CN115374638A - 一种基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法，包括S1、开展不透水率约束下的下垫面模拟设计；S2、构建城市水文模型，并采用城市水文模型模拟多情景下的地表水文过程；S3、基于城市水文模型，模拟不同空间布设方案的径流过程，计算各模型与天然状态下径流过程的皮尔逊相关系数和径流特征要素变化率；S4、计算径流相似指数，以评估城市建设不透水面不同空间布设方案对径流过程的控制效果；S5、根据计算所得的径流相似指数，确定最优的城市不透水面空间布设管控方案。本发明通过量化指标评估出不同空间布局方案对径流控制的效果，可为我国海绵城市建设拓宽新的视野，为优化国土空间开发保护格局提供新的方向。

Description

一种基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法

技术领域

本发明属于城市下垫面空间管控的技术领域，具体涉及一种基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法。

背景技术

随着我国城镇化进程的不断推进，天然下垫面中的湖泊、草地、森林、农田等透水面逐步演化为城市下垫面中的房屋、道路、广场等不透水面，水循环中的下渗、蒸发、径流等水文过程也发生显著变化，由此引发的强烈的水文效应和生态环境效应，导致了城市内涝、城市热岛、城市雨岛、生态破碎化等一系列问题。随着气候变化影响的日益加剧，其不利影响与城市化双重叠加，给城市可持续发展带来严峻挑战。

为了应对城市不透水面水文效应，国内外提出了一系列新理念，如海绵城市、低影响开发、水敏感性城市设计等，其核心要义都在于对城市不透水面进行有效管控，提升绿色基础设施等透水面与不透水面布局的科学性，降低城市开发对于水文过程的影响，尽可能地维持下垫面的天然水文特性，达到提升水文生态功能、降低不利影响的管控目标。

在当前城市规划设计和建设中，对于空间布局和设计等，多数集中在单项设施和较小尺度上，对于一定范围内的新建城区的城市不透水面如何进行科学管控，缺乏科学的方法支撑。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

本方案提供一种基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法，其包括以下步骤：

S1、开展不透水率约束下的下垫面不透水面布局模拟设计；

S2、构建城市水文模型，并采用城市水文模型模拟设计情景下的地表水文过程；

S3、基于城市水文模型，模拟不同空间布设方案的径流过程，计算各模型与天然状态下径流过程的皮尔逊相关系数和径流特征要素变化率；

S4、计算径流相似指数，以评估城市建设中不透水面不同空间布设方案对径流过程的控制效果；

S5、根据计算所得的径流相似指数，确定最优或合理的城市不透水面空间布设管控方案。

进一步地，步骤S3中计算各模型与天然状态下径流过程的皮尔逊相关系数为：

其中，r(X,Y)为X与Y的皮尔逊相关系数，用于量化计算开发状态下与自然状态下径流过程的接近程度；X为自然状态下的径流量，Y为开发状态下的径流量；Cov(X,Y)为Y与X的协方差，Var[X]表示X的方差，Var[Y]表示Y的方差。

进一步地，协方差Cov(X,Y)为：

Cov(X,Y)＝E(X-EX)(Y-EY)

其中，EX是X的期望，EY是Y的期望；

期望EX为：

其中，EX是径流量的期望；X_i为径流量；n为数据的个数；

方差Var[X]为：

其中，Var[X]为径流量的方差。

进一步地，步骤S3中计算径流特征要素变化率，包括：

计算径流系数变化率：

其中，ΔRC为径流系数变化率；RC_t为开发状态下的径流系数；RC₀为天然状态下的径流系数；

计算径流峰值变化率：

其中，ΔRP为径流峰值变化率；RP_t为开发状态下的径流峰值；RP₀为天然状态下的径流峰值；

计算径流总量变化率：

其中，ΔTR为径流总量变化率；TR_t为开发状态下的径流总量；TR₀为天然状态下的径流总量；

计算峰现时间变化率：

其中，ΔPT为峰现时间变化率；PT_t为开发状态下的峰现时间；PT₀为天然状态下的峰现时间。

进一步地，对径流特征要素变化率使用下式进行归一化处理：

其中，A'为归一化后的指标值；A_max为该指标的最大值；A_min为该指标的最小值；

对皮尔逊相关系数使用下式进行归一化处理：

其中，r'为归一化后的皮尔逊相关系数；r_max为皮尔逊相关系数的最大值；r_min为皮尔逊相关系数的最小值。

进一步地，步骤S4中计算径流相似指数；

根据归一化处理后的数据，计算径流相似指数：

S＝r'×α₁+ΔRC'×α₂+ΔRP'×α₃+ΔTP'×α₄+ΔPT'×α₅

其中，S为径流相似指数，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅分别为归一化后的皮尔逊相关系数r′、径流系数变化率ΔRC′、径流峰值变化率ΔRP′、径流总量变化率ΔTR′、峰现时间变化率ΔPT′的指标权重。

