一种基于双层二维网格的城市棚盖河段洪水淹没模拟方法与流程

本发明属于洪水淹没模拟，特别涉及一种基于双层二维网格的城市棚盖河段洪水淹没模拟方法。

背景技术：

1、上世纪七八十年代，由于城市开发建设的需要，部分河道空间被挤占，将原来用于行泄洪水的河道断面上部加盖棚盖，作为道路使用，或在河道上方及两岸修建住宅房屋或集中性的商品市场建筑，看起来与正常的街区无异。但一旦城市发生暴雨洪涝灾害，在棚盖河段，洪水难以从路面汇入河道，导致周边区域积水成灾。同时由于棚盖河段淤积导致泄流能力降低，当上游来水较大时，往往排泄不畅，对上游两岸也进一步造成严重的淹没影响。如济南在2013年的统计数据显示，城市河流有30％被棚盖，最长的河段被棚盖近2公里。因此，模拟棚盖河段对河流上下游及两岸洪水演进的影响，是相关城市暴雨洪涝风险分析的重要内容之一。

2、国内外学者及主流的水力学商业软件，一般通过将此类河段按涵洞概化或耦合一维管渠模型来模拟，但当作为涵洞处理时，受限于统一的形状参数设置要求，难以反映长度较长且随空间不断变化的原始河道断面形态；当耦合一维管渠模型模拟时，会破坏棚盖河段与其上下游河道形态变化的连续性，且需要在耦合点概化出一定的水位流量关系，与实际水流随上下游断面水位差、流速大小等实时变化的情况不符，一定程度上影响了计算结果的科学性和准确性。

3、因此，如何进一步提高城市棚盖河段洪水淹没模拟的准确性，是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的问题，针对传统城市棚盖河段洪水淹没模拟的不足，本发明提出了一种基于双层二维网格的城市棚盖河段洪水淹没模拟方法，不仅保证了遵照棚盖河段现状地形进行模拟，并且模拟过程简单、高效。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、本发明提供了一种基于双层二维网格的城市棚盖河段洪水淹没模拟方法，包括以下步骤：

4、步骤1，收集研究区基础资料：

5、收集研究区棚盖河段所在河流及其洪水淹没影响区的相关基础数据，包括河流的横断面数据，棚盖河段的具体位置和盖顶高程、盖底高程分布，堤防高程数据、河道两岸洪水淹没影响区的地面高程数据、城市道路分布，以及排水管网数据。

6、步骤2，按河道未棚盖正常构建城市雨洪模型：

7、按照不存在棚盖河段，正常构建研究区域的城市雨洪模型；具体包括二维非结构不规则网格剖分，网格属性赋值，区域内高出普通地面的阻水构筑物属性赋值，以及地下排水管网参数赋值。

8、步骤3，棚盖河段网格和通道赋值：

9、针对研究区棚盖河段对应的网格，额外赋值棚盖相关参数，包括网格盖顶高程、盖底高程、上层网格糙率、下层网格糙率，以及下层网格对应的河道高程；针对研究区棚盖河段入口和出口垂直水流方向的网格边(即“通道”)，额外赋值入口通道组和出口通道组的最大流量。

10、步骤4，棚盖河段双层网格水力要素计算：

11、在步骤2构建得到的城市雨洪模型的每个计算步长内，当模拟循环至棚盖河段对应的网格时，自动转换为上、下2层模式，上层以网格盖顶高程为地面高程，与周边的普通地面网格进行水流交换计算；下层以网格对应的河道横断面上的地面高程为准，与棚盖下方河道内的其他网格进行水流交换，同时下层网格的最高水位限定不超过盖底高程，当某一步长内，计算所得步长末时刻某网格的水位将会超过盖底高程时，实时修正组成该网格的通道上的流速和流量值，使其在该步长末时刻，水位正好等于盖底高程。

12、步骤5，棚盖河段入口/出口流量修正：

13、针对研究区棚盖河段入口垂直水流方向的通道，每个计算步长内均判断所有通道上的流量之和是否大于最大流量，当大于时，以各通道上的流量占总流量的比例作为权重，将各通道流量整体缩小至总和等于最大流量，通道上游的网格水位按修正后的较小流量更新计算，体现雍水现象。

