一种基于正交法的城市暴雨积水模型参数灵敏度分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及城市暴雨积水模型参数灵敏度分析方法，特别是涉及基于正交法的城 市暴雨积水模型模拟参数灵敏度分析方法。
【背景技术】
[0002] 目前，面对城市在暴雨条件下的积水状况，利用城市暴雨积水模型来模拟降雨径 流过程是提高城市暴雨积水管理的有效途径之一。现阶段，我国城市排水设施建设滞后于 城市建设，城市暴雨积水建模面临数据匮乏的局面，这给模型中参数的确定和选取带来了 极大的困难，缺少对模型参数的灵敏度分析。作为城市暴雨洪水计算模拟过程中的重要组 成部分之一，模型参数的灵敏度分析可以提高参数选取有效性，从而提高城市降雨洪水的 计算模拟精度。而以往对模型参数灵敏度分析通过控制变量的方法相对繁琐，设计的实验 方案众多。
【发明内容】
[0003] 发明目的：本发明的目的是提供一种合理有效的基于正交法的城市暴雨积水模型 参数灵敏度分析方法。本发明借助正交表编排实验方案，可以利用有限的代表性实验方案 来分析模型参数的灵敏度分析。
[0004] 技术方案：本发明的一种种基于正交法的城市暴雨积水模型参数灵敏度分析方 法，包括以下的步骤：
[0005] (1)基于研究区域建立城市暴雨积水模型，确定研究对象，从降雨径流过程中选取 可能影响研究对象的参数，并根据研究对象确定暴雨条件下的积水计算指标；
[0006] (2)根据所选参数的数量选择正交表；划分影响每个参数的因素水平，每个参数 的因素水平的数量由所选取的正交表类型决定；
[0007] (3)根据步骤（1)中的参数以及步骤（2)中每个参数的因素水平值构建正交表，并 根据参数个数参考相应正交表类型编排模拟实验方案；
[0008] (4)按照步骤（3)中编排的模拟实验方案，对选取的参数进行赋值，通过城市暴雨 积水模型计算不同实验方案下的积水指标结果，然后根据各个计算指标结果计算各个参数 在所有实验方案中相应因素水平下的计算指标结果均值；
[0009] (5)根据计算指标结果均值的影响趋势通过模型计算模拟得到对研究具有影响关 系的参数，以及有影响关系的参数对研究对象的影响情况，并对具有影响的参数进行灵敏 度排序。
[0010] 进一步的，所述步骤（1)中的研究对象有两种：
[0011] 当研究对象是指雨水排水管网节点水量超载时长，即从降雨径流过程中选取可能 影响雨水排水管网节点水量超载时长的参数，则相应的积水计算指标是指节点水量超载时 长并通过模型计算模拟得到；
[0012] 当研究对象是指排水管网节点总进流量容积，即从降雨径流过程中选取可能影响 排水管网节点总进流量容积的参数，则计算指标为节点总进流量容积并通过模型计算模拟 得到。
[0013] 进一步的，所述步骤（1)中选取的参数包括汇水区面积划分疏密程度、地表不透 水面积比率、地表不透水粗糙系数、地表坡度、管道粗糙系数、管径和管道坡度
[0014] 进一步的，所述步骤（2)中，根据所选参数的数量选择的正交表为L1S(3 7)正交表， 每个参数的因素水平的数量为3个，并根据L1S(37)正交表形成18种模拟实验方案。
[0015] 进一步的，在步骤（5)中，对计算指标结果均值进行极差分析、方差分析以及影响 趋势分析，以确定对研究对象具有影响关系的参数和有影响关系的参数对研究对象的影响 情况。
[0016] 有益效果：本发明采用的基于正交法的城市暴雨积水模型参数灵敏度分析方法以 数学统计理论为基础，利用正交表编排实验方案，可以对实验结果进行科学化分析，能够有 效、快速找到优化方案。在模型参数的有效选取、模拟工况情景的设定及计算模型的稳定性 与可靠性等方面有着重要的价值。本发明与控制变量，参数率定等方法相比，可以在较短时 间内迅速编排出合理的实验方案，利用较少的研究方案达到研究分析目的。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的流程图；
[0018] 图2为实施例1的实验编排方案及计算指标结果示意图；
