一种融合卡尔曼滤波的城市雨水调蓄设施安全预警方法技术

本申请涉及一种融合卡尔曼滤波的城市雨水调蓄设施安全预警方法，其中技术包括：构建区域SWMM模型；SWMM模型滚动运行；开展基于卡尔曼滤波的雨水调蓄设施水位预测；提供雨水调蓄设施溢流风险预警。本申请具有的技术效果是：以本申请提出的方法为基础，能够在线运行，滚动计算城市雨水调蓄设施的溢流风险并预警，同时能够结合调蓄设施的水位监测数据进行数据同化，从而使预警结果准确可靠，降低误判风险。险。

【技术实现步骤摘要】
一种融合卡尔曼滤波的城市雨水调蓄设施安全预警方法


[0001]本申请涉及城市雨洪内涝安全预警的
，尤其是涉及一种融合卡尔曼滤波的城市雨水调蓄设施安全预警方法。

技术介绍

[0002]随着城市化进程的不断加快，城市所在区域的不透水地面大幅度增加，导致雨水径流的汇流时间缩短，径流峰值增加，雨洪超过雨水管网的输送能力，引发局部内涝。与此同时，气候变化影响和极端天气的增加，更显著加大了城市内涝的风险和频次，不仅对社会经济的正常运行造成损害，甚至引起生命财产的重大损失。
[0003]在开展城市雨洪管理的过程中，有效的措施是采用分散式的调蓄设施对雨水进行蓄滞，通过闸堰等水工建筑物将蓄滞的雨水缓慢排放至下游，从而避免雨水过快地在局部聚集，导致内涝。在内涝风险较低时，为使得调蓄设施能够充分蓄滞来水，就需要在准确预判来水量的前提下，事先有序释放调蓄设施内的部分存水，从而留出足够的调蓄空间，降低或者减少内涝风险。而在内涝风险较高时，则需要启动应急预案，提前通知撤离，尽可能减少人员和生命财产损失。因此，科学开展城市雨洪管理的前提是能够准确对雨水调蓄设施的内涝风险做出预警，尽可能降低误报和错报。
[0004]准确预测预警调蓄设施的内涝风险存在一系列的技术挑战。一方面，如果仅依赖传统经验，根据预报降雨量对调蓄设施的来水量和溢流风险进行预测，则会因为降雨量偏差、前期累计降雨量多少、调蓄设施当前水深等导致预测结果出现偏差；另一方面，如果依靠模型工具进行计算，通常又受限于模型的手动运行，无法开展滚动分析，即使开展滚动分析，也会因为缺少模型模拟结果与实测值的相互校核，从而导致误差不断累积，使预测结果与实际的调蓄设施水位存在较大出入，最终导致误判和错误预警结果。

