电网设施暴雨预警方法
【专利摘要】本发明涉及电网设施暴雨预警方法，依次包括以下步骤：致灾因子与承载体易损性分析、城市内涝评估、致灾临界雨量设定、电网灾害预警；本发明的优点：通过致灾因子与承载体易损性分析、城市内涝评估、致灾临界雨量设定、电网灾害预警的预警方法，能解决暴雨全过程中，城市积涝的提前预警的难点，并根据预警技术，解决暴雨全过程中，城市积涝范围、积涝深度，预警临界值模拟及确定等问题，有效地预测内涝灾害并减少内涝造成的财产与经济损失。
【专利说明】
电网设施暴雨预警方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电网设施暴雨预警方法。
【背景技术】
[0002] 城市内涝灾害是一种普遍城市灾害类型，它给城市带来了巨大的破坏，尤其是沿 海城市，常常由于台风、暴雨、海潮而引起城市内涝，导致人员伤亡和大量财产的损失，伴随 着我国经济的不断增长，城市化进程在加快，城市规模在不断扩大和极端天气出现的频率 增多，城市排水系统的规划很多己更不上城市化进程，快速的城市化进程与低速的排水管 网改造速度直接的矛盾日益尖锐，盲目的城市化进程造成的原有的城市排水标准过低;城 市硬化面积增加，渗透性变差;城市规划赶不上城市化;排水系统建设滞后，自然水塘或城 市河道的消失，老城区排水设施改造困难，现有数学计算模型和GIS的空间分析应用模块来 模拟内涝形成过程和灾害评估，操作时耗时多，且不能充分发挥GIS强大的空间分析功能， 特别不适于进行内涝灾害的实时模拟。通常，城市内涝模型把城市地表划分为子汇水区域， 但是中小规模的城市汇水区域划分不同于大规模的流域汇水区域划分，对于城市汇水区域 之间的分界很难准确划分，水文学的汇水区域划分理论是建立在每个汇水区域相互独立的 基础上，与实际的情况有一定出入。而且这是一种黑箱模型，在城市内涝计算过程中，只有 雨量的输入和内滂结果的输出，并不能表现水流的损耗和输送过程，难以考虑影响内涝的 多种因素，例如地形地表地貌因素、土地利用因素等，计算数据精度要求较高，数据获取难 度大，因此该模型在实际的应用比较困难。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供电网设施暴雨预警方法，解决现有城市内涝模型 存在耗时长及数据获取难度大的问题。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：电网设施暴雨预警 方法，依次包括以下步骤：
[0005] a)致灾因子与承载体易损性分析:通过降雨量提取不同等级的临界降雨强度、临 界降雨量、临界有效降雨量、淹没范围和淹没水深，并通过淹没范围和淹没水深来分析承载 体易损性，临界降雨强度为单位时间内的降雨量，临界降雨量为一段时间内的降雨量，临界 有效降雨量为反映当前降雨强度及累积降雨量使得坡体或松散物质产生或可能产生位移 作用的等效降雨量，临界有效降雨量Re = Ri+Rd+IrXt，其中：Re为有效降雨量;Ri为间接前 期有效降雨量，是当日之前的降雨累积量;Rd为直接前期有效降雨量，是当日降雨量累积 量;Ir为降雨强度;t为雨强为Ir的降水历时，承载体包括变电所、配电室、电缆线路及设备、 配电终端设备、杆上电容器、站所建筑物、配电变压器、开关柜、环网柜、柱上开关设备；
[0006] b)城市内涝评估:根据步骤a)提取的降雨量分析城市内涝风险，城市内涝风险包 括降雨过程、产流过程、地表汇流过程和管网汇流过程；
[0007] c)致灾临界雨量设定:通过统计归纳法求取暴雨电网影响的临界雨量，并判断是 否超过临界降雨量，当临界雨量超过临界降雨量时，则进入步骤d)，当临界雨量未超过临 界降雨量时，当则返回步骤a);
