一種地面集水時間的計算方法
【專利摘要】一種地面集水時間的計算方法，屬于一種市政給排水工程、水利工程和水土保持工程領域地面集水時間的計算方法。該方法依次包括如下步驟：1、基于區(qū)域的DEM圖，劃分N個雨水匯水區(qū)域；2、計算并選取雨水匯水區(qū)域i的地面平均坡度Si，最大集水距離Li(m)；3、雨水匯水區(qū)域流線上流態(tài)的劃分；4、地表設計參數(shù)的選??；5、計算地面集水時間。該計算方法物理意義明確，計算步驟系統(tǒng)條理，計算速度快，參數(shù)容易獲取，充分考慮了不同地區(qū)、不同地形地貌、地表覆蓋和地表粗糙度對地面集水時間的影響，并提出了復雜情況下的解決方案。該計算方法可用于室外雨水管渠系統(tǒng)、防洪工程和水土保持工程的設計規(guī)劃，對現(xiàn)有的工程進行評估，以及改擴建方案的規(guī)劃設計。
【專利說明】一種地面集水時間的計算方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種室外雨水管渠系統(tǒng)、防洪工程和水土保持工程設計中地面集水時間的計算方法，用于市政給排水工程、水利工程和水土保持工程設計中的計算方法。

【背景技術】
[0002]近年來，國內很多城市頻發(fā)城市內澇災害事件，在汛期遭到暴雨襲擊后，城市雨水排水系統(tǒng)癱瘓，我國雨水管渠系統(tǒng)和防洪工程的設計方法面臨著嚴重考驗，設計標準和方法需要進一步修訂、完善和提標?；谑姓潘到y(tǒng)和城市防洪工程的相關的設計方法的研究一直是該領域的研究重點，如發(fā)明專利“一種基于DEM的匯水區(qū)降雨積水深度的計算方法”，申請?zhí)?01210420043.6 ;發(fā)明專利“城市設計暴雨計算方法”，申請?zhí)?01210190613.7 ;發(fā)明專利“一種LID型雨水溝渠及其設計計算方法”，申請?zhí)?01310555523.8。
[0003]《室外排水設計規(guī)范》(GB50014-2006，2014版)對雨水管渠系統(tǒng)設計方法的修訂包括:對于匯水面積小于2km2，采用推理公式法計算雨水設計流量；當匯水面積超過2km2時，宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網匯流過程，采用數(shù)學模型法計算雨水設計流量；提高了雨水管渠的設計重現(xiàn)期標準；取消折減系數(shù)m等。
[0004]但現(xiàn)有規(guī)范對地面集水時間的規(guī)定，卻依然沒有變化，即:根據(jù)國內資料，地面集水時間采用的數(shù)據(jù)，大多不經計算，按經驗確定。在地面平坦、地面種類接近、降雨強度相差不大的情況下，地面集水距離是決定集水時間長短的主要因素；地面集水距離的合理范圍是50m?150m,米用的集水時間為5min?15min。
[0005]當匯水面積達到2km2時，按照正方形及90度扇形匯水形狀計算，流線可以達到2000m及1596m，與規(guī)范條文“地面集水距離的合理范圍是50m?150m”產生了一定的沖突。因此，當匯水面積較大，集水距離超過150m時，規(guī)范并沒有給出一個合理的地面集水時間的計算方法，盲目的選擇集水時間5min?15min,會導致推理公式法的錯誤使用。此外，當?shù)孛婕嚯x為50m?150m，設計者對于推薦的地面集水時間的選擇沒有依據(jù)，這主要由于我國沒有相關的計算方法。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是要提供一種計算可靠，精度較高，有利于工程設計人員使用的地面集水時間計算方法，解決我國地面集水時間計算方法的空白和取值不確定性的技術問題。
[0007]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用下述技術方案實現(xiàn)，包括以下步驟:
[0008]步驟1、基于區(qū)域的DEM圖，劃分N個雨水匯水區(qū)域；對于雨水匯水區(qū)域i，其匯水面積Ai;i = I, 2,...N, AiUkm2,選擇設計地區(qū)兩年一遇的24小時降雨量P,單位mm,確定最長集水流線；
[0009]步驟2、計算并選取雨水匯水區(qū)域i的地面平均坡度Si,最大集水距離Li(Hi);其中最大集水距離的選擇依據(jù)有地形、坡度、匯水區(qū)域形狀，一般應不大于1600m，最大不得大于2000m ；
[0010]步驟3、雨水匯水區(qū)域流線上流態(tài)的劃分；當Li彡90m,則流線上Xi處為片流；當LiMOm,則流線上Xi處為片流，O彡XZ90 ;當LiMOm,則流線上Xi處為淺水集中流，90 彡 X^Li ；
[0011 ] 步驟4、地表設計參數(shù)的選?。划擫i彡90m時，根據(jù)地表覆蓋情況，選取發(fā)生片流的地表曼寧系數(shù)Iii ;當LiWOm時，分別選取發(fā)生片流的地表曼寧系數(shù)Iii和發(fā)生淺水集中流的區(qū)域地表情況系數(shù)Ki;
[0012]步驟5、計算地面集水時間h = tn+t12 (min)；
[0013]當Li < 90m,
[0014]t,=tn+tu= ,y
[0015]當LiWOm,

