一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法

摘要

本发明公开了一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法，获取目标区域的河流水系图片或矢量数据、河道断面测量数据、湖泊地形测量数据，对目标区域水网模型进行概化，提取典型河流和湖泊，生成河网文件；根据收集的实测降雨、蒸发、风场数据，设定模型的边界条件和模型参数；获取水网中防洪保护对象的防洪标准等级需求，以及控制建筑物各参数，拟定已建或设定泵站、闸门控制建筑物的调度规则；分别建立一维河道模型MIKE11和二维湖泊模型MIKE21，并在一维河道模型MIKE11和二维湖泊模型MIKE21的基础上建立水网地区MIKE FLOOD一维、二维水动力耦合模型；利用已构建的MIKE FLOOD一维、二维水动力耦合模型。

权利要求

1.一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法，其特征在于，包括：

步骤1，获取目标区域的河流水系图片或矢量数据、河道断面测量数据、湖泊地形测量数据，对目标区域水网模型进行概化，提取典型河流和湖泊，生成河网文件；

步骤2，根据收集的实测降雨、蒸发、风场数据，设定一维河道模型MIKE11和二维湖泊模型MIKE21的边界条件和模型参数；所述边界条件包括水网的水位、流量；

步骤3，获取水网中防洪保护对象的防洪标准等级需求，以及控制建筑物各参数，拟定已建或设定泵站、闸门控制建筑物的调度规则；

步骤4，分别建立一维河道模型MIKE11和二维湖泊模型MIKE21，并在所述一维河道模型MIKE11和所述二维湖泊模型MIKE21的基础上建立水网地区MIKE FLOOD一维、二维水动力耦合模型；

步骤5，利用已构建的所述MIKE FLOOD一维、二维水动力耦合模型，判断水网的防洪能力是否满足防洪要求，若否，则回到步骤2，若是，则进入步骤6，步骤6，依据步骤3所得确定水网控制建筑物各参数，依据步骤4确定模型；

在判断水网的防洪能力是否满足防洪要求之后还包括判断水网的雨洪资源利用效益是否满足设定需求，若否，则回到步骤2，若是，则进入步骤6；所述判断水网的雨洪资源利用效益是否满足设定需求的方法包括：获取目标地区对水资源需求的缺口数据，获取新增的利用水量是否达到预设利用水量，预设利用水量为预先设定的人工经验参数。

2.根据权利要求1所述的一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法，其特征在于，所述边界条件还包括：水网的降雨、蒸发、风场。

3.根据权利要求1所述的一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法，其特征在于，所述模型参数包括：河床糙率、河床阻力、水体密度、涡粘系数。

4.根据权利要求1所述的一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法，其特征在于：所述控制建筑物包括泵站、闸门。

5.根据权利要求1所述的一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法，其特征在于：所述控制建筑物参数包括所述泵站、闸门的具体地理位置参数、设计参数、占地面积、调度规则。

6.根据权利要求1所述的一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法，其特征在于：所述泵站、闸门的地理位置参数包括坐标；所述泵站、闸门的设计参数包括闸底板高程、闸门孔数、宽度。

7.根据权利要求1所述的一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法，其特征在于所述所述控制建筑物调度规则包括：利用泵站调度固城湖水位，在固城湖水位升高至固城湖警戒水位以上时，打开泵站，当固城湖水位降低至固城湖设防水位以下时，泵站关闭；当来水持续较大，泵站工作后水位仍不断上升，并且超过(目标区域50年一遇防洪标准水位+固城湖警戒水位)/2时，闸门打开辅助泄洪，当水位低于目标区域固城湖警戒水位时，关闭闸门。

8.根据权利要求1所述的一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法，其特征在于，判断水网的防洪能力是否满足防洪要求的具体方法包括：获取固城湖水文站实测水位数据，判断所述固城湖水位水文站实测水位数据是否低于预设防洪标准水位。

说明书

一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法

技术领域

[0001] 本发明涉及城市河湖水网的防洪及雨洪资源利用领域，尤其是涉及一种防洪及雨洪资源利用水网模型的构建方法。

背景技术

[0002] 随着我国城镇化进程的高速发展，人口、产业、财富向城市快速集中，城市化进程不断加快对城市应对洪水灾害的能力提出了全新要求。据统计，我国大约有2/3的城市不同程度的遭受洪水灾害，大部分城市都在长三角和珠三角等强降雨地区。根据要求，我国一等城市的防洪标准重现期为200年，但部分城市目前的防洪标准重现期仅有50年一遇～100年一遇(例如南京)，还有很大的防洪标准提升需求。同时，由于降雨的年内分配不均，我国部分城市都面临供水安全保障问题，在枯水期生产生活用水保证率还需要进一步提高。