本发明根据“天然相似原则”，天然相似原则的内涵是：通过优化城市不透水面空间布局，使城市开发建设后的径流过程尽可能与天然未开发状态的径流过程相似，以达到减少对天然径流过程干扰的目标。该原则的具体实施方法是：计算两种状态下径流过程的皮尔逊相关系数，皮尔逊相关系数值越大，说明两种状态下的径流过程越相似。

根据“变化率小原则”变化率小的内涵是：通过优化城市不透水面空间布局，使城市开发后发生的径流过程相较于天然状态下的径流过程的各项指标变化率尽可能小。该原则的实施方法是：通过计算城市开发前后径流过程的径流系数、径流总量、径流峰值及峰现时间，并计算其变化率，变化率越小说明城市开发后，径流过程变化越小。

对于每一个不同空间分布方式，采用城市水文模型进行上述计算，通过比较，选取径流相似指数最大的一种不透水面空间分布方式即为最佳不透水面空间管控方案。

本发明提供的基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法，具有以下有益效果：

本发明通过量化指标评估出不同空间布局方案对径流控制的效果，可为我国海绵城市建设、城市不透水面空间管控拓宽新的视野，为优化国土空间开发保护格局提供新的方法。

附图说明

图1为本发明径流模拟的城市不透水面空间管控方法实施步骤流程图。

图2为本发明不透水面空间管控方案。

图3为本发明构建的城市水文模型图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，本方案的基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法，其具体包括以下步骤：

步骤S1、进行不透水率约束下的下垫面模拟设计；

不透水率约束下的下垫面设计一般可基于GIS平台和城市三维建模工具进行模拟。本发明实施案例采用CityEngine，CityEngine作为一款三维城市建模平台，广泛用于数字城市、城市规划等领域，在城市设计、建模以及GIS集成方面有较多应用。

本实施例利用CityEngine基于参数的随机建模方法，通过CGA(ComputerGenerated Architecture)建立不同不透水率下的随机分布模型并通过属性赋值区分透水面和不透水面，CGA形状语法是CityEngine平台特有的建筑设计语言，通过该语言可以生成高质量的建筑下垫面模型，按照所构建的CGA语言，快速高效完成模型构建减少了人工建模时间，具有较强适用性，生成效率高。

下垫面构建主要通过CityEngine内置工具对边界进行构建，画出研究区域轮廓后对区块参数进行分类调整，主要需要调整的参数有最大、最小地块面积，地块最大边长等。最后将生成的下垫面地块赋予构建好的CGA随机分布规则即可得到不透水率约束下的下垫面不透水面空间分布设计方案。后处理利用GIS平台对导出的gdb、shp等文件进行空间连接处理，对属性参数进行整合，完成下垫面的整体构建。

步骤S2、模拟多情景下的地表水文过程；

本发明采用城市水文模型(在本发明的案例中，采用的是SWMM模型)，模拟地表径流的产生与传输，即产流与汇流，其中产流的过程是净雨形成的过程；地表汇流过程是净雨流经子汇水区向出水口断面或管网汇集过程。

产流计算前期根据每个集水区域中下垫面地表的透水性划分子汇水区，将之分为透水区和不透水区。产流量根据下渗曲线扣损法得出，其值为降雨量减去总下渗量、蒸发量、洼地蓄水量，通过城市水文模型中土壤下渗模型可得。

汇流计算是将各子汇水区的雨水径流量转化为产流演算后的出流量，利用非线性水库模型模拟并求解；需要表明的是，该求解过程为本领域的常规计算手段。

本实施例步骤S1和步骤S2中的模型构建均为本领域的常规技术，故不再赘述其模型构建的详细过程。

步骤S3、模拟不同空间布设方案的径流过程，计算各不透水面设计方案与天然状态下径流过程的皮尔逊相关系数和径流特征要素变化率，其具体包括：

计算皮尔逊相关系数：

其中，r(X,Y)是X与Y的皮尔逊相关系数，可用于量化计算开发状态下与自然状态下径流过程的接近程度；X是自然状态下的径流量，单位为mm，Y是开发状态下的径流量，单位为mm；Cov(X,Y)是Y与X的协方差，Var[X]表示X的方差，Var[Y]表示Y的方差；

