一种建筑区产流模拟方法与流程

1.本发明涉及城市产流技术领域，特别是涉及一种建筑区产流模拟方法。


背景技术：

2.建筑区由建筑物、平地、绿地等错落分布构成，不同于自然流域的水平面产流模式(即产流主要在地表发生，竖直面产流忽略不计)，建筑区产流具有明显的三维属性。当降雨在风等外力作用下发生倾斜时，建筑物的侧壁会对倾斜降雨形成遮挡，导致建筑区的竖直面也有产汇流现象发生，且建筑区竖直面的面积占比较高，其产汇流过程对区域产汇流的影响不可忽略。现有城市建筑区的产流理论多采用自然流域的产流理论，未能考虑建筑区产流的三维属性，因此需开发一套能够考虑建筑区的建筑物的壁面产流的产流理论来计算建筑区的产流情况。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提出一种建筑区产流模拟方法，以解决现有建筑区产流计算中忽略建筑区的竖直面的产汇流现象对建筑区域产汇流的影响，以及未考虑建筑区产流的三维属性。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种建筑区产流模拟方法，包括：
6.s1.计算降雨倾角；
7.s2.通过所述降雨倾角，计算水平面产流量和竖直面产流量；
8.s3.通过所述水平面产流量和所述竖直面产流量，模拟建筑区产流量；
9.其中，所述水平面产流量包括建筑物屋面产流量和地表产流量；所述竖直面产流量为建筑物侧壁的产流量。
10.优选地，计算所述降雨倾角，包括：
11.采集降雨数据、风速信息和下垫层几何特征，根据cfd模型模拟所述降雨数据、所述风速信息和所述下垫层几何特征,获取风速与所述降雨倾角θ的幂函数关系tanθ，基于所述风速与所述降雨倾角θ的幂函数关系tanθ，获取降雨倾角θ。
12.优选地，所述降雨数据为降雨强度；所述风速信息包括所述风速、风速方向与建筑物长边法线方向的夹角、倾斜降雨雨强的水平向分量和倾斜降雨的竖直向分量；所述下垫层几何特征包括建筑物的宽度、建筑物的长度、建筑区的宽度和建筑区的长度。
13.优选地，所述风速与所述降雨倾角的幂函数关系tanθ为：
14.tanθ＝αu
β/iγ
15.其中，i为降雨强度；α为尺度参数；β为与建筑物的形状参数；γ为雨滴粒径及其分布相关的参数；β为风速。
16.优选地，计算所述水平面产流量的方法为：
17.qw＝pw[bl-n(b cosφ l sinφ)h tanθ]-f[bl-nbl-n(b cosφ l sinφ)h tan
θ]-f
roof
nbl
[0018]
其中，qw为水平面产流速率，pw为倾斜降雨的竖直向分量，b和l分别代表整个建筑区的宽度和长度，n为建筑区中建筑物的个数，b cosφ l sinφ为建筑物在与风速垂直方向上的等效宽度，h为建筑物高度，tanθ为降雨倾角的幂函数关系，f和f
roof
分别为地表渗透速率和屋面渗透速率，b和l分别代表建筑物的宽度和长度。
[0019]
优选地，计算所述竖直面产流量的方法为：
[0020]
qh＝phn(b cosφ l sinφ)h-f
wall
n(b l)h
[0021]
其中，qh为数值面产流速率，ph为倾斜降雨雨强的水平向分量，b cosφ l sinφ为建筑物在与风速垂直方向上的等效宽度，h为建筑物高度，f
wall
为竖直面渗透速率，n为建筑区中建筑物的个数，b和l分别代表建筑物的宽度和长度。
[0022]
优选地，模拟建筑区产流量，包括：
[0023]
将所述水平面产流量和所述竖直面产流相加，并基于矢量分解原理，模拟所述建筑区产流量。
[0024]
优选地，所述矢量分解原理公式为：
[0025]
ph＝p
w tanθ
