管道流量数据缺乏地区SWMM参数率定方法研究及应用.pdf
《管道流量数据缺乏地区SWMM参数率定方法研究及应用.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《管道流量数据缺乏地区SWMM参数率定方法研究及应用.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第43卷第5期2023年10月水 文JOURNAL OF CHINA HYDROLOGYVol.43 No.5Oct.,2023管道流量数据缺乏地区SWMM参数率定方法研究及应用赵晨晨,刘成帅,孙悦,邬强,余燕杉,胡彩虹(郑州大学 水利科学与工程学院,河南 郑州 450001)摘 要:现有城市雨水管网流量实时监测资料的匮乏使城市雨洪模型模拟预报精度无法保证。本文以暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model,SWMM)为例,提出了矩体概化率定法,构建了郑州大学主校区的SWMM模型,并选取20170812和20210720两场观测降雨进一步评估其适用性。结果表明:模
2、型在率定期、验证期的模拟水深和实测水深的平均绝对误差分别为0.025 m、0.03 m;平均相对误差分别为3.65%、2.54%,故认为矩体概化率定法可以满足无资料地区城市雨洪模拟需求。研究成果对于管流资料缺乏地区的SWMM模型参数率定以及雨洪模拟与预警具有一定的实践意义,可为今后城市应对极端暴雨事件、暴雨内涝防治决策提供参考。关键词:城市雨洪;SWMM模型;参数率定;雨水管网中图分类号:P333.2;TV11 文献标识码:A 文章编号:1000-0852(2023)05-0027-060引言2021年7月17至22日,河南中部和北部普降大暴雨,此次暴雨天气过程具有持续时间长、累积雨量大、降水
3、强度大等特征,其中郑州单日降水量和小时降水量均打破当地历史极值记录1,给以郑州市为代表的区域城市群带来了极为严重的洪涝灾害。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次报告指出,随着人类活动增多、气候变化不断加剧,极端降雨事件也将变得更加频繁2,城市洪水快速预报预警也显得愈发重要3。面向新时期科学应对气候变化、防灾减灾和生态文明建设的新需求,迫切需要高效准确的城市洪涝预报方法。但由于我国现有城市雨水管网流量实时监测资料的匮乏,城市雨洪模型模拟预报精度无法保证。模型的参数率定是城市暴雨径流过程模拟的重要环节4,针对无实测管网流量数据地区的城市雨洪模型参数率定问题,以城市雨洪管理模型(Stor
4、m Water Management Model,SWMM)为例,刘兴坡(2009)5提出以经验径流系数为控制目标进行SWMM参数率定;张倩(2012)等6在北京地区从降雨径流总量以及降雨径流过程两方面验证了径流系数法的可行性;何福力(2015)等7同样运用径流系数法进行参数率定,分析了开封市不同雨型和重现期暴雨情景及不同城市化水平下的暴雨内涝情况。目前我国学者主要采用经验性率定方法进行无实测管网流量数据地区SWMM模型构建,但是缺少对物理机制的考虑,付潇然(2020)等8-9借助物理过程和降雨径流演变机理,提出将待模拟积水水体等效概化为圆锥体(在下文概括为“圆锥概化率定法”)的方法,从而在缺
5、乏管道流量资料的情况下达到模型率定的目的。该方法除充分考虑了降雨径流过程的物理机制外,参数率定的运算更为简便快捷,可操作性强,但是在特大暴雨情况下的应用有待进一步考证。通常在暴雨情况下,城市积水淹没主要集中DOI:10.19797/ki.1000-0852.20220223收稿日期:2022-04-30 网络首发日期:2023-10-20网络首发地址:https:/ 文第43卷在道路上,积水水体与矩体更为接近。因此,本研究通过理论推导提出了积水水体的“矩体概化率定法”,以郑州大学新校区为典型研究区,选用研究区内2场实测降雨事件中的4个常见积水点进行模型参数的率定和验证,并与“圆锥概化率定法”进
6、行对比,进一步评估大暴雨条件下管网运行状况,为城市今后应对大暴雨事件、城市暴雨内涝防治提供决策参考。1方法介绍1.1SWMM简介Storm Water Management Model(SWMM)是美国环境保护署1971年开发的城市水系统综合模拟模型10,主要用于城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟,地表产汇流、管网水动力学等是其主要的功能模块。本研究中,产流计算模块控制方程采用Horton下渗公式;地表汇流计算是将每个子汇水区概化为非线性水库;管网汇流计算中选用应用效果最好的动力波法,基于完整的一维圣维南(St.Vennat)流量方程进行求解。1.2矩体概化率定法SWMM模拟城市雨洪时
7、,在雨水井和管道全部充满的情况下会把雨水井上方当作无穷大的“水箱”存储积水。在缺乏管道流量资料的情况下,付潇然等9将待模拟的积水水体等效概化为圆锥体,通过推导得出积水点实测最大淹没水深和模拟最大径流深之间的转换关系进行SWMM参数率定。但在大暴雨情况下,城市路面积水水体更接近为矩体。因此,为了更好地模拟积水形态,本文提出矩体概化率定法将积水水体概化为矩体,如图1所示,并与“圆锥概化率定法”进行对比,验证应用效果。使用矩体概化率定法时,积水点实测淹没水深和模拟的积水点总径流量之间的转换关系为:V=Shs(1)式中:V为模拟积水量,m;hs为模拟积水深,m;下文中出现的hm为积水点实测淹没水深,m
