[发明专利]一种基于元胞自动机的城市地表径流与管网汇流耦合方法

权利要求书

1.一种基于元胞自动机的城市地表径流与管网汇流耦合方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建地表元胞地理场景，根据研究区下垫面类型、DEM高程和随时间变化的降雨量，获得每个元胞的下垫面类型、高程和随时间变化的降雨量，定义模型地理场景的元胞大小、邻域关系以及模型边界；

(2)概化城市地下排水管网，根据研究区排水管网建设情况，获得排水管网管道参数、节点参数以及排水出口位置，并将雨水井口作为地表和管网水流的交换节点；

(3)以雨水井口为耦合节点，进行地表径流与管网汇流耦合计算，包括：进行地表产汇流计算获得雨水井口入流流量随时间的变化过程作为管网汇流计算的边界条件；进行管网汇流计算获得当前时间步长管道流量和节点水头，再根据降雨过程中的地表入流、节点溢流以及退水回流三种不同的过程确定当前时刻节点净流量；将当前时刻管道流量、节点水头与节点净流量代入管道流量基本方程和排水管网节点控制方程，获得下一时刻管道流量和节点水头，再确定节点净流量，重复计算，直至达到模拟总时长，结束计算；

处于降雨初期水流由地表流入管网的地表入流过程时，节点净流量计算方式为：其中，为t时刻节点地表流入流量，该流量为采用侧收缩堰流量计算公式计算得到的节点元胞的各邻居元胞流入流量的总和，和分别为t时刻节点上、下游管道流量；

处于降雨强度增大后的管网水流溢出地表的节点溢流过程时，节点净流量计算方式为：

当节点元胞转移出去的水量Vol_t^trans_out小于其邻居元胞转移进来的水量Vol_t^trans_in时，其中，和分别为t时刻节点上、下游管道流量，Δt为模型时间步长；当节点元胞转移出去的水量Vol_t^trans_out大于其邻居元胞转移进来的水量Vol_t^trans_in时，其中

处于降雨后期水流重新进入管道的退水回流过程时，节点流量计算方式为：退水回流过程中，节点水头高于地表高程时，按节点溢流过程计算节点净流量；地表积水退去，节点水头低于地表高程时，按地表入流过程计算节点净流量。

2.根据权利要求1所述的基于元胞自动机的城市地表径流与管网汇流耦合方法，其特征在于，所述步骤(3)中进行地表产汇流计算获得雨水井口入流流量随时间的变化过程作为管网汇流计算的边界条件包括：

利用初损后损法进行产流计算获得每个元胞水深；

比较中心元胞与邻居元胞的水位，排除高于平均水位的邻居元胞，确定可以进行水量转移的邻居元胞；

在产流和流向确定的基础上，采用曼宁公式计算一个时间步长内中心元胞可以转移的水量，同时根据元胞间水位差得出中心元胞可以向邻居元胞转移的潜在最大水量，将二者相比，得出一个时间步长内中心元胞转移的真实水量；

采用侧收缩堰流量计算公式计算各邻居元胞流入雨水井口节点的流量，并求和得到地表流入雨水井口节点的总流量。

3.根据权利要求1所述的基于元胞自动机的城市地表径流与管网汇流耦合方法，其特征在于，所述步骤(3)中通过管道流量基本方程和排水管网节点控制方程计算管道流量和节点水头；其中管道流量基本方程和节点控制方程的有限差分形式表示为：

其中，为t时刻的管道流量，为t时刻的节点净流量，为t时刻的节点水头，Δt为模型时间步长，为管道平均流速，A₁、A₂分别为节点上、下游管道断面面积，ΔA为一个时间步长内平均断面面积变化值，L为管道的长度，为管道最宽处的断面面积，g为重力加速度，H₁、H₂分别为管道上、下游节点水头，k为损失系数，为平均水力半径，A_sk为节点面积。