一种顾及单元差异的不透水面空间格局优化方法技术

本发明专利技术涉及城市更新规划技术领域，且公开了一种顾及单元差异的不透水面空间格局优化方法，包括如下步骤：步骤一：基于初始CN值、不透水密度、坡度和降雨量等数据，计算径流系数，并将径流最小化目标转换为线性规划问题；步骤二：根据SCS

【技术实现步骤摘要】
一种顾及单元差异的不透水面空间格局优化方法


[0001]本专利技术涉及城市更新规划
，具体为一种顾及单元差异的不透水面空间格局优化方法。

技术介绍

[0002]有研究表明，不透水面的快速扩张和排水管网设计标准较低是导致雨水难以下渗和排出，滞留在地表形成内涝的主要原因。但是排水管网的改造需要较高的经济和社会成本，且效率不高。尤其是当前“城市更新”的提出，为城市地表空间格局的改造提供了可能。因此，借助“城市更新”规划的契机，对不透水面空间格局进行优化是缓解城市内涝风险的重要途径。
[0003]已有的与本专利技术最相近似的实现方案：赵耀龙等于2020年提出了一种“耦合SCS
‑
CN模型与多元线性规划算法”(后文中将其简写为:MLP
‑
SCS)的不透水地表空间格局优化方法。该方法技术流程：首先基于SCS
‑
CN模型构建了线性目标函数，通过线性关系将径流系数最小化的目标函数转化为最直接的线性规划目标函数(目标函数如公式(1)所示)。然后对多元线性规划算法的约束条件进行设置(约束条件如公式(2)和(3)所示)，并通过循环迭代进行线性规划求解，最后将求解后的最优不透水地表代入SCS
‑
CN模型中进行结果评价。
[0004]目标函数：
[0005][0006]约束条件：
[0007][0008][0009]式中，n表示参与优化的栅格数量，p
i
表示第i个栅格单元的不透水密度，CN
i
表示第i个栅格单元的CN值差值，sum
imp
表示研究区原始不透水面密度之和，m表示栅格单元中不透水密度的约束。
[0010]但是该方案的缺点是：未考虑不同水文单元之间管网排水能力的空间差异性。上述现有的不透水面空间格局优化方法是假设地下管网的排水能力在空间上是均质的，并基于此假设进行的模型构建。然而，现实中当不同单元之间的排水能力存在较大差异时，这会对不透水面的空间格局优化结果产生较大影响。