[0019] 图3为实施例1的城市暴雨积水模型（SffMM)运行界面示意图。
【具体实施方式】
[0020] 实施例1 :下面结合实施例1对本发明作进一步的介绍。
[0021] 图1为本实施例的流程示意图，具体为：正交表的建立，首先确定研究对象，即能 够用SffMM城市暴雨积水模型进行分析的对象，包括降水过程雨水排水管网节点水量超载 时长与排水管网节点总进流量容积，选取可能影响降水过程雨水排水管网节点水量超载 时长与排水管网节点总进流量容积的参数，确定η个参数。根据正交表的类型选定Ln (mn) 正交表形成研究方案，对每个参数选取m个因素水平。N为实验方案个数，N的取值为使正 交表满足以下特性的最小值：1、任意两列，每一行组成一个数字对，有多少行就有多少个这 样的数字对，这些数字对是完全有序的；2、各种数字对出现的次数必须相同。
[0022] 研究目的：分析不同参数（汇水区面积划分疏密程度，地表不透水面积比率，地表 不透水粗糙系数，地表坡度，管道粗糙系数，管径，管道坡度七个参数）对研究区域降雨过 程雨水排水管网节点水量超载时长与排水管网节点总进流量容积的影响，当节点淹没水深 值大于管道节点埋深即为超载。
[0023] 基于该区域建立SffMM城市暴雨积水模型，从降雨径流过程模拟参数中选取汇水 区面积划分疏密程度，地表不透水面积比率，地表不透水粗糙系数，地表坡度，管道粗糙系 数，管径，管道坡度七个典型参数进行研究实验，分析不同参数对管道下游节点超载情况的 影响。
[0024] 本实施例选定L18 (37)正交表形成18种研究方案（见表2)将每个参数划分为3个 因素水平（见表1)，如图2所示。其中，图中的数字1、2、3表示因素水平1、因素水平2、因 素水平3。例如汇水区面积划分疏密程度的一列中，1表示稀疏、2表示中等、3表示密集；地 表不透水面积比率的一列中，1表示70%、2表示80%、3表示90%。地表不透水粗糙系数 的一列中，1表不0. 01、2表不0. 025、3表不0. 05。地表坡度的一列中1表不0. 3%，2表不 0.5%，3表示1%。管道粗糙系数、管径、管道坡度的一列也类同。
[0025] 表1.参数因素水平划分
[0027] 表2.节点水量超载时长实验方案编排
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[0029] 根据建模条件与数据资料，选用现有的城市暴雨积水计算模型（SffMM)，按照表 2中编排的实验方案给计算模型中的相应的参数赋值，定义符合已有数据资料的降雨条件 (表3)，管道布置埋设参照《2014室外排水规范》，初始管道水位为管道的最大埋深，地表边 界条件均按划分的汇水区为闭边界，水量初始为〇。除上述研究的参数外，未提及且模型中 需要设定的参数均采用模型缺省默认值。此具体实施方案模型计算误差在允许范围内。若 模型因上述计算误差超出允许范围（径流量连续性误差绝对值小于2%、流量演算连续性 误差绝对值小于1 %，这两个指标的计算均为SffMM自带的），应在相关参数规范指定的参数 取值范围内重新划分因素水平值。
[0030] 表3.降雨条件
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[0033] 将计算结果汇总，得到各个参数在所有实验方案中相应因素水平下的计算指标结 果均值，运用多种分析手段方法（极差分析、影响趋势分析等）分析参数的灵敏性（表4)。
[0034] 其中，图2中第一行显示节点水量超载时长（单位h)为3. 37,表明实验1的节点 水量超载时长为3. 37。该列其余行的结果表明每个实验的节点水量超载时长。
[0035] 所述均值1表示所有18个实验中每个参数在因素水平1下的节点水量超载时长 均值。均值2表示所有18个实验中每个参数在因素水平2下的节点水量超载时长均值。均 值3表示所有18个实验中每个参数在因素水平3下的节点水量超载时长均值。诸如，均值 1在汇水区面积划分疏密程度的参数下的值为3. 202,表明所有18个实验中参数汇水区面