[0003] 目前，在城市中普遍运用的防洪措施包括堤防、分洪工程与水库防洪工程等，通过建设和运用这些工程，扩大河道泄量、分流疏导和拦蓄洪水，以达到防洪目的，这类传统防洪方法没有考虑雨洪资源的充分利用。

[0004] 国际上先进的城市治水经验都以雨洪资源利用为主要目的之一。日本在经历早期提高城市排水能力、加大河道过流能力之后，也于70年代开始积极推进雨水资源利用，提出了城市河流综合治水对策体系，在防患洪涝灾害的同时，利用雨洪资源为社会经济发展服务。1990年代美国推出了低影响开发(LID:Low Impact Development)理念，英国发起了可持续城市排水系统(SUDS:Sustainable Urban Drainage System)。以上事例是世界上对雨洪资源利用的探索，但这些探索都是以管网排水、集水为最主要的手段。

[0005] 目前，城市河湖水网连通是伴随着现代城市经济发展、河湖加大连通性后形成的客观事实，水网的防洪和水资源利用效益对提高城市防洪标准，保障城市社会经济发展有重要作用。简单而言，城市可以利用在水网中设定泵站、闸门等控制建筑物，在汛期调蓄水网的蓄水位，保障防洪安全的同时将洪水资源化害为益，在枯期保障供水安全。解决以上需求首先需要建立防洪及雨洪资源利用水网的模型，准确模拟水网的水动力过程，为科学调度水网中的闸门、泵站等控制建筑物，高效利用雨洪资源服务。发明内容：

[0006] 为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法，更好的利用雨洪资源。

[0007] 为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

[0008] 一种城市河湖水网防洪及雨洪资源利用模型构建方法，包括：

[0009] 步骤1，获取目标区域的河流水系图片或矢量数据、河道断面测量数据、湖泊地形测量数据，对目标区域水网模型进行概化，提取典型河流和湖泊，生成河网文件；

[0010] 步骤2，根据收集的实测降雨、蒸发、风场数据，设定一维河道模型MIKE11和二维湖泊模型MIKE21的边界条件和模型参数；

[0011] 步骤3，获取水网中防洪保护对象的防洪标准等级需求，以及控制建筑物各参数，拟定已建或设定泵站、闸门控制建筑物的调度规则；

[0012] 步骤4，分别建立一维河道模型MIKE11和二维湖泊模型MIKE21，并在一维河道模型MIKE11和二维湖泊模型MIKE21的基础上建立水网地区MIKE FLOOD一维、二维水动力耦合模型；

[0013] 步骤5，利用已构建的MIKE FLOOD一维、二维水动力耦合模型，判断水网的防洪能力是否满足防洪要求，若否，则回到步骤2，若是，则进入步骤6，

[0014] 步骤6，依据步骤3所得确定水网控制建筑物各参数，依据步骤4确定模型。

[0015] 较佳地，边界条件包括：水网的水位、流量、降雨、蒸发、风场。

[0016] 较佳地，模型参数包括：河床糙率、河床阻力、水体密度、涡粘系数。

[0017] 较佳地，控制建筑物包括泵站、闸门

[0018] 较佳地，控制建筑物参数包括泵站、闸门的具体地理位置参数、设计参数、占地面积、调度规则。

[0019] 较佳地，泵站、闸门的地理位置参数包括坐标；泵站、闸门的设计参数包括闸底板高程、闸门孔数、宽度。

[0020] 较佳地，控制建筑物调度规则包括：

[0021] 利用泵站调度固城湖水位，在固城湖水位升高至固城湖警戒水位以上时，打开泵站，当固城湖水位降低至固城湖设防水位以下时，泵站关闭；当来水持续较大，泵站工作后水位仍不断上升，并且超过(目标区域50年一遇防洪标准水位+固城湖警戒水位)/2时，闸门打开辅助泄洪，当水位低于目标区域固城湖警戒水位时，关闭闸门。

[0022] 较佳地，判断水网的防洪能力是否满足防洪要求的具体方法包括：获取固城湖水文站实测水位数据，判断固城湖水位水文站实测水位数据是否低于预设防洪标准水位。

[0023] 较佳地，在判断水网的防洪能力是否满足防洪要求之后还包括判断水网的及雨洪资源利用效益是否满足设定需求，若否，则回到步骤2，若是，则进入步骤6；判断水网的及雨洪资源利用效益是否满足设定需求的方法包括：获取目标地区对水资源需求的缺口数据，获取新增的利用水量是否达到预设利用水量，预设利用水量为预先设定的人工经验参数。

