基于城市下凹式立交橋區DEM的流域匯水范圍制作方法技術

本發明專利技術涉及一種基于城市下凹式立交橋區DEM的流域匯水范圍制作方法，屬于市政工程技術領域。其構造過程涉及：以初始的城市下凹式立交橋區匯水流域高精度DEM為初始輸入；利用二維圣維南方程對立交橋區進行二維地表漫流模型演算；根據重新定義了基于柵格單元流量的單流向法D8法確定柵格單元水流方向；不斷擴大計算范圍，利用試算外包線找尋不同暴雨情景下城市下凹式立交橋區匯水流域范圍；實現了不同暴雨情景下，下凹式立交橋區匯水流域范圍實時動態變化的計算機過程模擬，形象、真實、直觀且準確。由于下凹式立交橋內澇積水災害頻發，該方法能夠為構建下凹式立交橋改造及規劃設計模型提供數據依據，因此，本方法具有很好的應用前景。

【技術實現步驟摘要】
基于城市下凹式立交橋區DEM的流域匯水范圍制作方法
本專利技術涉及一種基于城市下凹式立交橋區DEM的流域匯水范圍制作方法，屬于市政工程

技術介紹
我國目前城市內澇災害頻發，尤其是城市下凹式立交橋區，在強降雨中發生嚴重積水導致交通堵塞甚至癱瘓。由于城市下凹式立交橋所處地理位置的重要性以及其排水設施的特殊性，必須在規劃設計層面上綜合考慮制定科學的設計方案，綜合解決城市內澇問題。研究發現城市下凹式立交橋匯水區域在低重現期暴雨條件下一般是低匯水區域的暴雨徑流進入排水泵站，而在高重現期暴雨條件下一般是低匯水區域加上部分高區的暴雨徑流進入排水泵站，所以構造城市下凹式立交橋區內澇模型具有一定復雜性。為了科學分析城市下凹式立交橋區產生內澇災害的原因，需要通過構建不同暴雨情景下城市下凹式立交橋區內澇模型，以便分析城市下凹式立交橋區的內澇災害風險和提出解決策略。構建不同暴雨情景下城市下凹式立交橋區內澇模型需要城市下凹式立交橋所處地理位置的低匯水區和高匯水區不同匯水范圍的地表高程數字模型（DEM）作為輸入信息。一般在建模過程中，橋區低匯水區1:500測繪地形圖可以提供，但涉及到高匯水區時，1:500測繪地形圖需要采購，本方法采用試算的方法確定高匯水區匯水范圍，減少了盲目采購高區1:500測繪地形圖的數量，節約了成本。城市下凹式立交橋屬于城市特別重要的地區，傳統的橋區匯水流域劃定方法無法滿足城市下凹式立交橋應對突發暴雨的能力要求，因為在不同暴雨情景下，城市下凹式立交橋區匯水流域范圍是一個動態變化的過程，只有準確掌握不同暴雨情景下城市下凹式立交橋區匯水流域范圍，才能更好地構建城市立交橋改造工程規劃設計水力模型。
技術實現思路
針對上述問題，為了準確掌握不同暴雨情景下城市下凹式立交橋區匯水流域范圍，本專利技術涉及一種基于城市下凹式立交橋區DEM的流域匯水范圍制作方法，用來指導城市下凹式立交橋區匯水流域劃分。本專利技術以橋區周圍高精度DEM為分析對象，旨在用計算機實現對不同暴雨情景下城市下凹式立交橋區匯水流域范圍的劃定，并能對現狀橋區設計方案進行評估，實時的模擬下凹式立交橋區匯水流域范圍的動態變化，為城市下凹式立交橋區匯水流域范圍的確定提供更為真實、直觀的方法。該方法以初始的城市下凹式立交橋區匯水流域高精度DEM為初始輸入；利用二維圣維南方程對立交橋區進行二維地表漫流模型演算；根據重新定義了基于柵格單元流量的單流向法D8法確定柵格單元水流方向；不斷擴大計算范圍，利用試算外包線找尋不同暴雨情景下城市下凹式立交橋區匯水流域范圍；實現了不同暴雨情景下，下凹式立交橋區匯水流域范圍實時動態變化的計算機模擬過程，形象、真實、直觀且準確。由于下凹式立交橋內澇積水災害頻發，該方法能夠為構建下凹式立交橋改造及規劃設計模型提供數據依據，因此，本方法具有很好的應用前景。