CN104008466B - 一种雨水调蓄池预选址的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雨水调蓄池预选址的确定方法，属于城市排水技术领域。本发明的一种雨水调蓄池预选址的确定方法，其主要内容是：基于SWMM模型和城市内涝防治标准，以雨水***节点为评价对象，以预选调蓄池的位置为目标，以节点周围的积水深度、积水范围和积水时间为评价因子，考虑节点的重要性、敏感性并加权，经转换和计算，得出各节点的综合评价指标——积水危害指数，按积水危害指数大小进行排序，最终结果，积水危害指数越大的节点确定为调蓄池预选址的地点。本发明考虑的影响因素更多，得到的预选址技术方案更为合理，这将为后期调蓄池布局优化提供一个很好的初始条件(方案)，将提高“分析比较(方案优化)”环节的工作效率。

Description

一种雨水调蓄池预选址的确定方法

技术领域

本发明属于城市排水技术领域，更具体地说，涉及一种雨水调蓄池预选址的确定方法。

背景技术

随着城市化进程的不断加快和气候变化的影响，城市暴雨内涝问题日益突出。调蓄池作为减轻雨水***积水内涝的有效措施之一，得到越来越多的应用。雨水***中调蓄池的位置确定，通常包括3个环节：【1】预选址(潜在位置选择)——【2】分析比较(方案优化)——【3】最终位置确定。本发明关注的是【1】预选址环节。雨水***是一个庞大的非线性***，***中调蓄池的位置选择，影响因素很多，是一个非常复杂的技术问题。

现有技术中，国外雨水调蓄池的预选址(潜在位置选择)，基于流域出口洪峰消减百分比QP_max，在流域***某处设置调蓄池，通过模型(HEC-1)计算，如果计算的流域出口洪峰流量百分比QP≥QP_max，则该处被选为调蓄池的潜在位置(参见Yeh C H,Labadie JW.Multiobjective watershed-level planning of storm water detention systems[J].Journal of Water Resources Planning and Management,1997,123(6):336-343.)。国内目前还未见有调蓄池预选址的文献。而调蓄池位置确定(注意不是环节【1】预选址，而是环节【3】最终位置确定)，有文献记载(参见：马洪涛,张晓昕,王强.基于模型的城市雨水***改造规划方法——以北京奥林匹克公园地区为例[J].给水排水,2009,34(10):115-118.)，基本方法是通过二维商业模型软件(MIKE Flood)模拟，得到可能积水点，这些积水点均被选为雨洪调蓄池的最终位置。而关于积水点的描述，可参见文献(张晓昕,王强,马洪涛.奥林匹克公园地区雨水***研究[J].给水排水,2009,34(11):7-14.)，该文献将地面积水水深大于0.15m的地点列为积水点，并列有积水时间。国外按照流域出口洪峰消减百分比准则预选址是从流域宏观出发，但流域微观内部节点(检查井)的积水状况(积水深度、积水范围、积水时间等)未曾考虑。国内并未见预选址方法，虽然有调蓄池的最终位置确定方法，但借助的是二维商业软件，同时把所有积水点(指积水水深大于15cm)都列为调蓄池的最终位置，其设计不尽合理，且整个项目费用支出大。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提出一种雨水调蓄池预选址的确定方法，为调蓄池预选址提供技术支撑。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种雨水调蓄池预选址的确定方法，基于SWMM模型和城市内涝防治标准，以雨水***节点为评价对象，以预选调蓄池的位置为目标，以节点周围的积水深度、积水范围和积水时间为评价因子，考虑节点的重要性、敏感性并加权，经转换和计算，得出各节点的综合评价指标——积水危害指数，按积水危害指数大小进行排序，最终结果，积水危害指数越大的节点确定为调蓄池预选址的地点。

本发明的一种雨水调蓄池预选址的确定方法，具体步骤如下：

步骤一、

根据雨水流域对雨水***进行设计确定雨水***设计参数，此时雨水***的设计不包含调蓄池的设计，雨水***设计参数包括：暴雨强度公式、设计重现期、径流系数、地面集水时间、折减系数；

