专利名称：一种城市暴雨洪涝演化过程的预测方法
技术领域：
本发明涉及一种淹没演化过程的预测方法，尤其是一种城市暴雨洪涝演化过程的预 测方法。
背景技术：
我国是一个自然灾害十分频繁的国家，其中以洪涝灾害尤为严重。随着我国城市化 进程的加快，城市人口的激增，城市暴雨洪涝等自然灾害对人口稠密、工商业发达、建 筑物繁多的城市构成了严重的威胁；而另一方面，城市中的防洪标准偏低、都市化洪水 效应、原有河道水系的填占毁坏、超量开采地下水、缺少适洪工程建筑等人为因素所造 成的不利影响，使得我国大城市已经进入暴雨洪涝灾害高发期。2007年10月，台风"罗 莎"在浙江境内肆虐了约20个小时，受台风"罗莎"与冷空气交汇影响，浙江大部分地 区持续强降雨，造成浙江省538万人受灾，.损失近46亿元，直接经济损失4.6亿元。40年 未遇的强暴雨致使杭州部分地区严重内涝，191.3毫米的日降水量创历史记录，使得主城 区有533处道路积水，最大水深达1.5米，主城区洪涝面积达82.198千公顷，受灾人口超 过21万人，其中1500多户居民家中进水，部分小区停水停电，19所学校被淹停课，交通 一度陷入瘫痪，对正常的生产生活秩序产生一定影响，造成较为严重的财产损失。
现有技术中，对于城市暴雨洪涝演化的预测只是简单地根据暴雨量来预测演化，或 者只是一些简单数学公式的计算，经过多少暴雨时间，淹没多少面积，取平均值来得出 水深面积。以上方法的最大缺点就是没有考虑地面因素，例如，各个地区海拔不同(决 定区域是否会有水流进入)，地面糙度不同(影响水流速度，从而导致水流在一定时间 被是否能够达到)，区块连通不同(决定水流是否被阻隔，影响洪水走向)，泄洪因素不 同(决定各区块的泄洪程度，从而导致水深及水速)。因为没有考虑以上因素，导致演 化的预测都只停留在取平均的状态，对于不同区块的各种特性得不到很好的体现。举例 来说，某区块海拔较高，那它一定是在暴雨比较大或者持续时间比较长的情况下，才能 淹没到，而且水深肯定要稍比其他区块要浅。同样，现有技术没有考虑地面糙度，从而 无法准确判断后续区块在何时才能被淹没到。在考虑区块连通问题上，现有技术是不判 断区块时间是否因为大山或者其他因素而被阻隔的，对淹没情况下的所有区块一视同 仁，淹没只是根据时间。此外在现有技术中没有考虑泄洪因素，其没有泄洪这个概念
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在给定具体暴雨洪涝爆发信息的条件下，得 到城市地理空间中任一点淹没状态，对暴雨洪涝演化过程进行预测的方法。 本发明解决上述问题所采用的技术方案是该预测方法的步骤如下-
(1) 初始化以下数据当前时间步T、起始洪水爆发点的流速V、某一城市地形的 任意多边形网格区块集合S、起始洪水爆发点的区域块号KES;
(2) 创建一个空的用于保存递归过程中区块对象的淹没队列，再创建用于返回洪 水漫延到的所有区块列表的返回列表；
(3) 将起始爆发点的区域块K加入淹没队列中，继续步骤(4);
(4) 判断淹没队列是否为空，如为空，跳转到步骤(8)，如为非空，取出淹没队
列的第一区块对象K1，继续步骤(5);
(5) 计算Kl在时间步T的水深Dl，计算Kl与其相邻区块的海拔差D2，如果D1〉D2， 说明水深己超过海拔差，洪水将蔓延到下一区块，继续步骤(6)，反之则直接跳转到步
骤(7);
(6) 计算洪水到达K1相邻区块所需的时间T2，如果T〉T2，说明洪水能到达所邻 区块，将满足条件的所邻区块加入淹没队列中，继续步骤(7)，反之则直接跳转到步骤
(7);
