CN110232522A - 一种城市内河水文监测站点优化布设方法 - Google Patents

一种城市内河水文监测站点优化布设方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种城市内河水文监测站点优化布设方法，以新增站点与已有站点间信息差异性大小判断新增站点是否保留，优化布点位置，得到初步优化方案，通过计算不同站点数量所能获取的信息总量，根据以最少站点数量获取最大信息总量为原则，进一步优化监测站点数量及位置，得到最佳城市内河水文监测站点布设方案，为设计人员或决策者提供理论依据。本发明能够科学地优化监测站点的布设数量与位置。

Description

一种城市内河水文监测站点优化布设方法
技术领域
本发明涉及城市内河水文监测技术领域，特别是一种城市内河水文监测站点优化布设方法。
背景技术
近年来，受全球气候变化影响，暴雨、特大暴雨等极端天气频发，加之城市不透水面积不断增加、排水防涝等基础设施建设滞后、调蓄雨洪和应急管理能力不足，城市内涝成为影响城市正常生产生活最严重的灾害之一。因此，城市内涝防治成为城市管理者与居民最重视、最关切的工作之一。
城市内涝防治，无论是工程建设方案，还是非工程措施方案，都必须在获取大量的城市水文监测数据，全面分析城市水文物理规律的前提条件下科学制定，因此，城市水文数据监测是城市内涝防治工作的关键性基础。而目前，城市内河水文监测系统建设发展严重滞后，绝大多数城市尚未建立科学完备的城市内河水文监测系统。近年来，随着内涝防治工作的深入，部分城市开始逐渐探索建立城市内河水文监测系统。
然而，城市内河水文监测站点布设技术发展严重滞后于流域型河道水文监测站点布设技术，已发布的《城市水文监测与评价分析技术导则》(SL/Z 572-2014) 等相关技术规范与导则仅提出水文监测站点布设原则，不同城市水文条件差异较大。城市内河水文监测站点布设数量与位置常依赖于设计人员或管理部门的经验判断，主观性较强，无法在监测设备投入前判断布点数量与位置是否既满足数据获取需求，由于监测设备成本较高，常导致人力物力的浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种城市内河水文监测站点优化布设方法，能够科学地优化监测站点的布设数量与位置。
本发明采用以下方案实现：一种城市内河水文监测站点优化布设方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：设计城市内河水文布设初步方案，设初步方案布点n个，分别为 {X1,X2,…,Xn}；
步骤S2：耦合城市二维地形、雨水管网、内河，构建城市水文数值模拟模型，进行参数率定，使模型计算误差控制在允许范围内，获取各监测站点包括水位、流量在内的数据的长时间序列，设序列长度为m，即每个长序列包含m个特征值，以水位为例，各监测站点水文序列集为：
式中，n为监测站点数量，m为每个监测站点水位值数量，设Xi表示由m个水位值组成的第i个监测站点水位序列向量；
步骤S3：选取第1个保留监测站点，新增1个站点，计算新增站点Xt与保留站点Xk之间的水文特征差异性D(Xt,Xk)；
步骤S4：判断新增站点的合理性，若合理，保留该监测站点，作为保留站点，若不合理，去除该监测站点，保留站点群维持不变；
步骤S5：逐个遍历新增站点，重复步骤4，直至初步方案中n个监测站点均作为新增站点完成步骤4的筛选，得到城市内河监测站点布设初步优选方案，设经过初步优选后保留站点序列为{X1,X2,…,Xl}(1≤l≤n)；
步骤S6：计算不同站点布设数量及站点组合所能获取的信息总量，包括单点的信息量及该站点与其他站点的关系信息量，与其他站点间关系信息量越大，说明站点间关系越紧密，该站点代表性越高，以此对步骤S5得到的保留站点序列的数量及位置进一步优化；
步骤S7：通过步骤S6，得到不同站点数量、不同站点组合下所能获取的信息总量序列B(i,N(X1,X2,…,Xl；Xu,…,Xv))(i＝1,2,…,l)，针对相同站点数量、不同站点组合，取maxB(i,N(X1,X2,…,Xl；Xu,…,Xv))(i＝1,2,…,l)所对应的的监测站点布设方案 (Xu,…,Xv)作为监测站点数量为i的最佳布设方案，即相同站点数情况下所能获取的水文信息代表性最强的组合方案为该布点数量下的最佳布点位置方案；
步骤S8：计算不同布点数量下信息量R(i)，取maxR(i)(i＝1,2,…,l)所对应的布点数量作为最佳监测布点数量q；
步骤S9：通过上述步骤，得到该城市内河水文监测最佳布点数量为q，所对应的监测布点位置为步骤S7计算得出的监测布点数量为对应的最佳布点位置方案。
进一步地，步骤S3中，新增站点Xt与保留站点Xk之间的水文特征差异性 D(Xt,Xk)的计算具体为：
