一种城市排水网络优化设计方法技术

本发明专利技术涉及排水网络优化的技术领域，揭露了一种城市排水网络优化设计方法及装置，所述方法包括：收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，并对城市排水网络结构进行修正；基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型；构建城市排水网络优化模型，确定城市排水网络设计约束规范表达式；利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，将优化的排水网络置于城市排水网络模型中运行。本发明专利技术基于排水管道的待排放流量确定排水管道的两端压力差，进而构建排水网络优化设计模型，通过求解模型，得到城市排水网络优化设计方案，即通过新增若干条特定位置的排水管道，减轻城市排水网络的运行压力，降低城市内涝灾害发生的频率。涝灾害发生的频率。涝灾害发生的频率。

【技术实现步骤摘要】
一种城市排水网络优化设计方法


[0001]本专利技术涉及排水网络优化的
，尤其涉及一种城市排水网络优化设计方法。

技术介绍

[0002]随着城镇化进程的加快，沥青、混凝土等不透水物质在城市下垫面中所占比例持续上升，可渗水的土壤面积区域减少，更多的土壤被道路替代，若发生强降雨，降雨雨量只能通过排水管道进行排放，影响了城市水文状况，增大了城市排水网络的运行压力，显著提高了城市内涝灾害发生的频率。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利提出一种城市排水网络优化设计方法及装置，旨在提高城市排水网络的利用率和安全性，提高城市排水能力。
[0004]本专利技术提供一种城市排水网络优化设计方法及装置，目的在于：1）基于搜索查询模式构成城市排水网络中排水管道的结构，删除孤立的排水管道，并基于城市的降水量、土壤降水下渗量、降水蒸发量以及最大蓄水量确定城市排水网络模型，其中大部分降水被下渗到土壤、被洼地进行蓄水以及蒸发，其余降水需要利用城市排水网络中的排水管道进行排放，根据所确定的城市排水网络模型计算得到不同区域排水管道的待排放流量；2）基于不同区域排水管道的待排放流量确定不同排水管道的两端压力差，若排水管道两端压力差过大，相当于增大了城市排水网络的运行压力，排水管道有可能发生损坏，显著提高了城市内涝灾害发生的频率，并基于排水管道两端压力差构建排水网络优化设计模型，通过利用梯度优化算法对模型进行求解，得到城市排水网络优化设计方案，即通过新增若干条特定位置的排水管道，减轻城市排水网络的运行压力，降低城市内涝灾害发生的频率。
[0005]实现上述目的，本专利技术提供的一种城市排水网络优化设计方法，包括以下步骤：S1：收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，并对城市排水网络结构进行修正，延接网络拓扑关系；S2：基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型，其中所述城市排水网络模型包括城市不同排水管道的流量以及管道两端压力差，利用修正的 Morris 筛选法对模型中参数进行筛选，形成城市排水网络模型实例；S3：构建城市排水网络优化模型，确定城市排水网络设计约束规范表达式，所述城市排水网络优化模型的求解结果为城市排水网络中新增排水管道位置；S4：利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，并根据求解结果优化城市排水网络结构，将优化的排水网络置于城市排水网络模型中运行，若效果达到指定阈值则实施，否则重新求解，其中基于非精确Armijo准则的秩2拟牛顿法为所述梯度优化方法。
[0006]作为本专利技术的进一步改进方法：
