一种适用于城市水文模型的城市管网汇流概化方法与流程

本发明属于城市水文模型模拟领域，具体涉及一种适用于城市水文模型的城市管网汇流概化方法。

背景技术：

1、城市水文模型已广泛应用于城市化的水文效应研究，大多数城市水文模型能够在城市子汇水区的尺度上模拟降雨径流过程，并耦合水动力学模型对城市管网汇流过程进行精确的数学模拟。城市管网汇流的一维水动力方法比较成熟，然而城区地下管网拓扑关系复杂，建模困难，水动力学方法所需管网资料精度高；而且城区管网资料往往难以获取，在资料短缺的情况下，水动力学模型难以应用，无法满足模型建模的需求。因此如何开发一种等效的城市管网汇流概化方法成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种适用于城市水文模型的城市管网汇流概化方法，以解决至少一个上述技术问题。

2、为实现上述目的，一种适用于城市水文模型的城市管网汇流概化方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：获取城市水文数据集，其中城市水文数据集包括城市降水数据、城市数字高程数据、城市覆被数据、城市遥感数据以及城市管网数据，根据城市覆被数据进行重分类处理，生成优化城市覆被数据，根据优化城市覆被数据划分城市子汇水区，根据城市子汇水区进行子汇水区特征数据生成处理，生成子汇水区特征数据，根据城市水文数据集以及产流机制进行城市覆被产流机制生成处理，生成城市覆被产流机制，根据城市覆被产流机制构建城市产流模型；

4、步骤s2：根据城市产流模型、子汇水区特征数据以及城市降水数据进行计算，生成各子汇水区产流数据，获取城市市政设计数据，根据城市市政设计数据概化管网的综合排水能力，从而将各子汇水区产流数据分解为各子汇水区管网入流数据以及各子汇水区坡面汇流输入数据；

5、步骤s3：基于各子汇水区管网入流数据以及各子汇水区坡面汇流输入数据进行输出要素计算，生成各子汇水区坡面汇流输出数据；

6、步骤s4：利用子汇水区特征数据进行河流流向分析，生成子汇水区拓扑关系，根据子汇水区汇流拓扑关系、各子汇水区管网出流数据以及各子汇水区坡面汇流输出数据进行河道汇流演算，生成区域出口流量数据，从而实现城市产汇流过程概化，模拟获得概化的城市产汇流过程；

7、步骤s5：根据概化的城市产汇流过程，确定需要率定的所有参数为城市水文模型参数组，给定城市水文模型参数组初始值，确定城市水文模型参数组各参数合理范围，利用sce-ua算法自动迭代生成合理范围内的不同参数组，基于模型优化目标筛选得到模型最优参数组，模型最优参数组对应的出口流量过程即为最优区域出口流量过程。

8、本发明获取城市水文数据集，根据城市水文数据集划分城市子汇水区，同步生成子汇水区特征数据，其中，子汇水区特征数据中包含其土地利用结构，根据不同土地利用类型的产流规律建立城市产流模型，以城市产流模型为基础，结合收集的城市降雨数据，获取各子汇水区产流数据，通过概化管网的综合排水能力，判断出子汇水区能通过管网排走多少产流，从而分离出各子汇水区管网入流数据和各子汇水区坡面汇流输入数据，提出管网汇流计算公式，采用经验统计方法，计算参数的同时兼顾计算精度，实现对管网汇流过程的概化，计算得到管网出流数据，设定子汇水区管网汇流输出进入子汇水区河道源头，参与所在子汇水区河道汇流，从坡面运动的那一部分产流量则通过坡面汇流公式计算，得到各子汇水区坡面汇流输出数据，设定子汇水区坡面汇流输出直接进入子汇水区河道出口，根据子汇水区汇流拓扑关系，子汇水区河道入流包括子汇水区管网出流和汇入的子汇水区河道出流，经过河道演进后加上子汇水区坡面汇流出流，得到子汇水区河道出流，按照汇流方向生成区域出口流量数据。基于sce-ua算法获取模型最优参数，筛选后得到最优区域出口流量过程。

