CN110274656B - 一种城市内河水位预报预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市内河水位预报预警方法，首先，统计城市历史易涝点分布，设易涝点集合为{M₁，M₂，…,M_n}；根据区域管网拓扑结构，找到雨水管网中将易涝点积水的排放至内河的出口，在出口位置处设置警戒断面；然后，基于城市雨水管网设计方法与城市排水物理规律，通过警戒水位的计算方法，计算不同警戒断面的警戒水位，以内河水位作为城市内涝灾害的预警临界条件；确定警戒断面水位单位线；在实时预报预警过程中基于降雨预报与警戒断面水位单位线，计算警戒断面水位过程，作为相应降雨过程下的水位预报结果；当所预报的或实测的警戒断面水位达到警戒水位时，该时刻为内河水位警戒时刻。本发明为内涝预警方案提供警戒水位的计算方法，有效降低城市内涝灾害损失。

Description

一种城市内河水位预报预警方法

技术领域

本发明涉及城市内涝防治领域，特别是一种城市内河水位预报预警方法。

背景技术

近年来，受全球气候变化影响，暴雨、特大暴雨等极端天气频发，加之城市不透水面积不断增加、排水防涝等基础设施建设滞后，城市内涝成为影响城市正常生产生活最严重的灾害之一。建立科学合理的城市内涝预报预警体系，可提前预知城市涝情时空变化，有利于决策部门快速、及时且高效地做出应急响应，防止城市内涝灾害的发生或影响范围的扩大，减少内涝灾害带来的经济损失，是当前城市内涝防治工作亟需解决的关键问题。

目前，大多数城市内涝预报预警技术均基于构建城市水力模型而提出，存在两大问题，一方面由于绝大多数城市尚未建立完善的水文监测系统，历史水文实测资料匮乏，尤其是城市河道流量实时监测技术尚不成熟，河道流量数据几乎没有。而城市水力模型的计算精度需大量水文数据尤其是流量数据来验证，数据的匮乏难以支撑模型计算结果的精度，从而难以应用于实际。另一方面，由于城市水力模型需耦合雨水管网、二维地形以及内河水系等多要素，在保证一定精度的前提下，其计算速度较慢，而城市产汇流面积较小，不透水率较大，产汇流速度极快，模型计算速度难以满足决策部门响应速度对预见期的要求。

鉴于城市水位监测数据相较于流量、流速等数据更为完整，因此，基于城市内河水位实测资料，研究不依赖于物理模型、计算快速、结果精准的城市内河水位预报方法，在此基础上提出以内河水位为控制条件对城市内涝情况进行预警，是城市内涝防治工作的研究重点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种城市内河水位预报预警方法，不仅能够用于基于实测水位的实时预警，亦可用于预报预警，有效降低城市内涝灾害损失。

本发明采用以下技术方案：一种城市内河水位预报预警方法，包括以下步骤：

步骤S1：统计城市历史易涝点分布，令易涝点集合为{M₁，M₂，…,M_n}；

步骤S2：根据区域管网拓扑结构，找到雨水管网中将易涝点积水排放至内河的出口，在出口位置处设置警戒断面；

步骤S3：基于城市雨水管网设计方法与城市排水物理规律，通过警戒水位的计算方法，计算不同警戒断面的警戒水位，并以内河水位作为城市内涝灾害的预警临界条件；

步骤S4：基于多场历史实测降雨数据与警戒断面实测水位数据，确定警戒断面水位单位线；

步骤S5：在实时预报预警过程中，基于降雨预报与警戒断面水位单位线，计算警戒断面水位，作为相应降雨过程下的水位预报结果；当所预报的或实测的警戒断面水位达到警戒断面水位时，该时刻则为内河水位警戒时刻。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：收集城市研究范围内管网基础数据、地形数据和内河水系分布图；所述管网基础数据包括管段起止点坐标、高程、拓扑结构；

步骤S22：根据管网拓扑结构，分别找到不同易涝点区域雨水排放出口，即排除易涝点区域雨水至内河的末端雨水排放口，令易涝点{M₁，M₂，…,M_n}对应的雨水排放出口为{C₁,C₂,…,C_n}，令在出口处设置内河水位警戒断面为{D₁,D₂,…,D_n}。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：获取排除每个易涝点区域雨水的雨水管网基本信息；所述雨水管网基本信息包括雨水管道数量、管网长度、管道坡度、雨水排放口位置、雨水排放口所排放的河道；

步骤S32：计算排除每个易涝点的雨水管网排放能力受到内河水位顶托作用影响时的内河水位h₁、h₂...h_i，并作为所对应的内涝警戒断面的警戒水位；

式中，L_ij为易涝点M_i雨水管网的第j段管道长度；S_ij为易涝点M_i雨水管网的第j段管道坡度。

进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：令警戒断面为M，并获取区域地形地势与管网基本信息，根据所述区域地形地势以及管网拓扑结构划分M断面的集水区域N；