[0008] d)电网灾害预警:通过对步骤c)中超过临界降雨量的区域进行预警处理及确定城 市易涝点的预警等级。
[0009] 优选的，步骤b)中的降雨过程通过暴雨强度表述，暴雨强度包括以下步骤：
[0010] A暴雨资料选样:从已有的雨量资料中选取降雨事件，降雨事件的降雨历时分为5 分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟、45分钟、60分钟、90分钟、120分钟，降雨事件的降雨 重现期按0.25年、0.33年、0.5年、1年、2年、3年、5年和10年统计；
[0011] B频率分析:根据步骤A选取的暴雨资料统计暴雨强度的频率分布曲线；
[0012] C确定暴雨强度参数:通过步骤A和步骤B获得的频率-强度-历时关系来估计暴雨 强度参数，估计方法包括最小二乘法、单纯形法、迭代法和遗传算法。
[0013] 优选的，步骤b)中的产流过程通过径流系数法计算，径流系数法将城市区域分为 几种不同的地表类型并对每一种地表类型赋以一个系数，然后该系数乘以降雨量就得到了 产流量。
[0014] 优选的，步骤b)中的地表汇流过程为雨水径流产生后如何在地表运动，并最终通 过雨水口进入排水管网的过程，地表汇流过程包括水力学模型和水文学模型，水力学模型 建立在微观物理定律的基础上，依据水流的连续方程和运动方程求解水流的时空变化，雨 水口汇水区内的水流运动为坡面流过程，水文学模型为建立降雨输入和流域出口流量过程 的某种确定性关系。
[0015] 优选的，控制坡面流运动的一维圣维南方程组为：
[0016]
[0017]
[0018] 其中：X为水流方向，A为垂直于X轴的面积，Q为通过断面A的流量，y为断面A的水 深，VX为断面平均流速，SO为地面坡度，Sf为阻力坡度，g为重力加速度，ql为下渗或降雨，阻 力坡度
[0019]
[0020]其中：f为Weisbach阻力系数;η为Manning糙率系数;Kn为换算系数，采用国际单位 制时为1，采用英制单位时则为1.486; C为Chezy系数;R为水力半径。
[0021]优选的，水文学模型通过时间面积图表示流域不同区域的汇流时间分布，单位脉 冲响应为
[0022；
[0023]其中：（t-τ)为汇流时间，dA为流域内的单位面积。
[0024]优选的，步骤b)中的地表汇流过程中的雨水径流路径由中心格网和八个相邻的邻 域格网组成，通过邻域格网与中心格网形成的不同坡度的三角面，选择从中心格网的下坡 坡度最大的三角面的坡向作为中心格网的水流方向。
[0025] 优选的，雨水从中心格网汇流至邻域格网的汇流时间
[0026]
[0027] 其中：nm为格网区域地表的Manning糙率系数，g为DEM格网的间距，I为净雨，Ah 为由水流指向连接的两个相邻格网的高程差，k是系数，当水流方向沿着DEM格网方向时k = 1，当水流方向沿着对角线方向时k = 2。
[0028] 优选的，步骤b)中的管网汇流过程中的管道水流为
[0029]
[0030] 其中：I为河段的上游入水流，Q为河段的上下游出水流，S为该河段内的蓄水量；
[0031]
[0032]
[0033]在上式中：Lg为管道长度，L为特征河长，Qo为某一水深!1所对应的稳定流量，So为底 坡，B为水面宽度，C为波速，C = nv，η为波速系数，V为断面平均速度。
[0034] 优选的，步骤b)中计算流量过程中的雨水流速包括以下步骤：
[0035] 步骤一:输入根部管线的管线号，并在数据库中查找与其相连的上游节点；
[0036]步骤二:根据上游节点查找与之相连的上游管线，如果有，则转为步骤三，若没有， 则转为步骤四；
[0037]步骤三:将上游管线编号作为输入转化与步骤一；
[0038]步骤四：将步骤一中的管线设置成边缘管线，其上游管点为边缘管点；