9、优选地，步骤s1包括以下步骤：

10、步骤s101：获取城市水文数据集，其中城市水文数据集包括城市降水数据、城市数字高程数据、城市覆被数据、城市遥感数据以及城市管网数据；

11、步骤s102：获取卫星土地覆被图和卫星高清遥感数据，根据卫星土地覆被图以及卫星高清遥感数据进行城市覆被数据生成处理，生成城市覆被数据；

12、步骤s103：基于城市覆被数据进行城市土地利用类型重分类处理，生成优化城市覆被数据，其中优化城市覆被数据包括植被、裸地、道路和建筑物四类。

13、步骤s104：根据优化城市覆被数据以及城市管网数据，合并生成城市道路管网要素层；

14、步骤s105：根据城市道路管网要素层以及城市数字高程数据进行模型集成处理，生成集成城市数字高程模型，基于集成城市数字高程数据利用高程修正计算公式进行高程修正降低处理，得到优化城市高程数据；

15、步骤s106：基于优化城市高程数据利用d8算法进行城市内部分水线划分，生成城市子汇水区；

16、步骤s107：利用优化城市覆被数据、优化城市高程数据对城市子汇水区进行特征值提取处理，生成子汇水区特征数据，其中，子汇水区特征数据包括子汇水区植被面积、子汇水区裸地面积、子汇水区道路面积、子汇水区建筑物面积、子汇水区总面积以及子汇水区河流流向；

17、步骤s108：基于城市降水数据利用距离倒数加权插值法进行子汇水区降水插值处理，生成子汇水区降水数据；

18、步骤s109：基于子汇水区降水数据、子汇水区植被面积、子汇水区裸地面积与子汇水区总面积利用植被裸地scs曲线法构建植被产流模型以及裸地产流模型；

19、步骤s110：基于子汇水区降水数据、子汇水区植被面积、子汇水区裸地面积与子汇水区总面积利用道路建筑物产流系数法构建道路产流模型以及建筑物产流模型；

20、步骤s111：根据植被产流模型、裸地产流模型、道路产流模型、建筑物产流模型构建城市产流模型。

21、本发明利用城市水文数据集生成城市覆被数据，着重考虑植被、裸地、道路和建筑物四类土地利用类型，既具有城市地区的产流代表性又简化了计算难度，考虑城市管网对城市汇流规律的影响，通过城市管网主要沿主要道路铺设，将管网的高程修正到城市数字高程数据里，再利用d8算法识别城市汇流路径，划分城市子汇水区，生成子汇水区特征数据，根据四种土地利用类型产流机制，在植被、裸地、道路和建筑物四类土地利用类型产流机制的基础上建立城市产流模型，其中scs曲线法广泛应用于自然流域的产流研究，适用于植被和裸地类型，运用产流系数法计算道路和建筑物产流。

22、优选地，步骤s105中的高程修正计算公式、步骤s109中的植被裸地scs曲线法、步骤s110中的道路建筑物产流系数法、步骤s111中的城市产流模型分别如下所示：

23、步骤s105中的高程修正计算公式如下所示：

24、e2＝e1-d；

25、其中，e2为优化城市高程数据，e1为叠加城市数字高程数据中的道路管网要素层覆盖部分，d为修正值；

26、步骤s109中的植被裸地scs曲线法如下所示：

27、(1)

28、(2)

29、(3)

30、(4)

31、其中，rv为植被产流，rbs裸地产流，sv为植被最大可能滞留量，sbs为裸地最大可能滞留量，cnv为植被径流曲线数，cnbs为裸地径流曲线数，av为子汇水区植被面积，abs为子汇水区裸地面积，as为子汇水区总面积，p为子汇水区降水数据，其中，植被产流模型由公式(1)与公式(2)构成，裸地产流模型由公式(3)与公式(4)构成；

32、步骤s110中的道路建筑物产流系数法如下所示：

33、

34、

35、其中，rr为道路产流，rb为建筑物产流，αr为道路产流系数，αb为建筑物产流系数，ar为子汇水区道路面积，ab为子汇水区建筑物面积，as为子汇水区总面积，p为子汇水区降水数据；

36、步骤s111中的城市产流模型如下所示：

37、rs＝rr+rb+rv+rbs；

38、其中rs为子汇水区总产流，rr为道路产流，rb为建筑物产流，rv为植被产流，rbs为裸地产流。

39、本发明考虑城市管网对城市子汇水区划分的影响，将管网的高程修正到城市数字高程数据里，得到优化城市高程数据，并基于降雨-径流响应规律，提出了植被、裸地、道路和建筑物四类土地利用类型产流计算公式，通过各子汇水区降水数据与各土地利用类型占地面积比，得到各土地利用类型产流，四个土地利用类型的产流之和为子汇水区总产流。

