一种基于高精度水动力模型的LID设施优化设计方法

一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法
技术领域
1.本发明属于防洪排涝、市政工程、城市规划以及计算机技术的交叉技术领域，涉及一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法。


背景技术：

2.近年来，随着极端天气的频发以及城市化进程的快速发展，城市地表不透水率逐渐升高，下垫面渗透能力逐渐降低，雨水无法及时下渗，导致城市内涝问题十分严重。为了应对此类城市问题，我国基于lid(low impact development)理念，提出了“渗、滞、蓄、净、用、排”的海绵城市雨洪管理新概念，在不大幅度影响城市原生态的情况下，通过人工设施调节过量雨水，即通过新建lid设施的方式降低城市的雨洪风险。
3.为了合理有效地管理城市雨水问题，以swmm为代表的水文模型在海绵城市设施布局及效果评价方面已得到广泛应用。但常见水文模型由于计算方法的局限性，仅能得到流域出口处的流量过程，无法给出特定位置的水力特征要素，并且由于水文模型对复杂地形描述能力较弱、对参数经验依赖性较强等问题的存在，影响着模拟结果的准确性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法，解决了现有lid设施优化设计方法中，数值模拟模型仅采取水文模型，导致对lid建设效果评价精度过低，影响设计方案可靠度的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法，具体按照以下步骤实施：
6.步骤1、建立lid设施规划区域的城市内涝过程高精度水动力数值模型，输入研究区域内降雨数据、高程数据、土地利用类型数据、下渗数据、管网数据，模拟得到不同降雨重现期条件下的城市内涝情况，将某降雨重现期计算结果中的最大积水量时刻的水深图作为该降雨条件下的内涝风险图；
7.步骤2、根据积涝风险图中局部内涝严重区域结合地籍属性重要程度或重要性级别或实际工程需求选出若干个lid初始建设起点；
8.步骤3、以lid设施建设起点为中心依次向外增设相应lid设施，直至达到lid设施可建的最大范围，lid设施的建设方式在水动力模型中体现为改变不同建设面积工况下的下渗值，通过水动力模型最终模拟得到各lid建设面积工况下的地表积水总量；
9.步骤4、用未建设lid设施工况下的地表峰值积水量减去各lid建设工况下的地表峰值积水量，得到各建设lid工况相比未建设lid措施的峰值积水削减量；
10.步骤5、以lid设施建设面积为自变量，各建设工况的峰值积水量削减量为因变量，拟合该工程中水动力模型得到的lid设施建设面积与积水削减量之间的经验公式；
11.步骤6、根据拟合所得的经验公式，再结合各类lid设施的单位价格，建立以lid设施建设成本最低和雨水削减量最大的目标函数，在以lid设施最大可建设面积为约束条件，
通过naga
‑ⅱ
算法求得该非线性函数的pareto最优解集；
12.步骤7、根据实际需求选出pareto解集中满足工程、经济条件的相应解，即为lid设施优化设计的最佳决策解。
13.本发明的特点还在于，
14.步骤2中，地籍属性重要程度由高到低依次为商业用地，居民用地，道路，裸土和草地；
15.重要性级别按地理位置及土地重点开发程度划分；
16.实际工程需求指工程需求中需要优先建设的位置。
17.步骤5拟合的经验公式包括单一lid设施的一元函数和多种lid设施组合的多元函数。
18.步骤6lid设施建设成本最低和雨水削减量最大的目标函数为：
[0019][0020]
式(1)中，ai为第i种lid设施建设面积；wi为第i种lid设施建设单价；f0为lid设施建设前地表峰值积水时刻总积水量，f(ai)为第i种lid措施建设后地表峰值总积水量。
[0021]
lid设施约束条件为：
[0022]
0≤ai≤a
imax
ꢀꢀ
(2)
[0023]
式(2)中，ai为第i种lid设施实际建设面积，a
imax
为研究区域内第i种lid设施可建最大面积。
[0024]
步骤6中naga
‑ⅱ
算法需按照目标函数的复杂程度设置相应的最优个体系数、种群大小、最大进化代数、停止代数和适应度函数偏差进行求解。
[0025]
步骤6中求得的pareto最优解集是从低成本至高成本的优化解集。
[0026]
本发明的有益效果是：
[0027]
本发明一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法，利用高精度水动力模型对优化方案进行模拟，基于水动力模型的特性能够保证方案模拟精度的高效，实现lid建设效果的定量化与可视化分析。通过数值模拟得到lid设施建设面积与积水削减量之间的数据集，再通过非线性函数拟合的方式精准有效的描述了不同lid建设面积工况下的雨洪积水量控制效果。通过naga
‑ⅱ
寻优算法对非线性的建设成本、建设面积和建设效果函数进行方案寻优求解，充分发挥了naga
‑ⅱ
寻优算法对多元非线性函数求解的精准高效性。并且由于lid布设方法的特性，本方法穷尽了从低成本至高成本的所有lid设施建设方案，决策者可以基于此种方法得到的lid设施建设成本与建设效果间的规律，选择满足实际工程需求的设施建设最优方案，设计方案可靠度高
附图说明
[0028]
图1是本发明一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法的流程图；
[0029]
图2是本发明一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法的实施例区域内涝风险图；
[0030]
