CN111639627A - 一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法，具体为：步骤1，获取区域的数字高程，土地利用类型，下垫面数据，LID设施布设以及管网节点布置情况；步骤2，将数字高程及其土地利用类型栅格化，并将下垫面数据与网格的土地利用类型相对应的网格匹配；步骤3，计算单个网格的产流量；步骤4，重复步骤3，计算区域内每个网格的产流量；步骤5，计算汇流水量；步骤6，计算径流量；步骤7，重复步骤6，计算出汇流后所有网格的径流量；步骤8，统计进入管网的水量和剩余的地表径流量，步骤9，统计未被控制的水量，步骤10，计算径流控制率。解决了由于三维点云数据扫描质量不好导致立面重复结构识别不准确的问题。

Description

一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法

技术领域

本发明属于城市雨洪效果评估技术领域，具体涉及一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法。

背景技术

近年来，全球气候剧变，极端降雨频发，加上我国城镇快速发展，大面积建筑、道路等人工设施的铺设使下垫面过度硬化，不透水面积大幅增加，致使地表径流流速加快，大大加重了城市管网的排水压力，而城市管网及排涝设施更新建设严重滞后于城市发展进程，导致城市内涝频发，据相关统计，每年雨季，全国有超过60％的城市发生不同程度的内涝。为了有效解决这一问题，我国在借鉴国外城市雨洪管理技术的基础上，将LID理念融入城市雨水系统规划和建设，着力推动海绵城市建设。到2018年底，第一批海绵试点城市进入验收考核阶段，根据2014年底住房城乡建设部发布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》，径流控制率是海绵城市建设效果评估的核心评价指标，也是城市排涝体系设计建设的重要参考指标之一。

径流总量控制作为城市排涝体系建设的重要控制目标之一，场次降雨的径流控制率指的是降雨就地消纳和利用的水量占全部降雨量的比例。径流控制率能反映出城市建设对降雨致涝的承载能力。径流控制效果的计算包含区域产、汇流以及管网排水等水文及水动力过程。城市下垫面和降雨是影响城市径流控制效果的重要因素，其数据对径流控制率的计算结果有着重要的影响。

目前城市转入高质量发展阶段，在城市设计阶段对城市排涝能力进行评估具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法，解决了现有技术中存在的由于三维点云数据扫描质量不好导致立面重复结构识别不准确的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，利用自动识别技术，准确获取结合区域图像或规划图原始资料得到区域的数字高程数据，土地利用类型数据，下垫面数据，LID设施布设以及管网节点布置情况；

步骤2，将步骤1得到的数字高程及其土地利用类型栅格化，并将下垫面数据与网格的土地利用类型相对应的网格匹配；

步骤3，计算单个网格的产流量；

步骤4，重复步骤3，计算区域内每个网格的产流量；

步骤5，根据步骤4得到的区域内每个网格的产流量计算区域内网格之间的汇流水量；

步骤6，根据步骤5得到的区域内网格之间的汇流水量计算汇流后每个网格的径流量；

步骤7，重复步骤6，直到汇流过程完成，计算出汇流后所有网格的径流量；

步骤8，根据步骤1中记录的区域内管网节点布置情况和步骤5得到的汇流水量，统计进入管网的水量Q_ip，若等效管网值Q_pp>Q_r，则Q_ip＝Q_r；若等效管网值Q_pp<Q_r，则Q_ip＝Q_pp；并统计剩余的地表径流量Q_re，若该网格为管网节点，则Q_re＝Q_r-Q_ip，否则，Q_re＝Q_r；