步骤S42：获取所述集水区域N中不同土地利用类型的面积并根据室外排水设计规范及城市产汇流特性确定不同土地利用类型综合径流系数，根据式(2)计算净雨过程；

式中，p(t)为t时段内净雨量；P(t)为气象预报得到的t时段内降雨量；Ψ_i为区域N中第i种土地利用类型的径流系数；F_i为区域N中第i种土地利用类型的面积；n为土地利用类型总数；

步骤S43：提供历史降雨数据及所述警戒计算断面为M的实测水位数据，构建式(3)为计算所述警戒计算断面为M的水位单位线的目标函数；并利用极值法，结合计算机语言JAVA编程对断面M的水位单位线进行求解；

式中，H(t)为t时刻实测水位；H′(t)为t时刻使用水位单位线计算得到的水位值；T为所计算的水位过程总时长；h(i)为水位单位线中第i个时段的数值；α(t)为权重系数；

步骤S44：重复步骤S41-步骤S43，计算城区内所有警戒断面的水位单位线。

进一步地，所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S51：在实时预报过程中，获取降雨过程预报结果，根据式(2)计算该降雨过程下的净雨过程；

步骤S52：根据式(4)计算该降雨过程下不同警戒断面的水位过程，作为水位预报结果。

进一步地，所述步骤S43利用极值法，结合计算机语言JAVA编程发对断面M的水位单位线进行求解的具体内容为：

所述利用极值法对断面M的水位单位线进行求解计算方法如下：

令，

根据极值原理，要使得λ最小，则必须使得其偏导数

则有：

使用计算机语言JAVA编程对(5)式的方程组进行求解，得到断面M的水位单位线。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

(1)本发明基于黑箱模型进行内河水位预报，较传统的基于城市水力模型的预报，计算速度得到极大提高，给城区常规防汛调度以及应急调度赢得更多的决策响应时间，有效降低城市内涝灾害损失。

(2)本发明基于解决城市易涝点积水问题的出发角度提出基于内河水位的内涝预警方法，不仅可用于基于实测水位的实时预警，亦可用于预报预警，弥补了城市内涝预警技术相关领域的空白。

附图说明

图1为本发明实施例的内河控制水位计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供了一种城市内河水位预报预警方法，包括以下步骤：

步骤S1：统计城市历史易涝点分布，令易涝点集合为{M₁，M₂，…,M_n}；

步骤S2：根据区域管网拓扑结构，找到雨水管网中将易涝点积水排放至内河的出口，在出口位置处设置警戒断面；

步骤S3：基于城市雨水管网设计方法与城市排水物理规律，通过警戒水位的计算方法，计算不同警戒断面的警戒水位，并以内河水位作为城市内涝灾害的预警临界条件；

步骤S4：基于多场历史实测降雨数据与警戒断面实测水位数据，确定警戒断面水位单位线；

步骤S5：在实时预报预警过程中，基于降雨预报与警戒断面水位单位线，计算警戒断面水位，作为相应降雨过程下的水位预报结果；当所预报的或实测的警戒断面水位达到警戒断面水位时，该时刻则为内河水位警戒时刻。

在本实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：收集城市研究范围内管网基础数据、地形数据和内河水系分布图；所述管网基础数据包括管段起止点坐标、高程、拓扑结构；

步骤S22：根据管网拓扑结构，分别找到不同易涝点区域雨水排放出口，即排除易涝点区域雨水至内河的末端雨水排放口，令易涝点{M₁，M₂，…,M_n}对应的雨水排放出口为{C₁,C₂,…,C_n}，令在出口处设置内河水位警戒断面为{D₁,D₂,…,D_n}。

在本实施例中，所述步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：获取排除每个易涝点区域雨水的雨水管网基本信息；所述雨水管网基本信息包括雨水管道数量、管网长度、管道坡度、雨水排放口位置、雨水排放口所排放的河道；

步骤S32：计算排除每个易涝点的雨水管网排放能力受到内河水位顶托作用影响时的内河水位h₁、h₂...h_i，并作为所对应的内涝警戒断面的警戒水位；

式中，L_ij为易涝点M_i雨水管网的第j段管道长度；S_ij为易涝点M_i雨水管网的第j段管道坡度。

在本实施例中，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：令警戒断面为M，并获取区域地形地势与管网基本信息，根据所述区域地形地势以及管网拓扑结构划分M断面的集水区域N；

步骤S42：获取所述集水区域N中不同土地利用类型的面积并根据室外排水设计规范及城市产汇流特性确定不同土地利用类型综合径流系数，根据式(2)计算净雨过程；

式中，p(t)为t时段内净雨量；P(t)为气象预报得到的t时段内降雨量；Ψ_i为区域N中第i种土地利用类型的径流系数；F_i为区域N中第i种土地利用类型的面积；n为土地利用类型总数；

步骤S43：提供历史降雨数据及所述警戒计算断面为M的实测水位数据，构建式(3)为计算所述警戒计算断面为M的水位单位线的目标函数；并利用极值法、结合计算机语言JAVA编程对断面M的水位单位线进行求解；