根据雨水***的水力计算确定雨水***属性数据，雨水***属性数据包括：各设计管段的管径、坡度、管内底标高、管道埋深值，根据雨水***属性数据建立SWMM模型；

将城市内涝防治标准规定的相应重现期的设计暴雨作为降雨条件输入已建立的SWMM模型进行雨水***模拟；

步骤二、

根据步骤一中的SWMM模型的模拟结果获取各节点的数据，节点数据包括：本段汇水面积A_汇水面积、平均地面坡度i、溢流体积V、溢流时间t_溢流，其中，节点指调蓄池的潜在位置点；

选用节点的积水深度h、积水范围A、积水时间t作为积水危害程度的评价因子，根据获取的节点数据，按照转化技术方案，转化成评价因子积水深度h、积水范围A、积水时间t的具体数值；其中，转化技术方案为：以节点的本段汇水面积来表示积水范围，以节点的溢流体积在其积水范围内的平均积水厚度来表示积水深度，以节点溢流时间来表示积水时间，即：积水时间t、积水深度h和积水范围A的计算为：t＝t_溢流，h＝V/A_汇水面积，A＝A_汇水面积；

步骤三、

选择各评价因子关于不同数值区间的评价分值的评分标准，并根据该评分标准对雨水***中各节点的各评价因子进行评分，得到各节点的积水深度、积水范围、积水时间的分值；

步骤四、

根据步骤三得到的各节点评价因子的分值，计算各节点积水危害指数，具体实现如下：

1)界定目标层、准则层、方案层

目标层：调蓄池位置的预选址，即将节点按积水危害指数进行排序；

准则层：积水危害性评价因子，包括：积水深度、积水范围和积水时间；

方案层：各节点；

2)构造准则层相对于目标层的成对比较矩阵A，并计算权向量w⁽²⁾；

3)分别构造方案层相对于准则层各评价因子的成对比较矩阵，进行一致性检验，并求各自相应的权向量，其中：

根据各节点的积水深度分值，得到方案层相对于积水深度的成对比较矩阵B₁，进行一致性检验，并求成对比较矩阵B₁权向量w₁ ⁽³⁾；

根据各节点的积水范围分值，得到方案层相对于积水范围的成对比较矩阵B₂，进行一致性检验，并求成对比较矩阵B₂权向量w₂ ⁽³⁾；

根据各节点的积水时间分值，得到方案层相对于积水时间的成对比较矩阵B₃，进行一致性检验，并求成对比较矩阵B₃权向量w₃ ⁽³⁾；

4)以w₁ ⁽³⁾、w₂ ⁽³⁾、w₃ ⁽³⁾为列向量，构成矩阵W⁽³⁾＝[w₁ ⁽³⁾，w₂ ⁽³⁾，w₃ ⁽³⁾]，按照公式w⁽³⁾＝W⁽³⁾w⁽²⁾，计算方案层各节点相对于目标层的组合权向量w⁽³⁾，并进行一致性检验，组合权向量w⁽³⁾即为方案层各节点相对于目标层的综合得分；

步骤五、

根据各节点的重要性和敏感性，将步骤四得出的各节点的综合得分乘以各节点相应的重要性、敏感性权重系数，得出各节点积水危害指数的最终分值，按积水危害指数最终分值的大小进行排序，将积水危害指数越大的节点确定为调蓄池预选址的地点。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

本发明的一种雨水调蓄池预选址的确定方法，引入积水危害指数，考虑雨水***中各节点的积水状况(积水深度、积水范围、积水时间等)和重要性、敏感性，通过SWMM模型技术手段和转化技术方案，特别是数据提取方法和转化技术方案，并考虑节点的重要性、敏感性，最终得到节点(方案)积水危害系数，从而实现调蓄池预选址的最终目标。本发明的技术方案考虑的影响因素更多，得到的预选址技术方案更为合理，这将为后期调蓄池布局优化提供一个很好的初始条件(方案)，将提高“分析比较(方案优化)”环节的工作效率。