步骤9，统计未被控制的水量，包括进入管网的水量和剩余的地表径流量；

步骤10，根据步骤9得到的未被控制的水量计算径流控制率R_c。

本发明的特点还在于：

步骤3的具体实施步骤为：

步骤3.1，计算降雨总量，降雨总量的计算公式为：

Q＝q×q_t×A (1)，

式(1)中，Q为降雨总量，q为降雨雨强，单位为：mm/h；q_t为降雨时长，单位为：h；A为网格面积，单位为m²；

步骤3.2，依据步骤2中识别出的土地利用类型栅格数据判断各个网格对应的土地利用类型；

步骤3.3，在步骤3.2的基础上，结合土地利用类型，下渗率，洼蓄率以及曼宁值的原始参数，计算各个网格的下渗量、洼蓄量以及曼宁值，其中，下渗量计算公式为：

I_n＝I×q_t×A (2)；

式(2)中，I_n为下渗量，单位为mm；I为下渗率，单位为mm/h，q_t为降雨时长，单位为：h；A为网格面积，单位为m²；

洼蓄量计算公式为：

W＝w×A (3)；

式(3)中，W为洼蓄量，单位为m³；w为洼蓄深度，单位为m，A为网格面积，单位为m²；

步骤3.4，在步骤3.2的基础上，依据步骤2中识别出的土地利用类型栅格数据判断管网节点，采用等效管网的方式计算进入管网的水量，等效管网即将管网可承载水量等效为下渗量计入计算：

Q_pp＝I_eq×q_t×A (4)；

式(4)中，Q_pp为等效管网值，单位为mm；I_eq为等效下渗率，单位为 mm/h，q_t为降雨时长，单位为h；A为网格面积，单位为m²；

步骤3.5，根据步骤3.1、步骤3.2和步骤3.3的结果计算产流量，产流量计算公式为：

Q_c＝Q-I_n-W-Q_PP (5)；

式(5)中，Q_c为产流量，Q为降雨总量，I_n为下渗量，W为洼蓄量，Q_pp为等效管网值；

步骤3.6，判断Q_c的值，如果Q_c≥0，则产流量Q_c＝Q_c，否则，产流量为 0。

步骤5的具体实施步骤为：

步骤5.1，根据步骤3中得到的单个网格的产流量，计算汇流水深，汇流水深的计算公式为：

式(6)中，h₀为汇流水深，Q_c为产流量，A为网格面积，单位为m²；

步骤5.2，根据步骤2格栅化的数字高程，判断水流方向，具体操作方法为：数字高程若为非边界区域，选择该网格周围下，右，右下中最小值为水流方向；数字高程若为边界区域，则判断其周围有效网格最小值为水流方向；

步骤5.3，根据步骤5.2得到的水流方向计算水力坡度J，水力坡度的计算公式为：

式(7)中，J为水力坡度；B为步骤2中网格的栅格化数字高程，单位为m；M₀为步骤3.5中周围有效网格的最小值，单位为m；x、y为网格的边长，单位为m；

步骤5.4，基于步骤5.3得到的水力坡度及步骤3.3中选取的曼宁值计算汇流流速u，汇流流速的计算公式为：

式(8)中，u为汇流流速，单位为m³/s；h₀为汇流水深，单位为m；M_i为与网格的土地利用类型相对应的曼宁值；

步骤5.5，根据步骤5.4得到的汇流流速，计算区域内网格之间的汇流水量的计算公式为：

Q_s＝u·x·y·q_t (9)；

式(9)中，Q_s为区域内网格之间的汇流水量，u为汇流流速，单位为 m³/s，x、y为网格的边长，单位为m，q_t为降雨时长，单位为h。

步骤6的具体实施步骤为：

步骤6.1，将步骤5.5得到的汇流水量作为汇入网格的水量，与步骤3.1 中的降雨总量作为初始流量计入计算，根据其下渗率，洼蓄量，计算汇流后每个网格的径流量Q_r，汇流后每个网格的径流量计算公式为：

