一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法与流程

本发明涉及海绵城市，特别是一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法。

背景技术：

1、海绵城市是通过“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施，优先考虑把有限的雨水资源滞蓄下来，更多利用自然力量排水，建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市，实现“小雨不积水、大雨不内涝、水体不黑臭、热岛有缓解”，最大限度回复城市良性水文循环路径。

2、海绵城市建设项目年径流总量控制率、年径流污染物削减率指标评价通常需要开展长期连续水量水质监测或构建海绵城市建设模型进行长历时工况模拟分析，获得在多年长历时工况下水量与污染物的累计产排量的基础上进行综合评价分析。目前，国内排水单元海绵城市建设方案主要基于swmm模型评估量化其目标是否可达，但在模型构建过程中很少采用遥感影像分类模型对排水单元下垫面进行解析，导致下垫面解析工作量大、耗时长；子汇水区划分不够精细化，很少以单一类型的下垫面作为汇水单元，主要基于“容积法”思维构建海绵城市建设方案模型，而忽略了下垫面空间雨水径流组织与排放路径对雨水径流控制与径流污染物削减的影响，导致未能准确地 评价排水单元海绵城市化建设方案的实际目标可达性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述不足，提供一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，从数据资料收集、下垫面解析、汇水分区划分、基础模型建立、模型参数设置、海绵城市方案模型构建以及模拟结果评估分析的全流程，建立快速构建源头海绵城市建设方案精细化模型与量化模拟分析技术方法，为支持海绵城市的目标可达性与最优化评估提供技术思路。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，包括以下步骤：

3、步骤1，收集排水单元基础数据资料；

4、步骤2，基于遥感影像技术对排水单元下垫面精细化解析：具体过程包括：基于遥感影像分类模型envi对排水单元下垫面遥感影像进行解析分类；

5、步骤3，划分排水单元的雨水汇水分区；

6、步骤4，基于arcgis划分子汇水区；

7、步骤5，基于swmm构建雨水收集系统模型；具体过程包括：将子汇水区shp格式图层导入swmm模型，生成子汇水分区模型；在子汇水分区模型的基础上，添加雨水收集管网系统；建立子汇水分区与节点的连接关系；设置子汇水分区的污染物累积与冲刷参数；

8、步骤6，输入长历时降雨时间序列与蒸发速率数据；

9、步骤7，输入雨水收集系统模型的模拟参数；

10、步骤8，运行排水单元现状本底方案模型并输出排口污染物累积总量，其中排水单元现状本底方案模型是通过排水单元基础数据资料作为现状本底而建立的方案模型；

11、步骤9，构建排水单元海绵城市建设方案模型；具体过程包括：设置海绵设施类型；设置海绵设施规模；构建海绵城市设计方案的雨水径流路径；

12、步骤10，运行排水单元海绵城市建设方案模型并输出排口水量与污染物累积量；具体过程包括：运行排水单元海绵城市建设方案模型，并输出各排口水量累积值与污染物累积值模拟结果；分别求和计算排水单元海绵城市建设方案下的排水总量与污染物排放总量；

13、步骤11，分析海绵城市建设目标是否能够实现。

14、进一步地，所述步骤1包括：

15、收集排水单元基础数据资料，包括排水单元现状下垫面分布、地面建筑及高程信息、建筑雨水立管分布、排水管网空间信息、海绵城市设计方案、当地不少于10年降雨数据、月均蒸发速率、下垫面水文情况、污染物累积与冲刷参数资料，其中排水单元现状下垫面反应建筑屋面、绿化、机动车道、透水铺装、不透水铺装、水面单一性质类型的平面分布情况。

16、进一步地，所述步骤2包括：

17、应用遥感影像技术对排水单元下垫面精细化解析；

18、基于遥感影像分类模型envi对排水单元下垫面遥感影像进行解析分类；

19、在envi模型中使用支持向量机监督分类法，并在遥感图像上分别选取建筑屋面、绿化、机动车道、透水铺装、不透水铺装、水面类型的监督分类样本，计算不同监督样本的可分离性参数td，不同下垫面类型监督样本之间的可分离性参数td值满足1.8~2.0；