(7) 将K1加入到返回列表中，返回到步骤(4);
(8) 结束算法；最后所得的返回列表中保存有从时间步T到某一时刻的所有淹没
区块对象的信息。 '
本发明所述步骤(1)、 (5)中如考虑暴雨因素，还需初始化暴雨因素所产生的初始 流量增速V1这一数据，并需计算水深的增加量D3，如D1+D3〉D2，说明水深已超过海拔 差，洪水将蔓延到下一区块，继续步骤(6)，反之则直接跳转到步骤(7);所述步骤(6) 中如考虑暴雨因素，需计算所减少的洪水到达时间T3，如T〉T2-T3，说明洪水能到达所 邻区块，将满足条件的所邻区块加入淹没队列中，继续步骤(7)，反之则直接跳转到步 骤(7)。
本发明所述步骤(1)、 (5)中如考虑暴雨因素和城市所具有的泄洪能力，还需初始 化暴雨因素所产生的初始流量增速VI和泄洪因子M这两个数据，并需计算水深的增加 量D3，如M(D1+D3)〉D2，说明水深已超过海拔差，洪水将蔓延到下一区块，继续步骤(6)， 反之则直接跳转到步骤(7);所述步骤(6)中如考虑暴雨因素和城市所具有的泄洪能力，需计算所减少的洪水到达时间T3，如T〉M (T2-T3)，说明洪水能到达所邻区块，将 满足条件的所邻区块加入淹没队列中，继续步骤(7)，反之则直接跳转到步骤(7)。
本发明所述步骤(2)中区块的结构如下唯一标识id、确定区域的围绕点points、 该区域面积area、该区域平均海拔altitude、确定该区域相连接的区域links、该区 域的水深d印th。
本发明所述步骤(8)中淹没区块对象的信息包括区块介绍、海拔高度、区域面积、 当前水深、人口密度、相邻区域。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果该预测方法基于元胞自动机(Cellular Automata)的自组织适应特性，结合城市地形的任意多边形格网模型，用元胞来描述地 形单元，定义连通的地形单元之间的洪水漫延规则，可以实现暴雨型的"无源淹没"(暴 雨因素)和洪水型的"有源淹没"(河流源头因素)等不同条件下暴雨洪涝漫延模拟， 得到城市地理空间中任一点的淹没状态，包括淹没路径、淹没水深、淹没时间、当前流 速。该预测方法考虑了地面糙度，转化成为水流的时间因素，使各个区块在不同时间被 陆续淹没。该预测方法考虑了区块连通问题，因为区块之间体现连通，所以区块的淹没 因为各自的特性而出现淹没或者不淹没等情况。该预测方法还考虑了泄洪因素，泄洪是 对之甜几种特性的画龙点睛，因为泄洪的因素，使得洪涝的演化更加真实，各个区块的 水深等因素体现得更加丰富。
图1为杭州城市区块的划分区块图。
图2为"有源淹没"洪涝演化过程的流程图。
图3为"有源淹没+无源淹没"洪涝演化过程的流程图。
图4为"有源淹没+无源淹没+泄洪"洪涝演化过程的流程图。
具体实施例方式
实施例1:
参见图2，本实施例为某一河流沿岸区域块爆发洪水时(有源淹没)的预测方法，
其歩骤如下
(1)初始化以下数据当前时间步T、起始洪水爆发点的流速V、某一城市地形的 任意多边形网格区块集合S (如图l所示的杭州地区)、起始洪水爆发点的区域块号KE
S;然后根据以上信息预测暴雨洪涝的演化过程。
(2) 创建一个空的用于保存递归过程中区块对象的淹没队列(Flood Queue),所 述区块的结构如下唯一标识id、确定区域的围绕点points、该区域面积area、该区 域平均海拔altitude、确定该区域相连接的区域links、该区域的水深d印th。再创 建用于返回洪水漫延到的所有区块列表的返回列表(Return List)。
