CN115374655B - 城市雨水利用时空动态调配模拟方法和系统 - Google Patents

城市雨水利用时空动态调配模拟方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城市雨水利用时空动态调配模拟方法和系统，该方法包括查找城市区域中雨水收集利用系统的覆盖范围，并将流域GIS地图划分为城内雨水收集利用区域和域外雨水收集排放区域；构建流域水文水动力模拟模型并计算获得城内雨水收集利用区域和域外雨水收集排放区域的水文数据，计算各个措施的有效深度和区域雨水利用比值；构建城市区域雨水收集利用拓扑系统和城市水平衡干旱胁迫模型，以城市降雨数据和水文数据作为输入数据，计算并获得城市雨水收集利用的模拟数据；判断模拟数据是否大于阈值，若大于，按照预定比例将雨水从城内雨水收集利用区域调整至域外雨水收集排放区域。本发明提高了雨水利用率，具有很高的实用价值。

Description

城市雨水利用时空动态调配模拟方法和系统
技术领域
本发明涉及雨水利用仿真计算方法，尤其是城市雨水利用时空动态调配模拟方法。
背景技术
目前，水资源供需短缺矛盾日趋严峻，雨水资源利用需求大，城市雨水资源利用已成为保障国家水资源安全的现实需求和战略选择。在我国的很多城市，降雨时空分布不均，不同地理气候类型缺水城市雨水资源赋与用水需求也有显著差异，针对不同气候地理类型缺水城市雨水资源特征，进行雨水资源利用研究十分必要。
为了解决城市雨水资源时空分布不均，调蓄能力不足，雨水资源利用率低等问题，现有技术提供了一些方法和系统。主要是从储水的角度进行设计研究，建设更多的雨水收集和储备系统。从城市这一空间尺度的模拟和仿真，目前研究较少。
因此，需要研究技术方案来解决上述问题。
发明内容
发明目的：一方面，提供一种城市雨水利用时空动态调配模拟方法，以解决现有技术存在的上述问题。另一方面，提供一种实现上述方法的系统。
技术方案：提供一种城市雨水利用时空动态调配模拟方法，包括如下步骤：
步骤S1、获取包含至少一个城市区域的流域GIS地图、流域降雨数据和水文数据，查找城市区域中雨水收集利用系统的覆盖范围，并基于此覆盖范围将流域GIS地图划分为城内雨水收集利用区域和域外雨水收集排放区域；
步骤S2、构建流域水文水动力模拟模型和包括水量平衡方程在内的约束条件，以流域降雨数据、水文数据和调配措施集作为输入，获得城内雨水收集利用区域和域外雨水收集排放区域的水文数据并计算各个调配措施的有效深度和区域雨水利用比值；
步骤S3、构建城市区域雨水收集利用拓扑系统和城市水平衡干旱胁迫模型，以城市降雨数据和水文数据作为输入数据，计算并获得城市雨水收集利用的模拟数据；
步骤S4、判断模拟数据是否大于阈值，若大于，按照预定比例将雨水从城内雨水收集利用区域调整至域外雨水收集排放区域；再通过步骤S2和步骤S3计算模拟数据，直至模拟数据符合小于阈值。
根据本申请的一个方面，还包括：
步骤S5、构建城内雨水收集利用评价模型，所述评价模型包括雨水资源利用成本评价单元、雨水利用经济效益评价单元和气候生态效益评估单元；
所述雨水资源利用成本评价单元为，f=C1+C2+{C1*（1-e）*i*（1+i）n/[（1+i）n-1]+C2}/B；
其中，f为雨水资源利用的成本，C1为雨水资源利用设施的固定成本，C2为雨水资源利用设施的运行成本，e为设施寿命期终了时的残余价值率，i为贴现率，n为项目的寿命期，B为年雨水集蓄量；
所述雨水利用经济效益评价单元为，Zmax=∑Dj Xj；其中，∑Xj=X0；0≤Xj≤[Xj]，j=1,2,3,4…；式中D j 为使用处理后的雨水与其他水源之间的单位效益差值；X j为相应各种用途的用水量，亦即指使用雨水量；X 0为可用雨水资源量；[X j]为某种用途时的最大需水量；
