PCSWMM二维模型中的水文学构建方法

PCSWMM

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PCSWMM二维模型部分代表建模区域的水力学模型，所以二维网格上的入流应从外部引入。一般情况下，我们将常数或变动的数（如时间序列）入流添加到2D检查井上作为边界条件，当然，也可以将水文模型计算出的地表径流直接添加到1D或2D检查井上。

PCSWMM作为一个降雨——径流——路由的建模软件，能够实现二维区域上的水文和水力建模的无缝连接。

大多数情况下，使用一维模型可以容易的将水文和水力学分开。水文过程发生在汇水区上产生径流，水力模型将径流输送在输送系统中；使用二维模型不容易对水文和水力模型进行分开，因为在汇水区的水文过程和二维区域的水力路由发生在同一空间范围。

二维模型考虑水文学方法概述

可以使用集总式模型或分布式模型表示二维模型或一二维耦合模型上的水文过程。集总式方法适用于相对大的汇水区，在汇水区面积内参数取平均值。而分布式方法用于更多的空间变化的水文参数，而不是取平均值。

分布式方法可以使得汇水区具有与二维网格同样的分辨率。使用该方法可以基于正在模拟的各种洪水类型，无论洪水主要是由于降雨导致、还是河岸漫溢洪水、还是双排水系统下的雨水管溢流洪水。

重要的是在没有估计或重复计算的情况（比如，是否考虑洼地存储作为汇水区参数或使用2D网格代表洼地存储）下，真实地模拟地表水流过程，同样，土壤入渗可以表示在汇水区上或在2D管道的渗漏上。

在确定模型是如何代表不同过程的时候，DEM分辨率及2D网格是另一个考虑因素。低分辨率DEM不会捕捉到所有的局部洼地，因此仍然需要在汇水区水文模型中考虑凹陷洼地。

集总式汇水区二维建模

此情况下，径流来自于大的汇水区被排放到合适的节点上。如果有已经校准好的1D模型，那么使用现有的集总汇水区补充2D网格即可。考虑到水在大汇水区路由，就需要准确的计算下渗。如果DEM和2D网格具有更高的分辨率，则可以减少或忽略汇水区洼地存储。

这种方法更适合一二维耦合模型，当洪水是由于河堤漫溢或雨水管溢流到地表时。但由于直接降雨引起的一维节点上的洪水（局部洼地或地表流动路径受到限制）不能被识别出来。

图1  汇水区连接到一维检查井

汇水区径流可以直接排放到2D检查井，因此地表水流基于拓扑、地表糙率及相邻2d网格的水位差进行分布。每个汇水区的出口2D检查井，应该是一个低高程的2D节点，接近于汇水区出口。

该方法适用于直接降雨引起的洪水，但是推荐比前面方法中的汇水区更小的汇水区，是为了更好的空间分辨率。在一二维耦合模型中，该方法允许地表水流然后进入到一维部分，如雨水管，通过下水道入口控制（即由于在集水区或入口有限的入口容量，模拟地表洪水）。

图2  汇水区径流至二维检查井

该方法中，SWMM水文和水力不在一个模型运行中模拟。水文模拟先运行，为的是汇水区给2d模型贡献水流。然后每个汇水区的径流保存为时间序列。汇水区内的2D检查井被分配相应的径流时间序列作为直接入流，以2D网格面积与汇水区面积之比作为比例因子（注意汇水区面积为公顷，而2D网格面积为平方米）。

该方法将计算的汇水区径流分布在整个的汇水区区域，所以可以很好的表示局部洪水。然而，距离汇水区较远的2D网格被路由计算两次。这种方法在有大量汇水区时，需要进行一些预处理。

图3  为检查井分配时间序列

分布式汇水区二维建模

可以进一步离散汇水区来代表更好的空间细节，以及减少大面积上参数取平均的影响。最简单的方法就是复制2D网格，并将它们粘贴在汇水区上，然后适当的参数化。但是，分布式汇水区面临的挑战是水在汇水区的时间短，渗透和蒸发可能被低估。为了提高渗透和蒸发的代表性，可以将等效的渗漏率分配给2D管道。

该方法中，水文和水力在同一个尺度上表示。这样可以在洪水淹没结果上提供更好的空间细节变化。根据地表土壤条件给2D管道指定渗漏率，可能需要准确的下渗计算。为了计算全区域覆盖，障碍物多边形也要复制到汇水区图层。

图4  分布式汇水区

分布式水文的另一种简化方法是将降雨序列作为基流入流时间序列分配给2D检查井。在这种情况下，相关的比例因子是降雨到流量的转换因子，考虑每个单独的2D网格面积。

该方法下，没有汇水区，所有的降雨体积假设用于2D网格内的水力路由。汇水区水文过程比如洼地蓄水、下渗、蒸发应该在2D网格中表示，即代表洼地的2D网格高程和代表水文损失的管道渗漏。

图5  无汇水区仅有二维网格

类似于前面的选择，如果存在障碍物，则在障碍物区域内不会有2D网格，因此应该将建筑物屋顶的径流添加到2D网格中。可以通过应用附加流入时间序列来手动解决，该时间序列代表建筑物屋顶在相邻2D检查井处的流动。或者，可以在不考虑障碍物的情况下首先创建2D检查井，然后在障碍物区域内增加任何节点，以将这些节点排放到相邻的2D网格。

图6  障碍物的降雨径流处理

WDT创建汇水区二维建模

2D水文的另一种方法是使用WDT流域划分工具生成更小的汇水区，作为集总和分布式方法折中的方法。该方法仍然是集总的子流域方法，但由于使用了WDT工具，有可能产生更小的汇水区。使用相同的DEM，可以在单一方案中产生汇水区，一旦WDT处理完成，WDT工具所创建的所有水力部件都应该被删除，通过全选所有的检查井进行删除。这种方式下汇水区出口是空的，其他的汇水区参数（不透水率、粗糙度、洼地蓄水、下渗）可以通过背景图层（用地类型及土壤数据）进行参数化。现在可以将汇水区导入到原始的2D模型，使用“设置出口”工具，为汇水区分配适当的节点。这种方法可以更准确的描述径流和随后的渗透过程。

图7  WDT创建更小的汇水区

以上就是PCSWM水文学和水力学模型无缝连接的几种建模操作方法，用户可在PCSWMM中逐一体验每种方法的优劣，结合自身项目的特点，选择合适的方法构建项目模型。

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