可选地，所述S1步骤中收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，包括：收集城市排水网络数据，所述城市排水网络数据包括城市排水管道的位置参数、管道长度以及管道壁粗糙系数，基于城市排水网络数据构建城市排水网络结构，所述城市排水网络结构包括城市排水管道的位置分布以及管道参数，其中管道参数为管道长度以及管道壁粗糙系数，将同一管道的管口位置以及管底位置用直线连接，构成管道的位置分布；所述排水管道位置参数包括城市排水管道管口位置以及管底位置，所述城市排水管道均为直线，管口位置高于管底位置；所述城市排水网络中共有n条排水管道，n条排水管道的数据集合为：其中：表示城市排水网络中任意第条排水管道，表示第条排水管道的管口位置坐标，表示第条排水管道的管底位置坐标，所述管口位置坐标以及管底位置坐标均为管口或管底区域的中心位置坐标；在本专利技术实施例中，所述城市被构建为三维坐标系，城市地表中心为三维坐标系的坐标原点，东西方向为X轴方向，南北方向为Y轴方向，从地底到地表的方向为Z轴方向；表示第条排水管道的管道长度，表示第条排水管道的管道壁粗糙系数。
[0007]可选地，所述S1步骤中对城市排水网络结构进行修正，包括：所述城市排水网络结构的修正流程为：S11：删除所构建城市排水网络结构中孤立的管口位置坐标或管底位置坐标；S12：选取管口位置坐标位于地表的排水管道进行查询；S13：若查询到只有一个排水管道的管口位置坐标与选取排水管道的管底位置坐标相连，则连接查询到的排水管道以及所选取的排水管道，将所查询到的排水管道作为选取管道，重复步骤S13，直到无法查询到排水管道；若查询到的排水管道以及所选取的排水管道的管口位置坐标与管底位置坐标的距离小于距离阈值，则判断两个位置坐标相连；S14：若查询到有多个排水管道的管口位置坐标与选取排水管道的管底位置坐标相连，则分别连接查询到的排水管道以及所选取的排水管道，并将所查询到的排水管道分别作为选取管道，返回步骤S13，直到无法查询到排水管道；S15：删除城市排水网络结构中管口位置坐标不位于地表，且管口位置坐标不与其他排水管道的管底位置坐标相连的排水管道；根据上述城市排水网络结构的修正流程，得到基于条排水管道的修正后城市排水网络结构，表示修正后城市排水管道的数目。
[0008]可选地，所述S2步骤中基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型，包括：基于修正的城市排水网络结构，将城市表面划分为若干不同的子区域，每个子区
域具有一条管口位置坐标位于地表的排水管道，所划分的子区域数目为m，其中第个子区域为，中管口位置坐标位于地表的排水管道为，所述子区域的排水网络结构为：其中：表示水流从排水管道出发，可以经过的条排水管道；所述排水管道在城市排水网络结构中可连接的最深排水管道集合为，所述最深排水管道即为管底位置坐标不与其他排水管道相连的管道，地表的水可通过排水管道到达中任意排水管道，最深排水管道最终通向污水处理厂；所述城市排水网络模型包含不同子区域的排水网络模型，所述子区域的排水网络模型为：网络模型为：网络模型为：网络模型为：其中：表示单位时间内区域的降雨量；表示单位时间内区域中可透水区域的土壤平均下渗量；表示单位时间内区域中不透水区域的最大蓄水量；表示单位时间内区域的降雨蒸发量；表示单位时间内区域的降水产流量，即所述排水管道的排水流量；表示排水管道的管道两端压力差，表示水的密度，表示重力加速度，表示降水从地表流进排水管道管口的流经距离长度，表示排水管道的管道壁粗糙系数；表示连接排水管道的所有上游排水管道在单位时间内向排水管道排放的排水总流量，所述上游排水管道为位置高于排水管道，可以向排水管道排放污水的排水管道；表示区域的道路面积占比，表示区域的林地面积占比，表示区域的草地面积占比；
在本专利技术实施例中，若相连排水管道之间不存在分支排水管道，则相连排水管道的排水流量相同，若相连排水管道之间存在条分支排水管道，则位置更深的排水管道流量为上游排水总流量的。
[0009]可选地，所述S2步骤中利用修正的 Morris 筛选法对模型中的参数进行筛选，确定城市排水网络模型，包括：所述模型参数包括不同子区域的土壤平均下渗量以及最大蓄水量、单位时间内降雨蒸发量以及降雨量；利用修正的 Morris 筛选法对模型中的参数进行筛选，所述修正的Morris 