附图说明

图1是本发明的一种雨水调蓄池预选址的确定方法的流程框图；

图2是实施例1中雨水***的节点、管段的示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

下面以上海市城区某雨水流域为例，利用本发明的技术方案对雨水***节点积水危害指数进行计算并排序，确定调蓄池初始位置的优先顺序。如图1所示，本实施例的一种雨水调蓄池预选址的确定方法，其具体步骤如下：

步骤一、

根据雨水流域对雨水***进行设计确定雨水***设计参数，此时雨水***(即：雨水管网)的设计不包含调蓄池的设计，雨水***设计参数包括：暴雨强度公式、设计重现期、径流系数、地面集水时间、折减系数。本实施例确定的上海市城区某雨水***的设计参数如下：设计重现期：1年；径流系数：0.6；地面集水时间：15分钟；折减系数：2；管道粗糙系数：0.013；上海暴雨强度公式：

式中：q——设计暴雨强度(L/(s·ha))；

t——地面集水时间(min)；

P——设计重现期(a)；

此处值得说明的是，本发明中的雨水***设计参数是与雨水流域有关的，是设计计算雨水***所需要的数据，与SWMM建模无关。关于“雨水***设计参数”的确定不是本发明的关键，也是本领域技术人员能够得知的，在此不再赘述。

在雨水***设计参数确定后，根据雨水***的水力计算确定雨水***属性数据，雨水***属性数据包括：各设计管段的管径、坡度、管内底标高、管道埋深值，根据雨水***属性数据建立SWMM模型(SWMM建模过程可参见SWMM用户手册，通常步骤为：设置项目缺省值；绘制雨水***；编辑雨水***属性；设置模拟及报告选项，此部分为本领域的公知常识，在此不再赘述)。

将城市内涝防治标准规定的相应重现期的设计暴雨作为降雨条件输入已建立的SWMM模型进行雨水***模拟；本实施例中根据《城市排水(雨水)防涝综合规划编制大纲》城市内涝防治标准，确定上海市中心城区内涝防治标准，抵御50年一遇的暴雨，将重现期为50年的设计暴雨(芝加哥雨型数据)作为降雨条件输入已建立的SWMM模型进行雨水***模拟。

步骤二、

根据步骤一中的SWMM模型的模拟结果获取各节点的数据，节点数据包括：本段汇水面积A_汇水面积、平均地面坡度i、溢流体积V、溢流时间t_溢流，其中，节点指调蓄池的潜在位置点。

下面以3个节点作为算例，对整套调蓄池预选址方法进行说明，管道布置如图2所示。3个节点分别为：Y-1、Y-2、Y-3，分别对应代号为A、B、C。由模拟结果，获取各节点的本段汇水面积(即子汇水区面积subcatchment area)(若该节点无本段汇水面积，则以相邻两节点的本段汇水面积的平均值代替)、各节点周围的平均地面坡度i(即子汇水区坡度)、节点的溢流体积V、溢流时间t_溢流，获得的相关数据如表1所示。

表1评价所需的各节点SWMM模拟结果和设计条件相关数据

选用节点的积水深度h、积水范围A、积水时间t作为积水危害程度的评价因子，根据获取的节点数据，按照转化技术方案，转化成评价因子积水深度h、积水范围A、积水时间t的具体数值；其中，转化技术方案为：以节点的本段汇水面积来表示积水范围，以节点的溢流体积在其积水范围内的平均积水厚度来表示积水深度，以节点溢流时间来表示积水时间，即：积水时间t、积水深度h和积水范围A的计算为：t＝t_溢流，h＝V/A_汇水面积，A＝A_汇水面积。