5.476(90/;.)0?< 0.0547( L —90)
[0016]=W,產 y +^
[0017]式中:參數(shù)P為設計地區(qū)的兩年一遇的24小時降雨量，mm ;參數(shù)Si為地面平均坡度；參數(shù)Li最大集水距離，m ;參數(shù)Iii為發(fā)生片流的地表曼寧系數(shù)；參數(shù)Ki為發(fā)生淺水集中流的區(qū)域地表情況系數(shù)；
[0018]用于室外雨水管渠系統(tǒng)、防洪工程和水土保持工程的設計規(guī)劃時，參數(shù)Spni和Ki的選擇宜考慮20年規(guī)劃期內的最不利情況。
[0019]具體的:
[0020]1、所述的步驟I中，P的選擇應該參考當?shù)刭Y料或國家氣象局資料，若資料缺失，可考慮選擇相近城市的資料。
[0021]2、所述的步驟I中，如果雨水匯水區(qū)域i的地形、地表覆蓋、地表粗糙度非常復雜，則考慮在區(qū)域i上選擇不同的集水流線進行分析，以確定最不利情況下的地面集水時間。
[0022]3、所述的步驟2中，當?shù)匦吻闆r較復雜時，參數(shù)Si為地表坡度的加權平均值，宜采用面積加權平均值；
[0023]4、所述步驟4中，當?shù)乇砀采w情況較復雜時，參數(shù)IipKi為加權平均值，宜采用面積加權平均值。
[0024]5、所述的步驟5中，對于存在明渠的防洪系統(tǒng)，地面集水時間h應包括進入雨水系統(tǒng)前，雨水在明渠中的流動時間t13 ；
t I: _ ? _ n 'L
[0025]V R'S、 R\S'2

n
[0026]上式使用曼寧公式來估計平均流速，按滿流計算；式中V為平均流速，m/s ；R為水力半徑，m;S’為明渠的平面坡度；L’為雨水在明渠中的流動距離，m;n’為明渠內的曼寧粗糙系數(shù)。
[0027]有益效果，由于采用了上述方案，本發(fā)明計算方法物理意義明確，計算步驟系統(tǒng)條理，計算速度快，計算參數(shù)容易獲取，充分考慮了不同地區(qū)、不同地形地貌、地表覆蓋和地表粗糙度對地面集水時間的影響，并提出了復雜地形、地表覆蓋和地表粗糙度情況下的解決方案。
[0028]本發(fā)明計算方法可以用于室外雨水管渠系統(tǒng)、防洪工程和水土保持工程的設計規(guī)劃，對現(xiàn)有的工程進行評估，以及改擴建方案的規(guī)劃設計。同時解決了集水距離超過150m時規(guī)范中地面集水時間選擇的空白，和地面集水距離為50m?150m時地面集水時間的選擇沒有依據(jù)兩個問題。
[0029]本發(fā)明的計算結果可基于GIS實現(xiàn)可視化，計算得到的地面集水時間結果以地形化的形式標注于每個地理柵格，使用不同的顏色進行渲染，以用于分析復雜區(qū)域的情況。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的地面集水時間計算方法的流程圖。
[0031]圖2為本發(fā)明對哈爾濱市不同集水距離情況下的地面集水時間的計算結果。
[0032]圖3為本發(fā)明對上海市不同集水距離情況下的地面集水時間的計算結果。