筛选法的模型参数筛选流程为：S21：从模型参数中随机选取一个参数进行多次修改，所述模型参数的修改方式为采集同一城市不同时间的降雨情况作为模型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种城市排水网络优化设计方法，其特征在于，所述方法包括：S1：收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，并对城市排水网络结构进行修正；S2：基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型，其中所述城市排水网络模型包括城市不同排水管道的流量以及管道两端压力差，利用修正的 Morris 筛选法对模型中参数进行筛选，形成城市排水网络模型；S3：构建城市排水网络优化模型，确定城市排水网络设计约束规范表达式，所述城市排水网络优化模型的求解结果为城市排水网络中新增排水管道位置；S4：利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，并根据求解结果优化城市排水网络结构，将优化的排水网络置于城市排水网络模型中运行，若效果达到指定阈值则实施，否则重新求解，其中基于非精确Armijo准则的秩2拟牛顿法为所述梯度优化方法，包括：所述城市排水网络优化模型的求解流程为：S41：构造城市排水网络优化模型与约束规范表达式的罚函数形式：S41：构造城市排水网络优化模型与约束规范表达式的罚函数形式：其中：表示城市排水网络优化设计方案中新增的条排水管道的位置分布；为罚函数系数，将其设置为10；S42：初始化生成条新增排水管道的位置分布，并设置允许误差为，初始正定矩阵为，为单位矩阵，算法的当前迭代次数为w，w的初始值为0；S43：计算罚函数在的梯度，若，则所述第w次迭代得到的位置分布即为优化求解结果，否则转向步骤S44；S44：计算；S45：基于Armijo准则更新得到：：其中：为的更新步长；为更新参数，将其设置为0.5；为满足的迹最小的分布矩阵，表示转置；
S46：更新得到：S47：令，返回步骤S43。2.如权利要求1所述的一种城市排水网络优化设计方法，其特征在于，所述S1步骤中收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，包括：收集城市排水网络数据，所述城市排水网络数据包括城市排水管道的位置参数、管道长度以及管道壁粗糙系数，基于城市排水网络数据构建城市排水网络结构，所述城市排水网络结构包括城市排水管道的位置分布以及管道参数，其中管道参数为管道长度以及管道壁粗糙系数，将同一管道的管口位置以及管底位置用直线连接，构成管道的位置分布；所述城市排水网络中共有n条排水管道，n条排水管道的数据集合为：其中：表示城市排水网络中任意第条排水管道，表示第条排水管道的管口位置坐标，表示第条排水管道的管底位置坐标，所述管口位置坐标以及管底位置坐标均为管口或管底区域的中心位置坐标；表示第条排水管道的管道长度，表示第条排水管道的管道壁粗糙系数。3.如权利要求2所述的一种城市排水网络优化设计方法，其特征在于，所述S1步骤中对城市排水网络结构进行修正，包括：所述城市排水网络结构的修正流程为：S11：删除所构建城市排水网络结构中孤立的管口位置坐标或管底位置坐标；S12：选取管口位置坐标位于地表的排水管道进行查询；S13：若查询到只有一个排水管道的管口位置坐标与选取排水管道的管底位置坐标相连，则连接查询到的排水管道以及所选取的排水管道，将所查询到的排水管道作为选取管道，重复步骤S13，直到无法查询到排水管道；若查询到的排水管道以及所选取的排水管道的管口位置坐标与管底位置坐标的距离小于距离阈值，则判断两个位置坐标相连；S14：若查询到有多个排水管道的管口位置坐标与选取排水管道的管底位置坐标相连，则分别连接查询到的排水管道以及所选取的排水管道，并将所查询到的排水管道分别作为选取管道，返回步骤S13，直到无法查询到排水管道；S15：删除城市排水网络结构中管口位置坐标不位于地表，且管口位置坐标不与其他排水管道的管底位置坐标相连的排水管道；根据上述城市排水网络结构的修正流程，得到基于条排水管道的修正后城市排水网络结构，表示修正后城市排水管道的数目。4.如权利要求3所述的一种城市排水网络优化设计方法，其特征在于，所述S2步骤中基
于修正的城市排水网络结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：王颖，兰云龙，李进，刘峰，阳利锋，任祥，何斌，李浩，
申请(专利权)人：创辉达设计股份有限公司，
类型：发明
国别省市：