[发明专利]一种地表与管网分布式的直接双向耦合方法

说明书

本发明提供一种地表与管网分布式的直接双向耦合方法，包括获取地表水文水动力数据，还包括以下步骤：依据所述地表水文水动力数据生成地表模型和管网模型，所述地表模型为地表分布式水文水动力模型；在所述地表模型和所述管网模型的基础上，根据城市排水管网实际组成以及数据覆盖情况，构建地表模型与管网模型之间的耦合模式，所述耦合模式至少包括物理耦合和概念耦合。本发明提出了一种新的分布式的直接双向耦合模式，即降雨（Rainfall）—地表（Overland）—管网（Sewer）的耦合模式，在该模式下，地表采用分布式的水文水动力学模型，降雨直接作用在地表栅格上，降雨产汇流和积水淹没均基于统一的地表栅格进行计算，同时地表模型与管网模型进行双向耦合。

技术领域

本发明涉及市政工程的技术领域，特别是一种地表与管网分布式的直接双向耦合方法。

背景技术

城市暴雨洪涝模拟过程中，地表模型与管网模型的耦合计算一直是关键点和技术难点之一。现有的城市暴雨洪水模拟模型，主要采用降雨（Rainfall）—子流域（Catchment）—管网（Sewer）—地表（Overland）（以下简称RCSO）的模式。按照这种模式，首先须根据排水管网系统中检查井的位置划分子流域，然后将降雨直接作用在子流域上，再通过子流域降雨产汇流模型计算子流域上的产流量，子流域上的产流量直接通过检查井加入管网模型。当管网检查井出现溢流后，驱动地表淹没模型，并将检查井溢流量加入到地表淹没模型中，再通过地表淹没模型计算地表洪水淹没情况。

上述RCSO模式，地表和管网之间不是直接的双向的耦合，这对于评估管网的运行效率是可行且有效的，但对于评估地表洪水淹没却存在明显的缺点。首先，该模式将城市降雨和淹没分割成两个独立的过程：子流域上的降雨产汇流过程与地表洪水淹没过程，这与城市降雨引起局地积水的实际过程是不相符的。实际上，城市降雨产流过程和积水淹没过程，是作用在城市地表上相互影响密不可分的统一的物理过程。其次，在RCSO模式下，只有当管网检查井出现溢流后，才驱动地表淹没模型进行地表洪水淹没计算，因此洪水淹没仅可能发生在检查井周围区域，这与城市暴雨洪水发生的实际过程也是不符的。实际上，城市降雨积水，除了管网检查井溢流造成淹没外，更多的情况是，由于地表地形坡度较大或者管网排水能力不足等，导致雨水快速向低洼地汇集，甚至受管网下游顶托，雨水尚未进入管网前就积滞在低洼区域，从而形成局地洪水淹没。

2017年《水力发电学报》杂志的第36卷第5期公开了曾照洋、、王兆礼、吴旭树、赖成光、陈晓宏的文章《基于SWMM 和LISFLOOD 模型的暴雨内涝模拟研究》。该文章将二维地表模型（LISFLOOD-FP）与一维管网模（SWMM模型）进行耦合，对东莞市典型区域进行暴雨内涝模拟。该方法是典型的RCSO耦合模式，管网模型和地表模型之间是基于检查井的单向耦合，其缺点就是上所述RCSO模式共同的缺点，即将降雨产汇流和地表淹没过程分隔，地表淹没仅发生在管网检查井溢流处，因此模拟的地表淹没过程与实际情况不符。

2020年7月《Chinese Journal of Hydrodynamics》公开了赵仕霖、金生、杨宁的《地表水流与地下管流耦合的数值模拟研究》。该文章提出了二维地表模型与一维管网模型动态耦合的分区匹配算法，并通过试验算了进行了检验。该文章中，地表与排水管网之间的耦合是通过检查井进行流量交换来完成的，并假设检查井处于打开状态。该文章展示的地表与管网的耦合方法，不足之处在于，它没有区分实际排水管网系统中检查井与雨水篦子的不同作用，实际上城市排水系统中的检查井都被盖板覆盖的，并非出于打开状态，地表与排水管网之间的水量交换主要是通过雨水篦子完成的，雨水篦子和检查井须分别处理。另外，该文章所展示的地表与管网的耦合方法不适用于管网资料不足的地区。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提出的一种地表与管网分布式的直接双向耦合方法，提出了一种新的直接双向耦合模式，即降雨（Rainfall）—地表（Overland）—管网（Sewer）的耦合模式，在该模式下，地表采用分布式的水文水动力学模型，降雨直接作用在地表栅格上，降雨产汇流和积水淹没均基于统一的地表栅格进行计算，同时地表模型与管网模型进行双向耦合。