[发明专利]一种基于水安全的城市水面率规划方法

权利要求书

1.一种基于水安全的城市水面率规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量DEM地形高程数据；

2)建立水力学概化模型，识别积水区域，具体过程如下：

以DEM地形高程数据为基础，通过GIS和计算水力学软件对数据进行转换，并建立地形的闭边界，使水力学概化模型降雨落入边界范围内；

设计降雨：采用2h降雨或24h降雨；2h降雨针对小排水系统规划，用芝加哥法推求；24h降雨针对大排水系统规划，用同频率分析方法推求；

根据地区标准设计雨型及降雨数据制作时间序列文件，水力学概化模型模拟不受雨峰系数的影响，在推求设计降雨时，设计为前峰型降雨或后峰型降雨；

设计一种综合糙率的估算方法，采用的估算方法包括以下步骤：

2.1)划定雨水管控分区

2.1.1)利用步骤1)测量得到的DEM地形高程数据，基于GIS的3D分析模块进行不规则三角网TIN的建立，并转化为网格型连续高程表面，得到所需的DEM地形高程数据；

2.1.2)以DEM地形高程数据为基础，采用GIS的水文分析模块，依次通过洼地填充、水流方向计算、流量计算、汇流提取、汇点识别和流域分区，形成初步的模拟汇流路径与流域分区边界；

2.1.3)输入现状河流水系及已确定的规划河流水系数据，重新优化水文分析模型，重新生成汇流路径，重新生成流域分区边界；

2.1.4)输入不可穿越边界，包括堤围、铁路、高速公路设施，定义汇流路径不得穿越上述设施，优化水文分析模型，调整汇流路径与流域分区的边界；其中，优化水文分析模型是指设置铁路地基的透水率和区域汇流时间及设置高速公路地基的透水率和区域汇流时间；

2.1.5)结合道路路网、行政边界、规划管理单元边界调整分区边界，形成最终的雨水管控分区，单个分区面积为1-5平方公里；

2.2)在每个雨水管控分区内获取所有雨水排水口的最大汇水距离，具体是以雨水排水口为圆心及以DEM网格最小尺度为半径，向外侧做圆，直到某个圆与地形高程的交点从上升趋势转为下降趋势位置，选择上升与下降之间的拐点作为该雨水排水口的最大汇水距离；而后测量拐点到雨水排水口的距离和高差计算其坡度；

2.3)计算所有雨水排水口的坡度，取其平均值作为糙率计算坡度J_a；

2.4)概化水力半径R_a的取值，分为两类：绿地和硬化地面；

对于绿地取为植草高度的0.5-1.5倍，对于硬化地面取值为公路路沿高度的一半；

其中，居住用地、商业用地、工业用地、公用设施用地均采用绿化率与硬化地面的加权值，对于道路广场用地采用硬化地面取值，即为公路路沿高度的一半；对于公园绿地取值为公园绿地植草高度的0.5-1.5倍；将计算区域的所有面积加权平均得到概化水力半径；

综合糙率n的计算公式为：

确定综合径流系数：研究区域的流域范围内综合径流系数按照各下垫面种类径流系数加权平均计算得出；

上式中,为综合径流系数，为不同下垫面对应径流系数，F_i为不同下垫面面积，F为流域面积；

管道排水能力概化值的计算方法：雨水管道排除能力值通过概化计算方式获取：

Q＝vA (3)

上式中，i为雨水管道排除能力，单位为mm/min；s为汇水面积，单位为hm²；Q为排水管渠的设计流量，单位为m³/s；v为水流断面的平均流速，单位为m/s；A为管渠断面面积，单位为m²；R为管渠按满流设计的水力半径，单位为m；I为出水口管道坡度；

依据上述数据，利用计算水力学软件建立水力学概化模型，并模拟最大积水深度图，提取积水深度大于0.80m的积水面积；

3)通过积水面积比例，定义每个雨水管控分区内涝风险等级，具体如下：

积水深度大于0.80m的积水面积为严重积水，计算出每个雨水管控分区严重积水区域的面积占比；

上式中,P_i为不同雨水管控分区严重积水区域面积占比，J_i为不同雨水管控分区严重积水区域面积，S_i为对应雨水管控分区面积；

定义内涝风险区：

高风险区域：雨水管控分区内严重积水区域占比≥30％；

中风险区域：雨水管控分区内严重积水区域占比为10％-30％；

低风险区域：雨水管控分区内严重积水区域占比＜10％；

4)通过地区暴雨参数图集查算暴雨径流量，具体如下：

根据内涝防治标准与地区暴雨统计参数图集，通过地区最大1h、2h、6h点雨量均值等值线图及地区最大1h、2h、6h点雨量变差系数Cv等值线图，获取地区最大1h、2h、6h点雨量均值及对应变差系数Cv，利用皮尔逊Ⅲ型频率曲线获取模比系数Kp值，计算地区最大1h、2h、6h的暴雨量，并根据综合径流系数，计算每个雨水管控分区最大1h、2h、6h的暴雨径流量分别如式(6)、式(7)、式(8)所示；

上式中,L₁为最大1h的暴雨径流量，L₂为最大2h的暴雨径流量，L₆为最大6h的暴雨径流量，Hp₁为最大1h的暴雨点流量，Hp₂为最大2h的暴雨点流量，Hp₆为最大6h的暴雨点流量，Kp₁为最大1h的对应模比系数，Kp₂为最大2h的对应模比系数，Kp₆为最大6h的对应模比系数，为综合径流系数，F为流域面积；

5)计算蓄水容积与水面率，具体如下：

蓄水容积的计算方法为：

高风险区：蓄存容积为最大6小时暴雨径流量，即为式(8)计算结果；

中风险区：蓄存容积为最大2小时暴雨径流量，即为式(7)计算结果；

低风险区：蓄存容积为最大1小时暴雨径流量，即为式(6)计算结果；

确定河湖水系水位安全变幅值ΔH：河湖水系水位安全变幅值ΔH受设计雨量、综合径流系数、地区河湖水系常水位以上的水位安全调蓄变幅的相互影响，取值为0.5-0.8m；

根据蓄水总容积V及水位安全变幅值ΔH，计算各管控分区水域面积：

上式中,A_i水为各雨水管控分区水域面积也就是规划水面面积，其分布也就是城市规划水面，V_i为各雨水管控分区积水容积，ΔH为河湖水系水位安全变幅值；

水域面积与雨水管控分区总面积的比值，即为水面率。

2.根据权利要求1所述的一种基于水安全的城市水面率规划方法，其特征在于：在步骤1)中，采用大地测量方法测量城市规划区域地形高程数据，测图精度不低于1：200，成图精度不低于1：500；测图高程精度不低于水准V。