pi＝P(X＝Δxi)；
Δxi＝Xit-Xik；
式中，1≤t≤n，1≤k≤n，且t≠k；Δxi为Xt与Xk的差值向量中第i个元素，表示两个向量间的差异大小；pi为Δxi在差值向量中出现的概率，
进一步地，步骤S4具体为，采用下式判断新增站点的合理性：
式中，flag为新增站点判断函数，若flag＝0，则新增站点不合理；若flag＝1，则新增站点合理；ε为站点间差异信息容许上限。
进一步地，步骤S6中，采用下式计算不同站点布设数量及站点组合所能获取的信息总量N(X1,X2,…,Xl；Xu,…,Xv)：
p′i＝P(X＝xi) (xi∈Xj)；
p'ji＝P(X＝xj,Y＝xi) (xj∈Xj,xi∈Xi)。
进一步地，步骤S8中，所述不同布点数量下信息量的计算采用下式：
其中，
T(Xj,Xi)＝H(Xj)+H(Xi)-H(Xj,Xi)。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：科学的监测站点优化布设数量与位置，一方面可以高效、全面地获取城市内河水文信息，另一方面可以避免不必要的人力与物力的浪费。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和 /或它们的组合。
本实施例在城市水文监测设备投入建设前，通过城市水文数值模拟技术获取各监测站点水文信息，提出启发式信息熵理论，计算站点之间信息差异性、不同站点数量所能获取的信息，构建站点优化布设目标函数，凝练监测站点优化布设方法。
城市内河水网密布，拓扑结构复杂，不同河道间水文特征差异显著，城市内河水文监测系统建设总体目标为以最少的监测布点数量、最经济的建设成本科学获取城市内河任意一点水文信息。故城市内河水文监测站点优化应剔除水文特征相关关系较大、无需连续监测而可通过简单计算即可获取水文信息的监测站点，保留水文特征差异性较大的监测布点，使所获取的水文信息量最大。
故本实施例提出以新增站点与已有站点间信息差异性大小判断新增站点是否保留，优化布点位置，得到初步优化方案，通过计算不同站点数量所能获取的信息总量，根据以最少站点数量获取最大信息总量为原则，进一步优化监测站点数量及位置，得到最佳城市内河水文监测站点布设方案，为设计人员或决策者提供理论依据。
本实施例提供了一种城市内河水文监测站点优化布设方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：根据《城市水文监测与评价分析技术导则》(SL/Z 572-2014)相关条例，以通过监测站点水文信息内插可获取城市内河任意一点水文信息为原则，设计城市内河水文布设初步方案，设初步方案布点n个，分别为{X1,X2,…,Xn}；
步骤S2：耦合城市二维地形、雨水管网、内河，构建城市水文数值模拟模型，进行参数率定，使模型计算误差控制在允许范围内，获取各监测站点包括水位、流量在内的数据的长时间序列，设序列长度为m，即每个长序列包含m个特征值，以水位为例，各监测站点水文序列集为：
式中，n为监测站点数量，m为每个监测站点水位值数量，设Xi表示由m个水位值组成的第i个监测站点水位序列向量；
步骤S3：选取第1个保留监测站点(可任选，以下以Xk为例)，新增1个站点，计算新增站点Xt与保留站点Xk之间的水文特征差异性D(Xt,Xk)；
步骤S4：判断新增站点的合理性，若合理，保留该监测站点，作为保留站点，若不合理，去除该监测站点，保留站点群维持不变；
步骤S5：逐个遍历新增站点，重复步骤4，直至初步方案中n个监测站点均作为新增站点完成步骤4的筛选，得到城市内河监测站点布设初步优选方案，设经过初步优选后保留站点序列为{X1,X2,…,Xl}(1≤l≤n)；
步骤S6：计算不同站点布设数量及站点组合所能获取的信息总量，包括单点的信息量及该站点与其他站点的关系信息量，与其他站点间关系信息量越大，说明站点间关系越紧密，该站点代表性越高，以此对步骤S5得到的保留站点序列的数量及位置进一步优化；
步骤S7：通过步骤S6，得到不同站点数量、不同站点组合下所能获取的信息总量序列B(i,N(X1,X2,…,Xl；Xu,…,Xv))(i＝1,2,…,l)，针对相同站点数量、不同站点组合，取maxB(i,N(X1,X2,…,Xl；Xu,…,Xv))(i＝1,2,…,l)所对应的的监测站点布设方案 (Xu,…,Xv)作为监测站点数量为i的最佳布设方案，即相同站点数情况下所能获取的水文信息代表性最强的组合方案为该布点数量下的最佳布点位置方案；
步骤S8：计算不同布点数量下信息量R(i)，取maxR(i)(i＝1,2,…,l)所对应的布点数量作为最佳监测布点数量q；
步骤S9：通过上述步骤，得到该城市内河水文监测最佳布点数量为q，所对应的监测布点位置为步骤S7计算得出的监测布点数量为对应的最佳布点位置方案。