所述气候生态效益评估单元为：
Figure 818173DEST_PATH_IMAGE001
；
F为由雨水利用模式和技术手段组合所改善的平均污染物质量，a为雨水利用模式和技术手段组合措施中第a种措施，K代表雨水利用模式和技术手段组合措施中措施的个数，A a 为未采用第a种措施下的平均污染物质量，B a 为采用第a种措施后的平均污染物质量。
根据本申请的一个方面，所述步骤S1进一步为：
步骤S11、基于选定的城市区域，获取该城市区域所在流域的GIS地图，并判断该流域内是否存在其他城市区域；若存在，将其作为次级城市区域；获取流域内历史上预定年度的水文数据和流域降雨数据；
步骤S12、针对包括次级城市区域在内的每一城市区域，查找雨水收集利用系统的边缘端点，并获取各个边缘端点的集水区域，连接各个集水区域的边缘线，形成城市集水区域的外围边界，该外围边界覆盖的区域标记为雨水收集利用系统的覆盖范围；
步骤S13、从流域内减去各个城市区域中雨水收集利用系统的覆盖范围，获得域外雨水收集排放区域。
根据本申请的一个方面，所述步骤S2还包括：
步骤S2a、获取城内雨水收集利用区域的雨水量，记为第一雨水量，计算第一雨水量与城内雨水收集利用最大存储量的比值并判断是否超过阈值；
步骤S2b、获取域外雨水收集排放区域的雨水量，记为第二雨水量；计算第二雨水量与域外雨水收集利用最大存储量的比值并判断是否超过阈值；
步骤S2c、计算域外雨水收集排放区域的雨水量与城内雨水收集利用区域的雨水量的比值，作为储备雨水利用量系数；
步骤S2d、构建城内雨水利用模型，计算未来预定时间周期内的雨水使用量并计算雨水利用比值；构建域外雨水利用模型，计算未来预定时间周期内的雨水使用量并计算雨水利用比值。
根据本申请的一个方面，所述措施的有效深度EMD为=（措施面积/径流面积）*措施深度。
根据本申请的一个方面，所述步骤S3进一步为：
步骤S31、将城市湖泊、河流、绿地、水库、储水装置概化，并融合于已构建的城市区域雨水收集利用拓扑系统中；
步骤S32、构建城市水平衡干旱胁迫模型，模拟气候变化条件下的土地利用变化量以及蒸散发量；
步骤S33、利用蓄水-径流-频率曲线分析城市区域的水平衡参数。
根据本申请的一个方面，所述步骤S4还包括：判断域外雨水收集排放区域的水位是否达到阈值，若达到，则启动工程设备，降低流域内水位。
根据本申请的另一方面，还提供一种城市雨水利用时空动态调配模拟系统，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述任一项技术方案所述的城市雨水利用时空动态调配模拟方法。
有益效果：通过将城市区域放在流域中进行综合考虑，划分城内和域外（指流域内部，城外区域外部）两个区域进行规划和考虑，大大提高了城市区域的雨水利用效率。相关优势将在实施例部分进行详细说明。
附图说明
图1是本发明的整体流程示意图。
图2是本发明步骤S1的流程示意图。
图3是本发明另一实施例步骤S2的流程示意图。
