CN117473889A

CN117473889A - 一种区域尺度的暴雨内涝分析方法、设备及存储介质

Info

Publication number: CN117473889A
Application number: CN202311416676.4A
Authority: CN
Inventors: 孙怀卫; 汪楷勋; 何娟; 王锐毅; 孙勋来; 杜世雄; 梁昌梅; 刘路广; 陈伏龙; 金瑾; 李东升
Original assignee: Hubei Water Resources Research Institute; Huazhong University of Science and Technology; Shihezi University
Current assignee: Hubei Water Resources Research Institute; Huazhong University of Science and Technology; Shihezi University
Priority date: 2023-10-27
Filing date: 2023-10-27
Publication date: 2024-01-30
Anticipated expiration: 2043-10-27
Also published as: CN117473889B

Abstract

本发明公开了一种区域尺度的暴雨内涝分析方法、设备及存储介质，属于防洪减灾技术领域。本发明首先将区域划分为一级排区和二级子排区；再利用概念性集总模型模拟分析区域内各二级子排区的暴雨产流；之后基于二级子排区产流过程模拟二级闸站处出流过程；再对河道、调蓄湖泊、外排闸站、调控水闸和内垸进行概化，通过河网调蓄演算，得到河网各个断面的水位、流量和各二级子排区内的剩余水量；之后各二级子排区内涝水量展布；最后将区域内各二级子排区的内涝结果进行空间连接。本发明技术方案合理优化涝灾时空分布分析过程，由此稳定、快速的完成区域尺度内涝分析。

Description

一种区域尺度的暴雨内涝分析方法、设备及存储介质

技术领域

本发明属于防洪减灾技术领域，更具体地，涉及一种区域尺度的暴雨内涝分析方法、设备及存储介质。

背景技术

在全球气候变化的大背景下，极端降雨发生频率增加，导致区域内涝频发，同时城市化进程加快，城市和人口规模逐渐增大，区域内涝问题导致的灾害损失进一步加重。能够在满足区域水量平衡和调度控制约束的情况下，完成稳定、快速的内涝计算，为决策者提供可靠细致的涝灾时空分布尤为重要。

目前的暴雨内涝分析预测技术的研究对象都是城市，城市对象和区域对象存在诸多不同：一方面区域对象的水文资料不如城市水文资料丰富；另一方面区域尺度相较于城市尺度面积更大、涉及水利设施更多、数据更繁杂；由此直接将城市内涝分析模型应用于区域尺度对象后存在精度不够、计算效率低下的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种区域尺度的暴雨内涝分析方法、设备及存储介质，其目的在于解决现有内涝分析模型应用于区域尺度存在精度不够、计算效率低下的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种区域尺度的暴雨内涝分析方法，所述方法包括：

在区域内进行一级排区划分，并在一级排区内进行二级子排区划分；

利用概念性集总模型模拟分析区域内各二级子排区的暴雨产流；

基于二级子排区产流过程模拟二级闸站处出流过程；

对河道、调蓄湖泊、外排闸站、调控水闸和内垸进行概化，采用河网水动力模型进行河网调蓄演算，得到河网各个断面的水位、流量和各二级子排区内的剩余水量；

各二级子排区内涝水量展布；

将区域内各二级子排区的内涝结果进行空间连接。

优选的，结合区域内一级泵站及排水系统布局，在区域内进行一级排区划分；进一步在一级排区内进行二级子排区划分；所述二级子排区的划分原则为：高低水分开、主客水分开、内外水分开、就近排水以及自排为主提排为辅。

优选的，所述概念性集总模型为：

Q_a＝f(P,I_a,F,E)