本实施例中评价因子积水深度h、积水范围A、积水时间t的具体数值结算结果如表2所示。

表2各节点的数据通过计算转换后得出的评价因子相应数据

步骤三、

选择各评价因子关于不同数值区间的评价分值的评分标准，本实施例选择的评分标准如表3所示。

根据该评分标准对雨水***中各节点(即方案，调蓄池的潜在位置)的各评价因子进行评分，得到各节点的积水深度、积水范围、积水时间的分值，结果如表4所示。

表3评价因子根据数值区间拟定的评分标准

表4各节点根据评分标准打出的各评价因子的分值

步骤四、

根据步骤三得到的各节点评价因子的分值，计算各节点积水危害指数，具体实现如下：

1)界定目标层、准则层、方案层

目标层：调蓄池位置的预选址，即将节点按积水危害指数进行排序；

准则层：积水危害性评价因子，包括：积水深度、积水范围和积水时间；

方案层：各节点；

2)构造准则层相对于目标层的成对比较矩阵A，并计算权向量w⁽²⁾。本实施例为计算方便，将各评价指标的相对权重设为相同，两两之间比较，得到成对比较阵A：

A为一致阵，满足一致性检验；其最大特征值为3，与最大特征值相应的归一化的特征向量：ω＝(0.3333,0.3333,0.3333)^T，此特征向量即为该矩阵的权向量w⁽²⁾。

3)分别构造方案层相对于准则层各评价因子的成对比较矩阵，进行一致性检验，并求各自相应的权向量，其中：

根据各节点的积水深度分值，得到方案层相对于积水深度的成对比较矩阵B₁，进行一致性检验，并求成对比较矩阵B₁权向量w₁ ⁽³⁾。根据表4中积水深度的分值，两两比较，得到成对比较矩阵B₁(下文中B₂、B₃采用类似方法得到)。应用Matlab计算B₁的最大特征值及与之相应的归一化特征向量。B₁为一致阵，满足一致性检验；其最大特征值为3，与最大特征值相应的归一化的特征向量：ω₁＝(0.5556,0.1111,0.3333)^T，此特征向量即为该矩阵的权向量w₁ ⁽³⁾。

根据各节点的积水范围分值，得到方案层相对于积水范围的成对比较矩阵B₂，进行一致性检验，并求成对比较矩阵B₂权向量w₂ ⁽³⁾。方案层对于积水范围因子(准则)的成对比较矩阵B₂，B₂为一致阵，满足一致性检验；其最大特征值为₃，归一化后的特征向量：ω₂＝(0.3043,0.3913,0.3043)^T，此特征向量即为该矩阵的权向量w₂ ⁽³⁾。

根据各节点的积水时间分值，得到方案层相对于积水时间的成对比较矩阵B₃，进行一致性检验，并求成对比较矩阵B₃权向量w₃ ⁽³⁾。方案层对于积水时间因子(准则)的成对比较矩阵B₃，B₃为一致阵，满足一致性检验；其最大特征值为3，归一化后的特征向量：ω₃＝(0.3333,0.3333,0.3333)^T，此特征向量即为该矩阵的权向量_w3 ⁽³⁾。

4)以w₁ ⁽³⁾、w₂ ⁽³⁾、w₃ ⁽³⁾为列向量，构成矩阵W⁽³⁾＝[w₁ ⁽³⁾，w₂ ⁽³⁾，w₃ ⁽³⁾]，按照公式w⁽³⁾＝W⁽³⁾w⁽²⁾，计算方案层各节点相对于目标层的组合权向量w⁽³⁾，并进行一致性检验，组合权向量w⁽³⁾即为方案层各节点相对于目标层的综合得分，具体如下：

进行一致性检验：CR＝0，满足一致性检验。

步骤五、

根据各节点的重要性和敏感性，将步骤四得出的各节点的综合得分乘以各节点相应的重要性、敏感性权重系数，得出各节点积水危害指数的最终分值，按积水危害指数最终分值的大小进行排序，将积水危害指数越大的节点确定为调蓄池预选址的地点。所谓重要性、敏感性，是指对政治、经济和社会等方面重要或者敏感的区域，应适当地提高其区域内的节点积水危害程度的评分分值，即乘以一个相应的权重系数；重要或者敏感的区域有：政府机关、学校、医院、立交桥、人流密集的集市等等。本实施例为计算方便，将各节点的重要性、敏感性权重均设为1，则A、B、C三方案(节点)的积水危害指数分别为：F_A＝0.3977×1＝0.3977，F_B＝0.2786×1＝0.2786，F_C＝0.3612×1＝0.3237，故最终排序为：A>C>B。故确定在节点Y-1附近设置调蓄池。

Claims (1)