40、优选地，步骤s2包括以下步骤：

41、步骤s21：基于城市产流模型、子汇水区降水数据以及子汇水区特征数据，生成各子汇水区产流数据；

42、步骤s22：基于城市市政设计数据利用区域管网综合排水能力计算公式概化管网的综合排水能力，生成管网综合排水能力数据；

43、步骤s23：基于城市市政设计数据利用管网等效公式进行子汇水区管网概化处理，生成子汇水区等效管道；

44、步骤s24：基于管网综合排水能力数据利用产流分解公式进行产流数据分解，生成各子汇水区管网入流数据和各子汇水区坡面汇流输入数据。

45、本发明分析了城市管网对城市汇流的影响，经过机制简化，降水在城市地表产流后，一部分通过城市管网排入子汇水区河道源头，一部分通过坡面汇流排入子汇水区河道出口。在概化出管网综合排水能力后，可以分离出各子汇水区排入管网的产流量和进行坡面汇流的产流量，得到各子汇水区管网入流数据和各子汇水区坡面汇流输入数据。

46、优选地，步骤s22中的区域管网综合排水能力计算公式、步骤s23中的管网等效公式、步骤s24中的产流分解公式分别如下所示：

47、步骤s22中的区域管网综合排水能力计算公式如下：

48、

49、其中，a1和a2是设计暴雨强度参数；b是设计暴雨历时调整参数(min)；toverl是地表汇流历时(min)；m1是管网汇流历时调整参数；i为n年一遇时设计暴雨强度(mm/day)；为径流系数；as为子汇水区总面积(m2)；qcp为区域管网综合排水能力(m3/s)；z为设计暴雨强度公式区域常数；

50、步骤s23中的管网等效公式如下：

51、

52、其中，等效管道的管长ld为n根主干管管长的最长值，l1，l2，l3，...ln分别表示城市市政设计数据中n根主干管的管长，d1，d2，d3，...dn分别表示城市市政设计数据中n根主干管的过流面积，管径dd保持与n根主干管的过流面积相同，比降sd为n根主干管比降的均值，s1，s2，s3，...sn分别为n根主干管的比降；

53、步骤s24中的产流分解公式如下：

54、

55、其中，qcp为区域管网综合排水能力，rs为子汇水区总产流，as为子汇水区总面积，k为区域管网覆盖系数；δt为计算步长，qd,in为各子汇水区管网入流数据；

56、

57、其中，rs'为子汇水区坡面汇流输入数据，rs为子汇水区总产流，k为区域管网覆盖系数，δt为计算步长，as为子汇水区总面积，qcp为区域管网综合排水能力。

58、本实施例提出了区域管网综合排水能力计算公式、管网等效公式和产流分解公式。由于管网建设时一般会规划区域设计排水标准，通过估计区域管网设计排水标准达到n年一遇可估计区域管网综合排水能力。等效管网则考虑概化后其排水能力与复杂管网接近，概化原则为过流面积相同，比降接近，等效管长为实际主干管网最大管长。产流分解公式在区域管网综合排水能力的基础上，考虑子汇水区管网的覆盖程度，k·rs为管网覆盖区域的产流量，判别出汇入管网的产流量，转化为平均流量，剩下的产流量为坡面汇流的输入。

59、优选地，步骤s3的具体步骤为：

60、步骤s31：基于各子汇水区管网入流数据，利用管网汇流计算公式进行管网汇流过程数据计算，生成各子汇水区管网出流数据；

61、步骤s32：基于各子汇水区坡面汇流输入数据，利用坡面汇流计算公式生成各子汇水区坡面汇流输出数据。

62、本发明进行城市汇流计算，分别计算管网汇流过程和坡面汇流过程，得到子汇水区管网出流数据和坡面汇流输出数据。

63、优选地，步骤s31中的管网汇流计算公式、步骤s32中的坡面汇流计算公式分别如下所示：

64、步骤s31中的管网汇流计算公式如下所示：

65、

66、u(δt,t)＝∫u(0,t)dt-∫u(0,t-δt)dt；

67、当t-i+1≤0时，u(δt,t-i+1)＝0；

68、其中，k为调蓄系数，ts为管道传播时间，ld为管长(m)，vd为波速(m3/s)；u(δt,t)为时段单位线；qd,in为各子汇水区管网入流数据，qd,out为各子汇水区管网出流数据。

