技术领域
[0001] 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。
相关背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。
[0029] 实施例一如图1所示，执行步骤100，获取地表水文水动力数据。所述地表水文水动力数据包括地表水深、地表流速、降雨强度、下渗强度、排水强度、摩阻、管道过流面积、管道内流量、管道内流速、水头和水力半径。
[0030] 执行步骤110，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。基于所述地表分布式水文水动力模型，降雨产汇流和地表积水均基于同一地表栅格进行计算，计算公式为：其中，是偏微分符号，t是时间，h是水深，u和v是x和y方向的流速，z是水位， r、f和c分别为降雨强度、下渗强度和排水强度，g为重力加速度，n是糙率系数， 为速度的模，且 。
[0031] 所述管网模型为一维水动力模型，计算公式为：其中，A是管道过流面积，Q是流量，U是流速，Z是水头，且 ，R是水力半
径，H为水深，n为糙率。
[0032] 执行步骤120，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。
[0033] 执行步骤130，判断管网数据是否完整。如果管网数据完整，则执行步骤140，构建地表模型与管网模型之间的物理耦合。所述物理耦合表示地表和管网之间根据雨水汇集的实际物理过程进行耦合。所述物理耦合适用于排水管网资料完备的区域。在步骤140中，执行步骤141，将代表雨水篦子和检查井的管网节点与它所在的地表网格单元之间进行一对一的空间位置耦合；执行步骤142，根据城市雨水排水系统中雨水篦子和检查井所承担的实际功能，对雨水篦子和检查井进行区别计算。所述雨水篦子的计算方法包括水流方向和大小采用具有物理意义的堰流公式计算，其中，Qs为流量，Zg为地表水位，Zs为管网节点水头，m为堰流系数， 为淹没系数，L1为节点孔口周长，H1和H2为地表与节点水头差，A1为节点孔口面积。
[0034] 所述检查井的计算方法包括只有当管网水头足够大顶开盖板，管网水流可以从检查井溢流进入地表，计算公式为：。
[0035] 如果管网数据不完整，则执行步骤150，构建地表模型与管网模型之间的概念耦合。所述概念耦合是指地表网格单元与管网节点之间基于某一种经验关系而非物理过程进行耦合。所述概念耦合适用于排水管网资料缺失的区域。在步骤150中，执行步骤151，根据实地调研或者空间就近关系，确定每个区域的排水出口；执行步骤152，根据排水出口节点的位置，指定地表网格单元对应的出口节点；执行步骤153，根据该区域的设计排水能力，指定地表网格的排水能力Ci，同时考虑地表网格单元的水位和管网节点的水位，计算每个网格的实际排水速度ci。所述每个网格的实际排水速度ci的计算公式为：其中，hi为第i个地表网格单元的水深；Ci为第i个地表网格单元的排水能力， 为时间步长。
[0036] 每个概念耦合的节点接收概念排水的速度等于与其概念耦合的所有地表单元的排水速度和Qs，计算公式为：其中，Ai为第i个网格面积，ci为第i个网格的实际排水速度。
[0037] 实施例二本发明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，以下简称ROS模式。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。该模式符合城市降雨造成积水的实际物理过程，从而可以更合理地模拟城市暴雨引起的地表洪水淹没过程。
[0038] 在ROS模式中，首先地表模型采用的分布式的水文水动力模型，如公式（1）、（2）和（3）所示。这是地表模型与管网模型进行直接双向耦合的基础。基于地表分布式水文水动力模型，降雨产汇流和地表积水均基于同一地表栅格进行计算，从而避免了RCSO中降雨产汇流和地表洪水淹没人为分割的弊端。
[0039] （1） （2）
（3）
其中，是偏微分符号，t是时间，h是水深，u和v是x和y方向的流速，z是水位， r、f和c分别为降雨强度、下渗强度和排水强度，g为重力加速度，n是糙率系数， 为速度的模，且 。
[0040] 管网模型采用一维水动力模型，如公式（4）、（5）所示。
[0041] （4） （5）
其中，A是管道过流面积，Q是流量，U是流速，Z是水头，且 ，是水力半