1.一种雨水调蓄池预选址的确定方法，其特征在于：基于SWMM模型和城市内涝防治标准，以雨水***节点为评价对象，以预选调蓄池的位置为目标，以节点周围的积水深度、积水范围和积水时间为评价因子，考虑节点的重要性、敏感性并加权，经转换和计算，得出各节点的综合评价指标——积水危害指数，按积水危害指数大小进行排序，最终结果，积水危害指数越大的节点确定为调蓄池预选址的地点；具体步骤如下：

步骤一、

根据雨水流域对雨水***进行设计确定雨水***设计参数，此时雨水***的设计不包含调蓄池的设计，雨水***设计参数包括：暴雨强度公式、设计重现期、径流系数、地面集水时间、折减系数；

根据雨水***的水力计算确定雨水***属性数据，雨水***属性数据包括：各设计管段的管径、坡度、管内底标高、管道埋深值，根据雨水***属性数据建立SWMM模型；

将城市内涝防治标准规定的相应重现期的设计暴雨作为降雨条件输入已建立的SWMM模型进行雨水***模拟；

步骤二、

根据步骤一中的SWMM模型的模拟结果获取各节点的数据，节点数据包括：本段汇水面积A_汇水面积、平均地面坡度i、溢流体积V、溢流时间t_溢流，其中，节点指调蓄池的潜在位置点；

选用节点的积水深度h、积水范围A、积水时间t作为积水危害程度的评价因子，根据获取的节点数据，按照转化技术方案，转化成评价因子积水深度h、积水范围A、积水时间t的具体数值；其中，转化技术方案为：以节点的本段汇水面积来表示积水范围，以节点的溢流体积在其积水范围内的平均积水厚度来表示积水深度，以节点溢流时间来表示积水时间，即：积水时间t、积水深度h和积水范围A的计算为：t＝t_溢流，h＝V/A_汇水面积，A＝A_汇水面积；

步骤三、

选择各评价因子关于不同数值区间的评价分值的评分标准，并根据该评分标准对雨水***中各节点的各评价因子进行评分，得到各节点的积水深度、积水范围、积水时间的分值；

步骤四、

根据步骤三得到的各节点评价因子的分值，计算各节点积水危害指数，具体实现如下：

1)界定目标层、准则层、方案层

目标层：调蓄池位置的预选址，即将节点按积水危害指数进行排序；

准则层：积水危害性评价因子，包括：积水深度、积水范围和积水时间；

方案层：各节点；

2)构造准则层相对于目标层的成对比较矩阵A，并计算权向量w⁽²⁾；

3)分别构造方案层相对于准则层各评价因子的成对比较矩阵，进行一致性检验，并求各自相应的权向量，其中：

根据各节点的积水深度分值，得到方案层相对于积水深度的成对比较矩阵B₁，进行一致性检验，并求成对比较矩阵B₁权向量w₁ ⁽³⁾；

根据各节点的积水范围分值，得到方案层相对于积水范围的成对比较矩阵B₂，进行一致性检验，并求成对比较矩阵B₂权向量w₂ ⁽³⁾；

根据各节点的积水时间分值，得到方案层相对于积水时间的成对比较矩阵B₃，进行一致性检验，并求成对比较矩阵B₃权向量w₃ ⁽³⁾；

4)以w₁ ⁽³⁾、w₂ ⁽³⁾、w₃ ⁽³⁾为列向量，构成矩阵W⁽³⁾＝[w₁ ⁽³⁾，w₂ ⁽³⁾，w₃ ⁽³⁾]，按照公式w⁽³⁾＝W⁽³⁾w⁽²⁾，计算方案层各节点相对于目标层的组合权向量w⁽³⁾，并进行一致性检验，组合权向量w⁽³⁾即为方案层各节点相对于目标层的综合得分；

步骤五、

根据各节点的重要性和敏感性，将步骤四得出的各节点的综合得分乘以各节点相应的重要性、敏感性权重系数，得出各节点积水危害指数的最终分值，按积水危害指数最终分值的大小进行排序，将积水危害指数越大的节点确定为调蓄池预选址的地点。