[0039] 步骤五:计算步骤四边缘管线的出流量Q2 = C山+C2IdC3Q1;且该变形管线没有上 游管线，因此边缘管线的此时出流量为Q2 = C1HdC2HdC3Q2，并对计算结果进行保存；
[0040] 步骤六：根据步骤五计算的边缘管线的出流量计算次边缘管线的出流量Q2 = Ci (QL1+Hi) +C2 (QL2+H2) +C3Q1，并对计算结果进行保存；
[0041] 步骤七:重复步骤六直到计算出根部管线的出流量。
[0042]综上所述，本发明的优点：通过致灾因子与承载体易损性分析、城市内涝评估、致 灾临界雨量设定、电网灾害预警的预警方法，能解决暴雨全过程中，城市积涝的提前预警的 难点，并根据预警技术，解决暴雨全过程中，城市积涝范围、积涝深度，预警临界值模拟及确 定等问题，有效地预测内涝灾害并减少内涝造成的财产与经济损失。
【附图说明】
[0043]下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0044] 图1为本发明芝加哥暴雨过程线的结构示意图；
[0045] 图2为本发明非满流圆管的结构示意图。
【具体实施方式】
[0046] 电网设施暴雨预警方法，依次包括以下步骤：
[0047] a)致灾因子与承载体易损性分析:通过降雨量提取不同等级的临界降雨强度、临 界降雨量、临界有效降雨量、淹没范围和淹没水深，并通过淹没范围和淹没水深来分析承载 体易损性，临界降雨强度为单位时间内的降雨量，临界降雨量为一段时间内的降雨量，临界 有效降雨量为反映当前降雨强度及累积降雨量使得坡体或松散物质产生或可能产生位移 作用的等效降雨量，临界有效降雨量Re = Ri+Rd+IrXt，其中：Re为有效降雨量;Ri为间接前 期有效降雨量，是当日之前的降雨累积量;Rd为直接前期有效降雨量，是当日降雨量累积 量;Ir为降雨强度;t为雨强为Ir的降水历时，承载体包括变电所、配电室、电缆线路及设备、 配电终端设备、杆上电容器、站所建筑物、配电变压器、开关柜、环网柜、柱上开关设备；
[0048] b)城市内涝评估:根据步骤a)提取的降雨量分析城市内涝风险，城市内涝风险包 括降雨过程、产流过程、地表汇流过程和管网汇流过程；
[0049] c)致灾临界雨量设定:通过统计归纳法求取暴雨电网影响的临界雨量，并判断是 否超过临界降雨量，当临界雨量超过临界降雨量时，则进入步骤d)，当临界雨量未超过临界 降雨量时，当则返回步骤a);
[0050] d)电网灾害预警:通过对步骤c)中超过临界降雨量的区域进行预警处理及确定城 市易涝点的预警等级。
[0051] 优选的，步骤b)中的降雨过程通过暴雨强度表述，暴雨强度包括以下步骤：
[0052] A暴雨资料选样:从已有的雨量资料中选取降雨事件，降雨事件的降雨历时分为5 分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟、45分钟、60分钟、90分钟、120分钟，降雨事件的降雨 重现期按0.25年、0.33年、0.5年、1年、2年、3年、5年和10年统计；
[0053] B频率分析:根据步骤A选取的暴雨资料统计暴雨强度的频率分布曲线；
[0054] C确定暴雨强度参数:通过步骤A和步骤B获得的频率-强度-历时关系来估计暴雨 强度参数，估计方法包括最小二乘法、单纯形法、迭代法和遗传算法。
[0055] 当研究区域为一个没有降雨资料或资料不充分时，采用平均降雨强度表示一场 降雨，且降雨强度为不变的，在实际的降雨过程中，开始时降雨强度较小，随时间增加而逐 渐变大，然后又变小直到雨停，通过图1中所示的芝加哥暴雨过程线进行相应的演算，图1 中，tl为雨峰时刻，降雨强度最大;t2为雨停时刻;tb表示峰前时段，ta表示峰后时段，雨峰 系数Y=tl = t2,使用与均匀雨型具有相同平均强度的暴雨生成雨量过程线，用i(t)表示 降雨强度随时间的变化，则历时为td的降雨的平均强度为：
