城市内涝防治方案选择方法、系统、装置、存储介质与流程

1.本发明属于城市内涝防治管理技术领域，更具体地，涉及城市内涝防治方案选择方法、系统、装置、存储介质。


背景技术：

2.如何应对气候变化下极端天气对城市内涝防治体系的强烈冲击成为城市雨水管理的重要科学问题。城市行政及管理部门需要一套内涝防治方案选择方法，用于指导内涝防治的管理及监测。
3.城市内涝防治方案在规模、尺度、布局等方面具有多重选择，且受到气候变化与城市化发展水平等因素的显著影响，目前，基于系统性能函数的弹性分析方法简单可行，但其反映系统性能变化的指标通常较为单一，如淹没面积（指节点发生溢流时，被积水浸没在水面以下的受淹范围或区域，单位为m2）。显然，用单一指标代表性能的做法过于片面，而通过构建评价指标体系对系统弹性做出评价时，指标权重的确定往往偏于主观。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于多个弹性特征指标进行内涝防治方案选择的城市内涝防治方案选择方法。
5.本发明是通过以下步骤得到的：第一方面，本发明提供一种城市内涝防治方案选择方法，包括s1：获取未实施内涝防治方案的弹性特征指标及实施内涝防治方案的弹性特征指标，所述弹性特征指标包括吸收阶段弹性特征指标、抵御阶段弹性特征和恢复阶段弹性特征指标，所述吸收阶段弹性特征指标包括径流系数、峰值流量和峰现时间；抵御阶段弹性特征指标包括溢流节点、溢流量和淹没水深；恢复阶段弹性特征指标包括淹没历时；s2：基于不同的内涝防治方案之间的差异程度及不同弹性特征指标间的差异程度，确定弹性特征指标在特定降雨重现期下的常值权重；s3：基于不同重现期的综合雨型及发生概率、弹性特征指标的常值权重、不同内涝防治方案实施前后的弹性特征指标值，得到不同内涝防治方案的弹性效益；s4：基于初始成本、运行维护成本以及在设计使用期满时能够回收到的残余价值，得到不同内涝防治方案的成本现值；s5：基于每种内涝防治方案的弹性效益和成本现值，得到每种内涝防治方案与正理想解的相对贴近度；s6：基于所述相对贴近度，进行内涝防治方案的选择。
6.s6中基于所述相对贴近度，进行内涝防治方案的选择，具体包括：选择相对贴近度数值最高的内涝防治方案。
[0007] s2中确定弹性特征指标在特定降雨重现期下的常值权重是基于以下公式得到的：
，为常值权重；是差异系数，为第项弹性特征指标在不同内涝防治方案之间存在的差异程度；是冲突系数，为第项弹性特征指标与第项弹性特征指标之间存在的冲突程度；为弹性特征指标个数。
[0008] s3中不同内涝防治方案的弹性效益是基于以下公式得到的：，为内涝防治方案的弹性效益；为场景集，为不同重现期的综合雨型，为不同重现期的综合雨型发生的概率，为弹性特征指标在不同重现期的综合雨型的常值权重，为不同场景下弹性特征指标的变权权重；为在不同重现期的综合雨型下布设内涝防治方案前后弹性特征指标的相对变化率，其中为基于内涝防治方案实施后的弹性特征指标值，为基于现有基础设施、未实施内涝防治方案的弹性特征指标值。
[0009] s4中不同内涝防治方案的成本现值是基于以下公式得到的：，pvc为成本现值，为初始成本，为运行维护成本，是指未来t年时贴现率的现值因子，是指设计寿命tn年末贴现率的现值因子，为内涝防治方案在设计使用期满时能够回收到的残余价值。
[0010]
s5中每种内涝防治方案与正理想解的相对贴近度是基于以下公式得到的：，为内涝防治方案与正理想解的相对贴近度，m为内涝防治方案个数，为正向组合距离、为负向组合距离，，为第个内涝防治方案与正理想解的距离，为第个内涝防治方案与负理