[0024] 本发明的有益效果在于：在闸门、泵站的传统防洪排涝功能基础上，赋予雨洪资源调控的新功能。通过分别建立MIKE11一维河道模型和MIKE21二维湖泊模型，并在此基础上建立水网地区MIKE FLOOD一维、二维水动力耦合模型，综合考虑地区河流湖泊等水系条件、水资源状况和闸门、泵站等水工程调度功能等因素，优化水网地区闸门和泵站的调度方式，满足城市水网在保障防洪排涝安全的前提下，安全地、充分地利用雨洪资源。

附图说明

[0025] 图1为本发明实施例的方法流程图；

[0026] 图2为本发明实施例水位模拟结果对比分析图；

[0027] 图3为本发明实施例雨洪资源利用水网中的泵站抽排流量过程图(负值表示外排)；

[0028] 图4为本发明实施例雨洪资源利用水网中的闸门辅助外排流量过程图(负值表示外排)。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

[0030] 本实施例以某地区防洪及雨洪资源利用水网构建为实例进行详细说明。

[0031] 步骤1，收集研究区域的河流水系(图片或矢量数据)、河道断面测量数据、湖泊地形测量数据等基础数据，并使用ArcGIS地理信息系统对研究区域水网模型进行概化，提取典型河流和湖泊，并生成可供MIKE软件识别的.xyz文件，以导入MIKE软件生成河网文件；

[0032] 一般而言，研究收集到的河湖水网数据类型包括矢量数据、报告、表格、图片等，比较杂乱而庞大，研究以ArcGIS地理信息系统为主要技术手段，可视化交互处理收集到的多源河湖水网数据，提取包括地理信息的主要河流与湖泊有关数据，并生成可供MIKE软件识别的河网拓扑文件。本研究对高淳区概化的主要数据包括：1)水阳江干流、水碧桥河、官溪河、石固河、胥河，固城湖等河流湖泊文件及相关河道断面和湖泊水下地形、河床糙率数据；2)杨家湾闸、水碧桥闸、蛇山闸、黄泥闸、茅东闸的位置、闸底板高程、闸门孔数、宽度等设计参数；3)降雨、蒸发、径流量、水位、风速等有关水文气象数据。

[0033] 步骤2，根据收集的实测降雨、蒸发、风场数据，设定MIKE11和MIKE21模型中的边界条件和主要参数，边界条件为：水网的水位、流量、降雨、蒸发、风场、主要参数包括糙率、河床阻力、水体密度、涡粘系数等；其它未设定参数使用模型推荐的默认值；

[0034] 根据实测数据，设定固城湖的初始水位为9.5米；水碧桥河、官溪河、石固河、胥河与固城湖相连，在模型中设定为标准连接；降雨、蒸发、风场等边界条件基于2016年实测数据设定。模型中糙率取0.03，河床阻力取0.32m1/3/s，最大迭代次数取20，水体密度设为常数，涡粘系数取0.28，除了本实施例上述设置的参数外，其它参数均采用软件默认的参数。

[0035] 水阳江和石臼湖作为模型的外边界条件，其中水阳江根据调查实际情况分别设置为上游流量、下游水位边界，石臼湖做简化处理，设定为8米的固定水位边界。

[0036] 步骤3，根据目标地区实际情况，收集水网中防洪保护对象的防洪标准，以及泵站、闸门控制建筑物地理的位置(坐标)、规模、调度规则；根据水网地区防洪及雨洪资源利用的需求，拟定泵站、闸门等控制建筑物调度规则；

[0037] 所述调度规则包括：

[0038] 先利用泵站调度控制固城湖水位，在固城湖水位升高至固城湖警戒水位以上时，打开泵站，当固城湖水位降低至固城湖设防水位以下时，泵站关闭；

[0039] 当来水持续较大，泵站工作后水位仍不断上升，并且超过(50年一遇防洪标准水位+固城湖警戒水位)/2时，闸门打开辅助泄洪，当水位低于固城湖警戒水位时，闸门关闭。

[0040] 根据实际情况及研究需求，本实施例设定的控制建筑物包括四个闸门和两个泵站，其中四个闸门为水碧桥闸、杨家湾闸、蛇山闸、茅东闸；两个泵站为假定泵站，分别位于水碧桥河和官溪河上。

