网格4、桥梁型网格5、农田型网格6。
具体实施方式
一种城市暴雨积水模拟实时订证的预报系统，用有限体积方法建立城市范围内河网、路网、管网和社区分类分区模型，形成分类分区间的结构和逻辑关系；
根据雨量站资料用泰森方法进行暴雨分布网格化，下垫面积水深度考虑汇流、管网、网格内建筑率和地表渗透率的影响；
对模型计算模拟实时结果与积水监测实时结果进行同化处理，同化参数是基于产汇流系数和排水系数综合的水量等效的概念出发，通过实时修正综合修正水量，使短时段内计算模拟结果趋近于积水监测结果。
进一步的，具体的将城市模型划分为包括河道型网格1、道路型网格2、社区型网格3、管道型网格4、桥梁型网格5、农田型网格6，网格由区域单元边界的通道衔接，同一层面的单元通道为过流断面，通道高于两侧地面的为堤坝；不同层面的单元通道为不过流壁面，水流经可汇流坡道运动。
进一步的，建立各城市模型单元雨水量数学模型，单元积水量与降雨、汇流、分流、渗流、管排有关，而积水深度与单元内的有效积水面积有关，影响有效积水面积的重要因素是单元内的建筑面积和突兀的高地。
一种城市暴雨积水模拟实时订证的预报方法，具体的建立各城市模型单元雨水量数学模型包括以下步骤：
步骤1，建立研究区域包含数字高程的任意多边形无结构网格单元；
步骤2，对所述网格单元确定网格单元边、网格单元边端点对应关系；
步骤3，对所述网格单元确定排水管道直径、长度和地面竖井数量；
步骤4，对所述网格单元用泰森多边形方法确定网格单元实时雨量分布；
步骤5，对所述网格单元边用水动力方法确定网格单元边实时通过的流量；
步骤6，累计所述网格单元的降雨量、渗流量、管道排水量和网格单元边分出和汇入水量，确定网格单元的积水量；
步骤7，确定网格单元上的综合修正水量Sj＝λj(ΔRj+ΔFj+ΔGj+ΔOj+ΔWj)，
其中，Sj为综合修正水量，下标j表示网格单元序号；λj为修正尺度系数，建议选取0.01；ΔRj为网格单元降雨量模化误差；ΔFj为网格单元边出入水量模化误差；ΔGj为网格单元管道排水量模化误差；ΔOj为网格单元渗流水量模化误差；ΔWj为网格单元模拟与实测积水量误差。
步骤8，计算网格单元上实时订证的积水量Hjs＝Hj+Sj，
其中，Hjs为网格单元上订证后的水量，下标j表示网格单元序号，下标s表示网格单元实时订证后量；Hj为网格单元上订证前的水量。
步骤9，判断网格单元上计算与实测积水量的误差|Hjs-Hs|≤εj，
其中，Hs为网格单元上实测积水量，εj为网格单元上给定的精度值，建议选取0.01。在达到精度要求的情况下转入下一网格单元或时段的计算。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (4)
1.一种城市暴雨积水模拟实时订证的预报系统，其特征在于：用有限体积方法建立城市范围内河网、路网、管网和社区分类分区模型，形成分类分区间的结构和逻辑关系；
根据雨量站资料用泰森方法进行暴雨分布网格化，下垫面积水深度考虑汇流、管网、网格内建筑率和地表渗透率的影响；
对模型计算模拟实时结果与积水监测实时结果进行同化处理，同化参数是基于产汇流系数和排水系数综合的水量等效的概念出发，通过实时修正综合修正水量，使短时段内计算模拟结果趋近于积水监测结果。
2.如权利要求1所述的一种城市暴雨积水模拟实时订证的预报系统，其特征在于：具体的将城市模型划分为包括河道型网格、道路型网格、社区型网格、管道型网格、桥梁型网格、农田型网格，网格由区域单元边界的通道衔接，同一层面的单元通道为过流断面，通道高于两侧地面的为堤坝；不同层面的单元通道为不过流壁面，水流经可汇流坡道运动。
3.如权利要求2所述的一种城市暴雨积水模拟实时订证的预报系统，其特征在于：建立各城市模型单元雨水量数学模型，单元积水量与降雨、汇流、分流、渗流、管排有关，而积水深度与单元内的有效积水面积有关，影响有效积水面积的重要因素是单元内的建筑面积和突兀的高地。
4.一种城市暴雨积水模拟实时订证的预报方法，其特征在于：具体的建立各城市模型单元雨水量数学模型包括以下步骤：
步骤1，建立研究区域包含数字高程的任意多边形无结构网格单元；
步骤2，对所述网格单元确定网格单元边、网格单元边端点对应关系；
步骤3，对所述网格单元确定排水管道直径、长度和地面竖井数量；
步骤4，对所述网格单元用泰森多边形方法确定网格单元实时雨量分布；
步骤5，对所述网格单元边用水动力方法确定网格单元边实时通过的流量；
步骤6，累计所述网格单元的降雨量、渗流量、管道排水量和网格单元边分出和汇入水量，确定网格单元的积水量；
步骤7，确定网格单元上的综合修正水量Sj＝λj(ΔRj+ΔFj+ΔGj+ΔOj+ΔWj)，
其中，Sj为综合修正水量，下标j表示网格单元序号；λj为修正尺度系数，建议选取0.01；ΔRj为网格单元降雨量模化误差；ΔFj为网格单元边出入水量模化误差；ΔGj为网格单元管道排水量模化误差；ΔOj为网格单元渗流水量模化误差；ΔWj为网格单元模拟与实测积水量误差。
步骤8，计算网格单元上实时订证的积水量Hjs＝Hj+Sj，
其中，Hjs为网格单元上订证后的水量，下标j表示网格单元序号，下标s表示网格单元实时订证后量；Hj为网格单元上订证前的水量。
步骤9，判断网格单元上计算与实测积水量的误差|Hjs-Hs|≤εj，
其中，Hs为网格单元上实测积水量，εj为网格单元上给定的精度值，建议选取0.01。在达到精度要求的情况下转入下一网格单元或时段的计算。
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