基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法及设备

本发明实施例涉及城市水文模拟，尤其涉及一种基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法及设备。

背景技术：

1、当前世界正处在一个快速的城市化过程中，世界范围内的城市用地面积平均每年都在快速增长。城市化进程中城市不透水面的扩张严重影响了城市流域自然的水文循环过程，包括降雨的入渗过程、地表产汇流过程，进一步造成城市内涝频发、城市河流基流减少等水问题。面对这一现状，相关方法均采取了雨洪管理措施以减小城市化水文效应的负面影响。然而，经这些措施改造后的城市汇水区产汇流规律复杂，如何合理进行降雨径流模拟成为新的课题。因此，开发一种基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法及设备，可以有效克服上述相关技术中的缺陷，就成为业界亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法及设备。

2、第一方面，本发明的实施例提供了一种基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法，包括：步骤1，确定汇水区不同下垫面类型的面积并概化径流路径；步骤2，构建汇水区径流计算公式：基于径流系数r-不透水面面积i敏感度sr-i函数，表达式为：

3、

4、其中，a、b、c均为拟合参数，与下垫面条件相关；p表示降雨事件的降雨总量；p0.5h表示最大0.5小时降雨量；对于受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统，按式(2)式计算对应的地表径流系数α：

5、

6、其中，p为降雨事件的降雨总量；ia,imp为不透水面洼蓄量；sr-i为径流系数-不透水面面积敏感度函数；ir为系统不透水面积比；将(1)式代入(2)式中，则受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统的地表径流由(3)式计算：

7、

8、其中，ir为受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统中断接不透水面面积比，计算自然透水面pa子系统时，ia,imp和ir取值为0。

9、在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法，所述步骤1具体包括：根据海绵城市建设后下垫面不透水面分布特性，将城市汇水区概化为受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统、自然透水面pa和相连不透水面dcia三部分，并确定三部分的面积a1、a2、a3，以及受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统中不透水面积比ir。

10、在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法，在所述ia,imp和ir取值为0之后，还包括：前三日降雨量ar3d存在阈值x，大于和小于阈值x的两组降雨事件的径流系数在存在显著性差异，对降雨事件的初始土壤湿度等级进行划分，不同土壤湿度对应拟合参数b、c的不同取值；汇水区的平均径流系数基于受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统、自然透水面pa和相连不透水面dcia三部分的径流系数采用面积加权法计算：

11、

12、其中，a1、a2、a3分别为汇水区内受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统、自然透水面pa和相连不透水面dcia三部分的面积；rrpa-dia和rpa分别表示汇水区中受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统和自然透水面pa的地表径流量；p表示降雨事件的降雨总量；idcia表示相连不透水面的洼蓄损失量。

13、在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法，拟合参数a代表r-i敏感度达到的最小值，为极端降雨条件下透水面与不透水面径流系数之差，与透水面的渗透能力成正比；拟合参数b表示降雨总量变化对r-i敏感度的影响大小，与透水面下渗能力随土壤湿度增加而衰减的速率相关；拟合参数c反映降雨强度变化对r-i敏感度的影响大小，与透水面相对入渗能力随降雨强度的变化相关。

14、在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法，所述，包括：计算汇水区径流时，根据下垫面渗透能力及产流特性将下垫面分为受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统、自然透水面pa和相连不透水面dcia三部分，分别计算径流量，根据面积加权法计算汇水区总地表径流量。

15、在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法，所述，包括：计算受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统和自然透水面pa产流时，按照前三日降雨量ar3d的阈值x对所有降雨事件的初始土壤湿度进行划分，计算拟合参数b、c的取值不同，反映前期土壤湿度大小对产流的影响。

16、第二方面，本发明的实施例提供了一种基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟装置，包括：第一主模块，用于实现步骤1，确定汇水区不同下垫面类型的面积并概化径流路径；第二主模块，用于实现步骤2，构建汇水区径流计算公式：基于径流系数r-不透水面面积i敏感度sr-i函数，表达式为：