20、若排水单元下垫面遥感影像图上，不同类型下垫面的颜色相近，导致监督样本的可分离性差，则采用两次分类法，即：

21、一次分类优先将颜色相近且可分离性差的下垫面类型归视为一大类，初步监督分类解析各类下垫面的空间分布；

22、二次分类针对每一大类综合使用机器监督分类与目视分类相结合进行再分类；

23、最终形成建筑屋面、绿化、机动车道、透水铺装、不透水铺装、水面单一性质下垫面空间分布，各单一类型下垫面在空间上为独立且不连续、具有矢量性质多变形。

24、进一步地，所述步骤3包括：

25、步骤3.1，初步划分排水单元的雨水汇水分区：

26、根据排水单元内竖向高程信息，通过arcgis中流域水文分析初步划分排水单元的雨水汇水分区边界；

27、步骤3.2，优化调整排水单元的雨水汇水分区：

28、根据排水单元内雨水收集管网主干管或干管收水范围，以及结合排水单元内建筑平面及建筑雨水立管分布对所述步骤3.1初步划分的排水单元雨水汇水分区的边界范围进行优化调整，确定汇水分区划分结果。

29、进一步地，所述步骤4包括：

30、步骤4.1，将所述步骤3.2汇水分区与所述步骤2下垫面解析结果分别导入arcgis，形成具备面状属性的汇水分区图层与下垫面图层，并通过arcgis中修复几何功能对汇水分区与下垫面解析图层上的各面状要素进行统一修复；

31、步骤4.2，划分子汇水分区，基于arcgis中叠加分析，对汇水分区与下垫面解析图层进行相交分割，使单一下垫面多边形被分割成子汇水分区；对子汇水区进行重复检查并删除重复项，最终形成子汇水区图层，且每个子汇水区均为单一的下垫面类型；

32、步骤4.3，设置所述步骤4.2子汇水区的不透水率、用地类型属性信息，根据各子汇水区的下垫面类型属性，相同下垫面类型的子汇水区名称设置相同的前缀标识。

33、进一步地，所述步骤5包括：

34、步骤5.1，将子汇水区shp格式图层导入swmm模型，生成子汇水分区模型；由于所述步骤4各子汇水区均为单一性质的下垫面类型，快速批量、精准设置各子汇水区分区的属性信息，包括子汇水区宽度、坡度、不透水率、洼地蓄水深度、渗透模型参数、下垫面类型；

35、步骤5.2，在子汇水分区模型的基础上，添加雨水收集管网系统，包括节点、管段、排口、泵站与调蓄池，并设置各对象属性信息，包括节点、排口高程、管道底高程、尺寸、长度、曼宁系数，泵站运行曲线类型、调蓄池蓄水曲线类型；

36、步骤5.3，建立子汇水分区与节点的连接关系：根据地面竖向关系、地面径流汇水路由、雨水收集管网系统分布，通过设计不同子汇水分区之间上下游连接关系，将上游子汇水分区连接到下游子汇水分区；将下游子汇水分区就近连接到节点，从而准确概化场地现状雨水径流汇流收集的全过程；

37、步骤5.4，设置子汇水分区的污染物累积与冲刷参数：添加污染物类型，根据不同下垫面的污染物累积与冲刷参数，分别设置建筑屋面、机动车道、绿化下垫面污染物累积与冲刷模型类型与参数；污染物累积与冲刷参数通过实测或借鉴相关研究资料成果；另外考虑天然降雨携带的ss本底浓度。

38、进一步地，所述步骤6包括：

39、步骤6.1，设置长历时降雨时间序列：按照模型中标准格式对连续10年的降雨数据资料进行处理，制作长历时降雨时间序列，时间步长选取30~60分钟；

40、步骤6.2，输入长历时降雨时间序列：在模型中添加雨量计对象，并将雨量计关联到各子汇水区，在雨量计属性信息中设置降雨时间步长、输入长历时降雨时间序列文件；

41、步骤6.3，设置蒸发速率数据：输入当地各月的平均蒸发速率。

42、进一步地，所述步骤7包括：

43、输入雨水收集系统模型的模拟参数：包括：地表产汇流选取霍顿下渗模型，水动力模拟选择动力波模型；根据降雨时间序列以及模拟需求，设置模型模拟的起止时间、模拟计算时间步长、模拟结果保存时间步长。