径。
[0042] 本发明在上述地表分布式水文水动力模型和管网一维水动力模型的基础上，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两种耦合模式，即物理耦合和概念耦合。
[0043] （1）物理耦合，即地表和管网之间根据雨水汇集的实际物理过程进行耦合。该耦合方式适用于管网数据质量较好的区域。一般来说，城市公共区域，如主干道路、广场等区域的地下排水管网，归市政管理部门管理，数值质量较好，且易进行现场勘测，因此，能够收集到雨水篦子和检查井等详细的管网数据，适用于构建物理耦合方式。在这种物理耦合模式下，首先将代表雨水篦子和检查井的管网节点与它所在的地表网格单元之间进行一对一的空间位置耦合，如图2所示。在完成空间位置耦合的基础上，对雨水篦子和检查井进行区别计算，这是因为在实际城市雨水排水系统中，雨水篦子和检查井承担着完全不同的作用。雨水篦子是雨水收集的终端，承担着直接收集地表雨水的功能，而检查井是不同管段的连接点且一般都有井盖覆盖，一般不承担直接收集地表雨水的功能。因此，在物理耦合模式下，对于雨水篦子，地表与管网之间可以双向交换水流，其水流方向和大小采用具有物理意义的堰流公式计算，如公式（6）和（7）所示。而对于检查井，由于其不直接收集地表的雨水，只有当管网水头足够大顶开盖板，管网水流可以从检查井溢流进入地表，如（7）所示。
[0044] （6） （7）
（2）概念耦合，是指地表网格单元与管网节点之间基于某一种经验关系而非物理过程进行耦合。该耦合方式，适用于排水管网资料不足的区域，例如城市社区或者私密区域。这些区域一般较难获得内部详细的管网数据。首先根据实地调研或者空间就近关系，确定每个区域的排水出口，然后根据排水出口节点的位置，指定地表网格单元对应的出口节点，如图3所示，从而建立地表与管网之间概念上的耦合关系。根据该区域的设计排水能力，指定地表网格的排水能力 ，同时考虑地表网格单元的水位和管网节点的水位，计算每个网格的实际排水速度 ，如下公式（8）所示。
[0045] （8）每个概念耦合的节点，接收概念排水的速度，等于与其概念耦合的所有地表单元的排水速度和，如下公式（9）所示，
（9）
通过上述描述可知，基于地表分布式的水文水动力模型与管网一维水动力模型，构建了地表模型与管网模型之间直接双向耦合模式。同时考虑到管网数据覆盖情况，提出了物理耦合和概念耦合两者耦合模式。其中物理耦合模式，考虑了城市排水管网中雨水篦子和检查井的不同作用，对雨水篦子和检查井采用不同的水流计算，可以更加合理地模拟地表与管网之间的水流交换，从而合理地模拟地表洪水淹没过程。物理耦合模式，符合城市降雨产汇流的实际物理过程，从而可以合理地模拟管网资料较好的区域的洪水淹没情况。
而概念耦合方式，虽然基于一定的概念关系，但依然能够较好地评估管网不足地区地表发生积水的风险，是物理耦合模式的一种有效的补充。在实际城市暴雨洪水模拟过程中，将物理耦合与概念耦合相结合，对于管网资料详实的区域，采用物理耦合，对于管网资料不足的区域，采用概念耦合，可以更好地模拟地表洪水发生情况，评估地表洪水淹没风险。
[0046] 实施例三某一城市区域的地表模型和管网模型分布示意如图4所示，主干道路上的管网数据详实，雨水篦子和检查井分类且连接关系清晰可靠。而主干道路以外的社区内部管网数据缺失。针对现有的管网数据情况，将主干道路上的地表网格单元，与排水管网的雨水篦子和检查井，根据位置关系，构建一一对应的物理耦合关系。而对于居民区和建筑物的地表网格单元，根据空间就近关系，分配网格单元的排水出口，如图5所示，每个地表网格单元上所标识的数字，代表该单元网格的排水出口即检查井的编号。通过这种概念上的排水关系，居民区所在的区域，虽然缺乏实际的管网资料，但依然可以按照设计排水能力将该区域的降雨径流排泄到附近的管网里。通过上述物理耦合和概念耦合两者耦合方式相互补充，从而可以更加合理地表达出地表淹没的情况。如图6所示，模拟的淹没点S1和S3，位于管网资料详实的主干道路上，淹没点S1位于管网资料缺失的居民区。由此可见，本发明提出的地表和管网之间的直接双向耦合，不仅可以准确模拟管网资料覆盖区域的积水淹没，还可以合理评估管网资料不足地区的地表淹没风险，在城市暴雨洪水模拟应用中，具有较大的实用价值。
[0047] 为了更好地理解本发明，以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
