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1、(10)申请公布号 CN 103886151 A (43)申请公布日 2014.06.25 CN 103886151 A (21)申请号 201410117447.7 (22)申请日 2014.03.27 G06F 17/50(2006.01) G06F 19/00(2011.01) (71)申请人 北京工业大学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园 100 号 (72)发明人 周玉文 赵见 刘子龙 (74)专利代理机构 北京思海天达知识产权代理 有限公司 11203 代理人 刘萍 (54) 发明名称 不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水 力模型构建方法 (57) 摘要 一种不同暴雨情景下。
2、城市下凹式立交桥区简 化水力模型构建方法， 属于市政工程技术领域。 确 定城市下凹式立交桥区域高汇水区和低汇水区的 汇水范围和高精度 DEM 的方法， 并作为模型的地 表高程输入条件 ； 并通过降雨扣损的形式简化模 型管网的输入 ； 采用计算机水力模型实现对不同 暴雨情景下城市下凹式立交桥区内涝灾害情景进 行模拟 ； 根据模型计算结果确定改造设施方案。 该方法阐述了不同暴雨情景下城市下凹式立交桥 区简化水力模型构建方法， 可以对不同暴雨情景 下城市下凹式立交桥区内涝灾害情景进行模拟， 并能对现状桥区设计方案进行评估。该方法使水 力模型用于分析下凹式立交桥积水灾害的原因成 为可能， 为下凹式立交。
3、桥改造及规划提供理论依 据。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103886151 A CN 103886151 A 1/1 页 2 1. 一种不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法， 其特征在于 ： 所 述方法具体步骤如下 ： （1） 确定下凹式立交桥区高区、 低区设计汇水流域范围 ： （2） 制作桥区高精度 DEM， 高精度 DEM 即数字地面高程模型 : 网格精度不低于 5m5m， 桥区设计低区网格精度不低于 1。
4、m1m ； 精确表达积水区的范围和深度 ； （3） 将高区和低区的 DEM 制作合并， 构成城市下凹式立交桥区内涝模型的地表 DEM 输 入 ； （4） 根据高区、 低区的排水管网设计重现期， 分别计算设计暴雨扣损量和净雨量过程 线， 具体步骤如下 ： 根据 室外排水设计规范 和下凹式立交桥高低区汇水流域内地貌特征， 确定城市下凹 式立交桥高低区的地面集水时间 T高区、 T低区， 高、 低区地面径流系数 高区、 低区， 净雨系数 ， 并依据 室外排水设计规范 中的暴雨强度公式， 和高低区对应的设计重现期 P高区、 P低 区， 计算出设计重现期下高低区对应的设计暴雨强度 q高区、 q低区（L/s。
5、hm 2） ； 分别计算得到高 低区的扣损值 Q高区扣损、 Q低区扣损； Q高区扣损=q高区高区 Q低区扣损=q低区低区 高低区扣损值 Q高区扣损、 Q低区扣损的含义 ： 由于高低区管道的设计重现期分别为 P高区、 P低 区， 即认为高低区管道的排水能力能应对设计重现期P高区、 P低区内的降雨， 把这些降雨以地表 扣损的形式认为等同于从高低区管道排除 ； 通过扣损得到设计降雨地表净流量 ； ： 净雨 系数， 根据地貌特征所取的修正系数 ； （5） 用模型软件计算二维地表漫流， 并用根据步骤 （2） （3） 制作的高精度 DEM， 生成二 维模拟的栅格数据， 利用从步骤 （4） 计算中得到扣损后。
6、的地表净雨量进行二维地表漫流计 算 ； 采用二维圣维南方程描述城市雨水地面径流过程 ： 式中 ： h 为网格型心处水深， m ； u 为 x 方向流速， m/s ； V 为 y 方向流速， m/s ； cf为阻力系 数。 权 利 要 求 书 CN 103886151 A 2 1/4 页 3 不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方 法 技术领域 0001 本发明涉及一种不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法， 属 于市政工程技术领域。 背景技术 0002 为了解决城市内涝灾害频发的问题， 应科学分析不同城市规划区域产生内涝灾害 的原因。在强降雨条件下城市下凹式立交桥区发。