【具體實施方式】
[0033]下面結合實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述，來說明本發(fā)明的具體實施步驟和效果。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0034]包括以下步驟:
[0035]步驟1、基于區(qū)域的DEM圖，劃分N個雨水匯水區(qū)域；對于雨水匯水區(qū)域i，其匯水面積Ai;i = I, 2,...N, AiUkm2,選擇設計地區(qū)兩年一遇的24小時降雨量P,單位mm,確定最長集水流線；
[0036]步驟2、計算并選取雨水匯水區(qū)域i的地面平均坡度Si,最大集水距離Li(Hi);其中最大集水距離的選擇依據(jù)有地形、坡度、匯水區(qū)域形狀，一般應不大于1600m，最大不得大于2000m ；
[0037]步驟3、雨水匯水區(qū)域流線上流態(tài)的劃分；當Li ( 90m，則流線上Xi處為片流；當LiMOm,則流線上Xi處為片流，O彡XZ90 ;當LiMOm,則流線上Xi處為淺水集中流，90 彡 X^Li ；
[0038]步驟4、地表設計參數(shù)的選取；當Li ( 90m時，根據(jù)地表覆蓋情況，選取發(fā)生片流的地表曼寧系數(shù)Iii ;當LiWOm時，分別選取發(fā)生片流的地表曼寧系數(shù)Iii和發(fā)生淺水集中流的區(qū)域地表情況系數(shù)Ki;
[0039]步驟5、計算地面集水時間h = tn+t12 (min)；
[0040]當Li < 90m,

5.476(",L,.)?卞
[0041]=^1,+^12= ρο,^0.4
[0042]當Li^Om,

5.476(90",.)°s 0.0547( L -90)
[0043]t,=^+^=.+ ^L
[0044]式中:P為設計地區(qū)的兩年一遇的24小時降雨量，mm 為地面平均坡度Ai最大集水距離，m ；η,為發(fā)生片流的地表曼寧系數(shù)屯為發(fā)生淺水集中流的區(qū)域地表情況系數(shù)。
[0045]具體的:
[0046]1、設計參數(shù)的選擇；P的選擇應該參考當?shù)刭Y料或國家氣象局資料，若資料缺失，可考慮選擇相近城市的資料；當?shù)匦吻闆r較復雜時,Si為地表坡度的加權平均值；當?shù)乇砀采w情況較復雜時，IipKi為加權平均值；正常時，采用面積加權平均值；
[0047]2、如果雨水匯水區(qū)域i的地形、地表覆蓋、地表粗糙度非常復雜，則可以考慮在區(qū)域i上選擇不同的集水流線進行分析，以確定最不利情況下的地面集水時間；
[0048]3、當用于室外雨水管渠系統(tǒng)或防洪工程的設計規(guī)劃時，Sp Hi和Ki參數(shù)的選擇宜考慮20年規(guī)劃期內的最不利情況；
[0049]4、對于存在明渠的防洪系統(tǒng)，地面集水時間h應包括進入雨水系統(tǒng)前，雨水在明渠中的流動時間t13 ；
L L nL
f — — — _ — _
「 π 13 _ T/ _ 2 I — 2 I
_0]R'S、 R'S.2

