本發(fā)明屬于市政水環(huán)境調(diào)度的，特別是涉及基于溢流堰的防洪圈防洪與水環(huán)境協(xié)同調(diào)度方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、目前，城市中心區(qū)通常建有較為完善的防洪設(shè)施，如堤防、排水系統(tǒng)、泵站等，以應(yīng)對可能的洪水威脅，即城市中心區(qū)的防洪圈已經(jīng)形成。

2、但是部分區(qū)域受地勢環(huán)境的影響，大洪水年份易形成高水圍困、澇水外排受阻的狀況，危及城市的正常運行。目前，城市排水系統(tǒng)是處理和排除城市污水和雨水的工程設(shè)施系統(tǒng)，是城市有效防范洪水災(zāi)害的第一道屏障，主要包括城市河道、市政排水管線、排水泵站等。但是，在人口集中、地下管網(wǎng)密布的城區(qū)建設(shè)大型工程具有較大難度，預(yù)報預(yù)測、優(yōu)化調(diào)度等非工程措施更為適用。因此有必要根據(jù)原有的工情、水情，制定基于管網(wǎng)-河網(wǎng)耦合的水文水動力精細化數(shù)學(xué)模型的新型排澇策略。

3、此外，現(xiàn)階段排澇調(diào)度方案多數(shù)只考慮河網(wǎng)排澇能力及退水過程，忽略了排澇過程對水環(huán)境的影響。目前已有報道表明，城市內(nèi)澇后城市河道cod、氨氮、ss明顯升高。而目前調(diào)度部門通常過度降低河網(wǎng)水位來保證排澇，但這樣一方面造成了水資源的浪費，另一方面也給接下來河網(wǎng)水環(huán)境治理帶來相應(yīng)的難度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決上述背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供了基于溢流堰的防洪圈防洪與水環(huán)境協(xié)同調(diào)度方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：基于溢流堰的防洪圈防洪與水環(huán)境協(xié)同調(diào)度方法，包括以下步驟：

3、獲取城市區(qū)域的地勢信息數(shù)據(jù)和管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)，并確定城市區(qū)域的防洪包圍圈；基于所述地勢信息數(shù)據(jù)和管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)構(gòu)建水文模型和河網(wǎng)-管網(wǎng)模型；

4、以所述河網(wǎng)-管網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合地勢信息數(shù)據(jù)將目標區(qū)域劃分成至少兩片排澇調(diào)度區(qū)域，在相鄰排澇調(diào)度區(qū)域之間建立溢流堰；

5、創(chuàng)建調(diào)度方案集合，所述調(diào)度方案集合用于存儲關(guān)于排澇調(diào)度區(qū)域的防洪調(diào)度預(yù)案；所述防洪調(diào)度預(yù)案至少包括：排澇調(diào)度區(qū)域的初始水位設(shè)置和泵站外排流量設(shè)置；

6、構(gòu)建降雨排洪模型，利用所述降雨排洪模型在目標區(qū)域內(nèi)進行降雨模擬，并基于所述防洪調(diào)度預(yù)案進行排洪模擬；待模擬結(jié)束后，獲取對應(yīng)的防洪預(yù)控結(jié)果，建立排澇調(diào)度區(qū)域的區(qū)域防控標準，將所述防洪預(yù)控結(jié)果與對應(yīng)的區(qū)域防控標準進行對比分析：

7、若分析得到的效果為預(yù)控效果不佳，則修正對應(yīng)的防洪調(diào)度預(yù)案并更新所述調(diào)度方案集合；若分析得到的效果為預(yù)控效果佳，則所述防洪預(yù)控結(jié)果應(yīng)服從于水環(huán)境調(diào)度條件。

8、在進一步的實施例中，所述水文模型的構(gòu)建流程如下：

9、將城市區(qū)域內(nèi)的河網(wǎng)概化成矩形區(qū)域，構(gòu)建河網(wǎng)的連續(xù)性方程：

10、；

11、式中，，為地表積水量，為水深，為子流域面積，為凈雨量，為出流量；，其中，為子流域漫流寬度，為糙率系數(shù)，為地表蓄滯水深，為子流域?qū)挾龋?/p>

