基于BIC-KMeans和SWMM的城市雨洪快速模拟方法.pdf

第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.:/基金项目:国家自然科学基金项目()黄河实验室(郑州大学)一流课题专项基金项目()河南省科技攻关项目()作者简介:刘成帅()男博士研究生主要从事水文水资源研究:.通信作者:胡彩虹()女教授博士主要从事水文及水资源研究:.基于 和 的城市雨洪快速模拟方法刘成帅韩臻悦李 想孙 悦汤业海侯东儒胡彩虹(郑州大学黄河实验室河南 郑州)摘要:针对城市雨洪模型率定过程过于烦琐复杂的问题耦合贝叶斯信息准则()和 均值聚类机器学习算法()构建了 算法 根据样本参数在不同城市功能区的分布规律结合暴雨洪水管理模型()提出了城市雨洪快速模拟方法 分别在郑州大学主校区、郑州市金水区南部、郑州市中心城区 个集水区选取了、场历史观测洪水事件进行了验证 结果表明:提出的城市雨洪快速模拟方法适用性较好洼蓄量、地表曼宁系数、入渗率和衰减系数等不确定性参数在不同城市功能区的取值由小到大依次为工商业区、居民区、公共用地区 个集水区雨洪模拟洪水流量相对误差均小于、纳什效率系数均大于.、决定系数均大于.各项指标均优于传统调参法 模拟精度会随着集水区空间尺度增大而变小峰现时间误差在较小尺度集水区雨洪模拟中是分钟级在较大尺度为小时级关键词:城市雨洪快速模拟 算法不确定性参数城市功能区集水区中图分类号:文献标识码:文章编号:()/():()().().:近年来由突发性大暴雨引发的城市洪涝灾害日趋严峻严重威胁着城市公共基础设施和居民生命财产安全 郑州市“特大暴雨”引发严重内涝灾害事件造成 人遇难 人失踪直接经济损失达 亿元 联合国政府间气候变化专门委员会()第六次报告指出随着人类活动气候变化不断加剧极端降雨事件也将变得更加频繁城市洪水快速预报预警显得愈发重要 洪水预报是防洪减灾工作重要的非工程措施之一城市雨洪模型构建是洪涝预报预警工作的基石自 世纪 年代起暴雨洪水管理模型()、()、模型等代表性城市雨洪模型相继出现并被广泛应用 王京晶等以济南市主城区所在流域为例构建 探讨了基流分割前后流量数据对模拟结果不确定性的影响袁绍春等构建重庆市万州区某老旧建筑小区 模型评估了海绵化改造效能胡彩虹等构建郑州市金水区南部的 模型探讨了雨型对城市内涝的影响作用 这些传统的城市雨洪模型构建实质是对城市雨洪现象进行参数概化的过程 随着城市化快速发展由突发性大暴雨引发的城市及城市群连片洪涝灾害日趋严峻对城市雨洪模型构建的区域、对象、空间多尺度性提出了越来越高的要求 为了达到城市雨洪快速建模仿真模拟的目的 等基于 结合神经网络提出了面向洪水过程的不确定性参数实时校正方法袁绍春等基于()神经网络算法实现了 参数自动率定侯精明等在水文水动力耦合模型的基础上引入()并行计算加速技术在陕西省西咸新区成功应用 借助机器学习算法和高性能计算机在一定程度上可以提高 参数校准效率这些研究表明机器学习技术在城市雨洪模拟中有广阔的应用前景 均 值 聚 类 机 器 学 习 算 法(以 下 简 称“算法”)因其数学原理简单、计算收敛速度快而广泛应用于洪水预报研究 李月玉等利用洪水的相似性扩大实时修正信息量结合 算法实现了沿渡河流域洪水分类预报尤烽骅等基于改进人工蜂群算法的 算法进行了金沙江流域下游的寸滩站洪水分类预报研究 等基于 算法和 神经网络构建了静乐流域洪水分类快速预报模型 算法在洪水预报中的应用研究大多集中于流域范围并且多针对降雨洪水事件本身特征指标进行洪水分类鲜有针对城市地区雨洪模型参数的应用报道 杜纤和 等先后结合改进的子汇水区划分方法将 算法应用于 的参数确定但对于模型参数的物理意义及其与城市复杂下垫面之间的普适规律研究有所欠缺没有消除随机选择初始聚类簇 对参数样本聚类效果的影响 本文基于 耦合贝叶 斯 信 息 准 则()和 算法提出城市雨洪模型快速模拟方法以期为提高城市雨洪模型率定效率加快城市洪涝灾害的预报预警研究提供参考 研究方法.