图4是本发明步骤S3的流程示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术存在的问题，申请人进行了深入的研究，现有技术主要是针对城市储水进行设计，尤其是储水装置和系统的设计，提出了一系列的储水系统。其主要技术思想是通过提高最大储水量，加大系统的冗余，来为干旱或暴雨提供足够大的库容。但是城市空间率使用越来越高，采用这种技术思路的成本很大，实用价值比较低。另外还有一些技术方案是将构建降雨水文模型，针对城市区域进行降雨预测，给出城市区域的降雨极值和均值分布情况，从而为城市区域的雨水存储利用提供参考，这种方式能够符合实际情况，采用的比较多。但是这种方式存在一个缺陷，即城市区域一般不是独立的水文区域，多数是包含于一个大的流域中，或者横跨两个相邻的流域。除了城市区域的降雨外，该区域外部（域外）的降雨也会汇流到城市区域，或者城市区域汇流到域外。在这种情况下，仅仅针对城市区域的降雨预报和雨水利用调度，是存在较多问题的。从城市空间尺度到流域尺度的模拟调度，目前还没有深入地研究。因此，城市雨水利用时空调配系统和方法，目前具有应用价值的很少。为此，提供一种新的技术思路。
如图1所示，提供一种城市雨水利用时空动态调配模拟方法，包括如下步骤：
步骤S1、获取包含至少一个城市区域的流域GIS地图、流域降雨数据和水文数据，查找城市区域中雨水收集利用系统的覆盖范围，并基于此覆盖范围将流域GIS地图划分为城内雨水收集利用区域和域外雨水收集排放区域。
基于本申请的技术思路，首先判断城市区域所在的流域，并确定流域内是否包含其他城市。然后采集该流域内的基础研究数据，包括流域GIS地图、流域内的降雨数据和水文数据等等。为后续的模拟计算提供基础。在该步骤中，需要查找每个城市区域中雨水收集利用系统的覆盖范围。就是划定城市区域的边缘分界线，将流域分为至少一个城市区域和至少一个域外区域（城市区域以外的区域）。在后续的计算过程中，将域外区域作为雨水收集利用的备选区域，雨水能够在两个区域中调度，通过以空间换时间的方式，提高雨水的存储率和使用率。将相对覆盖面积较大的流域作为研究对象，避免了现有方法针对城市区域的雨水仿真存在的非封闭性问题，即城市外周的雨水汇流至城市区域，或城市区域的雨水汇流至城市外区域。
步骤S2、构建流域水文水动力模拟模型和包括水量平衡方程在内的约束条件，以流域降雨数据、水文数据和调配措施集作为输入，获得城内雨水收集利用区域和域外雨水收集排放区域的水文数据并计算各个调配措施的有效深度和区域雨水利用比值。
在该步骤中，首先构建水文水动力模拟模型和约束条件，其中水文水动力模型从降雨到汇流成雨水，流动到雨水收集系统，形成区域和流域的全流程仿真模拟，约束条件包括水量平衡方程和每一流程过程中的边界条件。采集该流域所需的输入数据，包括流域降雨数据、水文数据和调配措施集，使用该模型进行模拟仿真，并给出计算结果，基于计算结果对流域中各个城市区域和流域内、城市区域外的雨水存储量和可利用率进行计算。获得各个数值的参考范围。
步骤S3、构建城市区域雨水收集利用拓扑系统和城市水平衡干旱胁迫模型，以城市降雨数据和水文数据作为输入数据，计算并获得城市雨水收集利用的模拟数据。
在获得雨水汇流的数据，包括存储数据后，如何利用和调度雨水，是需要进行模拟的，因此通过建立拓扑模型和城市水平衡干旱胁迫模型，对汇流到城市区域的雨水进行模拟，获得雨水利用的模拟数据。
步骤S4、判断模拟数据是否大于阈值，若大于，按照预定比例将雨水从城内雨水收集利用区域调整至域外雨水收集排放区域；再通过步骤S2和步骤S3计算模拟数据，直至模拟数据符合小于阈值。
在获得上述模拟数据后，即可判断存储的雨水是否能够满足利用，通过先利用城市雨水，然后从域外调水的方式，计算雨水量是否能够满足要求，充分利用雨水的储量，提高雨水的利用率。
如何评价该方法的合理性，给出如下技术方案。
根据本申请的一个方面，还包括：
步骤S5、构建城内雨水收集利用评价模型，所述评价模型包括雨水资源利用成本评价单元、雨水利用经济效益评价单元和气候生态效益评估单元；