其中，Q_a为二级闸站的入流过程；f()为产汇流映射规则；P为降雨；I_a为初损；F为入渗；E为蒸发；

求解模型包括推求设计暴雨和设计洪水；面雨量采用泰森多边形法计算，绘制二级子排区周围雨量站的泰森多边形，得到各雨量站的权重系数；将各站点雨量通过权重系数转化成二级子排区面雨量；根据暴雨内涝区选定不同统计时段，逐年选取每年中各时段的最大面暴雨量，组成面暴雨量系列，并审查系列的代表性；用皮尔逊Ⅲ型曲线分别对各时段暴雨量系列进行频率分析，并对频率分析成果作合理性检查，即求得各时段的设计面暴雨量；分析不同历时和频率暴雨的径流系数，推算暴雨总损失量；采用初损和后损法简单分配暴雨损失；二级子排区净雨经单位转化后即为二级子排区出口的流量过程，即为二级闸站处的入流过程。

优选的，二级子排区的汇流通过Spump模型和排水闸水力学公式计算；湖泊上游入湖河道处理成点源，作为流量已知边界；未纳入河网计算的二级子排区处理成点源，二级子排区内有大于等于两处二级提排站的处理成线源；

Spump模型模拟泵站汇流过程：

其中，Q_spump为二级泵站出流；b为斜线段的斜率；V为排区剩余水量；Q_max为最大排水能力；V₀为泵站进入满负荷运行所需的最小剩余水量；

水库模型模拟排区剩余水量：

其中，dv为剩余水量变化量；dt为时段长；I为排区入流；

对于排水闸门，堰流自由泄流时，汇流量Q为：

其中，B₀为闸孔总净宽；H₀为计入行近流速水头的堰上水深；m为堰流流量系数；ε为侧收缩系数；σ为堰流淹没系数；g为重力加速度；

当堰流淹没度满足h_s/H₀≥TH，汇流量Q为：

其中，μ₀为淹没堰流综合流量系数；h_s为下游水位高于堰顶的数值；TH为高淹没度阈值。

优选的，对河道、调蓄湖泊、外排闸站、调控水闸和内垸进行概化具体为：河道采用圣维南偏微分方程组来模拟概化；调蓄湖泊概化为蓄水汊点；外排闸站概化为外边界条件；调控水闸概化为内边界条件；内垸概化为蓄水汊点，分洪状况下，内垸与湖泊的联系采用堰流来模拟概化，不分洪状况下，内垸与湖泊的联系概化为流量已知边界。

优选的，所述河网水动力模型包括：河道基本方程、汊点衔接方程和边界方程；

河道基本方程如下：

其中，Q_b为渠道流量；Z为渠道水位；B为水面宽；t为时间坐标；s为纵向坐标；g为重力加速度；A为过水断面面积；K为流量模数；

汊点衔接方程如下：

其中，Q_i为第i个汊点的流量；V_i为第i个汊点的过水量；t为时间坐标；z_i为第i个汊点的水位；u_i为断面流速；为动能校正系数；g为重力加速度；E为能量；

边界方程如下：

堰流自由泄流时：

堰流淹没度满足h_s/H₀≥TH时：

其中，B₀为闸孔总净宽；H₀为计入行近流速水头的堰上水深；m为堰流流量系数；ε为侧收缩系数；σ为堰流淹没系数；g为重力加速度；μ₀为淹没堰流综合流量系数；h_s为下游水位高于堰顶的数值；TH为高淹没度阈值；采用历史数据对所述河网水动力模型进行反演确定所述模型的参数。

优选的，各二级子排区内涝水量展布具体为：基于区域数字高程模型计算各二级子排区内水位-面积-容积变化曲线，由各二级子排区内剩余水量反算各二级子排区内的内涝水位，按照各二级子排区内等水深的方法，求取各二级子排区各点位置的内涝水位。

优选的，将区域内各二级子排区的内涝结果进行空间连接具体为：根据区域内的基础地理信息资料，采用网格剖分工具进行网格剖分，将剖分后的网格和各二级子排区进行空间连接，由此得到区域内各个网格的内涝水位。

第二方面，本申请提供一种电子设备，包括：存储器，用于存储程序；处理器，用于执行存储器存储的程序，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行第一方面中所描述的任一方法。