7、生严重积水可以导致交通堵塞甚至瘫痪， 由于城市下凹式立交桥所处地理位置的重要性以及其排水设施的特殊性， 必须从规划设计 阶段对解决城市内涝问题制定解决方案。 为了科学分析城市下凹式立交桥区产生内涝灾害 的原因， 需要通过构建不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区内涝模型， 以便分析城市下凹 式立交桥区的内涝灾害风险和提出解决策略。 城市下凹式立交道路的下穿部分往往是所处 汇水区域最低洼的部分， 雨水径流汇流至此后再无其他出路， 只能通过泵站强排至附近河 湖等水体或雨水管道中， 如果排水不及时， 必然会引起严重积水。 研究发现城市下凹式立交 桥汇水区域在低重现期暴雨条件下一般是低汇水区域的暴雨径流进入。
8、排水泵站， 而在高重 现期暴雨条件下一般是低汇水区域加上部分高区的暴雨径流进入排水泵站， 所以构造城市 下凹式立交桥区内涝模型具有一定复杂性。因为在不同暴雨情景下， 城市下凹式立交桥区 汇水流域范围是一个动态变化的过程， 只有掌握不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化 水力模型构建方法， 才能构建好水力模型， 更好地服务于规划设计桥区排水设施， 减少桥区 内涝灾害的发生。 发明内容 0003 针对上述问题， 为了准确掌握不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区汇水流域范围 的城市下凹式立交桥区内涝模型快速构造方法， 本发明涉及一种不同暴雨情景下城市下凹 式立交桥区简化水力模型构建方法， 属于市政工程技术。
9、领域。其构造过程主要涉及 ： 确定 城市下凹式立交桥区域高汇水区和低汇水区的汇水范围和高精度 DEM 的方法， 并作为模型 的地表高程输入条件 ； 并通过降雨扣损的形式简化模型管网的输入 ； 采用计算机水力模型 实现对不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区内涝灾害情景进行模拟 ； 根据模型计算结果确 定改造设施方案。 该方法阐述了不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方 法， 可以对不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区内涝灾害情景进行模拟， 并能对现状桥区 设计方案进行评估。该方法使水力模型用于分析下凹式立交桥积水灾害的原因成为可能， 为下凹式立交桥改造及规划设计提供理论依据， 因此， 本方法。
10、具有很好的应用前景。 0004 一种不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法， 其特征在于 ： 所述方法具体步骤如下 ： 0005 （1） 确定下凹式立交桥区高区、 低区设计汇水流域范围 ： 0006 （2）制作桥区高精度 DEM， 高精度 DEM 即数字地面高程模型 : 网格精度不低于 说 明 书 CN 103886151 A 3 2/4 页 4 5m5m， 桥区设计低区网格精度不低于 1m1m ； 精确表达积水区的范围和深度 ； 0007 （3） 将高区和低区的 DEM 制作合并， 构成城市下凹式立交桥区内涝模型的地表 DEM 输入 ； 0008 （4） 根据高区、 低区的排水。
11、管网设计重现期， 分别计算设计暴雨扣损量和净雨量过 程线， 具体步骤如下 ： 0009 根据 室外排水设计规范 和下凹式立交桥高低区汇水流域内地貌特征， 确定城市 下凹式立交桥高低区的地面集水时间 T高区、 T低区， 地面径流系数 高区、 低区， 净雨系数 ， 并依据 室外排水设计规范 中的暴雨强度公式， 和高低区对应的设计重现期 P高区、 P低区， 计 算出设计重现期下高低区对应的设计暴雨强度 q高区、 q低区（L/shm2） ； 分别计算得到高低区 的扣损值 Q高区扣损、 Q低区扣损； 0010 Q高区扣损=q高区高区 0011 Q低区扣损=q低区低区 0012 高低区扣损值 Q高区扣损、。
12、 Q低区扣损的含义 ： 由于高、 低区管道的设计重现期分别为 P 高区、 P低区， 即认为高低区管道的排水能力能应对设计重现期 P高区、 P低区内的降雨， 把这些降 雨以地表扣损的形式认为等同于从高低区管道排除 ； 通过扣损得到设计降雨地表净流量 ； ： 净雨系数， 根据地貌特征所取的修正系数 ； 0013 由以下公式可以验证得到 ： 0014 桥区总雨量 V总由以下三部分组成 ： 0015 V总=V下渗+V管道排出+V积水 0016 当管道设计重现期为 P 年时， 意味着当 P 重现期降雨时， 地表积水量 V积水=0。 0017 V总=V下渗+V管道排出 0018 V管道排出=V总 V下渗 。