69、步骤s32中的坡面汇流计算公式如下所示：

70、

71、其中，r's是参与坡面汇流的净雨，rs为子汇水区总产流，as为子汇水区总面积，k为区域管网覆盖系数，δt为计算步长，qcp为区域管网综合排水能力，ui是无因次单位线的纵坐标，ti为时段单位线的横坐标，w为时段协调参数，qi为时段单位线的纵坐标，tp为单位线滞时，xi为横坐标，m1为单位线滞时，h为无因次单位线的一阶原点矩。

72、本发明构建了一种管网汇流经验性计算公式，采用瞬时单位线法，瞬时单位线既考虑流量在管道传播中的推迟作用，也考虑了调蓄作用。根据等效管网可以估计管网汇流参数。坡面汇流采取综合单位线法，参数为单位线滞时m1，初始值可由子汇水区特征数据给定。

73、优选地，步骤s4包括以下步骤：

74、步骤s41：基于子汇水区特征数据中进行河流流向分析，生成子汇水区拓扑关系，根据子汇水区拓扑关系进行子汇水区分级处理，生成子汇水区级别；

75、步骤s42：基于子汇水区拓扑关系、子汇水区级别、各子汇水区管网出流数据以及各子汇水区坡面汇流输出数据利用河道汇流公式进行河道汇流数据计算，生成各子汇水区河道汇流输入数据和出口输出数据；

76、步骤s43：利用子汇水区级别以及出口输出数据进行区域流域分析，生成区域出口流量数据，从而实现城市产汇流概化过程。

77、本发明给出了河道汇流的具体算法，基于子汇水区河流汇入关系，将所有子汇水区分级，使计算河道汇流的子汇水区顺序符合河道演进的空间顺序。根据河道汇流公式，按照从小到大的级别依次计算各子汇水区河道汇流输入数据和出口输出数据，区域出口所在的子汇水区出口输出数据即为区域出口流量数据，实现了城市产汇流过程概化。

78、优选地，步骤s42中的河道汇流计算公式如下所示：

79、qr,in＝q′r,out+qd,out

80、

81、其中，qr,in为子汇水区河道的入流量(m3/s)，q'r,out为上游河道的出流(m3/s)，qoverl为坡面汇流量(m3/s)，qd,out为管网的出流量(m3/s)，qr,out为河道的出流量(m3/s)，qout,1和qout,2为演进后初末时段出流量，qin,1和qin,2为河道入流初末时段入流量，l为河道汇流蓄量常数，δt为计算步长，x为河道汇流流量比重因子。

82、本发明构建一种河道汇流计算公式，设定子汇水区管网汇流输出进入子汇水区，河道源头坡面汇流输出直接进入子汇水区河道出口，因此根据子汇水区汇流拓扑关系，子汇水区河道入流包括子汇水区管网出流和汇入的子汇水区河道出流，经过河道演进后加上子汇水区坡面汇流出流，得到子汇水区河道出流。河道演进方法采用马斯京根法，k为河道传播时间，x为河道流量调蓄因子，均可通过子汇水区河道特征计算得到。

83、优选地，步骤s5的具体步骤为：

84、步骤s51：根据概化的城市产汇流过程，确定需要率定的所有参数为城市水文模型参数组，给定城市水文模型参数组初始值，确定城市水文模型参数组各参数合理范围；

85、步骤s52：利用sce-ua算法自动迭代生成合理范围内的不同参数组，基于模型目标优化公式进行数据筛选操作，生成模型最优参数组，模型最优参数组对应的出口流量过程即为最优区域出口流量过程。

86、其中，模型目标优化公式如下所示：

87、

88、其中，obsi为模型参数数据中观测系列第i个观测值，simi为模型参数数据中模拟系列第i个模拟值，为观测系列的均值，为模拟系列的均值，n为系列长度，ns为纳什效率系数，r为相关系数，bias为水量平衡系数，y为最优参数数据。

89、本发明构建了一种参数优化的算法，在给定参数合理的初始值及取值范围后，提出模型优化目标函数，利用sce-ua算法自动迭代生成参数组，筛选出最优参数，其对应的模拟结果即为最优区域出口流量过程。

90、本发明构建了一种模型目标优化公式，y为目标函数，bias为水量平衡系数，ns为纳什效率系数，r为相关系数，bias的绝对值越接近于0、ns越接近于1、r越接近于1，模型的模拟效果越好。因此目标函数y越接近于0，其优化效果越好。