8、;S为概化矩体的底面积,m2。V=W-t1t2Qtdt(2)式中:W为降水径流总量,m;Qt为t时刻对应的管道排水流量,m/s。由(1)和(2)式可得:hs=W-t1t2QtdtS(3)1.3模型评价指标选用最大积水深绝对误差(AEh)和相对误差(REh)2个指标进行模型评价,如下:AEh=|hs-hm|(4)REh=|hS-hmhm|100%(5)式(4)(5)中:hs为模拟积水深,m;hm为实测淹没水深,m。2模型构建2.1研究区选择本文以郑州大学主校区为研究区域,南北长约2 100 m,东西宽约1 100 m,面积约2.4 km,汛期内涝现象严重。研究区地形东南高、西北低,整体建筑格局和
9、排水管网呈网格化规则分布,这对模型的子汇水区划分与管网概化十分有利。选取a、b、c、d四个常见的积水地点用来模型参数率定,如图2所示。图1SWMM模型无管道流量资料模型率定方法原理示意图Fig.1Schematic diagram of model calibration method using SWMM model for areas lacking pipeline flow data28第5期赵晨晨等:管道流量数据缺乏地区SWMM参数率定方法研究及应用2.2数据处理及模型概化构建SWMM模型需要的数据包括降雨、流量、积水信息、土地利用类型、雨水管网等。降雨、流量数据及积水信息通过实地观
10、测所得,时间间隔为10分钟,其中选取20170812场次雨洪数据进行参数率定,20210720场次雨洪数据进行模型验证;DEM数据来自地理空间数据云(http:/ m,见图3(a);土地利用数据通过实地考察和卫星图像目视解译所得,见图3(b),共分为建筑、道路、绿地和水体4类;雨水管网相关数据由郑州大学相关部门提供,见图2。模型概化主要为子汇水区划分概化11。首先叠加研究区自然属性和社会属性,分析地形和汇流特征,确定排水片区,以排水管网干管及主干道路分布为划分框架;其次控制子汇水区的数量和空间尺度,即管段数和节点数与子汇水区数量的比例大多在0.6到1.4之间12;最后在划分框架和基本空间尺度范
11、围内绘制子图3研究区的(a)DEM、(b)土地利用类型以及(c)模型概化Fig.3(a)DEM,(b)land use type and(c)model generalization in the study area图2研究区位置和排水管网示意图及选定的积水点分布Fig.2The location of study area and the schematic diagram of drainage pipe network and the distribution of selected water accumulation points29水 文第43卷汇水区。经过模型概化,研究区共概化
12、为76个子汇水区、370条管道、370个人孔(雨水井)、1个排水口,如图3(c)所示。3结果与讨论3.1模型率定与验证SWMM模型中参数可分为确定性参数和不确定性参数13,确定性参数可以通过对已有的资料进行技术处理得到,如子汇水区的面积、特征宽度、平均坡度、不透水率等。不确定性参数则需要通过率定得到。根据参考文献14可知,研究区SWMM模型不确定性参数中不透水区曼宁系数(NI)、透水区曼宁系数(NP)、不透水区洼蓄量(DI)、透水区洼蓄量(DP)等4个参数为敏感参数,故本研究中只对这四个参数进行率定。结合SWMM用户手册确定参数大致取值范围,根据20170812场次暴雨积水信息进行反复调试,直
13、至模拟水深hs和实测水深hm的值最为接近,最终得到SWMM模型的参数值,见表1。参数率定后得到选定积水点的径流深变化过程如图4(a)所示,并对各积水点的实测水深hm和模拟水深hs进行比较,结果如表2所示,a,b,c,d四个积水点的模拟水深均小于观测水深,AEh范围在0.020.03 m,平均误差为0.025 m;REh范围为3.33%4.00%,平均误差为3.65%,观测值与模拟值的相对误差REh小于20%5,故认为模型率定模拟结果精度较好。选用20210720场次降雨进行模型验证,得到选定的积水点的模拟径流深过程如图4(b)所示,验证指标统计结果见表3。矩体概化率定法验证的AEh范围为0.0
14、10.07 m,平均误差为0.03 m;REh的绝对值不超过 6.00%,平均误差为 2.54%,故认为验证模拟精度较好。为了进一步验证模型的可靠性,将矩体概化率定法与圆锥概化率定法模拟所得到的积水点水深进行对比。经计算,圆锥概化率定法的绝对误差 AEh范围0.050.07 m,平均误差为0.05 m;相对误差REh不超过7.00%,平均误差为5.39%。从20210721场次暴雨的4个积水点的平均模拟误差来看,矩体概化率定法比圆锥概化率定法的 AEh小 0.02 m、REh小 2.85%。表2积水点的模拟水深和实测水深的对比Table 2Comparison of simulated wat
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 管道 流量 数据 缺乏 地区 SWMM 参数 方法 研究 应用
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。