参数分为可测量获得的确定性参数和需要率定的不确定性参数其中不确定性参数烦琐复杂的率定过程是影响模拟预报效率的主要问题之一 本文中涉及的不确定性参数见表 不确定性参数敏感性与下垫面条件关系密切洼蓄量反映了水文响应单元的洼地蓄水深度曼宁系数反映了降水在通过水文响应单元时受到的阻力入渗率和衰减系数反映了 产流模式中的地面下渗能力表 不确定性参数 类别不确定性参数单位模型中的名称地表产流模块透水区洼蓄量不透水区洼蓄量最大入渗率最小入渗率衰减系数/.地表汇流模块透水区曼宁系数不透水区曼宁系数无量纲无量纲管网汇流模块管道曼宁系数无量纲.聚类算法是一种迭代求解的机器学习分析算法是根据已知数据集中样本的特征相似程度将样本数据划分成不同类型的计算过程应用时需要随机选择 个样本点作为初始聚类中心记为()、()、()之后定义代价函数:()()式中:为第 个样本 为 所属于的簇 为簇对应的中心点 为样本总数 令 为迭代步数重复如下过程直到代价函数 收敛:对于每一个参数样本 将其分配至距离最近的中心()()对于每一个聚类中心 重新计算该类的中心():()算法需要人工预先确定初始 值但该值和真实的数据分布未必吻合 利用 准则来确 定 算 法 中 的 聚 类 数 目 构 建 算法对 的不确定性参数进行规律挖掘避免人为选取 值的主观性对聚类结果产生影响 算法可以综合考虑机器学习中模型复杂度和精度问题避免出现过拟合和欠拟合问题 评分值计算公式为 ()式中:为 评分值 为训练参数个数 为样本数量 为似然函数 为惩罚项 值越小 算法的质量越好.城市雨洪快速模拟步骤步骤 建立 不确定性参数样本众包数据集 以“”为主题在 、中国知网检索相关文献最终得到包含、和 等 个不确定性参数明确取值的 套先验样本参数集步骤 样本参数聚类分析 将 ()组先验参数样本利用 算法进行聚类分析输出特征参数值(即为 个聚类簇条件下的聚类中心值)此步骤借助 语言编程计算实现步骤 子汇水区城市功能区化 根据文献中的方法划分 子汇水区该方法引入了包含城市区域“社会主导 自然协同”下垫面属性特征的城市功能区概念确保每一个子汇水区对应一个独立的城市功能区步骤 模型概化和验证 将参数聚类特征值依据城市功能区分布规律分发至各个子汇水区避免人工调参进行模型快速构建 选取不同尺度研究区利用观测暴雨洪水事件进行模拟验证.评价指标选用洪水流量相对误差()、纳什效率系数()、决定性系数()和峰现时差()个指标进行模型评价 其中取值范围为(越接近 模拟效果越好 实例验证.验证区概况郑州是我国中部地区最大的交通枢纽城市地理位置为东经 北纬 年平均降水量.以上的降雨集中在汛期多为短历时强降雨形式 城市化快速进程和雨岛效应导致郑州市内涝灾害频发且洪涝灾害呈现频率高、数量多的特点 郑州市内部分地区积水频繁对城市运行和人民生命财产安全造成严重威胁平均每年经济损失超过 亿元本文选取郑州市内 个不同空间尺度的集水区进行验证:为郑州大学主校区面积约为.为郑州市金水区南部面积约为.为郑州市中心城区面积约为.个集水区的位置见图 图 研究区位置及雨量站分布.