所述雨水资源利用成本评价单元为，f=C1+C2+{C1*（1-e）*i*（1+i）n/[（1+i）n-1]+C2}/B；
其中，f为雨水资源利用的成本，C1为雨水资源利用设施的固定成本，C2为雨水资源利用设施的运行成本，e为设施寿命期终了时的残余价值率，i为贴现率，n为项目的寿命期，B为年雨水集蓄量；
所述雨水利用经济效益评价单元为，Zmax=∑Dj Xj；其中，∑Xj=X0；0≤Xj≤[Xj]，j=1,2,3,4…；式中D j 为使用处理后的雨水与其他水源之间的单位效益差值；X j为相应各种用途的用水量（指使用雨水量）；X 0为可用雨水资源量；[X j]为某种用途时的最大需水量；
所述气候生态效益评估单元为：
Figure 672996DEST_PATH_IMAGE002
；
F为由雨水利用模式和技术手段组合所改善的平均污染物质量，a为雨水利用模式和技术手段组合措施中第a种措施，K代表雨水利用模式和技术手段组合措施中措施的个数，A a 为未采用第a种措施下的平均污染物质量，B a 为采用第a种措施后的平均污染物质量。
在该方案中，分别对成本、经济效益和生态效益进行评价。换句话说，通过模拟方法获得的参数，比如存储、调度装置，以及建设或改造雨水工程，是否具有实用性，是否影响生态，需要采用评估方法对其进行评估计算。
需要说明的是，上述方案和计算方法为可选之一，本领域的技术人员可以根据场景设计新的计算公式并赋予各个参数新的权重值。
如图2所示，根据本申请的一个方面，所述步骤S1进一步为：
步骤S11、基于选定的城市区域，获取该城市区域所在流域的GIS地图，并判断该流域内是否存在其他城市区域；若存在，将其作为次级城市区域；获取流域内历史上预定年度的水文数据和流域降雨数据；
步骤S12、针对包括次级城市区域在内的每一城市区域，查找雨水收集利用系统的边缘端点，并获取各个边缘端点的集水区域，连接各个集水区域的边缘线，形成城市集水区域的外围边界，该外围边界覆盖的区域标记为雨水收集利用系统的覆盖范围；
步骤S13、从流域内减去各个城市区域中雨水收集利用系统的覆盖范围，获得域外雨水收集排放区域。
在本实施例中，核心在于城市区域的判断和计算，以及城市区域边缘的查找。由于雨水利用主要是通过雨水收集存储系统来实现的，这些系统一般是设置在城市区域的，在城市以外的区域，一般不设置雨水存储系统，但是会存在或者建设一些河湖、草地、湿地的区域来存储雨水。故而，划定城市区域边界是非常重要的。本实施例给出了基于雨水收集终端节点或端点，然后基于各个端点划定外缘集水区的范围，给出城市区域外边的边界线，从而计算出城市区域的整体覆盖面积，用流域面积减去整体覆盖面积，即可得到域外面积，即城市区域以外，流域以内的区域。在后续划定雨水收集利用区块时，能够快速分辨出对应的区域。
如图3所示，根据本申请的一个方面，所述步骤S2还包括：
步骤S2a、获取城内雨水收集利用区域的雨水量，记为第一雨水量，计算第一雨水量与城内雨水收集利用最大存储量的比值并判断是否超过阈值。如果超过阈值，则说明当前城内的雨水收集存储量不能够满足要求，推送给设计者，判断是否需要增加雨水收集存储装置。
步骤S2b、获取域外雨水收集排放区域的雨水量，记为第二雨水量；计算第二雨水量与域外雨水收集利用最大存储量的比值并判断是否超过阈值；同样，如果超出阈值，则可以改造河湖、湿地草地等工程，或者给出提示，提前将存储的水量下泄排出。
步骤S2c、计算域外雨水收集排放区域的雨水量与城内雨水收集利用区域的雨水量的比值，作为储备雨水利用量系数。判断作为储备的用水量是否符合要求，根据设计参数调整城内雨水存储工程和域外储水工程，在城内和域外进行联合调配。