技术实现思路

[0011](一)解决的技术问题
[0012]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种顾及单元差异的不透水面空间格局优化方法，通过对MLP
‑
SCS模型的改进，解决其未考虑不同单元排水能力差异性的缺陷，进一步提高不透水面空间格局的优化效率，使优化结果更契合单元间水文条件存在差异和城市更新过程中不透水地表在单元间转移的实际。
[0013](二)技术方案
[0014]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0015]一种顾及单元差异的不透水面空间格局优化方法，包括如下步骤：
[0016]步骤一：基于初始CN值、不透水密度、坡度和降雨量等数据，计算径流系数，并将径流最小化目标转换为线性规划问题；
[0017]步骤二：根据SCS
‑
CN模型的解读结果，设置线性规划条件；
[0018]在上述SCS
‑
CN和多元线性规划算法优化结果的基础上，考虑单元之间的管网排水能力差异，计算各单元的滞留水量系数，然后提取出目标函数1(水文单元间滞留水量差异最小)和目标函数2(水文单元间不透水面转移量最小)，并根据实际情况，设定相关的约束条件；
[0019]步骤三：对结果进行求解；
[0020]将滞留水量差异最小和不透水面转移量最小作为遗传算法
‑
2的目标函数，然后生成初始化种群，种群内的每个染色体代表一种不透水面在单元内的转移分配方案。并对种群规模、交叉概率、变异概率以及迭代次数等参数进行设置；
[0021]若迭代次数达到设定的最大进化代数，则终止求解。
[0022]优选的，所述步骤二中，由于径流系数是“地表径流量与降雨量之比”；同理，将滞留水量系数转化为相同量纲，就是“地表滞留水量与降雨量之比”；因此，设置滞留水量系数的计算公式为：
[0023][0024]式中，Q表示滞留水量系数，Q
r
表示径流系数，S表示水文单元面积，Q
d
表示排水量，P表示降雨量。
[0025]优选的，所述步骤二中，滞留水量平衡的目标函数1设置为：
[0026][0027]式中，Q
j
表示第j个水文单元的滞留水量系数，Q
a
表示整个研究区的滞留水量系数，S
j
表示第j个水文单元的面积，S表示研究区总面积。
[0028]优选的，所述步骤二中，控制水文单元不透水面转移量的目标函数2设置为：
[0029][0030]式中，imp
j
表示第j个单元内不透水面总和，t
j
表示第j个单元不透水面变化量，sum
imp
表示整个研究区不透水面总量。
[0031]优选的，所述步骤二中，根据存量优化的城市更新策略要求，优化前后的不透水地表总面积应尽可能不变，因此，设定约束条件为：
[0032][0033]式中，sum
imp
表示整个研究区不透水面总量，imp
j
表示第j个单元内不透水总量。由于优化过程中难以彻底控制总量不变，因此为其设置1％的阈值以更快搜索符合条件的解。
[0034]优选的，所述步骤二中，鉴于不透水面的特殊性，单元间的不透水面转移量不宜过大，因此，单个水文单元不透水面的变化量也应当进行限制，因此，设定约束条件为：
[0035]0.9≤t
j
≤1.1
[0036]式中，t
j
表示第j个单元设定的不透水面变化量。在本方案中，将其控制在[0.9,1.1]之间，即单个单元内的不透水地表变化量占比不超过10％。
[0037](三)有益效果
[0038]与现有技术相比，本专利技术提供了一种顾及单元差异的不透水面空间格局优化方法，具备以下有益效果：本专利技术考虑了不同水文单元之间排水能力的差异，实现了地表滞留水量的空间平衡；其优点在于：一方面可以降低高滞留水量区域的地表径流，另一方面也充分的利用了尚有余力区域的排水能力。
附图说明
[0039]图1为本专利技术的技术流程图。
具体实施方式
[0040]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0041]实施例一：
[0042]请参阅图1，一种顾及单元差异的不透水面空间格局优化方法，包括如下步骤：
[0043]步骤一：基于初始CN值、不透水密度、坡度和降雨量等数据，计算径流系数，并将径流最小化目标转换为线性规划问题；
[0044]步骤二：根据SCS
‑
CN模型的解读结果，设置线性规划条件；
[0045]在上述SCS
‑
CN和多元线性规划算法优化结果的基础上，考虑单元之间的管网排水能力差异，计算各单元的滞留水量系数，然后提取出目标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种顾及单元差异的不透水面空间格局优化方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：基于初始CN值、不透水密度、坡度和降雨量等数据，计算径流系数，并将径流最小化目标转换为线性规划问题；步骤二：根据SCS
‑
CN模型的解读结果，设置线性规划条件；在上述SCS
‑
CN和多元线性规划算法优化结果的基础上，考虑单元之间的管网排水能力差异，计算各单元的滞留水量系数，然后提取出目标函数1(水文单元间滞留水量差异最小)和目标函数2(水文单元间不透水面转移量最小)，并根据实际情况，设定相关的约束条件；步骤三：对结果进行求解；将滞留水量差异最小和不透水面转移量最小作为遗传算法
‑
2的目标函数，然后生成初始化种群，种群内的每个染色体代表一种不透水面在单元内的转移分配方案；并对种群规模、交叉概率、变异概率以及迭代次数等参数进行设置；若迭代次数达到设定的最大进化代数，则终止求解。2.根据权利要求1所述的一种顾及单元差异的不透水面空间格局优化方法，其特征在于：所述步骤二中，由于径流系数是“地表径流量与降雨量之比”；同理，将滞留水量系数转化为相同量纲，就是“地表滞留水量与降雨量之比”；因此，设置滞留水量系数的计算公式为：式中，Q表示滞留水量系数，Q
r
表示径流系数，S表示水文单元面积，Q
d
表示排水量，P表示降雨量。3.根据权利要求2所述的一种顾及单元差异的不透水面空间格局优化方法，其特征在于：所述步骤二中，滞留水量平衡的目标函数1设置为：式中，Q
j

【专利技术属性】
技术研发人员：赵耀龙，赵桔超，王彬，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：