城市内涝与海绵城市规划设计中的水文水动力模拟

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【城市内涝水文水动力模型】

在城市排水防涝规划过程中，水文水动力耦合模型已经成为一种不可或缺的分析工具。在模型建立、城市内涝风险评估、排水系统性能诊断以及海绵城市规划等方面，内涝耦合模型提供了相应的模拟及分析工具：

1.1丰富的数据处理功能，兼容CAD、GIS数据格式：慧天排水数字化分析平台兼容多种主流GIS数据格式(shape、geodatabase、raster等）。

1.2 丰富的模拟结果展示功能：利用慧天排水数字化分析平台的一维模型计算结果，结合GIS丰富的渲染及制图能力，制作排水系统性能评价专题图。可根据一维模拟计算结果，提供丰富的结果查看功能。

1.3 城市内涝一维二维耦合模拟：利用慧天排水数字化分析平台实现城市内涝耦合模拟，给出地面内涝水体的淹没深度、流动方向、流动速度等模拟结果，并提供丰富的结果查看及统计分析功能。

1.4 采用CUDA框架实现耦合模型并行求解：使用GPU进行二维模型求解，显著提高模型求解效率。

1.5 模拟结果精确可靠：通过与主流耦合模拟软件模拟结果都对比，慧天排水数字化分析平台的城市内涝耦合模拟结果精度高，并且与实际内涝结果相吻合。

 (a)慧天排水数字化分析平台模拟结果  

             （b）主流耦合模拟软件模拟结果

以慧天排水数字化分析平台为基础工具开展科学研究，已发表多篇研究论文：

1.基于改进垂向流量交换的城市内涝模拟方法, 水科学进展, 2023,34(2): 218-226

2.基于弱耦合求解方法的排水管网底泥输运模拟, 同济大学学报(自然科学版),2020, 48(08): 1179-1187

3.基于CUDA架构的内涝一维二维耦合模型求解方法, 中国给水排水, 2020,36(17): 103-109

4.基于水力模型的城市排水系统评估与规划方法研究, 中国给水排水, 2016, (13): 136-139

5. Optimal Design of Combined Sewer Overflows Interception Facilities Based on the NSGA-III Algorithm, WATER, 2021,13(23)

第一数据准备及模型建立

通过标准化的步骤，利用CAD数据、GIS数据，在建模的不同阶段发挥不同软件的优势，实现高效的数据处理、准确的参数赋值、模型的快速建立。在不增加成本的情况下，利用常用的软件实现水力模型建模数据的生成与处理。

慧天排水兼容多种主流GIS数据格式(shape、geodatabase、raster等）。建模数据在GIS软件及慧天排水软件之间无缝切换，充分利用GIS软件及慧天软件各自的优势。

案例1.1建模数据的前处理

建模数据准备过程中，慧天排水[HTWATER]软件的数据前处理功能可以高效的对建模数据进行快速的生成与组织。极大提高模型数据准备效率。慧天排水

[HTWATER]软件的数据前处理功能可以实现：

（1）通过满足要求的管段数据自动生成节点；

（2）建立管网拓扑关系；

（3）读取节点地面高程；

（4）计算井底高程、井深；

（5）检查检查井异常数据并自动修正；

（6）按照流域进行汇水子面积划分；

（7）汇水子面积与出口节点自动关联。

案例1.2 一维模型快速建模方法

利用GIS数据实现城市排水系统一维模型(SWMM模型)的快速建模。通过对SWMM模型文件格式的分析，实现SWMM模型文件的快速编辑，从而快速的实现大规模管网模型的建立。

利用慧天排水数据导入功能可以通过指定源图层、源字段的方法将GIS数据导入慧天平台实现模型建立。并且慧天排水完全兼容SWMM模型,可以实现慧天排水模型与SWMM模型之间的格式转换。

第二城市内涝模拟与分析

城市内涝模拟与分析包括对于地下管网排水性能的分析以及地面内涝积水情况的分析两个主要方面，针对上述需求慧天排水数字化分析平台提供了丰富的模拟结果展示与分析功能。

案例2.1一维管网水力模拟

利用一维模拟结果，结合GIS丰富的渲染及制图能力，制作排水系统性能评价专题图。典型专题图包括：节点溢流色阶图、管段流速色阶图、管段应对重现期色阶图。直观展示排水系统问题所在以及规划方案实施效果。

慧天排水数字化分析平台可以实现一维模拟计算，并提供丰富的结果查看功能。

案例2.2 城市内涝一维二维耦合模拟

利用慧天排水数字化分析平台实现城市内涝一维二维耦合模拟计算，给出地面内涝水体的淹没深度、流动方向、流动速度等模拟结果。通过城市内涝一维二维耦合模拟结果，对城市内涝情况进行分析。

可对指定地块进行淹没深度统计分析，获得不同地块淹没深度的最大值、最小值、平均值、淹没总面积等数据的统计结果，支持自定义淹没深度面积统计。

可对淹没区域的淹没深度-时间变化曲线进行绘制。

可对指定淹没深度指定淹没时长的区域进行导出，方便进行内涝风险区的划分。

利用耦合模拟结果及GIS软件的制图功能，生成内涝淹没图及风险区划分图

第三海绵城市关键控制指标计算

利用慧天排水数字化分析平台建立面向海绵城市的水文、水动力模型，依据水量守恒原则计算地块的年径流控制率、污染物削减率。

案例3.1年径流总量控制率计算

一键获得模型整体及单个汇水子面积的年径流总量控制率计算结果。

案例3.2污染物削减率计算

一键获得模型整体及单个汇水子面积的污染物削减率计算结果。

第四其他功能

慧天排水系统分析平台提供了多种模型数据处理工具，可以方便的进行模型数据的拆分、简化、查询、编辑等操作。为灵活高效的使用模型提供了更加丰富的功能。

案例4.1管网拆分

通过选择节点将还有选中节点的最小网络导出为SWMM的 input文件。

案例4.2管网简化

简化方法分为两种:枝状管裁剪、串联管道合并。简化后的管网仍然可以恢复为原始管网，不会对原始管网数据造成破坏。如果管网进行了简化，则模拟计算均采用简化后管网进行模拟。简化后的管网可以恢复为原始管网，恢复后模拟计算均采用原始管网进行模拟。

案例4.3 SQL语句的使用

通过编辑SQL语句实现对数据的灵活选择与查询。

通过编辑SQL语句实现对管网数据的灵活修改。