想解的距离，、分别为内涝防治方案与虚拟负理想解的正向距离和负向距离。
[0011] s4中不同内涝防治方案的成本现值使用单位年平均成本，是基于以下公式得到的：，uaac为单位年平均成本。
[0012]
第二方面，本发明提供一种城市内涝防治方案选择系统，包括，弹性特征指标获取模块：获取未实施内涝防治方案的弹性特征指标及实施内涝防治方案的弹性特征指标，所述弹性特征指标包括吸收阶段弹性特征指标、抵御阶段弹性特征和恢复阶段弹性特征指标，所述吸收阶段弹性特征指标包括径流系数、峰值流量和峰现时间；抵御阶段弹性特征指标包括溢流节点、溢流量和淹没水深；恢复阶段弹性特征指标包括淹没历时；常值权重获取模块：基于不同的内涝防治方案之间的差异程度及不同弹性特征指标间的差异程度，确定弹性特征指标在特定降雨重现期下的常值权重；弹性效益获取模块：基于不同重现期的综合雨型及发生概率、弹性特征指标的常值权重，得到不同内涝防治方案的弹性效益；成本现值获取模块：基于初始成本、运行维护成本以及在设计使用期满时能够回收到的残余价值，得到不同内涝防治方案的成本现值；相对贴近度获取模块：基于每种内涝防治方案的弹性效益和成本现值，得到每种内涝防治方案与正理想解的相对贴近度；方案选择模块：基于所述相对贴近度，进行内涝防治方案的选择。
[0013]
第三方面，本发明提供一种城市内涝防治方案选择装置，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现所述的城市内涝防治方案选择方法。
[0014]
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的城市内涝防治方案选择方法。
[0015]
本发明的有益效果：本发明采用多个弹性特征指标，计算在特定降雨重现期下的常值权重，结合不同内涝防治方案的弹性效益和成本现值，基于所述相对贴近度，进行内涝防治方案的选择。从行政和管理角度给市政决策者提供内涝防治方案选择参考，有助于全面提升城市内涝防治弹性能力的角度选择内涝防治方案，使得实施所选方案后具备应对气候变化的能力，从而有效缓解由于极端天气导致的城市内涝灾害频繁发生的问题。
附图说明
[0016]
图1为本发明的城市内涝防治方案选择方法流程示意图。
具体实施方式
[0017]
下面结合具体实施例对本技术的技术方案进行具体说明。
[0018]
本发明提供一种城市内涝防治方案选择方法，包括以下步骤：s1：获取未实施内涝防治方案的弹性特征指标及实施内涝防治方案的弹性特征指标，所述弹性特征指标包括吸收阶段弹性特征指标、抵御阶段弹性特征和恢复阶段弹性特
征指标，所述吸收阶段弹性特征指标包括径流系数、峰值流量和峰现时间；抵御阶段弹性特征指标包括溢流节点、溢流量和淹没水深；恢复阶段弹性特征指标包括淹没历时；s2：基于不同的内涝防治方案之间的差异程度及不同弹性特征指标间的差异程度，确定弹性特征指标在特定降雨重现期下的常值权重；s3：基于不同重现期的综合雨型及发生概率、弹性特征指标的常值权重、不同内涝防治方案实施前后的弹性特征指标值，得到不同内涝防治方案的弹性效益；s4：基于初始成本、运行维护成本以及在设计使用期满时能够回收到的残余价值，得到不同内涝防治方案的成本现值；s5：基于每种内涝防治方案的弹性效益和成本现值，得到每种内涝防治方案与正理想解的相对贴近度；s6：基于所述相对贴近度，进行内涝防治方案的选择。
[0019]
下面针对每个步骤中的具体细节进行展开说明。
[0020]