第三方面，本申请提供一种存储介质，存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面中所描述的任一方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明采用概念性集总式水文模型模拟二级子排区闸站内面上的暴雨产流过程，采用二级子排区闸站水力学公式计算二级闸站汇流过程，采用一维河网水动力模型计算包含河道、湖泊、一级闸站内在的河网调蓄演算过程；将水文模型模拟的成果和二级子排区闸站汇流成果以点源或线源的方式耦合至一维河网水动力模型当中；通过对进行区域内排涝分区、设计暴雨、设计洪水、河网调蓄演算等得到各细致分区内的内涝水量并反算出内涝水位和面积，进而稳定快速的获得区域尺度下涝灾的精准时空分布；解决了现有内涝分析模型应用于区域尺度存在精度不够、计算效率低下的问题。

附图说明

图1是本发明实施例的总体流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或者两个以上，例如，多个处理单元是指两个或者两个以上的处理单元等；多个元件是指两个或者两个以上的元件等。

接下来，结合附图对本申请实施例中提供的技术方案进行介绍，如图1所示，本实施例包括以下步骤：

(1)将区域划分为多个二级子排区：

选定内涝计算区域，区域内涝水由湖泊调蓄后经区域内闸站外排入江。内涝计算可将内涝区域分成多个一级内涝排区，在一级内涝排区基础上进一步划分二级子排区。整个区域被划分成若干个二级子排区，二级子排区的地形地势基本达到描述的理想标准。此外根据调度规则，区域内湖泊河流周围分别有一些分洪内垸，将内垸划分成二级子排区。

结合内涝区域内一级泵站及排水系统布局，对区域进行一级排区划分。

排水区的划分原则是从整体规划出发，统筹兼顾，全面安排，综合治理。应满足高低水分开、主客水分开、内外水分开，就近排水，自排为主，提排为辅的要求。同时，应适当考虑水利和行政区划管理等问题。

高低水分开就是高水高排，避免高处的水向低处汇集，以免增加抢排时间，也可减少排水泵站的装机容量和降低运行费用。根据预设的高低水阈值区分高水和低水。

内外水分开包括洪、涝分开，河、湖、田分开。

在排涝水的关系上，既要充分发挥河道的排蓄作用，又要考虑到湖泊能有效蓄涝和及时排除涝水的作用。

主客水分开是为了避免相邻地区的排水矛盾，要使上下游各排水沟渠涝水能畅排入河，防止客水流向下游，从而造成下游的涝灾。

按就近排水的原则，划分排水区可以缩短排水时间，提高排水效果。通过划分排水区，可以合理确定畅排区、半畅排水区和非畅排区。畅排区以自排为主，非畅排区以提排为主，半畅排区则自排和提排兼顾。

设定主、辅阈值，自排为主即要求自排大于主阈值，提排为辅即要求提排小于辅阈值。(2)概念性集总模型暴雨产流：

概念性集总模型暴雨产流模型如下：

Q_a＝f(P,I_a,F,E) (1)

式中：Q_a为二级闸站的入流过程，单位m³/s；P为降雨，单位mm；I_a为初损，单位mm；F为入渗，单位mm；E为蒸发，单位mm；f()为产汇流映射规则，可采用新安江模型、SCS模型、SWAT模型等等。

模型求解主要包括推求设计暴雨和设计洪水；

面雨量采用泰森多边形法计算，绘制二级子排区附近雨量站的泰森多边形，得到各站的权重系数；将各站点雨量通过权重系数转化成二级子排区面雨量；

根据工程要求和暴雨内涝区大小选定不同统计时段(1、3、5、7、15、20、30天等)，逐年选取每年中各时段的最大面暴雨量，组成面暴雨量系列，并审查系列的代表性；

用皮尔逊Ⅲ型曲线分别对各时段暴雨量系列进行频率分析，并对频率分析成果作合理性检查，即可求得各时段的设计面暴雨量。

内涝区外排闸站通常具有水雨情监测资料，可分析不同历时、频率暴雨的径流系数，以此来估算暴雨总损失量；采用初损和后损法简单分配暴雨损失；二级子排区净雨经单位转化后即为二级子排区出口的流量过程，即为二级闸站处的入流过程。