44、进一步地，所述步骤8包括：

45、步骤8.1，运行排水单元现状本底方案模型，并输出各排口污染物累积值模拟结果；

46、步骤8.2，统计计算排水单元现状本底方案下的污染物排放总量，即；

47、其中m0为排水单元现状本底方案下的污染物排放总量，kg；m0，i为排水单元本底方案单个排口在长历时降雨时间序列下的排放污染物累积值模拟结果，kg。

48、进一步地，所述步骤9包括：

49、步骤9.1，设置海绵设施类型：根据海绵城市建设方案所涉及的海绵设施类型，添加海绵设施模块，并根据海绵设施结构设计设置海绵设施的属性参数；

50、步骤9.2，设置海绵设施规模：由于各子汇水分区均为单一性质下垫面，按照海绵设施平面布局设计方案，在相应的子汇水区属性中直接快速添加设置海绵设施类型及其面积规模；

51、步骤9.3，构建海绵城市设计方案的雨水径流路径：根据排水单元内海绵措施的雨水径流路径组织关系，重新调整子汇水区之间的上下游连接关系、子汇水区与节点之间的连接关系，准确构建海绵城市建设方案场地内的雨水汇流收集过程，如实反映出雨水径流及污染物在海绵设施空间布局中的滞蓄与净化作用。

52、进一步地，所述步骤10包括：

53、步骤10.1，运行排水单元海绵城市建设方案模型，并输出各排口水量累积值与污染物累积值模拟结果；

54、步骤10.2，分别求和计算排水单元海绵城市建设方案下的排水总量与污染物排放总量，即：

55、排水单元海绵城市建设方案下的排水总量；

56、排水单元海绵城市建设方案下的污染物排放总量；

57、其中q为排水单元海绵城市建设方案下的排水总量，m3；qi为排水单元单个排口在长历时降雨时间序列下的排放水量累积值模拟结果，m3；m为排水单元海绵城市建设方案下的污染物排放总量，kg；mi为排水单元单个排口在长历时降雨时间序列下的排放污染物累积值模拟结果，kg。

58、进一步地，所述步骤11包括：

59、分析海绵城市建设目标是否能够实现：分别按照如下公式计算排水单元年径流总量控制率与年径流污染削减率，若年径流总量控制率与年径流污染削减率均不小于目标值，则满足海绵城市建设目标要求；否则调整海绵城市建设方案，并按照重复步骤9、10、11，直至年径流总量控制率与年径流污染削减率均满足目标要求；

60、测算公式一：计算排水单元年径流总量控制率，；

61、测算公式二：计算排水单元年径流污染削减率，；

62、其中s为年径流总量控制率，%；i为降雨历时期间的降雨总量，mm；f为排水单元红线范围面积，m2；r为排水单元年径流污染削减率，%；m0为排水单元海绵城市建设前排水单元排放污染物总量模拟值，kg。

63、本发明有益效果：

64、1、本专利发明提供一种快速便捷、无需开展现场设施建设与长期监测、反复优化调整技术方案，大大降低投资与时间成本等优势的模型，用于模拟分析海绵城市技术方案的建设效果，可实现量化评估海绵城市项目年径流总量控制率、年径流污染物削减率指标的目标是否可达。

65、2、海绵措施的空间布局、地表雨水径流衔接组织关系是影响海绵城市建设效果的关键因素，本发明基于swmm与arcgis软件，提出一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，用于精准模拟排水单元海绵设施空间布局及地表径流组织路径，量化评估雨水径流及污染物滞蓄与削减效果，可实现量化评估海绵城市项目年径流总量控制率、年径流污染物削减率指标的目标是否可达，为海绵城市建设方案设计及优化提供科学依据支撑，也可为类似的研究工作与工程实践提供评估模型。