皮尔逊相关系数大于零时说明其正相关，皮尔逊相关系数等于零时说明其不相关，皮尔逊相关系数越接近于1说明两者的径流过程越相似；

计算协方差Cov(X,Y)：

Cov(X,Y)＝E(X-EX)(Y-EY)

其中，Cov(X,Y)是Y与X的协方差，EX是X的期望，EY是Y的期望；

计算期望EX：

其中，EX是径流量的期望；X_i为径流量；n为数据的个数；

计算方差Var[X]：

其中，Var[X]为径流量的方差；

计算径流系数变化率ΔRC：

其中，ΔRC是径流系数变化率；RC_t是开发状态下的径流系数；RC₀是天然状态下的径流系数；

计算径流峰值变化率ΔRP：

其中，ΔRP是径流峰值变化率；RP_t是开发状态下的径流峰值；RP₀是天然状态下的径流峰值；

计算径流总量变化率ΔTR：

其中，ΔTR是径流总量变化率；TR_t是开发状态下的径流总量；TR₀是天然状态下的径流总量；

计算峰现时间变化率ΔPT：

其中，ΔPT是峰现时间变化率；PT_t是开发状态下的峰现时间；PT₀是天然状态下的峰现时间。

表1地表径流特征变化评估指标体系

需要表明的是，在实际应用场景中，指标的权重可以根据实际需要进行调整。

步骤S4、计算径流相似指数，以评估城市建设中不透水面不同空间布设方案对径流过程的控制效果，进而开展城市不透水面空间管控方案优选，其具体包括：

将步骤S3中的皮尔逊相关系数及径流特征要素变化率等指标进行归一化；

对径流特征要素变化率使用下式进行归一化处理：

其中，A'为归一化后的指标值；A_max为该指标的最大值；A_min为该指标的最小值；

对皮尔逊相关系数使用下式进行处理：

其中，r'为需要归一化后的皮尔逊相关系数；r_max为皮尔逊相关系数的最大值；r_min为皮尔逊相关系数的最小值。

指标归一化后，对各指标根据表1中的权重进行加权，计算径流相似指数，径流相似指数计算公式如下所示：

S＝r'×α₁+ΔRC'×α₂+ΔRP'×α₃+ΔTP'×α₄+ΔPT'×α₅

其中，S为径流相似指数，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅分别为归一化后的皮尔逊相关系数r′、径流系数变化率ΔRC′、径流峰值变化率ΔRP′、径流总量变化率ΔTR′、峰现时间变化率ΔPT′的指标权重。

本实施例径流相似指数越高则该空间布设方案与天然未开发状态下的径流过程相似性越高，认为空间管控效果越好，即该方案为有效控制径流过程的最佳空间布局方案。

步骤S5、确定最优的城市不透水面空间管控方案；

根据实际情况，通过计算其径流相似指数，在可行方案中选出径流相似指数较高的若干备选方案。

实施例1；

某城市新开发地块总面积为0.36平方公里，规划建筑面积(不透水面积)占66.67％，开展地块的空间单元为100×100m，地势由北向南逐步降低，坡度约为3％，根据规划目标，可选取的规划方案有以下8种(见图2)，以未开发状态(全透水面)作为对照组。

不透水率约束下的下垫面设计；

采用步骤S1中的方法，设计8种不同的不透水约束空间布局方式，具体分布如图2所示，图示中白色部分为不透水面，阴影部分为透水面。

多情景下的地表水文过程模拟(本实施案例采用SWMM模型进行地表水文过程模拟)；

参考图3，采用步骤S2的方法，为评估不同的不透水约束空间布局方式对径流过程的控制效果，构建该城市地块不同规划方案的城市水文模型。

地表径流特征指标计算；

选用一定标准下的城市设计降雨，运行城市水文模型后计算不同方案下的径流系数、径流总量、径流峰值及峰现时间等各项指标值，如表2所示：

表2不同布局方案径流过程的径流要素

采用步骤S3的计算方法，计算城市开发前后各项指标的变化率如表3所示：

表3不同布局方案径流过程的径流特征要素变化率

方案	径流系数	径流峰值	径流总量	峰现时间
					S<sub>1</sub>	2.69	4.58	2.69	0.10
S<sub>2</sub>	2.94	2.89	2.94	0.12
					S<sub>3</sub>	3.36	4.06	3.36	0.12
S<sub>4</sub>	2.94	2.87	2.94	0.10
					S<sub>5</sub>	3.14	5.04	3.14	0.10
S<sub>6</sub>	2.96	3.83	2.96	0.11
					S<sub>7</sub>	3.00	3.82	3.00	0.11
S<sub>8</sub>	2.97	3.21	2.97	0.11