技术实现思路

[0005]针对以上存在的问题，本申请提出一种融合卡尔曼滤波的城市雨水调蓄设施安全预警方法，采用如下的技术方案：
[0006]步骤S10. 构建目标区域的SWMM水文水力模型；
[0007]步骤S20. SWMM模型滚动运行；
[0008]步骤S30. 基于卡尔曼滤波的雨水调蓄设施水位预测；
[0009]步骤S40. 雨水调蓄设施溢流风险预警。
[0010]通过上述技术方案，能够利用SWMM水文水力模型对目标城市区域的地表产流、管道汇流、调蓄设施蓄滞等过程进行精细化模拟，同时利用模型热启动技术，使SWMM模型能够滚动运行。在此基础上，耦合卡尔曼滤波方法，定期读取调蓄设施内的监测水位，对SWMM模型的模拟结果进行数据同化，从而在滚动运行的过程中降低SWMM模型的累积误差，提升调蓄设施溢流风险预警结果的准确度和可靠性。
[0011]优选的，步骤S10的构建目标区域的SWMM水文水力模型，具体包括：
[0012]步骤S101.收集目标区域的相关基础数据，所收集的基础数据包括：目标区域范围、高程数据、土地利用、土壤类型和渗水性、管网数据、调蓄设施位置和尺寸、泵站闸坝数据、水系数据以及河道地形数据，其中：
[0013]a、目标区域高程数据为等高线矢量格式或者数字高程模型（DEM）格式；
[0014]b、目标区域范围、土地利用、土壤类型和渗水性、水系数据、河道地形数据为矢量格式（shapefile）；
[0015]c、管网数据、调蓄设施位置和尺寸、泵站闸坝数据为CAD格式；
[0016]d、泵站闸坝调度规则数据为文本格式；
[0017]e、所有的矢量格式、DEM格式和CAD格式文件需要统一在同一坐标系内，并进行映射配准。
[0018]步骤S102.根据收集的目标区域的高程、水系、调蓄设施位置等信息划分子汇水区，概化提取各子汇水区的模型参数信息，其中：
[0019]a、在划分子汇水区边界时，应尽量以主要调蓄设施为子汇水区的最下游出流点；
[0020]b、所概化的子汇水区模型参数信息，包括面积、最长径流路径长度、坡度、各用地类型面积、不透水面积比例、地表填洼深度、曼宁糙率、土壤类型和面积以及各类型土壤渗水性。
[0021]步骤S103.在SWMM模型中配置各子汇水区的模型参数，设置模型运行的时间步长和起止日期，完成SWMM水文水力模型的构建，其中：
[0022]a、在SWMM模型界面中绘制目标城市区域的边界和各个子汇水区，按照上下游拓扑关系完成子汇水区的连接；
[0023]b、通过SWMM模型界面填写各个子汇水区的模型参数信息，主要管网的管径、节点高程和管段材料信息，以及各雨水调蓄设施的尺寸和闸坝信息；
[0024]c、在SWMM模型中设置模型宏观运行参数信息，包括模型运行的时间步长、起止日期和水力演算方法（运动波或者动力波），为兼顾计算准确度和计算效率，通常采用运动波方法进行水力演算，在径流受下游顶托出现回水或者闸坝水力计算结果不稳定时，选择动力波方法进行水力演算。
[0025]通过上述技术方案，将目标区域内的主要调蓄设施作为各子汇水区的下游出流点进行子汇水区划分，能够清晰界定每个雨水调蓄设施的汇流区域，从而帮助准确计算每场降雨汇入雨水调蓄设施的地表径流量。同时默认采用计算效率较高的运动波方法进行水力演算，满足突发降雨事件时的预警时效性要求。
[0026]优选的，步骤S20的SWMM模型滚动运行，具体包括：
[0027]步骤S201.从中央气象台获取目标区域未来三天的逐小时气象预报数据，并转换成SWMM模型的输入文件格式，其中：
[0028]a、从中央气象台网站（）读取目标城市区域未来三天的逐小时气象预报数据，具体包括降雨、风向、风速、蒸发和辐射；
[0029]b、将未来三天的逐小时气象预报数据整理并转换成SWMM模型气象输入文件的文本格式，供SWMM模型直接调用。
[0030]步骤S202.在每天零时，以未来三天的逐小时气象预报数据为输入，以前一天23:59的模型热启动文件为边界，驱动目标区域的SWMM水文水力模型开展模拟分析，获取区域
内雨水调蓄设施的水位变化时间序列，在当天23:59运行结束时，保存系统状态至模型热启动文件，其中：
[0031]a、第一次开始模拟前，以SWMM模型设定的起始日为起点，设置SWMM模型模拟24小时，将模型状态结果写入热启动文件，生成一个初始版本的热启动文件（start.hsf）；
[0032]b、在正式模拟时，以未来三天的气象文件为输入，以初始版热启动文件为边界，开展未来三天的逐小时水文水力过程模拟，输出调蓄设施未来三天的逐小时水位模拟结果时间序列；
[0033]c、在模拟结束时，将系统状态保存至模型热启动文件，并覆盖原来版本的文件（start.hsf）。
[0034]步骤S203.重复步骤S201
‑
S202至用户设定的模拟结束时间，其中：
[0035]a、在每天零时，启动对未来三天的预测模拟，输出调蓄设施未来三天逐小时水位变化的时间序列；
[0036]b、在模拟结束时，将系统状态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合卡尔曼滤波的城市雨水调蓄设施安全预警方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S10. 构建目标区域的SWMM水文水力模型；步骤S20. SWMM模型滚动运行；步骤S30. 基于卡尔曼滤波的雨水调蓄设施水位预测；步骤S40. 雨水调蓄设施溢流风险预警。2.如权利要求1所述的一种融合卡尔曼滤波的城市雨水调蓄设施安全预警方法，其特征在于，所述步骤S10构建目标区域的SWMM水文水力模型具体包括以下步骤：步骤S101.收集目标区域的相关基础数据，包括：目标区域范围、高程数据、土地利用、土壤类型和渗水性、管网数据、调蓄设施位置和尺寸、泵站闸坝数据、水系数据以及河道地形数据；步骤S102.根据收集的目标区域的高程、水系、调蓄设施位置等信息划分子汇水区，概化提取各子汇水区的模型参数信息；步骤S103.在SWMM模型中配置各子汇水区的模型参数，设置模型运行的时间步长和起止日期，完成SWMM水文水力模型的构建。3.如权利要求1所述的一种融合卡尔曼滤波的城市雨水调蓄设施安全预警方法，其特征在于，所述步骤S20的SWMM模型滚动运行具体包括以下步骤：步骤S201.从中央气象台获取目标区域未来三天的逐小时气象预报数据，并转换成SWMM模型的输入文件格式；步骤S202.在每天零时，以未来三天的逐小时气象预报数据为输入，以前一天23:59的模型热启动文件为边界，驱动目标区域的SWMM水文水力模型开展模拟分析，获...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国顺，王巧云，陆慧，
申请(专利权)人：南京智水环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：