s1：获取未实施内涝防治方案的弹性特征指标及实施内涝防治方案的弹性特征指标，所述弹性特征指标包括吸收阶段弹性特征指标、抵御阶段弹性特征和恢复阶段弹性特征指标，所述吸收阶段弹性特征指标包括径流系数、峰值流量和峰现时间；抵御阶段弹性特征指标包括溢流节点、溢流量和淹没水深；恢复阶段弹性特征指标包括淹没历时。
[0021]
上述弹性特征指标的获取，可以通过系统模拟来实现。对于气候变化场景的模拟构建既满足排水设计暴雨的峰值要求，同时能够满足城市防涝的降雨总量要求的综合雨型，设计重现期可以为但不限于2年、5年、10年、20年和50年。由于长历时设计暴雨计算的时间间隔为1小时，降雨强度体现不突出，难以满足排水管道设计要求，综合雨型的降雨过程为24小时，将长历时主峰段的3小时降雨过程用芝加哥降雨过程替换，将计算间隔1小时细化为5分钟时段降雨，细化主峰段降雨过程，用不同重现期的降雨过程和降雨量变化来表征气候变化引发的极端降雨事件，从而得到既能提升计算精度，又能满足降雨总量要求的综合雨型。
[0022]
弹性特征指标按照城市遭遇暴雨侵袭时内涝防治系统的应对过程，强调能够从吸收、抵御以及恢复三个阶段表征系统对外界变化环境的适应能力，其中吸收阶段弹性特征指标选用径流系数与峰值流量；抵御阶段弹性特征指标选用淹没节点和淹没水深；恢复阶段弹性特征指标选用淹没历时。通过构建暴雨内涝数值模型，进行气候变化的场景模拟，从模拟结果中确定内涝系统实施内涝防治方案前后的弹性特征指标值。所述的弹性特征指标值可以通过以swmm为载体的暴雨洪涝模型模拟计算得到。
[0023]
径流系数：径流系数是衡量降雨产流量的一个重要指标。它描述了单位面积降雨量中径流量所占的比例。径流系数的大小与地表特征、土壤类型、降雨强度等因素密切相关。
[0024]
峰值流量：峰值流量是次降雨径流过程中最大的瞬时流量，即径流过程线上最高点流量，单位为m3/s。峰值流量能够反映城市内涝防治系统对较高径流量的滞蓄。
[0025]
峰现时间：峰现时间是指峰值流量出现的时间。
[0026]
溢流节点：节点在城市给水排水管网中是指管网中水流条件发生变化的点，节点处往往布设检查井，而溢流节点是该节点有水量溢出并形成积水的节点。弹性特征值指标中的溢流节点的数值用发生溢流的节点的个数表示。
[0027]
溢流量：溢流量是指在降雨事件中超过内涝防治系统容纳能力的水量，单位为m3。溢流量通常是所有节点发生溢流水体的体积总和。
[0028]
淹没水深：淹没水深指的是溢流节点被水淹没的垂直深度，单位为m。淹没水深通常是节点溢流量与节点淹没面积的比值。
[0029]
淹没历时：淹没历时指从节点开始发生溢流的时间开始至溢流结束的时间，单位为h。
[0030]
s2：基于不同的内涝防治方案之间的差异程度及不同弹性特征指标间的差异程度，确定弹性特征指标在特定降雨重现期下的常值权重。
[0031]
确定弹性特征指标在特定降雨重现期下的常值权重是基于以下公式得到的：，为常值权重；是差异系数，为第项弹性特征指标在不同内涝防治方案之间存在的差异程度；是冲突系数，为第项弹性特征指标与第项弹性特征指标之间存在的冲突程度；为弹性特征指标个数。
[0032]
常值权重计算公式的构建过程如下：首先，构建弹性特征指标值矩阵，其中，为弹性特征指标值矩阵，为第个内涝防治方案的第个弹性特征指标的指标值，，，为内涝防治方案个数，为弹性特征指标个数；用极值法将所述弹性特征指标值矩阵进行标准化处理，得到无量纲的标准化矩阵，根据指标属性不同，标准化矩阵有以下两种形式：对于效益型指标，即指标值越大评价结果越优，则，对于成本型指标，即指标值越小评价结果越优，则，计算指标在所述内涝防治方案之间存在的差异程度，用差异系数表示，计算公式如下：，