14、步骤6，棚盖河段出口流量修正：

15、针对研究区棚盖河段出口垂直水流方向的通道，与入口通道类似，每个计算步长内均判断所有通道上的流量之和是否大于最大流量，当大于时，以各通道上的流量占总流量的比例作为权重，将各通道流量整体缩小至总和等于最大流量，通道上游的网格水位按修正后的较小流量更新计算，以体现在棚盖河道内泄洪不畅的现象。

16、步骤7，统计模拟时段的各网格最高水位和最大水深：

17、在城市雨洪模型模拟计算的每个步长末时刻，记录网格在上、下两层各自的水深、水位数据，并统计整个模拟时段的最大水深和最高水位，即能获取研究区域考虑棚盖河段影响的洪水演进和淹没分布情况。

18、本发明的优点和有益效果是：

19、(1)现有模拟方法只能将棚盖河道概化为涵洞或地下管渠，难以反映原始河道断面地形的连续性变化。本发明采用二维网格进行一体化模拟，保证了在棚盖上方地面和下方河道内均能尽可能遵照现状地形模拟，使计算结果更加可靠。

20、(2)本发明提出的基于双层二维网格的城市棚盖河段洪水淹没模拟方法，对城市雨洪模型的建模过程没有特殊要求，无需将棚盖段按一维管渠提取相关参数，无需耦合一维模型与二维模型的各处连接点，在棚盖河段的入口和出口处也不需要强制构建水位流量关系，仅需将棚盖段网格和入口、出口通道组的特殊参数提取至模型输入文件即可，因此建模过程简单，对于存在此类河道的城市快速构建暴雨洪涝仿真模型、开展风险评估等提供了一种有效的处理方法。

21、(3)本发明所述基于双层二维网格的城市棚盖河段洪水淹没模拟方法，以水动力学为基本原理，对棚盖河段分上、下两层一体化计算，具有物理机制基础，与洪水运动的实际水流状态更为贴合。

技术特征：

1.一种基于双层二维网格的城市棚盖河段洪水淹没模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤1中，棚盖河段的盖顶高程、盖底高程分布数据，与正常河流的横断面数据的精度相当。

3.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤2中，对河道内网格进行剖分时采用四边形，使网格的四条边分别按垂直水流方向和平行水流方向布置。

4.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤3中，所述盖底高程的计算公式如下：

5.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤3中，研究区棚盖河段入口和出口通道组的最大流量按入口或出口处的横断面形态，采用曼宁公式计算。

6.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤4中，在城市雨洪模型的每个计算步长内，对于正常非棚盖河段，当河道两岸网格的水位超过河道堤顶高程或河岸高程时，洪水汇入河道内；当河道内水位超过河道堤顶高程或河岸高程时，洪水漫溢至两岸网格。

7.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤4中，针对上层网格，与周边的普通地面网格进行水流交换计算，其水深计算公式为：

8.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤5和步骤6中，修正通道上游的网格水位时，仅修正与入口或出口紧邻的一排上游网格。

9.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤5中，棚盖河段入口处在每个计算步长末时刻的总流量计算公式为：

技术总结本发明属于洪水淹没模拟技术领域，公开了一种基于双层二维网格的城市棚盖河段洪水淹没模拟方法，主要是针对城市局部被棚盖河道，基于双层二维网格，根据水动力学基本原理，对洪水由明渠进入、流出棚盖河道及在棚盖河段内的水位、流速、流量等水力要素变化过程进行计算，并与河道外地面洪水汇流区、扩散区实时交互，分析洪水汇入河道和超出河段过流能力后的漫溢淹没情况，为城市区域开展暴雨洪涝风险分析提供支撑。技术研发人员：王静,王艳艳,韩松,李娜,俞茜,张念强,王明阳,王杉,丁志雄,闫旺,李鑫淼,周川莉受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/9/26