基于可变模糊聚类的城市排水系统内涝风险评估.pdf

防汛抗旱 东北水利水电 2 0 1 5 年第 5 期 【 文章编号】 1 o 0 2 一O 6 2 4 ( 2 O 1 5 ) O 5 一O o 6 O O 3 基于可变模糊聚类的城市排水系统内涝风险评估 张弘 ( 大连市排水处 ， 辽宁 大连 1 1 6 0 1 1 ) 摘 要】 文中针对风险评估模糊不确定性问题 ， 采用可变模糊聚类方法， 通过相对隶属度与聚 类中心之间的动态迭代 ， 得到城市雨水 内涝风险评估结果。实例研究表明， 方法的分析计算结 果和实际情况吻合， 说明可变模糊聚类可以有效应用于城市雨水内涝风险评估。 关键词】 排水系统； 可变模糊聚类； 风险评估； 内涝； 城市防洪 中图分类号 T v 8 7 文献标识码】 B 1 引言 受城市 化进程推进及全球气候 变化下极端天 气频现等的影响 ， 近年我国武汉 、 合肥 、 南京、 北京 等 多座城市 出现 “ 城 市看海 ” 画面 ， 相继发 生较 为 严重的内涝灾害 ， 使城市蒙受 了较 大的经济损失 ， 给市民的生活带来了很大的不便 ，甚至发生市民 因灾死亡事件【 1 3 。 内涝灾害 频繁发生主要 受两 方面 因素影响。 一 方面， 全球气候变化导致极端降雨频现： 另一方 面 ，城市化发展进程的不 断加快导致下垫面不透 水层比例增大，即径流系数增大 ，雨水下渗量减 少，地面截流作用变差，地表径流的汇流时间变 短 ， 洪峰提前 ， 并且城 市的扩张 ， 也使得 原有管道 系统的汇水面积增大 ， 导致原有管道的负荷增大。 加强城市排水防涝的规 划与建设是应对城市 内涝 的根本措施，但城市排水防涝的规划与建设一定 是在现有排水系统基础上进行优化及完善，因此 采用先进 的技术、 理论与方法 ， 分析城市 内涝形成 的机理 ，对现状排水系统进行风险评估是一项非 常重要的基础工作。 城市内涝风险评估的研究较少，主要有历史 灾情数理统计法、 指标体系法、 水文水力学模型及 仿真分析法【4 】。 城市内涝灾害受城市水文、 气象、 下 6 O 垫面及人类活动等 多种 因素影响 ，因此城市排水 系统 内涝风 险评估属于 多因素 、 多 目标决策 问题 。 目前 ，研 究应用于城市 排水系统 内涝风险评估 的 多指标分类方法主要有模糊综合评判、灰色关联 度分析、 层次分析及聚 类分析等【 5 1 。由于层次分析 等 方法 在定性 转化 定 量 的过程 中主 观依 赖性 较 强 ， 王磊 、 周玉文【 6 提 出了基 于投影寻踪 的城 市排 水 系统内涝风 险评估方 法 ，该方法指标权重 的确 定相对比较客观 、 不受人为 因素干扰 。实际上 ， 权 重对评估 的影响是较大 的 ，虽 然难 以确定但不容 回避。通过确定投影寻踪聚类模型中的密度窗宽 ( 截断半径 ) 间接确定的指标权重具有很大不确定 性 ， 缺乏理论依据 。可变模糊聚类方法突破了扎 德的静态、 单隶属度概念， 可以很方便地分析指标 权重对聚类结果的影响 ，已经在工程领域得到广 泛应用8 - 15 。为此， 笔者将陈守煜创建可变模糊聚 类模型应 用于城市排水 系统 内涝风险评估 ，以期 得到更合理 的分析结果。 2 可变模糊聚类原理 可变模糊聚类模型的具体原理请见文献 1 2 。 3 城市排水系统内涝风险评估 以大连某排水系统风险评估为例， 具体说明评 2 0 1 5 年第 5期 东北水利水电 防汛抗旱 估过程。该地区面积约为 1 0 0 8 7 h m 2 ， 排水管网分 布图如下图 1 ， 首先采用美国 E P A的 S WMM 模型 对该地区排水系统进行建模计算。