(3)模拟二级闸站处出流过程：

二级子排区的汇流通过Spump模型和排水闸水力学公式计算，根据其汇入河网的位置处理成点源或线源。通常湖泊上游入湖河道处理成点源，作为流量已知边界；未纳入河网计算的二级子排区处理成点源，二级子排区内有多处二级提排站的可处理成线源。

对于泵站，采用Spump模型模拟泵站汇流过程：

式中：Q_spump为二级泵站出流，单位m³/s；b为斜线段的斜率，单位1/s；V为排区剩余水量，单位m³；Q_max为最大排水能力，单位m³/s；V₀为泵站进入满负荷运行所需的最小剩余水量，单位m³。

排区剩余水量可由水库模型来模拟：

式中：dv为剩余水量变化量，单位m³；dt为时段长，单位s；I为排区入流(产流量)，单位m³/s。

对于排水闸门，采用公式4和公式5计算汇流量Q；

堰流自由泄流时：

当堰流处于高淹没度(h_s/H₀≥0.9)时：

式中：μ₀为淹没堰流综合流量系数；h_s为下游水位高于堰顶的数值。

(4)区域闸、泵、湖泊概化及河网调蓄演算：

纳入一维河网水动力模型的水利工程主要包括：河道、调蓄湖泊、外排闸站、调控水闸、内垸，达到分洪水位时参与计算。

河网调蓄演算之前先进行区域闸、泵、湖泊概化。上述水利工程中：调蓄湖泊和内垸处理成蓄水汊点，即蓄水作用的网格节点，用于模拟蓄水和释水过程；内垸的分洪状况与湖泊的联系采用堰流来模拟，不分洪状况则处理成流量已知边界，流量已知边界不需要进一步模拟或计算该位置的水流动态。

边界条件分为内边界条件和外边界条件，内边界条件指堰、闸、涵洞等圣维南方程已经不再适用的水头突变处的衔接方程，计算公式见公式(4)和公式(5)，对于外边界，上游通常为流量已知边界，下游为水位边界或水位流量关系已知边界。对于不纳入河网计算的支流汇入和二级闸站作为点源汇入情况处理成流量已知边界。

外排闸站处理成外边界条件；调控水闸处理成内边界条件。对于入湖河道，位于山丘区不受内涝的部分可不纳入河网调蓄演算，而处理成集中入流上边界，河道入湖段平原区位于二级子排区内部的部分可纳入河网调蓄演算。

完成概化后即可建模求解河网水动力模型，一维河网水动力模型主要包括河道基本方程、汊点衔接方程和边界方程。其中，河道基本方程——圣维南方程组如下：

水流连续方程：

动量守恒方程：

汊点衔接方程如下：

流量衔接：

动力衔接：

其中，Q_i为第i个汊点的流量；V为第i个汊点的过水量；t为时间坐标；z_i为第i个汊点的水位；u_i为断面流速；为动能校正系数；g为重力加速度；E为能量；

边界条件方程主要指内边界条件的公式(4)和公式(5)。

为了验证水力计算所采用的数学模型的合理性并确定断面糙率等参数，需对模型进行识别和验证，即采用历史资料对模型参数进行反演，一方面确定模型参数，另一方面验证模型的合理性。

由于模型验证需要湖泊实测水位过程和泵站水闸等配套同期水位和流量实测资料，考虑到下垫面条件的变化，雨洪资料宜取临近现状水平年对模型进行验证。

根据上述方法进行河网调蓄演算，得到河网各个断面的水位、流量和各二级子排区内剩余水量。

(5)排区内涝水量展布：

根据排区的数字高程(DEM)资料进行水位～面积～容积曲线的计算，剩余水量反算各排区内的内涝水位，按照排区内等水深的方法，得到区内的等水深，采用等水深和排区内的DEM求取排区各点位置的内涝水位。

(6)区域内各排区内涝结果空间连接：

根据区域内的基础地理信息资料，采用网格剖分工具进行网格剖分，将剖分后的网格和各排区内水深空间分布进行基于空间位置的连接，从而获得区域内各排区内涝结果的空间分布文件。

