一种计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法技术

本发明专利技术公开了一种计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法，改善了现有技术中针对溃堤洪水应急避险转移过程中的避难选址优化和路径规划难点的问题。该发明专利技术含有以下步骤：1、构建溃堤洪水数值模拟模型；2、避险转移撤离单元和人数分析；3、评价指标选取原则及指标体系构建；4、基于除法集成法的组合赋权；5、基于TOPSIS的避难选址综合赋分模型；6、构建避险转移路径优化模型。该技术在通过工程措施避免洪灾发生的同时，分析堤防保护区溃堤洪水演进情况，致力于堤防溃堤后的避难选址规划和路径规划研究，对提高应急抢险效率，提升应急防汛决策能力和水平，增强堤防工程防洪安全保障能力，降低潜在溃堤损失具有重要的意义。降低潜在溃堤损失具有重要的意义。降低潜在溃堤损失具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法


[0001]本专利技术涉及水利水电
，特别是涉及一种计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法。

技术介绍

[0002]堤防作为河流防洪减灾体系工程中的重要组成部分，在我国水利事业的发展过程中取得了突出的成就。但很多工程就近取土，堤基和填筑质量差，且防洪标准偏低，在洪水条件下易发生溃堤，给防护区人民群众的生命、财产安全造成了很大的威胁。而且近年来，随着全球气候变化，极端降雨事件频发，给江河堤防的安全带来更大的风险，溃堤事件时有发生。
[0003]当前应对洪水溃堤风险的管理措施主要包括工程措施和非工程措施两类。工程措施对堤防工程进行除险加固或提高防洪标准，但是由于技术和经济等原因，大规模修建高标准堤防具有很大的难度。非工程措施主要包括洪泛区管理、洪水预报警报、洪水保险以及洪水风险图等，在堤防风险管控中可起到事半功倍的作用。然而作为非工程措施中非常重要的内容之一，目前关于风险人口在溃堤状况下应急避难转移的研究尚不够成熟：一是如何确定出溃堤洪水作用下的风险区域，确定出较为准确的避难风险人口；二是如何建立完善的指标体系和评价方法，构建出能够有效容纳溃堤风险人口的避难场所；三是如何规划出科学的避险转移路径，以确保风险人口的快速转移。
[0004]因此，作为一种低概率高损失的事故，溃堤风险的评估及管控应引起更大的重视。