[0026]
其中，ph为倾斜降雨雨强的水平向分量，pw为倾斜降雨的竖直向分量，tanθ为风速与降雨倾角的幂函数关系。
[0027]
优选地，所述建筑区产流量的计算公式为：
[0028]
q＝pwbl-f[bl-nbl-n(b cosφ l sinφ)htanθ]-f
roof
nbl-f
wall
n(b l)h
[0029]
其中，pw为倾斜降雨的竖直向分量，b和l分别代表整个建筑区的宽度和长度，f和f
roof
分别为地表渗透速率和屋面渗透速率，n为建筑区中建筑物的个数，b和l分别代表建筑物的宽度和长度，b cosφ l sinφ为建筑物在与风速垂直方向上的等效宽度，h为建筑物高度，tanθ为降雨倾角的幂函数关系，f
wall
为竖直面渗透速率。
[0030]
本发明的有益效果为：
[0031]
本发明提出了考虑风的影响和建筑侧壁产流的建筑区产流理论，可提高对城市建筑区产流的模拟精度。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]
图1为本发明实施例的建筑区产流模拟方法的流程图；
[0034]
图2为本发明实施例的建筑区产流模拟方法的城市建筑区及倾斜降雨示意图；
[0035]
图3为本发明实施例的建筑区产流模拟方法的城市建筑区产流示意图；
[0036]
图4为本发明实施例的建筑区产流模拟方法的不同雨滴粒径的降雨倾角随风速变化情况。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0039]
根据图1可知，建筑区产流模拟方法包括：
[0040]
计算降雨倾角；通过降雨倾角，计算水平面产流量和竖直面产流量；通过水平面产流量和竖直面产流量，模拟建筑区产流量；
[0041]
其中，水平面产流量包括建筑物屋面产流量和地表产流量；竖直面产流量为建筑物侧壁的产流量。
[0042]
计算降雨倾角，包括：采集降雨数据、风速信息和下垫层几何特征，根据cfd模型模拟降雨数据、风速信息和下垫层几何特征,获取风速与降雨倾角θ的幂函数关系tanθ，基于风速与降雨倾角θ的幂函数关系tanθ，获取降雨倾角θ。
[0043]
根据图2可知，基于现有技术中cfd模型模拟数据拟合获取风速—降雨倾角(tanθ)的经验公式，获得不同风速、雨滴粒径组合情况下降雨倾角；cfd模型模拟数值实验结果表明，不同粒径的雨滴沿风速方向的漂移距离与风速大小近似呈幂函数关系(图2)。因此，tanθ可表示为：
[0044][0045]
其中，u代表风速(m/s)；d代表雨滴粒径(mm)；α为尺度参数，受建筑物几何尺寸影响；b、c为雨滴形状参数，受建筑物几何尺寸及雨滴粒径影响。雨滴粒径为非常规气象变量，一般气象站点未对其进行监测，但有研究表明降雨强度与雨滴粒径分布的中位数呈线性正比关系为方便应用，采用降雨强度替换公式(1)中的雨滴粒径：
[0046]
tanθ＝αu
β/iγ
ꢀꢀ
(2)
[0047]
其中，i为降雨强度(mm/hr)；α、β和γ为与建筑物的几何特征和雨滴粒径及其分布相关的参数，可通过实测降雨-径流关系，拟合获得。
[0048]
本实施例以图4所示不同雨滴粒径的降雨倾角随风速变化情况，根据cfd模型模拟的结果可以通过最小二乘法建立降雨倾角与风速、雨滴粒径等的统计关系；其中,线为基于cfd理论的计算值，点为基于公式(1)的拟合值。
[0049]
基于上述机理分析，本实施例以图3所示简化的城市建筑区产流示意图为例，对城市建筑区的产流计算公式进行了推导。h为建筑物高度，b和l分别代表建筑物的宽度和长度，b和l分别代表整个建筑区的宽度和长度，θ为降雨倾角，φ为风速方向与建筑物长边法线方向的夹角(后续简称为风向角，p为受风场干扰前的降雨的雨强，p