η
[0051]上式使用曼寧公式來估計平均流速，按滿流計算；式中V為平均流速，m/s ;R為水力半徑，m;S’為明渠的平面坡度；L’為雨水在明渠中的流動距離，m;n’為明渠內的曼寧粗糙系數(shù)。
[0052]采用上述計算方法對我國哈爾濱和上海，不同地表覆蓋，不同集水距離情況下的地面集水時間進行計算。
[0053]上海和哈爾濱兩年一遇的24h降雨量分別為100和59mm。假設匯水面積可以達到臨界值2km2時，坡度計算范圍為0.001?0.5，按照90度扇形匯水形狀計算，集水距離可達1596m。片流時，曼寧系數(shù)分別取0.011和0.15兩種情況；淺水集中流時，按地面鋪徹進行考慮，Ki = 20.33。
[0054]圖2和圖3分別為哈爾濱市和上海市不同集水距離情況下的地面集水時間的計算結果。從圖中可以看出，對同一城市來說，地表平均坡度越大，地面集水時間越短；地表曼寧系數(shù)越大，地面集水時間越長；兩年一遇的24h降雨量越大,地面集水時間越短。由此可知，本發(fā)明的計算方法，很好的考慮了地形、地表覆蓋、地表粗糙度、不同城市暴雨類型對地面集水時間的影響。
[0055]在50 — 150m的集水距離范圍內(圖中矩形方框)，該發(fā)明提供了地面集水時間的選擇依據(jù)；在集水距離超過150m時，該發(fā)明提供了地面集水時間的計算參考值。此外，《室外排水設計規(guī)范》(GB50014-2006，2014版)的條文“地面集水距離的合理范圍是50m?150m,采用集水時間為5min?15min”的規(guī)定,從本實施例中也反映出了該條文的不確定性。
[0056]從上述實施例可以看出，本發(fā)明為不同地形、地表覆蓋、地表粗糙度、城市暴雨類型情況下，提供了一種地面集水時間的計算方法，并提出了復雜地形、地表覆蓋和地表粗糙度的情況下的解決方案。
[0057]應當指出，對于工程設計人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，可以做出若干改進或變形，這些改進或變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種地面集水時間的計算方法，其特征是:包括如下步驟: 步驟1、基于區(qū)域的DEM圖，劃分N個雨水匯水區(qū)域；對于雨水匯水區(qū)域i，其匯水面積Ai ；i = 1，2，...N, AiUkm2,選擇設計地區(qū)兩年一遇的24小時降雨量P,單位mm,確定最長集水流線； 步驟2、計算并選取雨水匯水區(qū)域i的地面平均坡度Si,最大集水距離L1n);其中最大集水距離的選擇依據(jù)有地形、坡度、匯水區(qū)域形狀，一般應不大于1600m，最大不得大于2000m ； 步驟3、雨水匯水區(qū)域流線上流態(tài)的劃分；當Li ( 90m,則流線上Xi處為片流；當LiMOm,則流線上Xi處為片流，O彡XZ90 ;當LiMOm,則流線上Xi處為淺水集中流，90 ≥ X^Li ； 步驟4、地表設計參數(shù)的選?。划擫i < 90m時，根據(jù)地表覆蓋情況，選取發(fā)生片流的地表曼寧系數(shù)Iii ;當LiMOm時，分別選取發(fā)生片流的地表曼寧系數(shù)Iii和發(fā)生淺水集中流的區(qū)域地表情況系數(shù)Ki ； 步驟5、計算地面集水時間= tn+t12(min)；
當 Li < 90m,

5.476(/?/Z,)"X
1I ~ 1U Ti12 - 尸0 5 $ 0 4
當 LiWOm,
5.476(90",.)as 0.0547(L -90) f — f 4- t —_-____1----1__ I Π 12pO,5SOAKS0.5
II I 式中:參數(shù)P為設計地區(qū)的兩年一遇的24小時降雨量，mm;參數(shù)Si為地面平均坡度；參數(shù)Li最大集水距離，m;參數(shù)Iii為發(fā)生片流的地表曼寧系數(shù)；參數(shù)Ki為發(fā)生淺水集中流的區(qū)域地表情況系數(shù)； 用于室外雨水管渠系統(tǒng)、防洪工程和水土保持工程的設計規(guī)劃時，參數(shù)Spni和Ki的選擇宜考慮20年規(guī)劃期內的最不利情況。
2.如權利I要求所述的一種地面集水時間的計算方法，其特征在于，所述步驟I中，參數(shù)P的選擇參考當?shù)刭Y料或國家氣象局資料，若資料缺失，或考慮選擇相近城市的資料。
3.如權利I要求所述的一種地面集水時間的計算方法，其特征在于，所述步驟I中，如果雨水匯水區(qū)域i的地形、地表覆蓋、地表粗糙度非常復雜，則考慮在區(qū)域i上選擇不同的集水流線進行分析，以確定最不利情況下的地面集水時間。
4.如權利I要求所述的一種地面集水時間的計算方法，其特征在于，所述步驟2中，當?shù)匦吻闆r較復雜時，參數(shù)Si為地表坡度的加權平均值，宜采用面積加權平均值。
5.如權利I要求所述的一種地面集水時間的計算方法，其特征在于，所述步驟4中，當?shù)乇砀采w情況較復雜時，參數(shù)A、Ki為加權平均值，宜采用面積加權平均值。
6.如權利I要求所述的一種地面集水時間的計算方法，其特征在于，所述步驟5中，對于存在明渠的防洪系統(tǒng)，地面集水時間tl應包括進入雨水系統(tǒng)前，雨水在明渠中的流動時間 tl3 ；
L L n L ? 二 — — _ — _13 V - A -,- R\S2 R'S2
n上式使用曼寧公式來估計平均流速，按滿流計算。式中V為平均流速，m/s洱為水力半徑，m;S’為明渠的平面坡度；L’為雨水在明渠中的流動距離，m;n’為明渠內的曼寧粗糙系數(shù)。
【文檔編號】G06F19/00GK104268409SQ201410508255
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權日:2014年9月28日
【發(fā)明者】楊德軍, 卞正富, 雷少剛, 熊集兵 申請人:中國礦業(yè)大學