并计算开发状态与自然状态下径流过程的皮尔逊相关系数，计算结果如表4所示：

表4开发前后不同布局方案径流过程皮尔逊相关系数计算过程

采用步骤S4的方法，将上述指标进行归一化处理，处理后结果如表5所示：

表5不同布局方案径流过程的径流特征要素变化率及皮尔逊相关系数归一化结果

计算径流相似指数；

根据各指标的物理意义及其重要性，对表1各指标权重分别取α₁＝0.4,α₂＝0.15,α₃＝0.15,α₄＝0.15,α₅＝0.15，并将其进行加权计算，计算结果如表6所示：

表6不同布局方案径流相似指数计算结果

方案	S<sub>1</sub>	S<sub>2</sub>	S<sub>3</sub>	S<sub>4</sub>	S<sub>5</sub>	S<sub>6</sub>	S<sub>7</sub>	S<sub>8</sub>
									径流相似指数	0.75	0.73	0.14	0.89	0.25	0.60	0.59	0.76

比选确定合适的不透水面空间管控方案；

根据表6可知，最终筛选径流相似指数最大值为0.89，对应不透水面空间布局方案是方案4，即城市不透水面空间布局方式如方案4所示对径流过程的控制效果最好，方案4的不透水面空间布局方式为最佳布局方式。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、开展不透水率约束下的下垫面不透水面布局模拟设计；

S2、构建城市水文模型，并采用城市水文模型模拟设计情景下的地表水文过程；

S3、基于城市水文模型，模拟不同空间布设方案的径流过程，计算各模型与天然状态下径流过程的皮尔逊相关系数和径流特征要素变化率；

S4、计算径流相似指数，以评估城市建设中不透水面不同空间布设方案对径流过程的控制效果；

S5、根据计算所得的径流相似指数，确定最优的城市不透水面空间布设管控方案。

2.根据权利要求1所述的基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法，其特征在于，所述步骤S3中计算各模型与天然状态下径流过程的皮尔逊相关系数为：

其中，r(X,Y)为X与Y的皮尔逊相关系数，用于量化计算开发状态下与自然状态下径流过程的接近程度；X为自然状态下的径流量，Y为开发状态下的径流量；Cov(X,Y)为Y与X的协方差，Var[X]表示X的方差，Var[Y]表示Y的方差。

3.根据权利要求2所述的基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法，其特征在于，协方差Cov(X,Y)为：

Cov(X,Y)＝E(X-EX)(Y-EY)

其中，EX是X的期望，EY是Y的期望；

期望EX为：

其中，EX是径流量的期望；X_i为径流量；n为数据的个数；

方差Var[X]为：

其中，Var[X]为径流量的方差。

4.根据权利要求3所述的基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法，其特征在于，所述步骤S3中计算径流特征要素变化率，包括：

计算径流系数变化率：

其中，ΔRC为径流系数变化率；RC_t为开发状态下的径流系数；RC₀为天然状态下的径流系数；

计算径流峰值变化率：

其中，ΔRP为径流峰值变化率；RP_t为开发状态下的径流峰值；RP₀为天然状态下的径流峰值；

计算径流总量变化率：

其中，ΔTR为径流总量变化率；TR_t为开发状态下的径流总量；TR₀为天然状态下的径流总量；

计算峰现时间变化率：

其中，ΔPT为峰现时间变化率；PT_t为开发状态下的峰现时间；PT₀为天然状态下的峰现时间。

5.根据权利要求4所述的基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法，其特征在于，所述步骤S4中计算径流相似指数，包括：

对皮尔逊相关系数和径流特征要素变化率进行归一化处理；

根据归一化处理后的数据，计算径流相似指数：

S＝r'×α₁+ΔRC'×α₂+ΔRP'×α₃+ΔTP'×α₄+ΔPT'×α₅

其中，S为径流相似指数，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅分别为归一化后的皮尔逊相关系数r′、径流系数变化率ΔRC′、径流峰值变化率ΔRP′、径流总量变化率ΔTR′、峰现时间变化率ΔPT′的指标权重。

6.根据权利要求5所述的基于径流模拟的城市不透水面空间管控方法，其特征在于，对径流特征要素变化率使用下式进行归一化处理：

其中，A'为归一化后的指标值；A_max为该指标的最大值；A_min为该指标的最小值；

对皮尔逊相关系数使用下式进行归一化处理：

其中，r'为归一化后的皮尔逊相关系数值；r_max为皮尔逊相关系数的最大值；r_min为皮尔逊相关系数的最小值。

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