一种适用于城市水文模型的城市管网汇流概化方法技术

本发明专利技术涉及城市水文模型模拟领域，尤其涉及一种适用于城市水文模型的城市管网汇流概化方法。所述方法包括以下步骤：获取城市水文数据集，根据城市水文数据集构建城市产流模型；有效概化管网的综合排水能力，确定城市管网入流数据；概化管网汇流过程，根据管网入流数据计算管网出流数据；综合坡面汇流过程，得到河道汇流入流数据，基于马斯京根法进行河道演进，得到区域出口流量数据；基于优化算法自动率定模型参数，筛选后得到最优区域出口流量过程。本发明专利技术通过对城市水文数据集进行数据处理，能够有效概化城市管网汇流过程。能够有效概化城市管网汇流过程。能够有效概化城市管网汇流过程。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于城市水文模型的城市管网汇流概化方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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

[0003]本专利技术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。
[0004]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：
[0005]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；
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]本专利技术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。
[0011]优选地，步骤S1包括以下步骤：
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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。
[0023]本专利技术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。
[0024]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：
[0025]步骤S105中的高程修正计算公式如下所示：
[0026]E2＝E1‑
D；
[0027]其中，E2为优化城市高程数据，E1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于城市水文模型的城市管网汇流概化方法，其特征在于，包括以下步骤：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；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1的具体步骤为：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；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；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；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；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；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；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；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；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；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；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。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，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：步骤S105中的高程修正计算公式如下所示：E2＝E1‑
D；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；步骤S109中的植被裸地SCS曲线法如下所示：(1)(2)(3)(4)其中，R
v
为植被产流，R
bs
裸地产流，S
v
为植被最大可能滞留量，S
bs
为裸地最大可能滞留量，CN
v
为植被径流曲线数，CN
bs
为裸地径流曲线数，A
v
为子汇水区植被面积，A
bs
为子汇水区裸地面积，A
S
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；步骤S110中的道路建筑物产流系数法如下所示：步骤S110中的道路建筑物产流系数法如下所示：其中，R
r
为道路产流，R
b
为建筑物产流，α
r
为道路产流系数，α
b
为建筑物产流系数，A
r
为子汇水区道路面积，A
b
为子汇水区建筑物面积，A
S
为子汇水区总面积，P为子汇水区降水数据；步骤S111中的城市产流模型如下所示：R
S
＝R
r
+R
b
+R
v
+R
bs
；其中R
S
为子汇水区总产流，R
r
为道路产流，R
b
为建筑物产流，R
v
为植被产流，R
bs
为裸地产流。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤为：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；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；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；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王未，刘培，夏伟鹏，刘壮添，刘志成，魏乾坤，许劼婧，张迪，黄瑞晶，傅学诚，陈秋伶，程昕，
申请(专利权)人：珠江水利委员会珠江水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：