一种基于GIS和SWMM的城市内涝智能建模及分析方法技术

本发明专利技术为基于GIS和SWMM的城市内涝智能建模及分析方法，构建基于GIS和SWMM的模拟系统；对模型数据进行自动化预处理及自动识别拓扑错误；结合降雨量，基于SWMM进行水文‑水动力耦合模型计算，计算汇流进入排水管网系统的雨水量，模拟得到排水管网内实况信息，获得管点溢流数据；根据管点溢流数据进行地表水淹没分析，对地表积水进行模拟以获取地表积水深度，基于视窗法对地表水流进行分配；对地表积水内涝进行预警分析，综合考虑地表积水预测，基于水文‑水动力耦合模型的计算结果，根据地表水淹没分析的结果自动划分不同区域的内涝风险等级，为排水防涝应急提供预警方案。本发明专利技术具有建设成本低、模型建设自动化程度高、分析结果准确的优点。

An Intelligent Modeling and Analysis Method of Urban Waterlogging Based on GIS and SWMM

【技术实现步骤摘要】
一种基于GIS和SWMM的城市内涝智能建模及分析方法
本专利技术涉及一种基于GIS(GeographicInformationSystem，地理信息系统)和SWMM(StormWaterManagementModel，暴雨洪水管理模型)的城市内涝模型快速智能搭建及模拟分析方法。
技术介绍
城市内涝模拟分析的重点是能够精确计算分析特定降雨条件下城市地下排水管网系统的水力特性、内涝发生范围。目前城市管道水力分析计算方法通常有传统的雨水管渠流量计算公式、传感器监测技术和水动力模型技术三种。其中管渠流量计算公式主要适用于排水规划设计，且计算精度低；传感器监测技术的准确度最高，但由于成本昂贵、维护困难等缺点，只能针对若干管道进行监测分析；水动力模型技术作为仿真模型一种，能够模拟降雨、产流、汇流等物理水文子过程，具有计算精度高、建模成本低、模型维护简单等优点。在水动力模型建设过程中，模型空间数据管理维护困难、模型自动化构建水平不高、建模过程复杂是目前面临的主要问题。数据管理维护困难：大多数模型模拟软件的数据管理依赖于自定义数据格式或直接为文本数据格式，与智慧城市信息化建设过程中采用的一般地理空间数据库格式不兼容匹配，数据管理维护困难；地下模型建设繁琐：对于模型建设中涉及排水管线系统监理排错、汇水面生成及参数识别等工作，不仅要求建模者拥有扎实的模型理论知识和丰富的建模经验，而且单纯依靠人工处理，效率低下，出错机率大，导致建模精度整体不高；地表内涝状态模拟精度不高：如一般将地表汇水区泛化成一个规则的四方形水库，当检查井出现溢流时，将溢流量除以水库面积即得到积水深度，这种概化模拟方式与实际情况差别较大，没有考虑地形因素对库容的影响，也没有考虑积水在各个水库之间进行水量交互的过程，模拟精度整体不高。综合来看，现有的城市排水管网水力分析系统存在以下不足：1.部分系统技术方法计算精度低，计算结果很难满足城市内涝防治预警和排水系统工程改造需求。2.部分系统技术方法成本昂贵，应用局限性较大。3.模型数据格式管理方式多样化，与常用数据格式共享困难，容易形成信息孤岛。4.没有结合排水管线监理和水动力模型构建技术流程，设计一套涵盖模型数据统一管理、模型构建自动化、模型纠错智能等功能的应用系统，模型建设难度高。5.地表内涝模型精细度不高，不能反应实际地形因素对内涝影响。6.没有结合地表水系与排水管网的交互作用，忽略了河流顶托对管网排水能力及地表积水情况的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于GIS和SWMM的城市内涝智能建模及分析方法。根据本专利技术的基于GIS和SWMM的城市内涝智能建模及分析方法，包括以下步骤：S1、构建基于GIS和SWMM的模拟系统，将模型基础数据导入所构建的基于GIS和SWMM的模型系统中，对模型基础数据进行完整性检查、系统分析；S2、对模型数据进行自动化预处理及自动识别拓扑错误；S3、结合实时或预测的降雨量，基于SWMM进行水文-水动力耦合模型计算，计算汇流进入排水管网系统的雨水量，模拟得到排水管网内实况信息，获得管点溢流数据，分析评估管网排水能力；S4、根据水文-水动力耦合模型计算得到的管点溢流数据进行地表水淹没分析，对地表积水进行模拟以获取地表积水深度，基于视窗法对地表水流进行分配；S5、对地表积水内涝进行预警分析，综合考虑包括排水管网溢流、河流顶托倒灌情形下的地表积水预测，基于步骤S3水文-水动力耦合模型的计算结果，根据步骤S4地表水淹没分析的结果自动划分不同区域的内涝风险等级，为排水防涝应急提供预警方案。