图3是本发明一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法的实施例区域
建设起点示意图；
[0031]
图4是本发明一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法的实施例lid设施增设布局方法示意图；
[0032]
图5是本发明一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法的实施例透水铺装pareto解集；
[0033]
图6是本发明一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法的实施例雨水花园pareto解集；
[0034]
图7是一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法的实施例组合lid设施pareto解集。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0036]
实施例
[0037]
本实施例提供一种基于高精度水动力模型的lid设施优化设计方法，具体按照以下步骤实施：
[0038]
步骤1、建立lid设施规划区域的城市内涝过程高精度水动力数值模型，输入研究区域内降雨数据、高程数据、土地利用类型数据、下渗数据、管网数据，模拟得到不同降雨重现期条件下的城市内涝情况，如图2所示，将某降雨重现期计算结果中的最大积水量时刻的水深图作为该降雨条件下的内涝风险图。
[0039]
步骤2、如图3所示，根据积涝风险图中局部内涝严重区域结合地籍属性重要程度或重要性级别或实际工程需求选出多个lid初始建设起点；
[0040]
地籍属性重要程度由高到低依次为商业用地，居民用地，道路，裸土和草地；重要性级别按地理位置及土地重点开发程度划分；实际工程需求指工程需求中需要优先建设的位置。
[0041]
步骤3、如图4所示，以lid设施建设起点为中心依次向外增设相应lid设施，直至达到lid设施可建的最大范围，lid设施的建设方式在水动力模型中体现为改变不同建设面积工况下的下渗值，通过水动力模型最终模拟得到各lid建设面积工况下的地表积水总量。
[0042]
步骤4、用未建设lid设施工况下的地表峰值积水量减去各lid建设工况下的地表峰值积水量，得到各建设lid工况相比未建设lid措施的峰值积水削减量；即
[0043]v削减量
＝v
无lid设施-v
不同lid设施建设面积工况
[0044]v削减量lid
为建设lid设施后相对于未建设lid设施时各建设工况下地表峰值积水削减量；v
无lid设施
为未建设lid设施时地表峰值积水时刻总积水量；v
不同lid设施建设面积工况
为lid设施在不同建设面积工况下的地表峰值积水总量，表1为实例中高精度水动力模型计算所得的lid设施建设面积与建设效果的数据集。
[0045]
表1某区域不同lid设施建设工况模拟结果
[0046][0047]
步骤5、以lid设施建设面积为自变量，各建设工况的峰值积水量削减量为因变量，拟合该工程中水动力模型得到的lid设施建设面积与积水削减量之间的经验公式，表2为实例中单种lid设施透水铺装和雨水花园以及两者组合共同建设的建设面积及雨水削减量拟合函数关系式；
[0048]
表2拟合函数及决定系数
[0049][0050]
表2中，x1、x2分别为透水铺装及雨水花园的建设面积，y1、y2、y3分别为透水铺装、雨水花园和组合lid设施得峰值积水削减量。
[0051]
需要说明的是，拟合的经验公式(函数关系式)的主要目的是为了下一步利用naga
‑ⅱ
算法求得建设成本与建设效果之间的非线性最有函数解集，因此，拟合函数的因变量只能为雨水削减量，自变量由于建设种类不同可以考虑仅设单种lid设施，两种或多种lid设施，设置lid设施的种类数即为拟合函数的自变量个数，并且拟合函数的可靠程度需
要用决定系数r2来验证，一般认为r2大于0.5即为拟合程度可靠，本实例种仅展示了单种和组合两种lid设施的建设方案。
[0052]
步骤6、根据拟合所得的经验公式，再结合各类lid设施的单位价格，建立以lid设施建设成本最低和雨水削减量最大的目标函数，在以lid设施最大可建设面积为约束条件，通过naga
‑ⅱ
算法求得该非线性函数的pareto最优解集，pareto最优解集是从低成本至高成本的优化解集；
[0053]
lid设施建设成本最低和雨水削减量最大的目标函数为：
[0054][0055]
式(1)中，ai为第i种lid设施建设面积；wi为第i种lid设施建设单价；f0为lid设施建设前地表峰值积水时刻总积水量，f(ai)为第i种lid措施建设后地表峰值总积水量；
[0056]
lid设施约束条件为：
[0057]
0≤ai≤a
imax
(2)
[0058]
式(2)中，ai为第i种lid设施实际建设面积，a
imax
为研究区域内第i种lid设施可建最大范围；
[0059]
优化模型lid设施建造价格可参考《海绵城市建设技术指南》及同等经济水平城市实际建设案例，如实例中参考确定透水铺装单价为200元/m2，雨水花园单价为500元/m2。
[0060]
由于拟合函数均为非线性函数，导致优化过程计算量庞大，为了确保优化目标函值精确、均匀分布的同时又尽量节省运算时间，需要合理地设置nsga
‑ⅱ
算法中的相关参数，本实施例采用了如表3所示的nsga
‑ⅱ
参数。
[0061]
表3nsga
‑ⅱ
参数
[0062][0063]
通过naga-ii寻优算法进行非线性多元函数求解可以得到建设成本最小、雨水削减量最大的优化解集。利用naga-ii寻优算法不同工况非线性多元函数运行结果如图5-7所示。
[0064]
步骤7、根据实际需求选出pareto解集中满足工程、经济条件的相应解，即为lid设施优化设计的最佳决策解。