(3) 初始化状态将起始爆发点的区域块K加入淹没队列(Flood Queue)中，继
续步骤(4);
(4) 判断淹没队列(Flood Queue)是否为空，如为空，跳转到步骤(8)，如为非 空，取出淹没队列(Flood Queue)的第一区块对象K1，继续步骤(5);
(5) 计算Kl在时间步T的水深Dl，计算Kl与其相邻区块的海拔差D2，如果D1〉D2， 说明水深己超过海拔差，洪水将蔓延到下一区块，继续步骤(6)，反之则直接跳转到步 骤(7);
(6) 计算洪水到达K1相邻区块所需的时间T2，如果T〉T2，说明洪水能到达所邻 区块，将满足条件的所邻区块加入淹没队列(Flood Queue)中，继续步骤(7)，反之 则直接跳转到步骤(7);
(7) 将Kl加入到返回列表(Return List)中，返回到步骤(4);
(8) 结束算法；最后所得的返回列表中保存有从时间步T到某一时刻的所有淹没 区块对象的信息，对象中保存的信息包括区块介绍、海拔高度、区域面积、当前水深、 人口密度、相邻区域等。
实施例2:
参见图3，本实施例为某一河流沿岸区域块爆发洪水并同时有暴雨时(有源淹没+
无源淹没)的预测方法，其步骤如下
(1)初始化以下数据当前时间步T、起始洪水爆发点的流速V、某一城市地形的
任意多边形网格区块集合S (如图l所示的杭州地区)、起始洪水爆发点的区域块号KE
S、暴雨因素所产生的初始流量增速Vl;
然后根据以上信息预测暴雨洪涝的演化过程。
歩骤(2)、 (3)、 (4)与实施例l相同。 (5)计算K1在时间步T的水深D1，计算K1与其相邻区块的海拔差D2，考虑暴雨 因素产生的流量对水深的增加量D3，如果D1+D3>D2，说明水深已超过海拔差，洪水将蔓延到下一区块，继续步骤(6)，反之则直接跳转到步骤(7);
(6)计算洪水到达K1相邻区块所需的时间T2，考虑暴雨因素所减少的洪水到达时 间T3，如果T〉T2-T3，说明洪水能到达所邻区块，将满足条件的所邻区块加入淹没队列 (Flood Queue)中，继续步骤(7)，反之则直接跳转到步骤(7); 步骤(7)、 (8)与实施例1相同。 实施例3:
参见图4，本实施例为某一河流沿岸区域块爆发洪水并同时有暴雨，且具有一定泄 洪能力时(有源淹没+无源淹没+泄洪)的预测方法，其步骤如下
(1)初始化以下数据当前时间步T、起始洪水爆发点的流速V、某一城市地形的 任意多边形网格区块集合S (如图l所示的杭州地区)、起始洪水爆发点的区域块号KE
S、暴雨因素所产生的初始流量增速V1、各区块的泄洪因子M;
然后根据以上信息预测暴雨洪涝的演化过程。
步骤(2)、 (3)、 (4)与实施例l相同。
(5) 计算K1在时间步T的水深D1，计算K1与其相邻区块的海拔差D2，考虑暴雨 因素产生的流量对水深的增加量D3和泄洪因子M，如果M(D1+D3)〉D2，说明水深已超过 海拔差，洪水将蔓延到下一区块，继续步骤(6)，反之则直接跳转到步骤(7);
(6) 计算洪水到达Kl相邻区块所需的时间T2，考虑暴雨因素所减少的洪水到达时 间T3和泄洪因子M，如果T〉M (T2-T3)，说明洪水能到达所邻区块，将满足条件的所邻 区块加入淹没队列(Flood Queue)中，继续步骤(7)，反之则直接跳转到步骤(7);
歩骤(7)、 (8)与实施例l相同。
权利要求