，其中，为第项弹性特征指标下，评价对象的特征比重，且，当或时，；计算所述第项弹性特征指标与第项弹性特征指标之间的冲突程度，用冲突系数表示，计算公式如下：，其中，为个弹性特征指标中第个弹性特征指标和第个弹性特征指标之间的相关系数；为第项弹性特征指标的特征值均值、为第h项弹性特征指标的特征值均值。
[0033]
考虑所述内涝防治方案之间的差异程度以及所述弹性特征指标之间的差异程度，确定特征指标在特定降雨重现期下的常值权重，得到如下公式：。
[0034]
s3：基于不同重现期的综合雨型及发生概率、弹性特征指标的常值权重、不同内涝防治方案实施前后的弹性特征指标值，得到不同内涝防治方案的弹性效益。
[0035]
不同内涝防治方案的弹性效益是基于以下公式得到的：，为内涝防治方案的弹性效益；为场景集，为不同重现期的综合雨型，为不同重现期的综合雨型发生的概率，为弹性特征指标在不同重现期的综合雨型的常值权重，为不同场景下弹性特征指标的变权权重；为在不同重现期的综合雨型下布设内涝防治方案前后弹性特征指标的相对变化率，其中为基于内
涝防治方案实施后的弹性特征指标值，为基于现有基础设施、未实施内涝防治方案的弹性特征指标值。
[0036]
s4：基于初始成本（initial cost，）、运行维护成本(operation&maintenance cost，)以及在设计使用期满时能够回收到的残余价值(salvage value，)，得到不同内涝防治方案的成本现值（present value cost，pvc）。
[0037]
不同内涝防治方案的成本现值是基于以下公式得到的：， ，，，pvc为成本现值，为初始成本，为运行维护成本，指方案的建设成本，指方案的设计规划成本，根据初始建设成本的百分比计算得到，是指未来t年时贴现率的现值因子，是指设计寿命tn年末贴现率的现值因子，为内涝防治方案在设计使用期满时能够回收到的残余价值，假设与运行维护成本线性相关。
[0038]
由于内涝防治方案不同，涉及的基础措施生命周期不同，故方案的成本控制采用不同内涝防治方案的成本现值使用单位年平均成本（unit annual average cost，uaac），是基于以下公式得到的：，uaac为单位年平均成本。
[0039]
s5：基于每种内涝防治方案的弹性效益和成本现值，得到每种内涝防治方案与正理想解的相对贴近度。
[0040]
用内涝防治方案与正理想解的相对贴进度表示每种内涝防治方案的综合评价值，越大表明内涝防治方案综合性能越好，具有较高的弹性效益并且成本较低。
[0041]
构建决策矩阵，此时决策矩阵的内涝防治方案，评价指标集为，评价指标为弹性效益和单位年平均成本，因此，则决策矩阵为： ，将决策矩阵归一化，进行无量纲化处理，构建归一化矩阵，g由h的取
值决定。形式如下：对于弹性效益指标，指标值越大评价结果越优，则 ，对于单位年平均成本指标，指标值越小评价结果越优，则 ，构造加权决策矩阵为， ，此处指标权重根据s2所述的弹性特征指标的常值权重计算方法进行确定。
[0042]
计算正理想解、负理想解， ，，为越大越优型指标，用来表示内涝防治方案的弹性效益；为越小越优型指标，用来表示内涝防治方案的单位年平均成本。
[0043]
计算各内涝防治方案与正、负理想解之间的欧式距离 ， ，为第个内涝防治方案与正理想解的欧式距离，为第个内涝防治方案与负理想解的欧式距离。
[0044]
确定虚拟负理想解，，计算内涝防治方案与虚拟负理想解的正向距离和负向距离，