步骤S2d、构建城内雨水利用模型，计算未来预定时间周期内的雨水使用量并计算雨水利用比值；构建域外雨水利用模型，计算未来预定时间周期内的雨水使用量并计算雨水利用比值。通过计算雨水利用比值，一方面能够反推设计值是否合理，另一方面能够基于利用比值调整水利工程参数。
在本实施例中，主要针对步骤S2中的约束条件进行描述。根据上述约束参数，可以对模型进行调整，从而给出更优的设计参数。为时空动态调配提供参考数据。该步骤给出了雨水收集利用的基本设计阈值。通过该方法，能够将雨水在城内和域外进行调配，降低城内储水的比率，以空间换取时间，从而提高雨水整体利用效率，同时由于域外雨水工程相对成本更低，因此能够节省城市雨水的储水成本。在一些情况下，如果城内区域的降雨量较大，还可以通过域外储水措施进行错峰。
根据本申请的一个方面，所述措施的有效深度EMD为=（措施面积/径流面积）*措施深度。举个例子而言，对于草地或湿地等措施，措施的施工或使用面积与当前径流的总面积相对，然后结合措施能存储雨水的深度，即可计算该措施的有效深度，从而给出措施的参数数值。
如图4所示，根据本申请的一个方面，所述步骤S3进一步为：
步骤S31、将城市湖泊、河流、绿地、水库、储水装置概化，并融合于已构建的城市区域雨水收集利用拓扑系统中；
步骤S32、构建城市水平衡干旱胁迫模型，模拟气候变化条件下的土地利用变化量以及蒸散发量；
步骤S33、利用蓄水-径流-频率曲线分析城市区域的水平衡参数。
在获得上述模拟数据和区域的水文降雨等数据后，通过构建城市水平衡干旱胁迫模型对当前场景下的模拟模型进行计算，给出平衡参数。
根据本申请的一个方面，所述步骤S4还包括：判断域外雨水收集排放区域的水位是否达到阈值，若达到，则启动工程设备，降低流域内水位。
根据本申请的另一方面，还提供一种城市雨水利用时空动态调配模拟系统，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述任一项实施例所述的城市雨水利用时空动态调配模拟方法。处理器和存储器等属于现有知识，本领域的技术人员根据现有知识可以实现该系统，解决提出的技术问题并获得相应的技术效果。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.城市雨水利用时空动态调配模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、获取包含至少一个城市区域的流域GIS地图、流域降雨数据和水文数据，查找城市区域中雨水收集利用系统的覆盖范围，并基于此覆盖范围将流域GIS地图划分为城内雨水收集利用区域和域外雨水收集排放区域；
步骤S2、构建流域水文水动力模拟模型和包括水量平衡方程在内的约束条件，以流域降雨数据、水文数据和调配措施集作为输入，获得城内雨水收集利用区域和域外雨水收集排放区域的水文数据并计算各个调配措施的有效深度、城内及域外雨水利用比值；
步骤S3、构建城市区域雨水收集利用拓扑系统和城市水平衡干旱胁迫模型，以城市降雨数据和步骤S1的水文数据作为输入数据，输入城市水平衡干旱胁迫模型，计算并获得城市雨水收集利用的模拟数据；
步骤S4、判断模拟数据是否大于阈值，若大于，按照预定比例将雨水从城内雨水收集利用区域调整至域外雨水收集排放区域；再通过步骤S2和步骤S3计算模拟数据，直至模拟数据符合小于阈值；
所述步骤S2还包括：
步骤S2a、获取城内雨水收集利用区域的雨水量，记为第一雨水量，计算第一雨水量与城内雨水收集利用最大存储量的比值并判断是否超过阈值；
步骤S2b、获取域外雨水收集排放区域的雨水量，记为第二雨水量；计算第二雨水量与域外雨水收集利用最大存储量的比值并判断是否超过阈值；