[0056]
[0057]引入雨峰后，以tb表示峰前时刻与雨峰时刻的时差，以ta表示峰后时刻与雨峰时 刻的时差，则峰前时段的瞬时降雨强度为：
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] 当模型计算精度要求不高时，可以采用均匀雨型表示降雨强度的时间分布;若计 算精度要求较高时，采用芝加哥暴雨过程线，雨峰系数取经验值〇. 4。
[0065] 步骤b)中的产流过程通过径流系数法计算，径流系数法将城市区域分为几种不 同的地表类型并对每一种地表类型赋以一个系数，然后该系数乘以降雨量就得到了产流 量，根据不同的地面类型选取不同的径流系数，如各种屋面、混凝土或沥青路面的径流系数 为0.85~0.95;大块石铺砌路面或沥青表面处理的碎石路面的径流系数为0.55~0.65;级 配碎石路面的径流系数为0.40~0.50;干砌砖石或碎石路面的径流系数为0.35~0.40;非 铺砌土路面的径流系数为0.25~0.35;公园或绿地的的径流系数为0.10~0.20。
[0066] 步骤b)中的地表汇流过程为雨水径流产生后如何在地表运动，并最终通过雨水口 进入排水管网的过程，地表汇流过程包括水力学模型和水文学模型，水力学模型建立在微 观物理定律的基础上，依据水流的连续方程和运动方程求解水流的时空变化，雨水口汇水 区内的水流运动为坡面流过程，水文学模型为建立降雨输入和流域出口流量过程的某种确 定性关系。
[0067] 控制坡面流运动的一维圣维南方程组为：
[0068]
[0069]
[0070] 其中：X为水流方向，A为垂直于X轴的面积，Q为通过断面A的流量，y为断面A的水 深，VX为断面平均流速，SO为地面坡度，Sf为阻力坡度，g为重力加速度，ql为下渗或降雨，阻 力坡度：
[0071]
[0072]其中：f为Weisbach阻力系数;η为Manning糙率系数;Kn为换算系数，采用国际单 位制时为1，采用英制单位时则为1.486; C为Chezy系数;R为水力半径。
[0073] 水文学模型通过时间面积图表示流域不同区域的汇流时间分布，单位脉冲响应为
[0074]
[0075] 其中：（t-τ)为汇流时间，dA为流域内的单位面积。
[0076] 优选的，步骤b)中的地表汇流过程中的雨水径流路径由中心格网和八个相邻的邻 域格网组成，通过邻域格网与中心格网形成的不同坡度的三角面，选择从中心格网的下坡 坡度最大的三角面的坡向作为中心格网的水流方向。
[0077] 雨水从中心格网汇流至邻域格网的汇流时间 [0078
[0079J 其中：nm为格N凶域地表的Manning糙率糸数，g为DEM格网的间距，I为净雨，Ah为 由水流指向连接的两个相邻格网的高程差，k是系数，当水流方向沿着DEM格网方向时k = 1，
[0083] 当水流方向沿着对角线方向时k=2。[0080] 击骤h)由的管网r流忖耜由的管道水流为[0081]
[0082]其中：I为判段的上游人水流，Q为河段的上下游出水流，S为该河段内的蓄水量；
[0084]
[0085]在上式中：Lg为管道长度，L为特征河长，Qo为某一水深!1所对应的稳定流量，So为底 坡，B为水面宽度，C为波速，C = nv，η为波速系数，V为断面平均速度。
[0086] 当管网汇流管道为非满流圆管时，如图2所示有，
[0087]
[0088] 其中η为曼宁粗糙系数，D为管道直径，为圆心角，整理得：
[0089；
[0090] 式中α和β为#的函数。根据岑国平等人的研究，α和β可取常数:α = 0.15，β = 0.75， 则有：
