1.顾及建筑物微观水文过程的城市内涝建模方法,其特征在于:包括如下步骤:步骤S1:首先对建筑物屋顶水文过程剖析,针对建筑物屋顶雨水口及排水管网进行处理,构建基于建筑物排水设施的立体化汇水网络;
具体步骤为:
步骤S11:将建筑物屋顶的雨水口概化成真实的雨水篦,进行属性赋值并确定雨水口对应的雨水点坐标;
步骤S12:对概化而成的雨水点的雨水管点点号、管点埋深、管点高程值属性进行赋值;
将管点埋深设为0,其管点高程值设为雨水口对应地面高程值与建筑物高度之和;
步骤S13:将建筑物屋顶雨水口概化而成的雨水点与建筑物周边最近雨水点相连接,建立建筑物汇水网络与城市雨水管网连通关系;
步骤S14:通过对排水管网进行实际调查与采集,对雨水管网的管段名称、管段起点、管段终点、管段起点埋深、管段终点埋深以及管径属性进行赋值,形成与现实相符合的建筑物立体化汇水网络;
步骤S2:分析建筑物立体空间结构特征,在升高建筑物所在的地面高程基础上,顾及屋顶矮墙进一步修正地表高程;
步骤S3:结合地形、道路、建筑物及各类人工排水设施对城市汇流过程的影响,遵循从大到小、逐层细化的原则对城市地表雨水汇水区进行划分;
步骤S4:基于地表与地下管网水流过程分析,提出地表与地下管网水流交换耦合方法,并对地表径流过程与地下管网水流输送过程建模,构建城市内涝模型;
具体步骤为:
步骤S41:通过提取DEM栅格的行列号,判断并计算出对应栅格的坐标值(x1,y1);
步骤S42:提取地下管点的坐标值(x2,y2),根据该坐标遍历研究区域的DEM栅格,找到存在雨水管点的栅格,确定对应关系;
步骤S43:使用一维地下管网模型计算每个管网节点对应的水头,水头减去管点高程即为雨水管点对应水深H1D;再通过雨水管点坐标找到地表DEM对应的栅格,利用二维地表漫流模型计算出对应DEM栅格上的水深H2D;
步骤S44:判断是否满足条件Z2D≤H1D≤H2D,Z2D为地表高程;若满足,则选用孔口出流公式计算交换流量,否则进入步骤S45;其中孔口出流公式如下:其中,qv表示流量,Cq表示流量系数,A表示孔口断面面积,g表示重力加速度,H1‑H2表示水位差;
步骤S45:判断管点所在DEM单元栅格高程值是否小于所有周围DEM栅格单元对应高程值,即当前雨水完全覆盖雨水井,若满足,则选用孔口出流公式计算交换流量,否则进入步骤S46;
步骤S46:选用堰流公式进行计算交换流量,堰流公式如下:其中,Q表示流量,m表示流量系数,B表示溢流宽度,g表示重力加速度,H0表示堰上总水头;
步骤S47:选用Horton模型进行下渗量计算,非线性水库模型对地表径流进行模拟,通过输入子汇水区的面积、宽度、坡度以及地表曼宁系数、滞蓄量等参数,并联立曼宁公式和连续方程进行求解,完成地表径流过程建模;其中Horton模型经验公式如下:‑αt
fP=f∞+(f0‑f∞)e
2 2 2
其中,fp为土壤的下渗率(m/h),f∞为稳定下渗率(m/h),f0为初始下渗率(m/h),t为降雨历时,α为衰减指数;
其中连续方程如下:
3 2 *
其中,d为水深,V=A×d为地表积水量(m),A为排水区表面积(m),i 为净雨,Q为流出2
量(m/s);
其中,曼宁方程如下:
其中,S为子流域的宽度,n为曼宁系数,W为子流域漫流宽度(m),dp为地表滞蓄水深(m);
步骤S48:基于上述地表汇流模拟预测得到的指定地点的排放水流出口,结合动力波水流计算方法,求解一维圣维南方程,算得管道中的流速和水深,并利用栅格上的存储单元概念来模拟地下管网水流输送过程;其中圣维南方程由一维全浅水方程的动量方程和连续性方程组成:其中,Qx是x笛卡尔方向的体积流量,A为水流的横截面积,h为水深,z为高层,g为重力,n为曼宁的摩擦系数,R为水力半径,t为时间,x为x笛卡尔方向的距离。
2.根据权利要求1所述的顾及建筑物微观水文过程的城市内涝建模方法,其特征在于:步骤S2中还包括以下步骤:
S21:将建筑物边缘与栅格单元边界对齐,以便屋顶标高可以正确描述建筑物的位置;
S22:将建筑物面要素转成同样分辨率的栅格数据,建筑物高度概化为栅格高度;
S23:将建筑物对应栅格高度叠加到原始DEM上,从而完成DEM与建筑物信息的融合;
S24:由于建筑物屋顶周围通常建设有矮墙,通过获取建筑物边界对应的栅格高程值进行修正,使得建筑物边界高程值满足实际建筑物屋顶边界情况。
3.根据权利要求1所述的顾及建筑物微观水文过程的城市内涝建模方法,其特征在于:步骤S3中包括以下步骤:
步骤S31:对待划分区域的DEM数据进行流向提取、伪洼地填充、汇流累积量计算、天然水系提取及汇水区生成操作,得到基于地形划分的汇水区;
步骤S32:自动提取道路主干道中心线和建筑物轮廓线,对已有汇水区进一步划分;
步骤S33:基于上述子汇水区,筛选出含有管点且管点数大于1的子汇水面要素,基于汇水区中的管点进行泰森多边形的划分;
步骤S34:根据S1中构建的建筑物立体化汇水网络,将建筑物屋顶的雨水口作为雨水点,基于雨水口概化的雨水点对建筑物子汇水单元进行划分。