步骤S2c、计算域外雨水收集排放区域的雨水量与城内雨水收集利用区域的雨水量的比值，作为储备雨水利用量系数；
步骤S2d、构建城内雨水利用模型，计算未来预定时间周期内的雨水使用量并计算雨水利用比值；构建域外雨水利用模型，计算未来预定时间周期内的雨水使用量并计算雨水利用比值；
所述步骤S3包括：
步骤S31、将城市湖泊、河流、绿地、水库、储水装置概化，并融合于已构建的城市区域雨水收集利用拓扑系统中；
步骤S32、构建城市水平衡干旱胁迫模型，模拟气候变化条件下的土地利用变化量以及蒸散发量；
步骤S33、利用蓄水-径流-频率曲线分析城市区域的水平衡参数。
2.如权利要求1所述的城市雨水利用时空动态调配模拟方法，其特征在于，还包括：
步骤S5、构建城内雨水收集利用评价模型，所述评价模型包括雨水资源利用成本评价单元、雨水利用经济效益评价单元和气候生态效益评估单元；
所述雨水资源利用成本评价单元为，f=C1+C2+{C1*（1-e）*i*（1+i）n/[（1+i）n-1]+C2}/B；
其中，f为雨水资源利用的成本，C1为雨水资源利用设施的固定成本，C2为雨水资源利用设施的运行成本，e为设施寿命期终了时的残余价值率，i为贴现率，n为项目的寿命期，B为年雨水集蓄量；
所述雨水利用经济效益评价单元为，Zmax=∑DjXj；其中，∑Xj=X0；0≤Xj≤[Xj]，j=1,2,3,4…；式中D j 为使用处理后的雨水与其他水源之间的单位效益差值；X j为相应各种用途的用水量；X 0为可用雨水资源量；[X j]为某种用途时的最大需水量；
所述气候生态效益评估单元为：
Figure 83660DEST_PATH_IMAGE001
；
F为由雨水利用模式和技术手段组合所改善的平均污染物质量，a为雨水利用模式和技术手段组合措施中第a种措施，K代表雨水利用模式和技术手段组合措施中措施的个数，A a 为未采用第a种措施下的平均污染物质量，B a 为采用第a种措施后的平均污染物质量。
3.如权利要求1所述的城市雨水利用时空动态调配模拟方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11、基于选定的城市区域，获取该城市区域所在流域的GIS地图，并判断该流域内是否存在其他城市区域；若存在，将其作为次级城市区域；获取流域内历史上预定年度的水文数据和流域降雨数据；
步骤S12、针对包括次级城市区域在内的每一城市区域，查找雨水收集利用系统的边缘端点，并获取各个边缘端点的集水区域，连接各个集水区域的边缘线，形成城市集水区域的外围边界，该外围边界覆盖的区域标记为雨水收集利用系统的覆盖范围；
步骤S13、从流域内减去各个城市区域中雨水收集利用系统的覆盖范围，获得域外雨水收集排放区域。
4.如权利要求1所述的城市雨水利用时空动态调配模拟方法，其特征在于，所述调配措施的有效深度EMD为：
EMD=（S1/S0）*H0；式中，S1为措施面积，S0为径流面积，H0为措施深度。
5.如权利要求4所述的城市雨水利用时空动态调配模拟方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：判断域外雨水收集排放区域的水位是否达到阈值，若达到，则启动工程设备，降低流域内水位。
6.一种城市雨水利用时空动态调配模拟系统，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-5任一项所述的城市雨水利用时空动态调配模拟方法。
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