12、對每個時間步長，采用以下非線性偏微分方程求解水深：

13、；

14、其中，表示流量演算參數(shù)，。

15、在進一步的實施例中，所述河網(wǎng)-管網(wǎng)模型的構(gòu)建流程如下：

16、對于靜態(tài)管網(wǎng)采用以下質(zhì)量守恒和動量守恒方程組：

17、；

18、式中，為管道截面面積，為管道流量，t表示時間，為軸向，為重力加速度，為管道底部與水平面的夾角，d為水深，為管道坡度，為系數(shù)；

19、對于動態(tài)管網(wǎng)采用以下質(zhì)量守恒和動量守恒方程組：

20、；

21、若靜態(tài)管網(wǎng)或動態(tài)管網(wǎng)為透水管網(wǎng)，則對應(yīng)引入透水介質(zhì)控制方程：

22、；

23、式中，為孔隙率，為側(cè)向匯流，為滲透流量，為滲透系數(shù)，為透水介質(zhì)橫截面積，為水力梯度。

24、在進一步的實施例中，所述排澇調(diào)度區(qū)域的劃分流程如下：

25、從地勢信息數(shù)據(jù)中確定低洼區(qū)域，將目標區(qū)域劃分為低洼區(qū)域和其他區(qū)域，并定義所述低洼區(qū)域為排澇調(diào)度區(qū)域；針對其他區(qū)域執(zhí)行以下步驟：

26、獲取其他區(qū)域內(nèi)的泵站信息，所述泵站信息包括：區(qū)域內(nèi)的泵站編號、以及泵站所在區(qū)域的入流過程峰值時段長，區(qū)域內(nèi)可調(diào)蓄水面率，區(qū)域內(nèi)蓄水深度，則泵站的排澇模數(shù)可計算為：

27、；式中，為峰值時段內(nèi)的排洪流量；

28、獲取其他區(qū)域的總占地面面積，采用以下公式計算得到目標區(qū)域的綜合排澇模數(shù)：

29、；式中，為泵站的排澇面積；

30、若屬于排澇模數(shù)閾值范圍之內(nèi)則無需對其他區(qū)域進行劃分，排澇調(diào)度區(qū)域則包括：排澇調(diào)度區(qū)域和其他區(qū)域；

31、若不屬于排澇模數(shù)閾值范圍之內(nèi)則對其他區(qū)域進行劃分得到個子區(qū)域，排澇調(diào)度區(qū)域則包括：排澇調(diào)度區(qū)域和個子區(qū)域，為大于1的整數(shù)。

32、在進一步的實施例中，所述降雨排洪模型的構(gòu)建流程如下：

33、預(yù)先設(shè)定降雨量序列、以及排澇調(diào)度區(qū)域的初始水位序列和泵站外排流量序列，則防洪調(diào)度預(yù)案表示為：，其中，，為序列s的降雨量，，為序列的初始水位，，為序列的泵站外排流量，表示排列組合；為排澇調(diào)度區(qū)域，，，；

34、預(yù)先按照的組合形式對排澇調(diào)度區(qū)域進行配置后，依次按照的序列進行降雨模擬，每次降雨模擬時長為，進入排洪階段；

35、在排洪階段，依次按照的序列進行排洪，待排洪時長為。

36、在進一步的實施例中，所述防洪預(yù)控結(jié)果的獲取流程如下：

37、經(jīng)排洪時長的排洪處理，利用水文模型計算得到最高水深即排洪后水位，其中，所述排洪后水位表示為：

38、，表示排列組合，則表示排澇調(diào)度區(qū)域在降雨量為、初始水位為以及泵站外排流量為模擬后得到的最高水位。

39、在進一步的實施例中，所述區(qū)域防控標準包括：預(yù)先設(shè)置的排洪后水位標準和對應(yīng)的最佳泵站外排流量，表示排澇調(diào)度區(qū)域；