Q_r＝(Q_s+Q)-I_n-W (10)；

式(10)中，Q_r为汇流后每个网格的径流量，Q_s为区域内网格之间的汇流水量，Q为降雨总量，I_n为下渗量，W为洼蓄量；

步骤6.2，根据步骤6.1得到的汇流后每个网格的径流量，判断汇流后每个网格的径流量，如果汇流后每个网格的径流量Q_r≥0，则Q_r＝Q_r，否则径流量Q_r＝0。

步骤9中未被控制的水量的计算公式为：

Q_cc＝Q_re+Q_ip (11)；

式(11)中，Q_cc为未被控制的水量，Q_re为剩余的地表径流量，Q_ip为进入管网的水量。

步骤10中径流控制率的计算公式为：

式(12)中，Q为降雨总量，q_t为降雨时长，Q_cc为未被控制的水量。

本发明的有益效果是：本发明的一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法，参数简洁，物理过程明确，数据获取方便，并可对区域内场次径流控制率进行快速的计算评估。

附图说明

图1是本发明一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法的实施例的径流控制率计算结果的曲线图；

图2是本发明一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法的降雨量为19.2mm的不同时长降雨径流控制率计算效果的曲线图；

图3是本发明一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法的降雨量为38.79mm的不同时长降雨径流控制率计算效果的曲线图；

图4是本发明一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法的降雨量为87.22mm的不同时长降雨径流控制率计算效果的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，利用自动识别技术，识别方法为模糊识别法，准确获取结合区域图像或规划图等原始资料得到区域的数字高程数据，土地利用类型数据，下垫面数据，LID设施布设以及管网节点布置情况；

步骤2，将识别出的数字高程及其土地利用类型栅格化，并将下垫面数据与网格的土地利用类型相对应的网格匹配；

步骤3，在步骤2的基础上，计算单个网格的产流量；

步骤3.1，计算降雨总量，降雨总量的计算公式为：

Q＝q×q_t×A (1)，

式(1)中，Q为降雨总量，q为降雨雨强，单位为：mm/h；q_t为降雨时长，单位为：h；A为网格面积，单位为m²；

步骤3.2，依据步骤2中识别出的土地利用类型栅格数据判断各个网格对应的土地利用类型；

步骤3.3，在步骤3.2的基础上，结合土地利用类型，下渗率，洼蓄率以及曼宁值的原始参数，计算各个网格的下渗量、洼蓄量以及曼宁值，其中，

下渗量计算公式为：

I_n＝I×q_t×A (2)；

式(2)中，I_n为下渗量，单位为mm；I为下渗率，单位为mm/h，q_t为降雨时长，单位为：h；A为网格面积，单位为m²；

洼蓄量计算公式为：

W＝w×A (3)；

式(3)中，W为洼蓄量，单位为m³；w为洼蓄深度，单位为m，A为网格面积，单位为m²；

曼宁值根据相关规范及现场实际测量值选取：主要选取依据为《雨水管理模型SWMMH(5.1版)用户手册》(原著：Lewis A.Rossman翻译：李树平(129-131页))，以及相关文献(高二鹏.不同植被边坡糙率研究[D].北京:北京林业大学,2014；郭雨华,赵廷宁,孙保平,等.草地坡面水动力学特性及其阻延地表径流机制研究[J].水土保持研究,2006,13(4):264-267)，当地若有不同土地利用类型的曼宁值选取标准，则以当地标准为主。

步骤3.4，在步骤3.2的基础上，依据步骤2中识别出的土地利用类型栅格数据判断管网节点，采用等效管网的方式计算进入管网的水量，等效管网即将管网可承载水量等效为下渗量计入计算：

