[发明专利]城市时变增益降雨-径流过程模拟计算方法

说明书

本发明公开了一种城市时变增益降雨‑径流过程模拟计算方法，包括以下步骤：基础数据准备，包括降水数据，城市下垫面空间分布，城市区域规划等；城市计算单元划分，依据城市下垫面类型，将计算区域划分为湖泊、汇水片区、湿地三大类，其中汇水片区内可进一步划分为一般透水面、不透水面、道路、洼地、小型湖泊和低影响开发措施六小类；产流计算，以降水作为模型输入，分别计算各个计算单元的产流量；汇流计算，根据产流计算结果，通过地表汇流和管网汇流计算，得到区域的总流量。本发明能综合考虑城市的复杂下垫面情况，通过城市时变增益非线性产汇流原理，能准确模拟城市产汇流过程，对于城市内涝风险评估及预警预报有重大意义。

技术领域

本发明涉及城市水循环及产流计算领域，具体涉及一种城市时变增益降雨-径流过程模拟计算方法。

背景技术

城市的暴雨径流过程也是引发城市内涝、水体污染、土壤侵蚀等城市水问题的重要原因之一，也是进一步开展城市化水文效应、城市雨洪特性研究的重要内容。国内外学者针对城市降雨径流过程中的产汇流过程开展了大量的研究工作，提出了一系列可用于城市产流的计算和模拟方法。目前，国内外常用的产流计算方法可以分为统计分析方法、下渗曲线方法以及模型方法。其中，SCS方法，下渗曲线法中的Green-Ampt下渗曲线和Horton下渗曲线在城市地区产流计算中应用较广。但是由于城市地表覆盖分布不均，不透水面与透水面之间存在错综复杂的空间分布以及对城市地区复杂下垫面产流规律认识不足以及资料短缺等诸多问题，大部分的产流计算方法都无法准确地描述城市地区不同下垫面条件下降雨量与产流量之间的非线性关系，致使目前城市地区的产流计算结果准确性偏低，因此，还需要进一步研究与探明城市地区不同下垫面类型的产流机制，找寻更为合理、准确的城市产流计算方法。

自20世纪70年代以来，在部分政府的支持下，为解决城市内涝等问题，集成城市产流过程、城市地面汇流过程、城市雨水管网汇流过程的城市雨洪模型得到了迅猛发展。根据城市雨洪模型的发展历程，可将其分为经验性模型、概念性模型和物理性模型三个阶段。经验性模型又称“黑箱”模型，它基于对输入输出序列的经验来建模；概念性模型主要根据水量平衡原理，采用黑箱或灰箱模型对城市降雨-径流进行刻画，具有一定的物理意义，其特点是发展较早，结构简单，运算速度快。主要代表性模型有TRRL、STORM和UCURM等。物理性模型以水动力学为理论依据，具有较强的物理基础，主要依据质量与能量守恒定律，基于圣维南方程组推导地表径流、管道汇流的微分方程组，模型结构复杂，求解难度大，资料需求详尽，但模拟精度高，如SWMM、MIKE-URBAN、Infoworks CS、MOUSE等。

我国城市雨洪模型起步较晚，20世纪90年代以后，国内学者开始进行城市雨洪模型研究。目前模型主要包括城市雨水管道计算模型(SSCM)、城市雨水径流模型(CSYJM)、城市排水管网系统的非恒定流模型(CSPSM)、城市分布式水文模型(SSFM)等。尽管国外城市雨洪模型较多，但是每个模型都有其适用性的一面，不存在“万能”的模型。国内的城市雨洪模型注重于对雨水管网模拟和地表径流汇流过程的模拟，在城市地区产流计算方式上缺少更深入的研究。此外，国内大部分的城市雨洪模型仅有核心程序，在可视性、共享性和可移植性上相对国外模型较为薄弱。

虽然众多学者针对城市产汇流机理、城市雨洪模型等方面开展了一定量的研究，并提出了许多城市产流计算方法。但目前城市产流过程的计算精度仍相对较低，且产流计算部分大多以线性产流方法为主，需进一步发展和应用时变非线性城市产流计算方法，提升城市产流计算的精度。此外，随着社会经济的进一步发展和长江经济带绿色发展的推进，对城市产汇流规律的认识与研究有待进一步加深与开展。城市产汇流规律的进一步研究，将为城市水环境综合模拟平台的建设提供重要的科学依据和技术支撑。如何提升城市水文循环过程的模拟效果，尤其是城市复杂下垫面情况下的准确产流模拟，仍存在诸多挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中城市地区产流模拟精度较低的缺陷，提供一种综合考虑湖泊、洼蓄、不透水面、道路等城市复杂下垫面条件，基于非线性产流机理，准确地模拟城市地区的产流过程的时变增益降雨-径流过程模拟计算方法。