采用重现期为 5 0年一遇 6 h 设计暴雨过程线( 如图 3 所示 ) 作为 模型的输入进行模拟计算，获得排水系统在设计 超标情形下的水力状况。然后对评价指标体系中 的各种指标进行处理分析， 参照文献【6 分析得出排 水系统洪涝风险与排 水系统水 力状况 、影响 区域 范围和社会功能等因素有关，其在此基础上建立 了科学的、 全面的、 实用的风险评估指标 ， 可操作 性较强； 又结合这次研究区域特点， 这次计算使用 的指标体 系包括检 查井最大积 水深度 、最大洪水 流量 、 检 查井洪水总水 量 、 检 查井洪水持续 时 间、 集水区不透水面积、集水区总面积和所在道路等 级等共 7个评价指标，其中前 6个指标为越大越 优型指标 ， 而所在道路 等级为越 小越优型指标 ， 指 标样 本集共有 1 0 5个样本 ( 检查井总数) ( 见表 1 ， 已归一化处理 ) 。 吕 删 抽 巨 图 1 某排水 系统 图 水 位图： 节 点2 4 5 3 4 2 3 3 图 2 某时刻部分管线水位图 1 1 4 6 蓦 j 虐： 2 4 0 圈 3 5 0年 一遇 6 h两型图 表 1 排水系统风险评估指标集 m 誉 磊 萼 棵 度 ， 续 采用陈守煜教授提 出的可 变模糊聚类 进行聚 类分析计算。首先对 1 0 5 个排水管井的各指标进 行 归一化 处理 ， 然后 应 用文 献 1 2 的公式 ( 2 3) ( 2 4 ) 进行计算 ， 其中tx = p = 2 ， 即距离参数取为欧氏 距离 。由于不同指标对模糊聚类的权重不同， 且权 重是可变模糊聚类迭代模型中的一个重要参数。 首先考虑采用等权重 ，即 1 ： ( 1 7 ， 1 7 ， 1 7 ， 1 7， 1 7 ， 1 7 ， 1 7 ) ，运 用可变模糊 聚类对排水 区内 涝风险进行评估分级 。对风险区进行 3级划分 ， 即 高 风 险 区( 3级 ) 、 中风 险 区 ( 2级 ) 、 低 风 险 区( 1 级 ) 。通过迭代计算， 得到聚类中心为： Is 1 = ( 0 9 0 9 ， 0 1 4 0 ， 0 0 3 8 ， 0 1 5 9 ， 0 2 0 8 ， 0 2 3 4 ， 0 3 4 5 ) |s ( 0 0 1 7 ， 0 0 0 5 ， 0 0 0 3 ， 0 0 0 6 ， 0 1 6 1 ， 0 1 9 5 ， 0 0 1 9 ) S 3 =( 0 0 2 6 ， 0 0 1 0 ， 0 0 0 6 ， 0 0 1 1 ， 0 1 7 7 ， 0 2 1 8 ， 0 5 1 0 ) 。 最优糊聚类矩阵列于表 2 ，即各排水管井对 1 ， 2 ， 3 类的相对隶属度数据， 应用级别特征值公式 C = h ( j =l ， 2 ， ， 1 0 5) ， 得到 1 0 5个排水管 井 t1 归属各类的类别特征值 。其中， 当 珥1 5 时， 6】 。0 0 。 0 0 扰 啪 斛 m 拼 i n n 0 0 n 0 n s ! 鼹 l 2 2 2 r 1 4 3 Z 5 3 0 0 0 O O O 0 O O O O o o 叭 砒 o 。 m O n n O 0 唧 0 o m 0 o 0 0 0 O O C 0 m 啷 o o m 。 姗 眈 四 n n n n 0 n 。 。 。 防汛抗旱 东北水利水电 2 0 1 5 年第 5 期 归属 1类 ， 当 1 5 u j 2 5时 ， 归属 2类 ， 当 2 5 3时，归属 3类。根据风险评估结果 ，借助 A r c G I S进行空间分析 ， 则得到重现期为 5 0年一遇 的某排水区内涝风险分布图， 如图 4 所示。 表 2 最 优模糊聚类结 果( 。 ) 图 4 置现期为 5 0年 的风险评估分 布 根据计算出的级别特征值， 计算结果越大， 则城 市内涝风险等级越高， 属于城市内涝高风险区域， 易 于发生洪灾， 属于城市防洪减灾的重点关注区域。 由 图中可以看出 风险等级较高的区域，正是检查井溢 流较为严重的区域， 与实际情况吻合很好。 4 结语 可变模糊聚类可以用来处理多因素复杂问题 6 2 的聚类分析 ， 通过 多指标分析 ， 对城市排水系统进 行内涝风险评估， 与实际情况吻合很好 ， 其结果能 正确反映 出城市雨水洪涝风险等级 ，可以有效应 用于城市防灾减灾。可变模糊聚类考虑各指标的 权重， 优于传统的模糊聚类模型， 模型简单 ， 具有 良好的性能， 可方便应用于城市内涝风险评估。 参 考 文 献 l 1 冉星彦 再论城市防洪与城市排水系统 I 中国防汛抗 旱 ， 2 0 1 2 ， 2 2 ( 2) ： 2 1 2 张凯伟 我国城市排水防涝对策探讨 I 工程技术， 2 01 4， 8： 2 2 3 3 朱理铭 水力模型在城市排水( 雨水) 防涝综合规划中的 应用 1 中国给水排水 ， 2 0 1 4 ， 3 0 ( 8 ) ： 1 4 4 张冬冬 ， 严登华 ， 王义成等 城市内涝灾害风险评估及 综合应对研究进展 J 灾害学， 2 0 1 4 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 4 4 1 4 9 5 王磊 基于模型的城市排水管网积水灾害评价与防治研 究 D 北京： 北京工业大学， 2 0 1 0 6 王磊， 周玉文 基于投影寻踪的城市排水系统洪涝风险 评估模ff u j 中国给水排水， 2 0 1 2 ， 2 7 ( 2 3) ： 7 8 8 2 7 王卓， 倪长健 投影寻踪动态聚类模型研究及其在洪灾 评定中的应用 ， 四川师范大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 1 ( 5) ： 6 3 5 6 3 8 8 陈守煜 可变模糊集理论与模型及其应用 M 大连理 工大学出版社， 2 0 0 9 9 陈守煜 基于可变模糊集的辩证法三大规律数学定理 及其应用 T 大连理工大学学报， 2 0 1 0 ， 5 0 ( 5) ： 8 3 8 8 44 1 0 张明嫒 ， 刘妍 ， 袁永博 基于可变模糊聚类的城镇综合 承载能力评价研究 I 灾害学 ， 2 0 1 2 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 3 5 1 3 8 1 1 任财， 陈守煜 ， 周惠成 基于可变模糊识别的黄河下游 河道健康评价 1 人民黄河， 2 0 1 4 ， 3 6 ( 2) ： 4 5 4 8 1 2 陈守煜 ， 袁晶口， 李亚伟 基于可变模糊集的模糊聚类 迭代模型及其应用 1 大连理工大学学报， 2 0 0 9 ， 4 8 ( 6 ) ： 8 81 -88 6 1 3 张明嫒， 王妍 ， 袁永博 基于可变模糊聚类模型的生命 线网络节点重要性评价 I 自然灾害学报， 2 0 1 3 ， 6 ： 0 0 3 1 4 马建琴 ， 宋智睿 基于可变模糊聚类的日 参考作物腾 发量预报模型及应用 I _ 节水灌溉 ， 2 0 1 3 ( 9 ) ： 1 4 1 7 1 5 陈守煜 ， 薛志春， 李敏， 等 城市洪涝易损性评价可变 集方法 T 中国科学： 技术科学 ， 2 0 1 3 ， 1 2 ： 0 0 3 【 基金项目】 国家自然科学基金资助项目( 5 1 2 0 9 0 3 2 ) 【 收稿日期】 2 0 1 5 - 0 3 - 0 5