40、所述預(yù)控效果的分析過程如下：

41、若排洪后水位和對應(yīng)選用的泵站外排流量至少一項不滿足以下關(guān)系則表示分析得到預(yù)控效果不佳，應(yīng)將初始水位進行降位處理：更新為，，為防洪調(diào)度預(yù)案更新后選用的泵站外排流量，；

42、；

43、反之，則表示預(yù)控效果佳。

44、在進一步的實施例中，所述個子區(qū)域的劃分標準如下：

45、獲取每個子區(qū)域的占地面面積，以及確定每個子區(qū)域內(nèi)的泵站，所述個子區(qū)域應(yīng)滿足以下公式關(guān)系：

46、且屬于排澇模數(shù)閾值范圍之內(nèi)。在進一步的實施例中，所述水環(huán)境調(diào)度條件表示為：相鄰排澇調(diào)度區(qū)域的排洪后水位存在水位差，并通過溢流堰保持通暢。

47、基于溢流堰的防洪圈防洪與水環(huán)境協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)，用于實現(xiàn)如上所述的防洪圈防洪與水環(huán)境協(xié)同調(diào)度方法，包括：

48、第一模塊，被設(shè)置為獲取城市區(qū)域的地勢信息數(shù)據(jù)和管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)，并確定城市區(qū)域的防洪包圍圈；基于所述地勢信息數(shù)據(jù)和管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)構(gòu)建水文模型和河網(wǎng)-管網(wǎng)模型；

49、第二模塊，被設(shè)置為以所述河網(wǎng)-管網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合地勢信息數(shù)據(jù)將目標區(qū)域劃分成至少兩片排澇調(diào)度區(qū)域，在相鄰排澇調(diào)度區(qū)域之間建立溢流堰；

50、第三模塊，被設(shè)置為創(chuàng)建調(diào)度方案集合，所述調(diào)度方案集合用于存儲關(guān)于排澇調(diào)度區(qū)域的防洪調(diào)度預(yù)案；所述防洪調(diào)度預(yù)案至少包括：排澇調(diào)度區(qū)域的初始水位設(shè)置和泵站外排流量設(shè)置；

51、第四模塊，被設(shè)置為構(gòu)建降雨排洪模型，利用所述降雨排洪模型在目標區(qū)域內(nèi)進行降雨模擬，并基于所述防洪調(diào)度預(yù)案進行排洪模擬；待模擬結(jié)束后，獲取對應(yīng)的防洪預(yù)控結(jié)果，建立排澇調(diào)度區(qū)域的區(qū)域防控標準，將所述防洪預(yù)控結(jié)果與對應(yīng)的區(qū)域防控標準進行對比分析：

52、若分析得到的效果為預(yù)控效果不佳，則修正對應(yīng)的防洪調(diào)度預(yù)案并更新所述調(diào)度方案集合；若分析得到的效果為預(yù)控效果佳，則所述防洪預(yù)控結(jié)果應(yīng)服從于水環(huán)境調(diào)度條件。

53、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明依據(jù)平原河網(wǎng)地區(qū)地形地貌、河流水系格局、現(xiàn)狀防洪排澇工程體系，依托河網(wǎng)水位、流量、水質(zhì)、流態(tài)同步原型觀測，構(gòu)建多場景管網(wǎng)-河網(wǎng)-水文水動力精細化數(shù)學(xué)模型，可制定更為精確的水位計算與排澇方案，對易澇點精確識別，提前布局防控方案?？朔嗽谌丝诩小⒌叵鹿芫W(wǎng)密布的城區(qū)建設(shè)大型工程具有較大難度的問題。

54、本發(fā)明通過提前降低水位來保證排澇的同時對水環(huán)境調(diào)度條件進行了約束，以保證水環(huán)境治理的基本需求，解決目前排澇與水環(huán)境難以有效平衡的問題。