17、

18、其中，a、b、c均为拟合参数，与下垫面条件相关；p表示降雨事件的降雨总量；p0.5h表示最大0.5小时降雨量；对于受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统，按式(2)式计算对应的地表径流系数α：

19、

20、其中，p为降雨事件的降雨总量；ia,imp为不透水面洼蓄量；sr-i为径流系数-不透水面面积敏感度函数；ir为系统不透水面积比；将(1)式代入(2)式中，则受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统的地表径流由(3)式计算：

21、

22、其中，ir为受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统中断接不透水面面积比，计算自然透水面pa子系统时，ia,imp和ir取值为0。

23、第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：

24、至少一个处理器；以及

25、与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

26、存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法。

27、第四方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法。

28、本发明实施例提供的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法及设备，在计算中考虑汇水区不透水面积比及空间分布特性，为不同城市发展规模或海绵建设规模下的降雨径流计算提供支撑。

技术特征：

1.一种基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法，其特征在于，包括：步骤1，确定汇水区不同下垫面类型的面积并概化径流路径；步骤2，构建汇水区径流计算公式：基于径流系数r-不透水面面积i敏感度sr-i函数，表达式为：

2.根据权利要求1所述的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：根据海绵城市建设后下垫面不透水面分布特性，将城市汇水区概化为受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统、自然透水面pa和相连不透水面dcia三部分，并确定三部分的面积a1、a2、a3，以及受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统中不透水面积比ir。

3.根据权利要求2所述的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法，其特征在于，在所述ia,imp和ir取值为0之后，还包括：前三日降雨量ar3d存在阈值x，大于和小于阈值x的两组降雨事件的径流系数在存在显著性差异，对降雨事件的初始土壤湿度等级进行划分，不同土壤湿度对应拟合参数b、c的不同取值；汇水区的平均径流系数基于受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统、自然透水面pa和相连不透水面dcia三部分的径流系数采用面积加权法计算：

4.根据权利要求3所述的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法，其特征在于，拟合参数a代表r-i敏感度达到的最小值，为极端降雨条件下透水面与不透水面径流系数之差，与透水面的渗透能力成正比；拟合参数b表示降雨总量变化对r-i敏感度的影响大小，与透水面下渗能力随土壤湿度增加而衰减的速率相关；拟合参数c反映降雨强度变化对r-i敏感度的影响大小，与透水面相对入渗能力随降雨强度的变化相关。

5.根据权利要求4所述的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法，其特征在于，所述，包括：计算汇水区径流时，根据下垫面渗透能力及产流特性将下垫面分为受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统、自然透水面pa和相连不透水面dcia三部分，分别计算径流量，根据面积加权法计算汇水区总地表径流量。

6.根据权利要求5所述的基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法，其特征在于，所述，包括：计算受纳透水面rpa-断接不透水面dia系统和自然透水面pa产流时，按照前三日降雨量ar3d的阈值x对所有降雨事件的初始土壤湿度进行划分，计算拟合参数b、c的取值不同，反映前期土壤湿度大小对产流的影响。

7.一种基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟装置，其特征在于，包括：第一主模块，用于实现步骤1，确定汇水区不同下垫面类型的面积并概化径流路径；第二主模块，用于实现步骤2，构建汇水区径流计算公式：基于径流系数r-不透水面面积i敏感度sr-i函数，表达式为：

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行权利要求1至6中任一项权利要求所述的方法。

技术总结
本发明提供了一种基于敏感度函数的城市降雨径流关系模拟方法及设备。所述方法包括：步骤1，确定汇水区不同下垫面类型的面积并概化径流路径；步骤2，构建汇水区径流计算公式。本发明在计算中考虑汇水区不透水面积比及空间分布特性，为不同城市发展规模或海绵建设规模下的降雨径流计算提供支撑。

技术研发人员：张翔,王瑶,龚莉,陶士勇,郭舟,刘洁
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13