，确定正向组合距离、负向组合距离，，计算各内涝防治方案与正理想解的相对贴近度： ，为内涝防治方案与正理想解的相对贴近度，m为内涝防治方案个数。
[0045]
s6：基于所述相对贴近度，进行内涝防治方案的选择。具体包括：按降序对内涝防治方案进行排序，选择相对贴近度数值最高的内涝防治方案。
[0046]
根据所述相对贴近度划分内涝防治方案等级选取最佳内涝防治方案。根据建设需求，依据排序将所述内涝防治方案按照相对贴进度的区间划分为高、中、低、极低四个层次。当相对贴近度为（0.9,1】时为高性能方案；当相对贴近度为（0.7,0.9】时定为中性能方案；将相对贴进度为（0.5,0.7】时定为低性能方案；当相对贴进度时方案性能极低。
[0047]
本发明提供的一种城市内涝防治方案选择系统，包括，弹性特征指标获取模块：获取未实施内涝防治方案的弹性特征指标及实施内涝防治方案的弹性特征指标，所述弹性特征指标包括吸收阶段弹性特征指标、抵御阶段弹性特征和恢复阶段弹性特征指标，所述吸收阶段弹性特征指标包括径流系数、峰值流量和峰现时间；抵御阶段弹性特征指标包括溢流节点、溢流量和淹没水深；恢复阶段弹性特征指标包括淹没历时；常值权重获取模块：基于不同的内涝防治方案之间的差异程度及不同弹性特征指标间的差异程度，确定弹性特征指标在特定降雨重现期下的常值权重；弹性效益获取模块：基于不同重现期的综合雨型及发生概率、弹性特征指标的常值权重，得到不同内涝防治方案的弹性效益；成本现值获取模块：基于初始成本、运行维护成本以及在设计使用期满时能够回收到的残余价值，得到不同内涝防治方案的成本现值；相对贴近度获取模块：基于每种内涝防治方案的弹性效益和成本现值，得到每种内涝防治方案与正理想解的相对贴近度；方案选择模块：基于所述相对贴近度，进行内涝防治方案的选择。
[0048]
本发明提供的一种城市内涝防治方案选择装置，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现所述的城市内涝防治方案选择方法。
[0049]
本发明提供的一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的城市内涝防治方案选择方法。
[0050]
本发明将弹性理念引入城市内涝防治体系规划设计，提高其应对气候变化下极端
天气的吸收、抵御能力，同时增强灾害后自我恢复的能力，对缓解城市内涝灾害具有重要的科学意义和显著的应用价值。

技术特征：
1.一种城市内涝防治方案选择方法，其特征在于，包括s1：获取未实施内涝防治方案的弹性特征指标及实施内涝防治方案的弹性特征指标，所述弹性特征指标包括吸收阶段弹性特征指标、抵御阶段弹性特征和恢复阶段弹性特征指标，所述吸收阶段弹性特征指标包括径流系数、峰值流量和峰现时间；抵御阶段弹性特征指标包括溢流节点、溢流量和淹没水深；恢复阶段弹性特征指标包括淹没历时；s2：基于不同的内涝防治方案之间的差异程度及不同弹性特征指标间的差异程度，确定弹性特征指标在特定降雨重现期下的常值权重；s3：基于不同重现期的综合雨型及发生概率、弹性特征指标的常值权重、不同内涝防治方案实施前后的弹性特征指标值，得到不同内涝防治方案的弹性效益；s4：基于初始成本、运行维护成本以及在设计使用期满时能够回收到的残余价值，得到不同内涝防治方案的成本现值；s5：基于每种内涝防治方案的弹性效益和成本现值，得到每种内涝防治方案与正理想解的相对贴近度；s6：基于所述相对贴近度，进行内涝防治方案的选择。2.