1、一种城市暴雨洪涝演化过程的预测方法，其特征在于步骤如下(1)初始化以下数据当前时间步T、起始洪水爆发点的流速V、某一城市地形的任意多边形网格区块集合S、起始洪水爆发点的区域块号K∈S；(2)创建一个空的用于保存递归过程中区块对象的淹没队列，再创建用于返回洪水漫延到的所有区块列表的返回列表；(3)将起始爆发点的区域块K加入淹没队列中，继续步骤(4)；(4)判断淹没队列是否为空，如为空，跳转到步骤(8)，如为非空，取出淹没队列的第一区块对象K1，继续步骤(5)；(5)计算K1在时间步T的水深D1，计算K1与其相邻区块的海拔差D2，如果D1>D2，说明水深已超过海拔差，洪水将蔓延到下一区块，继续步骤(6)，反之则直接跳转到步骤(7)；(6)计算洪水到达K1相邻区块所需的时间T2，如果T>T2，说明洪水能到达所邻区块，将满足条件的所邻区块加入淹没队列中，继续步骤(7)，反之则直接跳转到步骤(7)；(7)将K1加入到返回列表中，返回到步骤(4)；(8)结束算法；最后所得的返回列表中保存有从时间步T到某一时刻的所有淹没区块对象的信息。
2、 根据权利要求1所述的城市暴雨洪涝演化过程的预测方法，其特征在于所述步骤(1)、 (5)中如考虑暴雨因素，还需初始化暴雨因素所产生的初始流量增速VI这 一数据，并需计算水深的增加量D3，如D1+D3〉D2，说明水深已超过海拔差，洪水将蔓 延到下一区块，继续步骤(6)，反之则直接跳转到步骤(7);所述步骤(6)中如考虑 暴雨因素，需计算所减少的洪水到达时间T3，如T〉T2-T3，说明洪水能到达所邻区块， 将满足条件的所邻区块加入淹没队列中，继续步骤(7)，反之则直接跳转到步骤(7)。
3、 根据权利要求1所述的城市暴雨洪涝演化过程的预测方法，其特征在于所述 步骤(1)、 (5)中如考虑暴雨因素和城市所具有的泄洪能力，还需初始化暴雨因素所产 生的初始流量增速VI和泄洪因子M这两个数据，并需计算水深的增加量D3，如 M(D1+D3)〉D2，说明水深已超过海拔差，洪水将蔓延到下一区块，继续步骤(6)，反之 则直接跳转到步骤(7);所述步骤(6)中如考虑暴雨因素和城市所具有的泄洪能力， 需计算所减少的洪水到达时间T3，如T〉M (T2-T3)，说明洪水能到达所邻区块，将满足条件的所邻区块加入淹没队列中，继续步骤(7)，反之则直接跳转到步骤(7)。
4、 根据权利要求1或2或3所述的城市暴雨洪涝演化过程的预测方法，其特征在 于所述步骤(2)中区块的结构如下唯一标识id、确定区域的围绕点points、该区 域面积area、该区域平均海拔altitude、确定该区域相连接的区域links、该区域的 水深d印th。
5、 根据权利要求1或2或3所述的城市暴雨洪涝演化过程的预测方法，其特征在 于所述步骤(8)中淹没区块对象的信息包括区块介绍、海拔高度、区域面积、当前 水深、人口密度、相邻区域。
全文摘要
本发明公开了一种城市暴雨洪涝演化过程的预测方法。该方法步骤为(1)初始化数据；(2)创建一个空的淹没队列，再创建返回列表；(3)将起始爆发点的区域块K加入淹没队列中；(4)判断淹没队列是否为空；(5)计算K1在时间步T的水深D1，计算K1与其相邻区块的海拔差D2，如D1＞D2，继续步骤(6)，反之则直接跳到步骤(7)；(6)计算洪水到达K1相邻区块所需的时间T2，如T＞T2，继续步骤(7)，反之则直接跳到步骤(7)；(7)将K1加入到返回列表中，返回到步骤(4)；(8)结束算法。本发明在给定具体暴雨洪涝爆发信息的条件下，可得到城市地理空间中任一点淹没状态，对暴雨洪涝演化过程进行预测。
文档编号G06F19/00GK101441683SQ20081006226
公开日2009年5月27日 申请日期2008年6月17日 优先权日2008年6月17日
发明者健 吴, 吴朝晖, 尹建伟, 凌 张, 莹 李, 邓水光 申请人:浙江大学