基于上述实施例中的方法，本申请实施例提供了一种电子设备。该设备可以包括：至少一个用于存储程序的存储器和至少一个用于执行存储器存储的程序的处理器。其中，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行上述实施例中所描述的方法。

基于上述实施例中的方法，本申请实施例提供了一种存储介质，存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行上述实施例中的方法。

可以理解的是，本申请的实施例中的处理器可以是中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。通用处理器可以是微处理器，也可以是任何常规的处理器。

本申请的实施例中的方法步骤可以通过硬件的方式来实现，也可以由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器(random access memory，RAM)、闪存、只读存储器(read-only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable rom，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)、寄存器、硬盘、移动硬盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在存储介质中，或者通过所述存储介质进行传输。所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

可以理解的是，在本申请的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。

以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种区域尺度的暴雨内涝分析方法，其特征在于，所述方法包括：

基于二级子排区产流过程模拟二级闸站处出流过程；

各二级子排区内涝水量展布；

将区域内各二级子排区的内涝结果进行空间连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，结合区域内一级泵站及排水系统布局，在区域内进行一级排区划分；进一步在一级排区内进行二级子排区划分；所述二级子排区的划分原则为：高低水分开、主客水分开、内外水分开、就近排水以及自排为主提排为辅。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述概念性集总模型为：

Q_a＝f(P，I_a，F，E)

求解模型包括推求设计暴雨和设计洪水；面雨量采用泰森多边形法计算，绘制二级子排区周围雨量站的泰森多边形，得到各雨量站的权重系数；将各站点雨量通过权重系数转化成二级子排区面雨量；根据暴雨内涝区选定不同统计时段，逐年选取每年中各时段的最大面暴雨量，组成面暴雨量系列，并审查系列的代表性；用皮尔逊III型曲线分别对各时段暴雨量系列进行频率分析，并对频率分析成果作合理性检查，即求得各时段的设计面暴雨量；分析不同历时和频率暴雨的径流系数，推算暴雨总损失量；采用初损和后损法简单分配暴雨损失；二级子排区净雨经单位转化后即为二级子排区出口的流量过程，即为二级闸站处的入流过程。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，二级子排区的汇流通过Spump模型和排水闸水力学公式计算；湖泊上游入湖河道处理成点源，作为流量已知边界；未纳入河网计算的二级子排区处理成点源，二级子排区内有大于等于两处二级提排站的处理成线源；

Spump模型模拟泵站汇流过程：

水库模型模拟排区剩余水量：

其中，dv为剩余水量变化量；dt为时段长；I为排区入流；

对于排水闸门，堰流自由泄流时，汇流量Q为：

当堰流淹没度满足h_s/H₀≥TH，汇流量Q为：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对河道、调蓄湖泊、外排闸站、调控水闸和内垸进行概化具体为：河道采用圣维南偏微分方程组来模拟概化；调蓄湖泊概化为蓄水汊点；外排闸站概化为外边界条件；调控水闸概化为内边界条件；内垸概化为蓄水汊点，分洪状况下，内垸与湖泊的联系采用堰流来模拟概化，不分洪状况下，内垸与湖泊的联系概化为流量已知边界。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述河网水动力模型包括：河道基本方程、汊点衔接方程和边界方程；

河道基本方程如下：

汊点衔接方程如下：

边界方程如下：

堰流自由泄流时：

堰流淹没度满足h_s/H₀≥TH时：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各二级子排区内涝水量展布具体为：基于区域数字高程模型计算各二级子排区内水位-面积-容积变化曲线，由各二级子排区内剩余水量反算各二级子排区内的内涝水位，按照各二级子排区内等水深的方法，求取各二级子排区各点位置的内涝水位。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将区域内各二级子排区的内涝结果进行空间连接具体为：根据区域内的基础地理信息资料，采用网格剖分工具进行网格剖分，将剖分后的网格和各二级子排区进行空间连接，由此得到区域内各个网格的内涝水位。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于执行所述存储器存储的程序，当所述存储器存储的程序被执行时，所述处理器用于执行权利要求1-8中任一所述的方法。

10.一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序在处理器上运行时，使得所述处理器执行权利要求中1-8任一所述的方法。