数据来源与处理、集水区的土地利用数据空间精度是通过 软件解译 遥感影像所得分为建筑物、林地、草地、道路以及水体 类具体分布见图 的管网数据来自郑州大学基建处、的管网数据来自郑州市相关部门逐时段降雨径流数据摘录自河南省水文统计年鉴限于监测资料不足和数据可用性在、和 集水区分别选取了、和 次降雨较大的历史观测洪水事件用于评 估 研 究 区 具 体 洪 水 场 次 为:、:、:、数据年份与研究区下垫面条件保持一致其中 的净雨会通过排水管网汇集排放城区内河最终排入贾鲁河对应选取郑州市贾鲁河中牟水文站作为流量验证站 对 个集水区进行雨水管网和子汇水区概化管网和出水口均设置为自由流动如图 所示 划分为 个子汇水区、个节点、根管段和 个出水口 划分为 个子汇水区、个节点、根管段和 个出水口 划分为 个子汇水区、个节点、根管段和 个出水口 个集水区包括 种城市功能区:工商业区、居民区、公共用地区、中工商业区子汇水区数量占比分别为.、.、.居民区子汇水区数量占比分别为.、.、.公共用地区子汇水区数量占比分别为.、.、.具体分布见图()()()图 土地利用类型分布.()()()图 子汇水区划分.()()()图 城市功能区分布.结果与分析.参数聚类结果图 为、等 个不确定参数的聚类簇数 值与 评分值的关系由图 可见当 时出现拐点此时 值前后的 评分值发生明显变化综合考虑 算法复杂度确定 套样本参数最优聚类簇数为 不确定性参数样本聚类结果如图 所示黑色横线代表聚类范围分界线不同类别子汇水区的参数取值见表 工商业区子汇水区的土地利 图 不确定参数 值与 评分值的关系.()()()()()()()图 不确定性参数样本聚类结果.用类型以建筑物、硬化路面为主地表平整密实洼蓄量、地表曼宁系数、入渗率和衰减系数均为最小居民区子汇水区位于市区中心外围或周边相对分散既有硬化的道路和屋顶也有约 的绿地率相对于工商业区居住区的地表粗糙起伏程度更大一些渗透性较好一些洼蓄量、地表曼宁系数、入渗率和衰减系数适中公共用地子汇水区以园林为主土地利用类型以草地、林地为主地表粗糙程度最大具有较好的渗透性和蓄水能力洼蓄量、地表曼宁系数、入渗率和衰减系数均为最大 本文选取的样本参数空间尺度均小于 忽略其所属城市的气候差异影响表 不同城市功能区 不确定性参数取值 城市功能区/(/)/(/)/工商业区.居民区.公共用地区.雨洪模拟结果图 为、各场次洪水 模拟结果表 为评价指标统计结果 由图 可见的 场洪水流量模拟过程线基本与实测值吻合结合表 的范围为.的范围为.的范围为.的范围为 为分钟级故认为较小尺度 模拟结果优良 由图 可见 的 场洪水流量模拟过程线与实测值基本吻合但相比 的模拟过程线较为散乱结合表 的范围为.表 评价指标统计结果 集水区洪水事件传统调参 模型/.平均.平均.平均.的范围为.的范围为.的范围为.为小时级 故认为 的 模拟结果良好 由图 可见 的 场洪水流量模拟过程线与实测值吻合程度较差的范围为.的范围为.的范围为.的范围为 .为小时级故认为 的 模拟结果较差 相对于传统调参法基于 算法的模拟流量过程和洪峰更加接近实测洪水从评价指标上看、和 的、分别平均提高.、.、.、.、.、.、.和.、.、.、.可见较于传统调参法 算法能较好地反应 不确定性参数在 ()()()()()()图 各场次洪水 模拟结果.()()()图 各场次洪水 模拟结果.()()()()图 各场次洪水 模拟结果.不同城市功能区上的分布规律使 模拟更加符合实际的下垫面情况为了进一步研究不同空间尺度对 模拟结果的影响对模拟流量和观测流量序列绘制箱线图(图)和概率分布图(图)由图()可见 场洪水事件的模拟和观测流量序列并无异常值产生说明模拟结果偏离程度很小模拟均值、中位数、箱体分布范围、.