[0091]
[0092] 再求出Co，Ci和C2,由4_2式可求出管道某时段Δ t后的流量Qt+At。结合管道过水断 面特征，由曼宁公式可得对应演算流量的水深h，即：
[0093]
[0094] 先通过Q求出气再由识计算该断面的水深h。从Q求炉采用牛顿迭代法，令
[0100] 步骤b)中计算流量过程中的雨水流速包括以下步骤：
[0101]步骤一:输入根部管线的管线号，并在数据库中查找与其相连的上游节点；
[0102] 步骤二:根据上游节点查找与之相连的上游管线，如果有，则转为步骤三，若没有， 则转为步骤四；
[0103] 步骤三:将上游管线编号作为输入转化与步骤一；
[0104] 步骤四：将步骤一中的管线设置成边缘管线，其上游管点为边缘管点；
[0105] 步骤五:计算步骤四边缘管线的出流量Q2 = C1IdC2IdC3Q1;且该变形管线没有上 游管线，因此边缘管线的此时出流量为Q 2 = C1HdC2HdC3Q2，并对计算结果进行保存；
[0106] 步骤六：根据步骤五计算的边缘管线的出流量计算次边缘管线的出流量Q2 = Ci (QL1+Hi) +C2 (QL2+H2) +C3Q1，并对计算结果进行保存；
[0107] 步骤七:重复步骤六直到计算出根部管线的出流量。
[0108] 除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本 发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定 义的范围。
【主权项】
1. 电网设施暴雨预警方法，其特征在于:依次包括以下步骤： a) 致灾因子与承载体易损性分析:通过降雨量提取不同等级的临界降雨强度、临界降 雨量、临界有效降雨量、淹没范围和淹没水深，并通过淹没范围和淹没水深来分析承载体易 损性，临界降雨强度为单位时间内的降雨量，临界降雨量为一段时间内的降雨量，临界有效 降雨量为反映当前降雨强度及累积降雨量使得坡体或松散物质产生或可能产生位移作用 的等效降雨量，临界有效降雨量Re = Ri+Rd+IrXt，其中：Re为有效降雨量;Ri为间接前期有 效降雨量，是当日之前的降雨累积量;Rd为直接前期有效降雨量，是当日降雨量累积量；Ir 为降雨强度;t为雨强为Ir的降水历时，承载体包括变电所、配电室、电缆线路及设备、配电 终端设备、杆上电容器、站所建筑物、配电变压器、开关柜、环网柜、柱上开关设备； b) 城市内涝评估:根据步骤a)提取的降雨量分析城市内涝风险，城市内涝风险包括降 雨过程、产流过程、地表汇流过程和管网汇流过程； c) 致灾临界雨量设定:通过统计归纳法求取暴雨电网影响的临界雨量，并判断是否超 过临界降雨量，当临界雨量超过临界降雨量时，则进入步骤d)，当临界雨量未超过临界降雨 量时，当则返回步骤a); d) 电网灾害预警:通过对步骤c)中超过临界降雨量的区域进行预警处理及确定城市易 ?劳点的预警等级。2. 根据权利要求1所述的电网设施暴雨预警方法，其特征在于:步骤b)中的降雨过程通 过暴雨强度表述，暴雨强度包括以下步骤： A暴雨资料选样:从已有的雨量资料中选取降雨事件，降雨事件的降雨历时分为5分钟、 10分钟、15分钟、20分钟、30分钟、45分钟、60分钟、90分钟、120分钟，降雨事件的降雨重现期 按0.25年、0.33年、0.5年、1年、2年、3年、5年和10年统计； B频率分析:根据步骤A选取的暴雨资料统计暴雨强度的频率分布曲线； C确定暴雨强度参数:通过步骤A和步骤B获得的频率-强度-历时关系来估计暴雨强度 参数，估计方法包括最小二乘法、单纯形法、迭代法和遗传算法。3. 根据权利要求1所述的电网设施暴雨预警方法，其特征在于:步骤b)中的产流过程通 过径流系数法计算，径流系数法将城市区域分为几种不同的地表类型并对每一种地表类型 赋以一个系数，然后该系数乘以降雨量就得到了产流量。