inc
为受风场干扰后的倾斜降雨的雨强，ph为倾斜降雨雨强的水平向分量，pw为倾斜降雨的竖直向分量。受不均匀风场的影响，城市建筑区的落地雨的降雨强度分布不均匀，为便于计算，在推导中上述雨强皆用其作用范围内的平均雨强代替。在倾斜降雨的作用下，建筑区的产流可分为由竖直向降雨分量(pw)驱动的水平面产流和由水平向降雨分量(ph)驱动的竖直面产
流两部分。
[0050]
水平面产流包括建筑物屋面产流和地表产流，其产流量可表示为：
[0051]qw
＝pw[bl-n(b cosφ l sinφ)h tanθ]-f[bl-nbl-n(b cosφ l sinφ)h tanθ]-f
roof
nbl
ꢀꢀ
(3)
[0052]
其中，qw为水平面产流速率，pw为倾斜降雨的竖直向分量，b和l分别代表整个建筑区的宽度和长度，n为建筑区中建筑物的个数，b cosφ l sinφ为建筑物在与风速垂直方向上的等效宽度，h为建筑物高度，tanθ为降雨倾角的幂函数关系，f和f
roof
分别为地表渗透速率和屋面渗透速率，b和l分别代表建筑物的宽度和长度；其中，f和f
roof
采用现有技术中green-ampt方法求解。
[0053]
竖直面产流主要是建筑物侧壁的产流，其产流量可表示为：
[0054]
qh＝phn(b cosφ l sinφ)h-f
wall
n(b l)h
ꢀꢀ
(4)
[0055]
其中，qh为数值面产流速率，f
wall
为竖直面渗透速率，f
wall
采用现有技术中固定比例发求解。
[0056]
将公式(3)和公式(4)相加即可获得整个建筑区的产流流量q：
[0057]
q＝pw[bl-n
(b cosφ l sinφ)h tanθ] phn(b cosφ l sinφ)h-f[bl-nbl-n(b cosφ l sinφ)htanθ]-f
roof
nbl-f
wall
n(b l)h
ꢀꢀ
(6)
[0058]
由矢量分解原理可知：
[0059]
ph＝p
w tanθ
ꢀꢀ
(7)
[0060]
将公式(7)带入公式(6)可得：
[0061]
q＝pwbl-f[bl-nbl-n(b cosφ l sinφ)htanθ]-f
roof
nbl-f
wall
n(b l)h
ꢀꢀ
(5)
[0062]
倾斜降雨条件下建筑区产流计算理论
[0063]
城市建筑区的产流特点如图3所示。由于建筑物的遮挡作用，在倾斜降雨作用下，原本降落于建筑物背风测地表(图3中括号所示区域)的雨水改为降落于建筑物侧壁，使得城市建筑区的产流表现为建筑物侧壁、建筑物屋面和地表组合产流特点，根据《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范gb50400-2016》，建筑物侧壁的径流系数显著大于地面(渗透铺装)的径流系数(表1)，而且由图1可知建筑物侧壁产生的径流一般会经由建筑物周边的散水直接进入地下排水管网等快排系统，导致建筑区径流系数增加。另外，一般情况下风场和降雨是非恒定的，导致降雨的倾斜程度呈现出时变的特征，降雨倾角的变化会导致雨水在建筑物侧壁和地表的分配比例发生变化，进而导致建筑区的产流特点发生变化，使得城市建筑区的径流系数呈现出明显的时变特征，表1为不同表面的径流系数。
[0064]
表1
[0065]
[0066][0067]
注：建筑物侧壁的径流系数规范中没有给出，此处假设建筑物侧壁的径流系数与硬屋面相同。
[0068]
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。