66、3、本发明从数据资料收集、下垫面解析、汇水分区划分、基础模型建立、模型参数设置、海绵城市方案模型构建以及模拟结果评估分析的全流程，建立了快速构建源头海绵城市建设方案精细化模型与量化模拟分析技术方法，为支持海绵城市的目标可达性与最优化评估提供了技术思路。

67、4、本发明提出的排水单元海绵城市建设方案精细化模型的快速构建方法，系统梳理了精细化构建排水单元海绵城市建设方案模型并用于效果量化评估的全流程技术处理方法；通过该方法可实现简单、快捷建水单元海绵城市建设方案模型，以及动态模拟分析源头地表降雨径流、污染物累积与冲刷，以及水动力水质动态变化过程，为海绵城市建设方案对水量水质的控制效果提供量化依据支撑。

68、5、本发明基于gis技术按照单一类型下垫面划分子汇水区，便于更准确、快速设置子汇水区水文参数、下垫面类型、污染物累积与冲刷参数，以及在子汇水区中增加海绵措施，同时更加准确地按照地表径流组织路径关系建立产汇流模型，对于精准模拟海绵城市建设设施的效果提供了重要技术支撑。

69、6、相比传统海绵城市模型构建方法，本发明具有如下创新优点：1）最精细化建模尺度建立排水单元海绵城市模型，更准确地模拟雨水径流在海绵城市设计方案中汇流收集以及滞蓄与削减过程，使得更加准确量化分析排水单元海绵设施在空间布局及径流组织路径下对雨水径流及污染物控制效果；2）通过精细化划分子汇水分区，可准确按照海绵城市设计方案建立模型，有效避免了传统按照泰森多边形方法划分子汇水分区，忽略下垫面类型、场地竖向、雨水径流路径衔接关系等对地面雨水径流滞蓄净化过程的影响，以及需通过加权平均计算各种水文参数，大大增加了模型构建的工作量，以及影响模型参数的稳定性等问题；3）该技术方法不仅可简单、快捷地实现源头海绵城市建设方案模型构建与量化模拟分析的全流程，而且具备一定的可复制推广性，可用于源头排水单元海绵城市建设效果的精准量化评估。

技术特征：

1.一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，其特征在于：所述步骤1包括：

3.根据权利要求1所述一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，其特征在于：所述步骤2包括：

4.根据权利要求1所述一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，其特征在于：所述步骤3包括：

5.根据权利要求4所述一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，其特征在于：所述步骤4包括：

6.根据权利要求1所述一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，其特征在于：所述步骤5包括：

7.根据权利要求1所述一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，其特征在于：所述步骤6包括：

8.根据权利要求1所述一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，其特征在于：所述步骤7包括：

9.根据权利要求1所述一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，其特征在于：所述步骤8包括：

10.根据权利要求1所述一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，其特征在于：所述步骤9包括：

11.根据权利要求1所述一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，其特征在于：所述步骤10包括：

12.根据权利要求11所述一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，其特征在于：所述步骤11包括：

技术总结
本发明公开一种排水单元海绵城市化建设方案评估模型的构建方法，包括：步骤1，收集排水单元基础数据资料；步骤2，基于遥感影像技术对排水单元下垫面精细化解析；步骤3，划分排水单元的雨水汇水分区；步骤4，基于ArcGIS划分子汇水区；步骤5，基于SWMM构建雨水收集系统模型；步骤6，输入长历时降雨时间序列与蒸发速率数据；步骤7，输入雨水收集系统模型的模拟参数；步骤8，运行排水单元现状本底方案模型并输出排口污染物累积总量；步骤9，构建海绵城市建设方案模型；步骤10，运行海绵城市建设方案模型并输出排口水量与污染物累积量；步骤11，分析海绵城市建设目标是否能够实现；本发明可用于源头排水单元海绵城市建设效果的精准量化评估。

技术研发人员：胡军,谢家强,李向明,刘亮,罗龙海,李智林,董小琦,王艳鹏,王惠筠,徐静姝,任雪菲,李志红
受保护的技术使用者：长江生态环保集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23