倍四分位差与观测值都非常接近模拟结果精度较高 由图()可见洪水事件、的模拟流量序列在上四分位范围外出现异常值说明在个别时刻的流量模拟值偏大很多同时、场次模拟流量箱体分布范围相差较大只有 场次模拟结果相对较好 由图()可见 场洪水事件模拟流量与观测流量的箱体范围均不一致这是峰现时间误差太大导致模拟流量过程整体偏移造成的 ()()()图 模拟洪水流量箱线图.()()()图 模拟洪水流量概率分布.由图()()可见基于 算法的 在不同空间尺度的模拟流量和观测流量概率分布曲线较为接近说明 算法在 建模过程中时间效率更高 较小空间尺度集水区()模拟流量与观测流量概率分布曲线吻合程度较好较大空间尺度集水区(、)概率分布曲线吻合程度较差总体而言基于 算法和 的城市雨洪快速模拟方法在、种不同空间尺度的集水区通过了验证相比于传统调参法分别提高了.、.、.但从应用效果来看较小尺度集水区适用性最好较大尺度集水区适用性较差模拟精度会随着研究区空间尺度增大而减小模型的空间尺度依赖性仍需深入研究 结 论.提出了基于 算法和 的城市雨洪模型快速模拟方法基于观测降雨流量数据分别在郑州大学主校区、郑州市金水区南部、郑州市中心城区 个集水区进行了验证均小于、均大于.、均大于.说明提出的方法适用性较好.、等 个 不确定性参数的参数聚类取值与城市功能区有关不同城市功能区参数聚类取值由小到大依次为:工商业区、居民区、公共用地区.城市雨洪模型模拟精度会随着集水区空间尺度增大而变小峰现时间误差在较小尺度集水区雨洪模拟中是分钟级在较大尺度为小时级参考文献:刘业森刘媛媛李敏等.降雨数据空间分辨率在城市流域洪峰变化分析中的影响.地球信息科学学报():.(.():.()杜纤.基于 模型的城市暴雨洪涝精细化模拟研究.郑州:郑州大学.郑德凤高敏李钰等.基于 的大连市暴雨洪涝灾害综合风险评估.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.()任宏昌张恒德.郑州“”暴雨的精细化特征及主要成因分析.河海大学学报(自然科学版)():.(.“”.()():.()周波涛钱进.报告解读:极端天气气候事件变化.气候变化研究进展():.(.():.().:.():.苟娇娇缪驰远徐宗学等.大尺度水文模型参数不确定性分析的挑战与综合研究框架.水科学进展():.(.:.():.()丁晶王文圣金菊良.论水文学中的尺度分析.四川大学学报(工程科学版)():.(.()():.().:.():.晁丽君张珂陈新宇等.基于多源降水融合驱动的 模型在中小河流洪水预报中的适用性.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.()胡伟贤何文华黄国如等.城市雨洪模拟技术研究进展.水 科 学 进 展 ():.(.():.()梅超.城市水文水动力耦合模型及其应用研究.北京:中国水利水电科学研究院.王京晶徐宗学赵刚等.基流分割对城市雨洪模拟不确定性分析的影响.水资源保护():.(.():.()袁绍春王怀鋆吕波等.基于 模型的山地城市老旧建筑小区海绵化改造方案设计及评估.水 资 源 保 护 ():.(.():.()胡彩虹姚依晨刘成帅等.降雨雨型对城市内涝的影响.水资源保护():.(.():.()陈文龙徐宗学张印等.高密度城市暴雨洪涝治理理论框架及其应用研究.水利学报():.(.():.().():.袁绍春李迪陈垚等.基于 神经网络算法的 参数自动率定方法.中国给水排水():.(.():.()侯精明张兆安马利平等.基于 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