本專利技術的技術方案如下：一種基于城市下凹式立交橋區DEM的流域匯水范圍制作方法，其特征在于：所述方法具體步驟如下：一種基于城市下凹式立交橋區DEM的流域匯水范圍制作方法，其特征在于：所述方法具體步驟如下：（1）根據1:500測繪地形圖，制作橋區高精度DEM，高精度DEM即數字地面高程模型:網格精度不低于5m×5m，橋區設計低區網格精度不低于1m×1m；具體步驟如下：根據《室外排水設計規范》和下凹式立交橋周邊基礎測繪地形圖，參考原始設計文件，可以確定下凹式立交橋區低區的匯水流域。在此基礎上將圍繞下凹式立交橋區低區的匯水流域周邊擴充1個測繪單元，即：將1∶500（50cm×50cm正方形圖幅）數字地形圖擴充到原來的匯水流域中，制作成初始的橋區高精度DEM。（2）根據初始的橋區高精度DEM，計算二維地表漫流，進行流向分析，實現計算機智能劃定匯水流域。按以下步驟進行：（2.1）根據步驟（1）制作得來的地形柵格數據，利用設計降雨進行二維地表漫流計算得出每個柵格流量值和水深，用二維圣維南方程描述城市雨水地面徑流過程：式中：h為網格型心處水深，m；u為x方向流速，m/s；v為y方向流速，m/s；cf為阻力系數。（2.2）用改進單流向法D8法，基于步驟（2.1）計算得出的每個柵格對應的流量值和水深值，進行地表二維模型流向分析。改進單流向法D8法定義其中心柵格與各相鄰柵格間的權落差為該步長t的流量權落差（即柵格中心點距離落差加上柵格水深落差，除以柵格中心點之間的距離），取流量權落差最大的柵格為中心柵格的流出柵格即水流的流向是通過計算中心格網與鄰域格網的最大流量權落差來確定。（2.3）根據外包線找尋算法劃定橋區匯水流域范圍，具體步驟如下：（2.3.1）根據地形數據手動圈出橋區下凹區域。（2.3.2）根據步驟（2.2）中的流向分析，繼而選中該步長下所有流向步驟（2.3.1）圈定柵格的柵格單元。（2.3.3）根據外包線找尋算法，找尋步驟（2.3.2）中所有選定柵格中心點的外包線。（外包線不經過格柵最外圍的柵格即為找到流域邊界）（3）如果經過步驟（2）找到流域范圍邊界，該流域范圍邊界即為該降雨下的匯水流域范圍邊界。如果經過步驟（2）未找到流域邊界，則對未找到流域邊界單元向外順延一個測繪單元，依次類推循環，直到找到對應設計降雨情境下對應的橋區匯水流域范圍。（4）在不同暴雨情景下，循環步驟（2）、步驟（3）對城市下凹式立交橋區進行模擬，分別得到其相應的匯水流域范圍。（5）根據橋區設計重現期要求，選取與設計重現期相對應的匯水流域范圍。與現有技術相比，本專利技術具有以下優點：（1）計算機實現城市下凹式立交橋區匯水流域的自動劃分，避免了人工經驗方法的不確定性和復雜的人工操作；（2）可以在不同設計重現期降雨情境下，得到其相應的橋區匯水流域范圍，便于參照和分析；（3）既可以用來校核現狀橋區匯水流域范圍，也可以為規劃設計橋區匯水流域范圍劃分提供依據，有利于構建下凹式立交橋區規劃設計水力模型。附圖說明圖1是本專利技術基于城市下凹式立交橋區DEM的流域匯水范圍制作方法示意圖。圖2改進單流向法D8法示意圖。具體實施方式如圖1所示，本專利技術基于城市下凹式立交橋匯水區DEM的高匯水區匯水范圍制作方法，具體步驟如下：（1）根據1:500測繪地形圖，制作橋區高精度DEM。具體步驟如下：根據《室外排水設計規范》和下凹式立交橋周邊基礎測繪地形圖，參考原始設計文件，可以確定下凹式立交橋區低區的匯水流域。在此基礎上將圍繞下凹式立交橋區低區的匯水流域周邊擴充1個測繪單元，即：將1∶500（50cm×5本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于城市下凹式立交橋區DEM的流域匯水范圍制作方法，其特征在于：所述方法具體步驟如下：?