与现有技术相比，本专利技术取得了如下效果：该方法集成了地理信息系统和水动力模型等技术，实现了地理空间数据库数据管理、模型构建自动化、模型分析智能化、水动力模拟分析、模拟结果动态展示等功能，使得GIS平台与SWMM水动力模型能够无缝对接，具有建设成本低、模型建设自动化程度高、模型分析结果准精细高的优点。附图说明图1是基于GIS和SWMM的模拟系统结构示意图；图2是模型工程的情景模拟示意图；图3是地表汇水区自动生成与参数自动提取的流程图；图4是地表一、二维耦合模型之间的交换流量计算过程图；图5是地表与地下管网耦合模型之间的交换流量计算过程图；图6是河网与地下管网耦合模型示意图；图7是基于视窗法的中心网格单步分水步骤示意图；图8是地表积水内涝预警分析流程图。具体实施方式本专利技术方法可应用于城市内涝积水的精确模拟，对城市内涝进行智能建模及分析的过程包括以下步骤：S1、构建基于GIS和SWMM的模拟系统，将模型基础数据导入所构建的基于GIS和SWMM的模型系统中，对模型基础数据进行完整性检查、系统分析。从而便于根据不同情景对模型数据和模拟参数进行管理。(1)模拟系统结构所构建的模拟系统结构如图1所示，利用空间地理数据库技术对模型数据进行管理维护，利用ArcGIS平台强大的地理处理、空间分析、数据渲染等技术处理模型自动化构建、模型智能纠错、模拟结果分析、动态展示等过程。以SWMM为基本水动力计算引擎，通过模拟城市水文循环中降雨、地表径流、坡面汇流、管道汇流水文子过程，能够得到排水管网里面不同时间段水流状态特征。将地理空间数据库格式与SWMM工程文本数据格式进行结构化对接，实现GIS与SWMM模型无缝集成。(2)数据管理模式方案管理包括模型方案管理和模型工程管理两部分，建模者能够通过新建方案功能建立既定方案模板，对模型空间数据进行统一管理和方案版本化；在方案基础上，能够建立若干模型工程，通过设定模型工程不同输入条件和模拟参数，实现情景模拟，如图2所示，根据情节模拟结果可对比分析方案内不同工程情景的排水管网水流状态。S2、对模型数据进行自动化预处理及自动识别拓扑错误。根据城市区域地表高精度DEM(DigitalElevationModel，数字高程模型)、雨水口、沟渠和河道分布自动生成地表降雨的汇水区，以及对管网系统的拓扑错误进行智能识别，以帮助快速构建完整的模型系统。本实施例中，模型基础数据为模型建立时所需要的数据，包括空间数据和文本数据；模型空间数据指带有空间属性的模型数据，如管线、管点等；模型数据泛指所有模型数据，包括运算结果数据和模型空间数据。(21)地表汇水区自动生成与模型参数自动提取如图3所示，生成地表的汇水区时，根据排水设施中检查井的空间分布和操作建模范围自动生成泰森多边形，检查井所对应的泰森多边形即为该检查井的雨水汇水区；对每个雨水汇水区内多个土地利用数据进行加权叠加计算，形成带土地利用和不透性信息的汇水区，并自动提取雨水汇水区土地利用比例参数、不透水比例参数。自动化编辑能有效避免建模过程中人工手动构建模型所引起的效率低下、精度不高等问题。(22)地下排水管网系统拓扑错误的智能识别通过业务调查、普查管网数据分析和业务经验，建立管网拓扑完整性规则库，如表1所示。根据管网拓扑完整性规则库，智能识别地下排水管网系统拓扑错误，若排水管网系统不满足规则库，则认为拓扑规则不符合建设需求，达到数据监理的目的。