式中，H(t)为t时刻实测水位；H′(t)为t时刻使用水位单位线计算得到的水位值；T为所计算的水位过程总时长；h(i)为水位单位线中第i个时段的数值；α(t)为权重系数；

步骤S44：重复步骤S41-步骤S43，计算城区内所有警戒断面的水位单位线。

在本实施例中，所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S51：在实时预报过程中，获取降雨过程预报结果，根据式(2)计算该降雨过程下的净雨过程；

步骤S52：根据式(4)计算该降雨过程下不同警戒断面的水位过程，作为水位预报结果。

在本实施例中，所述步骤S43利用极值法，结合计算机语言JAVA编程发对断面M的水位单位线进行求解的具体内容为：

所述利用极值法对断面M的水位单位线进行求解计算方法如下：

令，

根据极值原理，要使得λ最小，则必须使得其偏导数

则有：

使用计算机语言JAVA编程对(5)式的方程组进行求解，得到断面M的水位单位线。

较佳的，城市内河水位预警既能够根据城市实时监测的水位数据进行实时预警，也能够根据城市内河水位预报结果进行预报预警。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种城市内河水位预报预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：统计城市历史易涝点分布，令易涝点集合为{M₁，M₂，…,M_n}；

步骤S2：根据区域管网拓扑结构，找到雨水管网中将易涝点积水排放至内河的出口，在出口位置处设置警戒断面；

步骤S3：基于城市雨水管网设计方法与城市排水物理规律，通过警戒水位的计算方法，计算不同警戒断面的警戒水位，并以内河水位作为城市内涝灾害的预警临界条件；

步骤S4：基于多场历史实测降雨数据与警戒断面实测水位数据，确定警戒断面水位单位线；

步骤S5：在实时预报预警过程中，基于降雨预报与警戒断面水位单位线，计算警戒断面水位，作为相应降雨过程下的水位预报结果；当所预报的或实测的警戒断面水位达到警戒断面水位时，该时刻则为内河水位警戒时刻。

2.根据权利要求1所述的一种城市内河水位预报预警方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：收集城市研究范围内管网基础数据、地形数据和内河水系分布图；所述管网基础数据包括管段起止点坐标、高程、拓扑结构；

步骤S22：根据管网拓扑结构，分别找到不同易涝点区域雨水排放出口，即排除易涝点区域雨水至内河的末端雨水排放口，令易涝点{M₁，M₂，…,M_n}对应的雨水排放出口为{C₁,C₂,…,C_n}，令在出口处设置内河水位警戒断面为{D₁,D₂,…,D_n}。

3.根据权利要求1所述的一种城市内河水位预报预警方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：获取排除每个易涝点区域雨水的雨水管网基本信息；所述雨水管网基本信息包括雨水管道数量、管网长度、管道坡度、雨水排放口位置、雨水排放口所排放的河道；

步骤S32：计算排除每个易涝点的雨水管网排放能力受到内河水位顶托作用影响时的内河水位h₁、h₂...h_i，并作为所对应的内涝警戒断面的警戒水位；

式中，L_ij为易涝点M_i雨水管网的第j段管道长度；S_ij为易涝点M_i雨水管网的第j段管道坡度。

4.根据权利要求1所述的一种城市内河水位预报预警方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：令警戒断面为M，并获取区域地形地势与管网基本信息，根据所述区域地形地势以及管网拓扑结构划分M断面的集水区域N；

步骤S42：获取所述集水区域N中不同土地利用类型的面积并根据室外排水设计规范及城市产汇流特性确定不同土地利用类型综合径流系数，根据式(2)计算净雨量；

式中，p(t)为t时段内净雨量；P(t)为气象预报得到的t时段内降雨量；Ψ_i为区域N中第i种土地利用类型的径流系数；F_i为区域N中第i种土地利用类型的面积；n为土地利用类型总数；

步骤S43：提供历史降雨数据及所述警戒断面为M的实测水位数据，构建式(3)，为计算所述警戒计算断面为M的水位单位线的目标函数；并利用极值法，结合计算机语言JAVA编程对断面M的水位单位线进行求解；

式中，H(t)为t时刻实测水位；H′(t)为t时刻使用水位单位线计算得到的水位值；T为所计算的水位过程总时长；h(i)为水位单位线中第i个时段的数值；α(t)为权重系数；

步骤S44：重复步骤S41-步骤S43，计算城区内所有警戒断面的水位单位线。

5.根据权利要求4所述的一种城市内河水位预报预警方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S51：在实时预报过程中，获取降雨过程预报结果，根据式(2)计算该降雨过程下的净雨过程；

步骤S52：根据式(4)计算该降雨过程下不同警戒断面的水位值，作为水位预报结果。

6.根据权利要求4所述的一种城市内河水位预报预警方法，其特征在于：所述步骤S43利用极值法，结合计算机语言JAVA编程对断面M的水位单位线进行求解的具体内容为：

所述利用极值法对断面M的水位单位线进行求解计算方法如下：

令，

根据极值原理，要使得λ最小，则必须使得其偏导数

则有：

使用计算机语言JAVA编程对(5)式的方程组进行求解，得到断面M的水位单位线。

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