在本实施中，步骤S3中，新增站点Xt与保留站点Xk之间的水文特征差异性 D(Xt,Xk)的计算具体为：
pi＝P(X＝Δxi)；
Δxi＝Xit-Xik；
式中，1≤t≤n，1≤k≤n，且t≠k；Δxi为Xt与Xk的差值向量中第i个元素，表示两个向量间的差异大小；pi为Δxi在差值向量中出现的概率，
在本实施中，步骤S4具体为，采用下式判断新增站点的合理性：
式中，flag为新增站点判断函数，若flag＝0，则新增站点不合理；若flag＝1，则新增站点合理；ε为站点间差异信息容许上限。若两个站点任一同时刻水位值仅允许相差同一常数，则ε可取为0。ε可根据优化原则自行设定。
在本实施中，步骤S6中，采用下式计算不同站点布设数量及站点组合所能获取的信息总量N(X1,X2,…,Xl；Xu,…,Xv)：
p′i＝P(X＝xi) (xi∈Xj)；
p'ji＝P(X＝xj,Y＝xi) (xj∈Xj,xi∈Xi)。
在本实施中，步骤S8中，所述不同布点数量下信息量的计算采用下式：
其中，
T(Xj,Xi)＝H(Xj)+H(Xi)-H(Xj,Xi)。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种城市内河水文监测站点优化布设方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：设计城市内河水文布设初步方案，设初步方案布点n个，分别为{X1,X2,…,Xn}；
步骤S2：耦合城市二维地形、雨水管网、内河，构建城市水文数值模拟模型，进行参数率定，使模型计算误差控制在允许范围内，获取各监测站点包括水位、流量在内的数据的长时间序列，设序列长度为m，即每个长序列包含m个特征值；
步骤S3：选取第1个保留监测站点，新增1个站点，计算新增站点Xt与保留站点Xk之间的水文特征差异性D(Xt,Xk)；
步骤S4：判断新增站点的合理性，若合理，保留该监测站点，作为保留站点，若不合理，去除该监测站点，保留站点群维持不变；
步骤S5：逐个遍历新增站点，重复步骤4，直至初步方案中n个监测站点均作为新增站点完成步骤4的筛选，得到城市内河监测站点布设初步优选方案，设经过初步优选后保留站点序列为{X1,X2,…,Xl}(1≤l≤n)；
步骤S6：计算不同站点布设数量及站点组合所能获取的信息总量，包括单点的信息量及该站点与其他站点的关系信息量，与其他站点间关系信息量越大，说明站点间关系越紧密，该站点代表性越高，以此对步骤S5得到的保留站点序列的数量及位置进一步优化；
步骤S7：通过步骤S6，得到不同站点数量、不同站点组合下所能获取的信息总量序列B(i,N(X1,X2,…,Xl；Xu,…,Xv))(i＝1,2,…,l)，针对相同站点数量、不同站点组合，取maxB(i,N(X1,X2,…,Xl；Xu,…,Xv))(i＝1,2,…,l)所对应的的监测站点布设方案(Xu,…,Xv)作为监测站点数量为i的最佳布设方案，即相同站点数情况下所能获取的水文信息代表性最强的组合方案为该布点数量下的最佳布点位置方案；
步骤S8：计算不同布点数量下信息量R(i)，取maxR(i)(i＝1,2,…,l)所对应的布点数量作为最佳监测布点数量q；
步骤S9：通过上述步骤，得到该城市内河水文监测最佳布点数量为q，所对应的监测布点位置为步骤S7计算得出的监测布点数量为对应的最佳布点位置方案。
2.根据权利要求1所述的一种城市内河水文监测站点优化布设方法，其特征在于：步骤S3中，新增站点Xt与保留站点Xk之间的水文特征差异性D(Xt,Xk)的计算具体为：
pi＝P(X＝Δxi)；
Δxi＝Xit-Xik；
式中，1≤t≤n，1≤k≤n，且t≠k；Δxi为Xt与Xk的差值向量中第i个元素，表示两个向量间的差异大小；pi为Δxi在差值向量中出现的概率，
3.根据权利要求1所述的一种城市内河水文监测站点优化布设方法，其特征在于：步骤S4具体为，采用下式判断新增站点的合理性：
式中，flag为新增站点判断函数，若flag＝0，则新增站点不合理；若flag＝1，则新增站点合理；ε为站点间差异信息容许上限。
4.根据权利要求1所述的一种城市内河水文监测站点优化布设方法，其特征在于：步骤S6中，采用下式计算不同站点布设数量及站点组合所能获取的信息总量N(X1,X2,…,Xl；Xu,…,Xv)：
p′i＝P(X＝xi) (xi∈Xj)；
p'ji＝P(X＝xj,Y＝xi) (xj∈Xj,xi∈Xi)。
5.根据权利要求1所述的一种城市内河水文监测站点优化布设方法，其特征在于：步骤S8中，所述不同布点数量下信息量的计算采用下式：
其中，
T(Xj,Xi)＝H(Xj)+H(Xi)-H(Xj,Xi)。
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