Q_pp＝I_eq×q_t×A (4)；

式(4)中，Q_pp为等效管网值，单位为mm；I_eq为等效下渗率，单位为 mm/h，q_t为降雨时长，单位为h；A为网格面积，单位为m²；

步骤3.5，根据步骤3.1、步骤3.2和步骤3.3的结果计算产流量，产流量计算公式为：

Q_c＝Q-I_n-W-Q_PP (5)；

式(5)中，Q_c为产流量，Q为降雨总量，I_n为下渗量，W为洼蓄量，Q_pp为等效管网值；

步骤3.6，判断Q_c的值，如果Q_c≥0，则产流量Q_c＝Q_c，否则，产流量为0；

步骤4，重复步骤3，计算区域内每个网格的产流量；

步骤5，根据步骤4得到的区域内每个网格的产流量计算区域内网格之间的汇流水量；

步骤5.1，根据步骤3中得到的单个网格的产流量，计算汇流水深，汇流水深的计算公式为：

式(6)中，h₀为汇流水深，Q_c为产流量，A为网格面积，单位为m²；

步骤5.2，根据步骤2格栅化的数字高程，判断水流方向，具体操作方法为：数字高程若为非边界区域，选择该网格周围下，右，右下中最小值为水流方向；数字高程若为边界区域，则判断其周围有效网格最小值为水流方向；

步骤5.3，根据步骤5.2得到的水流方向计算水力坡度J，水力坡度的计算公式为：

式(7)中，J为水力坡度；B为步骤2中网格的栅格化数字高程，单位为m；M₀为步骤3.5中周围有效网格的最小值，单位为m；x、y为网格的边长，单位为m；

步骤5.4，基于步骤5.3得到的水力坡度及步骤3.3中选取的曼宁值计算汇流流速u，汇流流速的计算公式为：

式(8)中，u为汇流流速，单位为m³/s；h₀为汇流水深，单位为m；M_i为与网格的土地利用类型相对应的曼宁值；

步骤5.5，根据步骤5.4得到的汇流流速，计算区域内网格之间的汇流水量的计算公式为：

Q_s＝u·x·y·q_t (9)；

式(9)中，Q_s为区域内网格之间的汇流水量，u为汇流流速，单位为 m³/s，x、y为网格的边长，单位为m，q_t为降雨时长，单位为h；

步骤6，根据步骤5得到的区域内网格之间的汇流水量计算汇流后每个网格的径流量；

步骤6.1，将步骤5.5得到的汇流水量作为汇入网格的水量，与步骤3.1 中的降雨总量作为初始流量计入计算，根据其下渗率，洼蓄量，计算汇流后每个网格的径流量Q_r，汇流后每个网格的径流量计算公式为：

Q_r＝(Q_s+Q)-I_n-W (10)；

式(10)中，Q_r为汇流后每个网格的径流量，Q_s为区域内网格之间的汇流水量，Q为降雨总量，I_n为下渗量，W为洼蓄量；

步骤6.2，根据步骤6.1得到的汇流后每个网格的径流量，判断汇流后每个网格的径流量，如果汇流后每个网格的径流量Q_r≥0，则Q_r＝Q_r，否则径流量Q_r＝0；

步骤7，重复步骤6，直到汇流过程完成，计算出汇流后所有网格的径流量；

步骤8，根据步骤1中记录的区域内管网节点布置情况和步骤5得到的汇流水量，统计进入管网的水量Q_ip，若等效管网值Q_pp>Q_r，则Q_ip＝Q_r；若等效管网值Q_pp<Q_r，则Q_ip＝Q_pp；并统计剩余的地表径流量Q_re，若该网格为管网节点，则Q_re＝Q_r-Q_ip，否则，Q_re＝Q_r；

步骤9，统计未被控制的水量，包括进入管网的水量和剩余的地表径流量，未被控制的水量的计算公式为：

Q_cc＝Q_re+Q_ip (11)；

式(11)中，Q_cc为未被控制的水量，Q_re为剩余的地表径流量，Q_ip为进入管网的水量；

步骤10，根据步骤9得到的未被控制的水量计算径流控制率R_c，径流控制率的计算公式为：

式(12)中，Q为降雨总量，q_t为降雨时长，Q_cc为未被控制的水量。

实施例

选取西安沣西新城某典型海绵建设小区为样本，在计算单个网格的产流量时，以网格为计算单元，各参数的选取分别以网格对应的土地利用类型分类，根据实际情况，所取参数如表1所示：