4. 根据权利要求1所述的电网设施暴雨预警方法，其特征在于:步骤b)中的地表汇流过 程为雨水径流产生后如何在地表运动，并最终通过雨水口进入排水管网的过程，地表汇流 过程包括水力学模型和水文学模型，水力学模型建立在微观物理定律的基础上，依据水流 的连续方程和运动方程求解水流的时空变化，雨水口汇水区内的水流运动为坡面流过程， 水文学模型为建立降雨输入和流域出口流量过程的某种确定性关系。5. 根据权利要求4所述的电网设施暴雨预警方法，其特征在于:控制坡面流运动的一维 圣维南方程组为：其中：x为水流方向，A为垂直于x轴的面积，Q为通过断面A的流量，y为断面A的水深，vx 为断面平均流速，SO为地面坡度，Sf为阻力坡度，g为重力加速度，ql为下渗或降雨，阻力坡 度：其中：f为Weisbach阻力系数;η为Manning糙率系数;Kn为换算系数，采用国际单位制时 为1，采用英制单位时则为1.486;(：为〇16^系数;1?为水力半径。6. 根据权利要求4所述的电网设施暴雨预警方法，其特征在于:水文学模型通过时间面 积图表示流域不同区域的汇流时间分布，单位脉冲响应为 其中：（t-τ)为汇流时间，dW瓜·^n H、J年·??LflJtr、。7. 根据权利要求4所述的电网设施暴雨预警方法，其特征在于:步骤b)中的地表汇流过 程中的雨水径流路径由中心格网和八个相邻的邻域格网组成，通过邻域格网与中心格网形 成的不同坡度的三角面，选择从中心格网的下坡坡度最大的三角面的坡向作为中心格网的 水流方向。8. 根据权利要求7所述的电网设施暴雨预警方法，其特征在于：雨水从中心格网汇流至 邻域格网的汇流时间其中：nm为格网区域地表的Manning糙率系数，g为DEM格网的间距，I为净雨，Δ h为由水 流指向连接的两个相邻格网的高程差，k是系数，当水流方向沿着DEM格网方向时k=l，当水 流方向沿着对角线方向时k = 2。9. 根据权利要求1所述的电网设施暴雨预警方法，其特征在于:步骤b)中的管网汇流过 程中的管道水流为 Qt+At = C〇It+At+ClIt+C2Qt; 其中：I为河段的上游入水流，Q为河段的上下游出水流，S为该河段内的蓄水量；在上式中：Lg为管道长度，L为特征河长，Qo为某一水深!1所对应的稳定流量，So为底坡，B 为水面宽度，c为波速，c=nv，η为波速系数，v为断面平均速度。10. 根据权利要求9所述的电网设施暴雨预警方法，其特征在于:步骤b)中计算流量过 程中的雨水流速包括以下步骤： 步骤一:输入根部管线的管线号，并在数据库中查找与其相连的上游节点； 步骤二:根据上游节点查找与之相连的上游管线，如果有，则转为步骤三，若没有，则转 为步骤四； 步骤三:将上游管线编号作为输入转化与步骤一； 步骤四：将步骤一中的管线设置成边缘管线，其上游管点为边缘管点； 步骤五:计算步骤四边缘管线的出流量QpCm+CA+CsQu且该变形管线没有上游管 线，因此边缘管线的此时出流量为Q2 =(：此+(：2!12+(^2，并对计算结果进行保存； 步骤六:根据步骤五计算的边缘管线的出流量计算次边缘管线的出流量ftiicKQu+m) +(^2^2+^)+(:^，并对计算结果进行保存； 步骤七:重复步骤六直到计算出根部管线的出流量。
【文档编号】G08B21/10GK106056851SQ201610322830
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】吴颖晖, 沈平, 沈一平, 潘杰, 陈鹏, 潘少华, 张东波, 陈杰, 金凌鹏, 丁宇海
【申请人】国网浙江省电力公司台州供电公司, 国家电网公司, 杭州辰青和业科技有限公司