13、0019 V管道排出=qF q （1 ） F 0020 V管道排出=qF 0021 由此得到 ： Q管道排出=q 0022 即 Q管道排出=q=Q扣损 0023 其中 ： F ： 汇水流域面积， ： 净雨系数， 为了准确得到净雨量根据地貌特征所取的 修正系数。 0024 （5） 用模型软件计算二维地表漫流， 并用根据步骤 （2） （3） 制作的高精度 DEM， 生 成二维模拟的栅格数据， 利用从步骤 （4） 计算中得到扣损后的地表净雨量进行二维地表漫 流计算 ； 采用二维圣维南方程描述城市雨水地面径流过程 ： 0025 0026 0027 0028 式中 ： h 为网格型心处水深， m ； u。
14、 为 x 方向流速， m/s ； V 为 y 方向流速， m/s ； cf为阻 力系数。 说 明 书 CN 103886151 A 4 3/4 页 5 0029 本发明的技术方案如下 ： 0030 与传统的水力模型构造方法相比， 本专利提出的方法具有如下优点 ： 0031 （1） 简化了收集和输入地下管网设施基础数据的工作， 构建模型方法简单， 容易实 现。 0032 （2） 与传统的建模方法比较发现， 简化方法的结果在规划设计阶段与传统方法相 当。 0033 （3） 本专利方法考虑了立交桥汇水区在不同设计暴雨条件下变化的特性， 计算的 设计排水防涝设施更科学、 合理。 附图说明 0034 图。
15、 1 是本发明不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法的模 型构建过程示意图。 具体实施方式 0035 如图 1 所示， 一种不同暴雨情景下城市下凹式立交桥区简化水力模型构建方法， 其特征在于 ： 所述方法具体步骤如下 ： 0036 （1） 按以下步骤确定下凹式立交桥区高区、 低区设计汇水流域范围 ： 0037 根据 室外排水设计规范 确定城市立交桥区排水设计标准， 并根据下凹式立交桥 周边基础测绘地形图， 充分考虑高区管道排水能力及其相应雨水口的汇水范围， 并根据 城 市道路工程设计规范 中， 城市下凹式立交桥区防洪抗灾要求所设计阻挡雨水的 “驼峰” 位 置， 结合城市下凹式立交。
16、桥区基础测绘地形图中的地形高程点数据， 划定下凹式立交桥区 高区、 低区相对应的汇水流域， 并计算其相关的流域面积 F高区、 F低区。对于已建成下凹式立 交桥区查阅其相关历史设计资料， 确定其高区、 低区的排水设计标准及其相应的汇水流域 范围。 0038 （2） 采用 城市排水仿真模拟系统的道路精细离散网格构建方法 相关技术步骤制 作桥区高精度 DEM， 可以精确表达积水区的范围和深度。 0039 （3） 将高区和低区的 DEM 制作合并， 构成城市下凹式立交桥区内涝模型的地表 DEM 输入。 0040 （4） 根据高区、 低区的排水管网设计重现期， 分别计算设计暴雨扣损量和净雨量过 程线， 。
17、具体步骤如下 ： 0041 根据 室外排水设计规范 和下凹式立交桥高低区汇水流域内地貌特征， 确定城市 下凹式立交桥高低区的地面集水时间 T高区、 T低区， 地面径流系数 高区、 低区， 净雨系数 （: 为了准确得到净雨量根据地貌特征所取得修正系数） ， 并依据 室外排水设计规范 中 的暴雨强度公式， 和高低区对应的设计重现期 P高区、 P低区， 计算出设计重现期下高低区对应 的设计暴雨强度 q高区、 q低区（L/shm2） 。分别计算得到高低区的扣损值 Q高区扣损、 Q低区扣损。 0042 Q高区扣损=q高区高区 0043 Q低区扣损=q低区低区 0044 高低区扣损值 Q高区扣损、 Q低区。
18、扣损含义 ： 由于高低区管道的设计重现期分别为 P高区、 P 低区， 即认为高低区管道的排水能力能应对设计重现期 P高区、 P低区内的降雨， 把这些降雨以地 说 明 书 CN 103886151 A 5 4/4 页 6 表扣损的形式认为等同于从高低区管道排除。通过扣损可以得到设计降雨地表净流量。 0045 （5） 用模型软件计算二维地表漫流， 并用根据步骤 （2） （3） 制作的高精度 DEM， 生 成二维模拟的栅格数据， 利用从步骤 （4） 计算中得到扣损后的地表净雨量进行二维地表漫 流计算。用二维圣维南方程描述城市雨水地面径流过程 ： 0046 0047 0048 0049 式中 ： h 为网格型心处水深， m ； u 为 x 方向流速， m/s ； v 为 y 方向流速， m/s ； cf为阻 力系数。 0050 （6） 分别用高、 低重现期降雨对高、 低区汇水范围进行验证， 看是否存在客水汇入 的状况， 评价低区排水系统的能力， 计算内涝防御设施改造的工程量。 0051 （7） 在水力模型中输入改造方案参数， 验证高、 低重现期降雨下， 评估改造方案的 合理性。 说 明 书 CN 103886151 A 6 1/1 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103886151 A 7 。