表1计算单个网格的产流量所选取的参数

通过识别区域的土地利用类型以及数字高程，结合实际参数，计算结果如表1及图1所示，将计算结果与实际的结果比较，纳什效率系数为0.998，可知本发明计算结果的可信度较高。由结果可知，随着降雨重现期的增大，区域内径流控制率逐渐减小，1年一遇重现期对应83.56％的径流控制率，到20年一遇时，径流控制率为64.02％。随着降雨重现期的增大，降雨雨强逐渐增大，降雨总量增大，而在下垫面一致时，洼蓄量及下渗量一定，故径流控制率逐渐降低。

利用本发明计算不同时长降雨的径流控制率，计算结果如图2至图4所示，计算结果显示在降雨量一定的条件下，随着降雨时长的增大，径流控制率逐渐增加。降雨量一定，降雨时长越大，降雨雨强越小，故径流控制率逐渐增加；而在降雨时长一定的条件下，随着降雨量的增大，径流控制率逐渐减小，但降雨时长一定时，随着降雨量增加，降雨雨强增大，故径流控制率逐渐增大。与实际情况相比，纳什效率系数为0.993，计算结果较为可靠。且单个计算时间约为2s，计算效率高。

Claims (6)

1.一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，利用自动识别技术，获取结合区域图像或规划图原始资料得到区域的数字高程数据，土地利用类型数据，下垫面数据，LID设施布设以及管网节点布置情况；

步骤2，将步骤1得到的数字高程及其土地利用类型栅格化，并将下垫面数据与网格的土地利用类型相对应的网格匹配；

步骤3，计算单个网格的产流量；

步骤4，重复步骤3，计算区域内每个网格的产流量；

步骤5，根据步骤4得到的区域内每个网格的产流量计算区域内网格之间的汇流水量；

步骤6，根据步骤5得到的区域内网格之间的汇流水量计算汇流后每个网格的径流量；

步骤7，重复步骤6，直到汇流过程完成，计算出汇流后所有网格的径流量；

步骤8，根据步骤1中记录的区域内管网节点布置情况和步骤5得到的汇流水量，统计进入管网的水量Q_ip，若等效管网值Q_pp＞Q_r，则Q_ip＝Q_r；若等效管网值Q_pp＜Q_r，则Q_ip＝Q_pp；并统计剩余的地表径流量Q_re，若该网格为管网节点，则Q_re＝Q_r-Q_ip，否则，Q_re＝Q_r；

步骤9，统计未被控制的水量，包括进入管网的水量和剩余的地表径流量；

步骤10，根据步骤9得到的未被控制的水量计算径流控制率R_c。

2.根据权利要求1所述的一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法，其特征在于，所述步骤3的具体实施步骤为：

步骤3.1，计算降雨总量，降雨总量的计算公式为：

Q＝q×q_t×A (1)，

式(1)中，Q为降雨总量，q为降雨雨强，单位为：mm/h；q_t为降雨时长，单位为：h；A为网格面积，单位为m²；

步骤3.2，依据步骤2中识别出的土地利用类型栅格数据判断各个网格对应的土地利用类型；

步骤3.3，在步骤3.2的基础上，结合土地利用类型，下渗率，洼蓄率以及曼宁值的原始参数，计算各个网格的下渗量、洼蓄量以及曼宁值，其中，

下渗量计算公式为：

I_n＝I×q_t×A (2)；

式(2)中，I_n为下渗量，单位为mm；I为下渗率，单位为mm/h，q_t为降雨时长，单位为：h；A为网格面积，单位为m²；

洼蓄量计算公式为：

W＝w×A (3)；

式(3)中，W为洼蓄量，单位为m³；w为洼蓄深度，单位为m，A为网格面积，单位为m²；

步骤3.4，在步骤3.2的基础上，依据步骤2中识别出的土地利用类型栅格数据判断管网节点，采用等效管网的方式计算进入管网的水量，等效管网即将管网可承载水量等效为下渗量计入计算：