[0041] 本次研究为闸门和泵站设定的调度规则如下：在一般年份的汛期，仅利用两个泵站调控固城湖水位，当固城湖水位达到12米(固城湖警戒水位)时，泵站以20m3/s的抽排流量开始工作，当水位降低为11米(固城湖设防水位)以下时，泵站停止工作；在丰水年遇特大暴雨时，仅依靠泵站无法保障防洪安全，此时水碧桥闸、杨家湾闸打开辅助泄洪，即为当固城湖水位高于12.5米(即(50年一遇防洪标准水位+固城湖警戒水位)/2)时，闸门开启分泄洪水，当水位低于12米时，闸门关闭。蛇山闸和茅东闸在调度规则中均处于关闭状态。

[0042] 步骤4，分别建立MIKE11一维河道模型和MIKE21二维湖泊模型；并在此基础上建立水网地区MIKE FLOOD一维、二维水动力耦合模型；

[0043] 为对比分析，本次研究基于长系列降雨数据，在丰水年、平水年和枯水年分别建立了天然水网和雨洪资源利用水网两个水网模型，其中天然水网模型是不采取任何调度措施，维持水网的自然连通性模型(模型一)。雨洪资源利用水网模型是假设模型，目的是发挥高淳水网作为“城市水库”的功能，在保障地区防洪安全的前提下，蓄积汛期洪水资源为枯期城镇供水服务。

[0044] 步骤5，利用已构建的MIKE FLOOD模型，研究水网的防洪能力，要求水网的防洪能力可以保障地区的防洪安全(本例中需控制固城湖水位低于50年一遇防洪标准水位，即13米)；判断防洪能力是否满足要求，若否，则退回步骤2；

[0045] 本发明要求水网的防洪能力可以保障地区的防洪安全，本实施例要求控制固城湖水位低于50年一遇防洪标准水位，即13米。

[0046] 没有把判断方法描述出来，需要具体清楚的方法，例如：

[0047] 判断防洪能力是否满足要求的方法为：

[0048] 获取水文站实测水位数据；

[0049] 判断经过所述步骤3调度规则调控的固城湖水位水文站实测水位数据是否低于预设防洪标准水位；所述预设防洪标准水位为目标区域50年一遇防洪标准水位。50年一遇防洪标准水位根据当地客观条件，查询目标地区文件即可获得。

[0050] 首先分析天然水网的水位过程。由于天然水网没有控制建筑物调控水位，固城湖水位基本都由与之相连通的水阳江水位决定。如图2所示，天然水网水位在7月4日已经达到13.46米，超过了高淳50年一遇防洪标准的水位，对防洪保安不利。

[0051] 通过本发明设定的控制建筑物调度，在丰、平、枯水文年，水网的水位都控制在13米以下，可以保障防洪安全。雨洪资源利用水网中泵站和闸门的工作过程如图3和图4所示。

[0052] 步骤6，在防洪保安的前提下，定量分析水网的及雨洪资源利用效益；若效益不满足需求，则退回步骤2；

[0053] 与天然水网相比，在汛期结束时(本实施例为8月底)，雨洪资源利用水网可以保障固城湖水位维持在11米，而天然水网仅有9米，相差2米，对应的固城湖蓄水量相差5500万m3。这部分水量满足目前高淳区枯期用水要求。

[0054] 定量分析水网的及雨洪资源利用效益的方法为：

[0055] 获取目标地区对水资源需求的缺口数据，

[0056] 获取新增的利用水量是否达到预设利用水量，预设利用水量为预先设定的人工经验参数，一般由地方实际情况，水利部门设定，本实施例设定为5500万m3

[0057] 步骤7，提出研究区域水网的构建模式，重点包括新构建水网中泵站、闸门的地理位置、规模、调度规则；

[0058] 设定的控制建筑物包括四个闸门和两个泵站，其中四个闸门为水碧桥闸、杨家湾闸、蛇山闸、茅东闸；两个泵站为假定泵站，分别位于水碧桥河和官溪河上。

[0059] 本次研究为闸门和泵站设定的调度规则如下：在一般年份的汛期，仅利用两个泵站调控固城湖水位，当固城湖水位达到12米(固城湖警戒水位)时，泵站以20m3/s的抽排流量开始工作，当水位降低为11米(固城湖设防水位)以下时，泵站停止工作；在丰水年遇特大暴雨时，仅依靠泵站无法保障防洪安全，此时水碧桥闸、杨家湾闸打开辅助泄洪，即为当固城湖水位高于12.5米(即(50年一遇防洪标准水位+固城湖警戒水位)/2)时，闸门开启分泄洪水，当水位低于12米时，闸门关闭。蛇山闸和茅东闸在调度规则中均处于关闭状态。

[0060] 也即，若步骤3确定的的调度规则满足防洪要求和于洪资源利用要求，则采用步骤3拟定的调度规则。

[0061] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。