技术实现思路

[0005]本专利技术改善了现有技术中针对溃堤洪水应急避险转移过程中的避难选址优化和路径规划难点的问题，提供一种应急抢险效率、应急防汛决策能力和水平较高的计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法。
[0006]本专利技术的技术解决方案是，提供一种具有以下步骤的计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法：含有以下步骤：
[0007]步骤1、构建溃堤洪水数值模拟模型；
[0008]步骤2、避险转移撤离单元和人数分析；
[0009]步骤3、评价指标选取原则及指标体系构建；
[0010]步骤4、基于除法集成法的组合赋权；
[0011]步骤5、基于TOPSIS的避难选址综合赋分模型；
[0012]步骤6、构建避险转移路径优化模型。
[0013]优选地，所述步骤1含有以下步骤，
[0014]步骤1.1、选取多次发生溃堤的堤防保护区，利用ArcMap、GlobalMapper及AutoCAD相关软件对研究区DEM数据进行预处理，得到MKIE21需要的散点数据(.xyz)；
[0015]步骤1.2、用MIKE 21模型中的FM非结构化网格，采用单元中心的有限体积法数值
模拟，计算区域采用不规则三角形网格，利用MIKE中Mesh Genrrator模块进行网格剖分，经网格生成、调整及插值制作，得到堤防保护区地形网格剖分；
[0016]步骤1.3、根据圩堤内模型的糙率和圩堤内土地的利用数据，运用Mesh Generator结合1.2步中制作的地形网格进行插值处理，绘制出研究区糙率云图；
[0017]步骤1.4、对模型参数率定，模型参数包括溃口选取、模拟时间和时间步长、边界条件和涡粘系数；
[0018]步骤1.5、结合1.1步至1.4步的操作结果，利用流体模拟软件MIKE进行堤防溃堤洪水数值模拟，得到发生历史特大洪水时保护区的基础水情数据，如洪水淹没范围、到达时间和最大流速。
[0019]优选地，所述步骤2中结合淹没水情数据和人口密度数据，利用地理空间分析工具ArcGIS，分析处理出溃堤洪水避险转移撤离单元和人数。
[0020]优选地，所述步骤3中依据安全性、可达性、有效性三个指标选取原则对应急避难场所评价指标进行选取，并构建堤防保护区溃堤洪水避难选址评价指标体系，该体系包括的评价指标含有与地质灾害点距离、与加油站距离、与天然气服务站距离、坡度、与医疗、消防、公安和水源距离、道路服务水平、认知能力和服务人口能力。
[0021]优选地，所述步骤4含有以下步骤，
[0022]步骤4.1、使用层次分析法和熵权法分别得到评价指标的主观权重向量ω
AHP
和客观权重ω
EWM
；
[0023]步骤4.2、依据除法集成法进行主客观权重的优化组合，目标函数如下式，
[0024][0025]式中：ω为组合权重，ω
AHP
为层次分析法计算权重，ω
EWM
为熵权法计算权重。
[0026]优选地，所述步骤5中TOPSIS法通过矩阵初始化和标准化处理，结合组合权重构建决策加权矩阵，定义正、负理想解，计算各选址方案与正理想解和负理想解间的距离及相对贴进度，根据相对贴进度的大小对选址方案进行优劣排序，最终从拟定选址方案中选取最佳方案。
[0027]优选地，所述所述步骤6含有以下步骤，
[0028]步骤6.1、基于Dijkstra算法最短距离路径寻优模型
[0029]6.1.1、假设研究区路网结构，分别记初始节点C0，其余节点为C
i
，各节点之间的最短距离为d(i
‑
1,i)；增设集合U和集合V，集合U表示已求解出的最短路径的节点，初始时为空集，集合V表示剩余待求解最短路径的节点；
[0030]6.1.2、构建一个邻接矩阵C，用以储存6.1.1步中的路网信息；
[0031]6.1.3、初始计算开始，即从C1出发，将C1放入集合U中，此时U＝{C0}，V＝{C1,C
i
‑1,C
i
,}；计算集合U
→
集合V的所有路径距离，标记出最短路径C0→
C1，最短路径距离d
min
；
[0032]6.1.4、将6.1.3步中挑选的最近节点C1放入集合U中，此时U＝{C0,C1}，V＝{C
i
‑1,C
i
,}；计算集合U
→
集合V的所有路径距离，标记出最短路径C1→
C
i
‑1，最短路径距离d
min
；
[0033]6.1.5、依次循环6.1.4步操作，检查集合V是否为空集，如果不为空，继续循环，如果为空集，则结束计算，进而筛选出撤离单元至选址方案的静态路径距离；
[0034]步骤6.2、基于改进Dijkstra算法最短时间路径寻优模型
[0035]6.2.1、路权赋值原理，由Dijkstra算法原理结合实时交通状况对撤离单元和避难场所中间的道路网进行时间赋权，即确定道路时间权重，而路权的确定用描述道路上车辆的费用或时间与道路交通状况关系的路阻函数进行分析确定，研究结合Dijkstra算法原理和选取合适的路阻函数，对溃堤避险转移灾民所要花费的最短时间路径进行细致的评估；
[0036]6.2.2、路阻函数参数修正，选取Conical函数，对研究区道路网进行时间权重赋值，如下式，
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法，其特征在于：含有以下步骤：步骤1、构建溃堤洪水数值模拟模型；步骤2、避险转移撤离单元和人数分析；步骤3、评价指标选取原则及指标体系构建；步骤4、基于除法集成法的组合赋权；步骤5、基于TOPSIS的避难选址综合赋分模型；步骤6、构建避险转移路径优化模型。2.根据权利要求1所述的计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法，其特征在于：所述步骤1含有以下步骤，步骤1.1、选取多次发生溃堤的堤防保护区，利用ArcMap、GlobalMapper及AutoCAD相关软件对研究区DEM数据进行预处理，得到MKIE21需要的散点数据(.xyz)；步骤1.2、用MIKE 21模型中的FM非结构化网格，采用单元中心的有限体积法数值模拟，计算区域采用不规则三角形网格，利用MIKE中Mesh Genrrator模块进行网格剖分，经网格生成、调整及插值制作，得到堤防保护区地形网格剖分；步骤1.3、根据圩堤内模型的糙率和圩堤内土地的利用数据，运用Mesh Generator结合1.2步中制作的地形网格进行插值处理，绘制出研究区糙率云图；步骤1.4、对模型参数率定，模型参数包括溃口选取、模拟时间和时间步长、边界条件和涡粘系数；步骤1.5、结合1.1步至1.4步的操作结果，利用流体模拟软件MIKE进行堤防溃堤洪水数值模拟，得到发生历史特大洪水时保护区的基础水情数据，如洪水淹没范围、到达时间和最大流速。3.根据权利要求1所述的计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法，其特征在于：所述步骤2中结合淹没水情数据和人口密度数据，利用地理空间分析工具ArcGIS，分析处理出溃堤洪水避险转移撤离单元和人数。4.根据权利要求1所述的计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法，其特征在于：所述步骤3中依据安全性、可达性、有效性三个指标选取原则对应急避难场所评价指标进行选取，并构建堤防保护区溃堤洪水避难选址评价指标体系，该体系包括的评价指标含有与地质灾害点距离、与加油站距离、与天然气服务站距离、坡度、与医疗、消防、公安和水源距离、道路服务水平、认知能力和服务人口能力。5.根据权利要求1所述的计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法，其特征在于：所述步骤4含有以下步骤，步骤4.1、使用层次分析法和熵权法分别得到评价指标的主观权重向量ω
AHP
和客观权重ω
EWM
；步骤4.2、依据除法集成法进行主客观权重的优化组合，目标函数如下式，
式中：ω为组合权重，ω
AHP
为层次分析法计算权重，ω
EWM
为熵权法计算权重。6.根据权利要求1所述的计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法，其特征在于：所述步骤5中TOPSIS法通过矩阵初始化和标准化处理，结合组合权重构建决策加权矩阵，定义正、负理想解，计算各选址方案与正理想解和负理想解间的距离及相对贴进度，根据相对贴进度的大小对选址方案进行优劣排序，最终从拟定选址方案中选取最佳方案。7.根据权利要求1所述的计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法，其特征在于：所述所述步骤6含有以下步骤，步骤6.1、基于Dijkstra算法最短距离路径寻优模型6.1.1、假设研究区路网结构，分别记初始节点C0，其余节点为C
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【专利技术属性】
技术研发人员：葛巍，秦玉盼，李宗坤，焦余铁，刘广乾，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：