Q_pp＝I_eq×q_t×A (4)；

式(4)中，Q_pp为等效管网值，单位为mm；I_eq为等效下渗率，单位为mm/h，q_t为降雨时长，单位为h；A为网格面积，单位为m²；

步骤3.5，根据步骤3.1、步骤3.2和步骤3.3的结果计算产流量，产流量计算公式为：

Q_c＝Q-I_n-W-Q_PP (5)；

式(5)中，Q_c为产流量，Q为降雨总量，I_n为下渗量，W为洼蓄量，Q_pp为等效管网值；

步骤3.6，判断Q_c的值，如果Q_c≥0，则产流量Q_c＝Q_c，否则，产流量为0。

3.根据权利要求2所述的一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法，其特征在于，所述步骤5的具体实施步骤为：

步骤5.1，根据步骤3中得到的单个网格的产流量，计算汇流水深，汇流水深的计算公式为：

式(6)中，h₀为汇流水深，Q_c为产流量，A为网格面积，单位为m²；

步骤5.2，根据步骤2格栅化的数字高程，判断水流方向，具体操作方法为：数字高程若为非边界区域，选择该网格周围下，右，右下中最小值为水流方向；数字高程若为边界区域，则判断其周围有效网格最小值为水流方向；

步骤5.3，根据步骤5.2得到的水流方向计算水力坡度J，水力坡度的计算公式为：

式(7)中，J为水力坡度；B为步骤2中网格的栅格化数字高程，单位为m；M₀为步骤3.5中周围有效网格的最小值，单位为m；x、y为网格的边长，单位为m；

步骤5.4，基于步骤5.3得到的水力坡度及步骤3.3中选取的曼宁值计算汇流流速u，汇流流速的计算公式为：

式(8)中，u为汇流流速，单位为m³/s；h₀为汇流水深，单位为m；M_i为与网格的土地利用类型相对应的曼宁值；

步骤5.5，根据步骤5.4得到的汇流流速，计算区域内网格之间的汇流水量的计算公式为：

Q_s＝u·x·y·q_t (9)；

式(9)中，Q_s为区域内网格之间的汇流水量，u为汇流流速，单位为m³/s，x、y为网格的边长，单位为m，q_t为降雨时长，单位为h。

4.根据权利要求3所述的一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法，其特征在于，所述步骤6的具体实施步骤为：

步骤6.1，将步骤5.5得到的汇流水量作为汇入网格的水量，与步骤3.1中的降雨总量作为初始流量计入计算，根据其下渗率，洼蓄量，计算汇流后每个网格的径流量Q_r，汇流后每个网格的径流量计算公式为：

Q_r＝(Q_s+Q)-I_n-W (10)；

式(10)中，Q_r为汇流后每个网格的径流量，Q_s为区域内网格之间的汇流水量，Q为降雨总量，I_n为下渗量，W为洼蓄量；

步骤6.2，根据步骤6.1得到的汇流后每个网格的径流量，判断汇流后每个网格的径流量，如果汇流后每个网格的径流量Q_r≥0，则Q_r＝Q_r，否则径流量Q_r＝0。

5.根据权利要求1所述的一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法，其特征在于，所述步骤9中未被控制的水量的计算公式为：

Q_cc＝Q_re+Q_ip (11)；

式(11)中，Q_cc为未被控制的水量，Q_re为剩余的地表径流量，Q_ip为进入管网的水量。

6.根据权利要求1所述的一种基于自动识别技术的径流控制效果快速评估方法，其特征在于，所述步骤10中径流控制率的计算公式为：

式(12)中，Q为降雨总量，q_t为降雨时长，Q_cc为未被控制的水量。

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