[发明专利]城市排水管网在线水力模型建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种城市排水管网系统在线模型建模方法，属于市政工程信息技术领域。

背景技术

全球气候变化和城市化进程的加剧使得城市洪涝灾害日益严重，近些年来国内大、中城市屡遭暴雨洪涝灾害侵袭，损失严重。城市地区的特殊性使得城市暴雨洪涝灾害不同于江河洪水，城市暴雨洪涝具有爆发突然，损失巨大的特点。城市区域排水管网是人工设计、铺设的管渠系统。在大中城市管网规模庞大，增加了防治洪涝灾害的难度。

排水管网模型是用来模拟城市排水系统运行能力的有效工具，它与江河模型基础计算原理相似，但计算复杂度高于江河模型，中等规模城市排水管网模型可达几千根计算管段(求解方程数)。长期以来，城市排水系统设计、管理由市政给排水专业人员负责，因此，城市排水管网系统洪涝灾害防治属于市政工程学科研究领域，是研究城市区域内小尺度微观模型，关注于排水管网各管段和各检查井的洪涝灾害情况，这与与水利学科研究略有不同。

目前，国内外通用的排水管网模型是基于事件模拟的模型，即可以模拟整个降雨过程的径流排除情况，即称之为排水事件模型，而适用于降雨期间在线预报排水管网未来若干时段降雨径流排除情况的模型研究较少。事件模型用于根据现有的数据评估排水系统的排除能力并分析洪灾风险。但是，由于事件模型只能模拟给定情形下完整的降雨径流过程，事件模型就不能用于长期在线水情、汛情预测。与之不同的是，排水管网在线模型系统却能够长期稳定运行，预测降雨期间模拟区域洪水演变过程。

事件模型构建的洪灾预报模型系统是遵循“事件累加”的原则，即在输入新的降雨数据后，模型重新进行自降雨开始至当前时刻整个降雨过程的模拟计算，并模拟完成整个退水过程。新的降雨数据不断输入，模型不断从降雨开始时刻重新进行模拟，模型不断向用户提供计算结果，完成模拟预报功能。但是，用户关心的总是当前时刻之后的退水过程。因此，最后提供给用户的模拟结果是当前时刻之后的全部计算结果，当前时刻之前的计算结果只是模型计算所需，用户已经在之前的模拟中知晓了这些结果。这样就是事件模型的一个缺点，即不能进行长期在线模拟。随着模型运行时间的增加，模型计算时间也不断增加。当模型模拟计算所需要的时间超过降雨数据输入的时间间隔时，就无法完成在线预报功能。(注：模拟耗时也与排水管网系统规模有关，系统越大，耗时越长。)因此，用事件模型构建的系统仅适用于单场或短历时降雨的情形。而在线水力模型每次预报计算都是以当前输入的新降雨量时刻的管网系统状态开始重新进行模拟，可以长期稳定运行。

另外，在水利科学领域现有的在线模型的应用范围和特征不同于本发明的排水管网在线模型。水利在线模型应用于江、河等自然水系流域的洪水实时预报，而本发明排水管网在线模型是针对城市地区排水系统的建模应用的。另外，水利在线模型预报成果通常是江、河某特定断面的水力特征值，而本发明排水管网在线模型预报成果是整个城市排水管网任何管网部件处的水力特征值(流量、流速、水位等)。因此，本发明的在线模型在功能和计算复杂度上都高于江河水利模型。

发明内容

本发明的目的在于提供城市排水管网在线水力模型建模方法，该方法克服常规排水管网事件模型建模在模拟城市洪水中只能模拟完整降雨事件，不能模拟实时降雨事件的不足。该在线水力模型建模方法可以构建城市排水管网在线模型，并实现不断向在线模型输入实时降雨数据，模型进行模拟计算，同时，模型不断向用户提供排水管网系统未来整个退水过程的模拟计算数据，从而达到实时预测水情，及时预警的作用。

本发明通过软件工程、数学建模、计算流体力学等科技手段，建立了城市排水管网在线水力模型建模方法，利用该模型可以实时有效地预报城市洪水的产生、变化过程，为城市防汛决策提供技术支持。

本发明提出的排水管网在线水力模型建模方法，其基本原理在于：它是基于“继承”的原则进行模拟计算的在线模型，其实现理论基础是模型计算过程中数据流的“时空分离”(时——时间步长级迭代计算，空——空间各系统组成的迭代计算)。在线模型在有新的降雨数据输入时，都是以当前时刻排水系统状态为计算起点，进行未来退水过程模拟计算。因此，在线模型每次计算的模拟时间都是相同的，这样避免了模型模拟耗时超过降雨数据输入的时间间隔的问题，可以保证系统稳定运行，实现长期在线模拟，具体原理见附图1。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的一种城市排水管网在线水力模型建模方法，包括模型输入模块、模型计算引擎主模块、模型输出模块以及模型控制模块，其特征在于：该方法建模步骤如下：