（1）根據1:500測繪地形圖，制作橋區高精度DEM，高精度DEM即數字地面高程模型:網格精度不低于5m×5m，橋區設計低區網格精度不低于1m×1m；具體步驟如下：?根據《室外排水設計規范》和下凹式立交橋周邊基礎測繪地形圖，參考原始設計文件，確定下凹式立交橋區低區的匯水流域；?在此基礎上將圍繞下凹式立交橋區低區的匯水流域周邊擴充1個測繪單元，即：將1∶500數字地形圖擴充到原來的匯水流域中，制作成初始的橋區高精度DEM；?（2）根據初始的橋區高精度DEM，計算二維地表漫流，進行流向分析，實現計算機智能劃定匯水流域；按以下步驟進行：?（2.1）根據步驟（1）制作得來的地形柵格數據，利用設計降雨進行二維地表漫流計算得出每個柵格流量值和水深，用二維圣維南方程描述城市雨水地面徑流過程：?式中：h為網格型心處水深，m；u為x方向流速，m/s；v為y方向流速，m/s；cf為阻力系數；?（2.2）用改進單流向法D8法，基于步驟（2.1）計算得出的每個柵格對應的流量值和水深值，進行地表二維模型流向分析；?改進單流向法D8法定義其中心柵格與各相鄰柵格間的權落差為該步長t的流量權落差；改進單流向法D8即柵格中心點距離落差加上柵格水深落差，除以柵格中心點之間的距離；取流量權落差最大的柵格為中心柵格的流出柵格即水流的流向是通過計算中心格網與鄰域格網的最大流量權落差來確定；改進后的單流向法D8法基于高程疊加后的柵格進行流向分析；?（2.3）根據外包線找尋算法劃定橋區匯水流域范圍，具體步驟如下：?（2.3.1）根據地形數據手動圈出橋區下凹區域；?（2.3.2）根據步驟（2.2）中的流向分析，繼而選中該步長下所有流向步驟（2.3.1）圈定柵格的柵格單元；?（2.3.3）根據外包線找尋算法，找尋步驟（2.3.2）中所有選定柵格中心點的外包線；外包線不經過格柵最外圍的柵格即為找到流域邊界；?（3）如果經過步驟（2）找到流域范圍邊界，該流域范圍邊界即為該降雨下的匯水流域范圍邊界；如果經過步驟（2）未找到流域邊界，則對未找到流域邊界單元向外順延一個測繪單元，依次類推循環，直到找到對應設計降雨情境下對應的橋區匯水流域范圍。...

【技術特征摘要】
1.一種基于城市下凹式立交橋區DEM的流域匯水范圍制作方法，其特征在于：所述方法具體步驟如下：(1)根據1:500測繪地形圖，制作橋區高精度DEM，高精度DEM即數字地面高程模型:網格精度不低于5m×5m，橋區設計低區網格精度不低于1m×1m；具體步驟如下：根據《室外排水設計規范》和下凹式立交橋周邊基礎測繪地形圖，參考原始設計文件，確定下凹式立交橋區低區的匯水流域；在此基礎上將圍繞下凹式立交橋區低區的匯水流域周邊擴充1個測繪單元，即：將1∶500數字地形圖擴充到原來的匯水流域中，制作成初始的橋區高精度DEM；(2)根據初始的橋區高精度DEM，計算二維地表漫流，進行流向分析，實現計算機智能劃定匯水流域；按以下步驟進行：(2.1)根據步驟(1)制作得來的地形柵格數據，利用設計降雨進行二維地表漫流計算得出每個柵格流量值和水深，用二維圣維南方程描述城市雨水地面徑流過程：式中：h為網格型心處水深，m；u為x方向流速，m/s；v為y方向流速，m/s；cf為阻力系數；(2.2)用改進單流向法D8法，基于步驟(2.1)計算得出的每個柵格對應的流量值...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周玉文，趙見，劉子龍，王宏利，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：北京;11