表1S3、结合实时或预测的降雨量，基于SWMM进行水文-水动力耦合模型计算，扣除雨水下渗、植被截流等因素，精确计算汇流进入排水管网系统的雨水量，模拟得到管网内水量、流速、水位、水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于GIS和SWMM的城市内涝智能建模及分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建基于GIS和SWMM的模拟系统，将模型基础数据导入所构建的基于GIS和SWMM的模型系统中，对模型基础数据进行完整性检查、系统分析；S2、对模型数据进行自动化预处理及自动识别拓扑错误；S3、结合实时或预测的降雨量，基于SWMM进行水文‑水动力耦合模型计算，计算汇流进入排水管网系统的雨水量，模拟得到排水管网内实况信息，获得管点溢流数据，分析评估管网排水能力；S4、根据水文‑水动力耦合模型计算得到的管点溢流数据进行地表水淹没分析，对地表积水进行模拟以获取地表积水深度，基于视窗法对地表水流进行分配；S5、对地表积水内涝进行预警分析，综合考虑包括排水管网溢流、河流顶托倒灌情形下的地表积水预测，基于步骤S3水文‑水动力耦合模型的计算结果，根据步骤S4地表水淹没分析的结果自动划分不同区域的内涝风险等级，为排水防涝应急提供预警方案。

【技术特征摘要】
1.一种基于GIS和SWMM的城市内涝智能建模及分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建基于GIS和SWMM的模拟系统，将模型基础数据导入所构建的基于GIS和SWMM的模型系统中，对模型基础数据进行完整性检查、系统分析；S2、对模型数据进行自动化预处理及自动识别拓扑错误；S3、结合实时或预测的降雨量，基于SWMM进行水文-水动力耦合模型计算，计算汇流进入排水管网系统的雨水量，模拟得到排水管网内实况信息，获得管点溢流数据，分析评估管网排水能力；S4、根据水文-水动力耦合模型计算得到的管点溢流数据进行地表水淹没分析，对地表积水进行模拟以获取地表积水深度，基于视窗法对地表水流进行分配；S5、对地表积水内涝进行预警分析，综合考虑包括排水管网溢流、河流顶托倒灌情形下的地表积水预测，基于步骤S3水文-水动力耦合模型的计算结果，根据步骤S4地表水淹没分析的结果自动划分不同区域的内涝风险等级，为排水防涝应急提供预警方案。2.根据权利要求1所述的城市内涝智能建模及分析方法，其特征在于，步骤S2根据数字高程模型DEM、雨水口、沟渠和河道分布自动生成地表降雨的汇水区，以及对管网系统的拓扑错误进行智能识别。3.根据权利要求2所述的城市内涝智能建模及分析方法，其特征在于，步骤S2包括：(21)地表汇水区自动生成与模型参数自动提取生成地表的汇水区时，根据排水设施中检查井的空间分布和操作建模范围自动生成泰森多边形，检查井所对应的泰森多边形即为该检查井的雨水汇水区；对每个雨水汇水区内多个土地利用数据进行加权叠加计算，形成带土地利用和不透性信息的汇水区，并自动提取雨水汇水区土地利用比例参数、不透水比例参数；(22)地下排水管网系统拓扑错误的智能识别通过业务调查、普查管网数据分析和业务经验，建立管网拓扑完整性规则库；根据管网拓扑完整性规则库，智能识别地下排水管网系统拓扑错误。4.根据权利要求1所述的城市内涝智能建模及分析方法，其特征在于，步骤S3包括：(31)建立一维河网模型和二维地表模型，计算一维河网模型和二维地表模型之间的交换流量；(32)建立一维管网模型和二维地表模型，计算地面径流与地下管流的交换流量；(33)建立河网与地下管网耦合模型，进行排水管网与内部河道的动态耦合模拟计算。5.根据权利要求4所述的城市内涝智能建模及分析方法，其特征在于，步骤(31)中一维河网模型和二维地表模型之间的交换流量计算过程为：将T＝t时刻的初始条件及相关参数分别输入到一维河网模型和二维地表模型中，在一维河网模型、二维地表模型的耦合接口上，结合堤岸高度计算一维河网模型与二维地表模型的高程关系，根据高程关系的计算结果计算交换流量，根据交换流量计算河道流量和地表径流量，并判断一维河网模型、二维地表模型之间是否满足质量动量守恒的条件，若不满足质量动量守恒的条件则根据高程关系的计算结果继续计算交换流量，若满足质量动量守恒的条件则判断模拟时间是否结束，若模拟时间结束则输出结果，若模拟时间未结束则计算下一时刻T＝t+Δt的交换流量。6.根据权利要求5所述的城市内涝智能建模及分析方法，其特征在于，步骤(31)中采用宽顶堰流公式计算交...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭进双，包世泰，林时君，蒲虹宇，
申请(专利权)人：广州奥格智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44