根据权利要求1所述的城市内涝防治方案选择方法，其特征在于，s6中基于所述相对贴近度，进行内涝防治方案的选择，具体包括：选择相对贴近度数值最高的内涝防治方案。3.根据权利要求1所述的城市内涝防治方案选择方法，其特征在于，s2中确定弹性特征指标在特定降雨重现期下的常值权重是基于以下公式得到的：，为常值权重；是差异系数，为第项弹性特征指标在不同内涝防治方案之间存在的差异程度；是冲突系数，为第项弹性特征指标与第项弹性特征指标之间存在的冲突程度；为弹性特征指标个数。4.根据权利要求1所述的城市内涝防治方案选择方法，其特征在于，s3中不同内涝防治方案的弹性效益是基于以下公式得到的：，为内涝防治方案的弹性效益；为场景集，为不同重现期的综合雨型，为不同重现期的综合雨型发生的概率，为第项弹性特征指标在不同重现期的综合雨型的常值权重，为不同场景下弹性特征指标的变权权重；为在不同重现期的综合雨型下布设内涝防治方案前后弹性特征指标的相对变化率，其中为基于内涝
防治方案实施后的弹性特征指标值，为基于现有基础设施、未实施内涝防治方案的弹性特征指标值。5.根据权利要求1所述的城市内涝防治方案选择方法，其特征在于，s4中不同内涝防治方案的成本现值是基于以下公式得到的：，pvc为成本现值，为初始成本，为运行维护成本，是指未来t年时贴现率的现值因子，是指设计寿命tn年末贴现率的现值因子，为内涝防治方案在设计使用期满时能够回收到的残余价值。6.根据权利要求1所述的城市内涝防治方案选择方法，其特征在于，s5中每种内涝防治方案与正理想解的相对贴近度是基于以下公式得到的：，为内涝防治方案与正理想解的相对贴近度，m为内涝防治方案个数，为正向组合距离、为负向组合距离，，为第个内涝防治方案与正理想解的距离，为第个内涝防治方案与负理想解的距离，、分别为内涝防治方案与虚拟负理想解的正向距离和负向距离。7.根据权利要求5所述的城市内涝防治方案选择方法，其特征在于，s4中不同内涝防治方案的成本现值使用单位年平均成本，是基于以下公式得到的：，uaac为单位年平均成本。8.一种城市内涝防治方案选择系统，其特征在于，弹性特征指标获取模块：获取未实施内涝防治方案的弹性特征指标及实施内涝防治方案的弹性特征指标，所述弹性特征指标包括吸收阶段弹性特征指标、抵御阶段弹性特征和恢复阶段弹性特征指标，所述吸收阶段弹性特征指标包括径流系数、峰值流量和峰现时间；抵御阶段弹性特征指标包括溢流节点、溢流量和淹没水深；恢复阶段弹性特征指标包括淹没历时；常值权重获取模块：基于不同的内涝防治方案之间的差异程度及不同弹性特征指标间的差异程度，确定弹性特征指标在特定降雨重现期下的常值权重；弹性效益获取模块：基于不同重现期的综合雨型及发生概率、弹性特征指标的常值权重，得到不同内涝防治方案的弹性效益；成本现值获取模块：基于初始成本、运行维护成本以及在设计使用期满时能够回收到的残余价值，得到不同内涝防治方案的成本现值；
相对贴近度获取模块：基于每种内涝防治方案的弹性效益和成本现值，得到每种内涝防治方案与正理想解的相对贴近度；方案选择模块：基于所述相对贴近度，进行内涝防治方案的选择。9.一种城市内涝防治方案选择装置，其特征在于，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的城市内涝防治方案选择方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的城市内涝防治方案选择方法。

技术总结
本发明属于城市内涝防治管理技术领域，更具体地，涉及城市内涝防治方案选择方法、系统、装置、存储介质。采用多个弹性特征指标，计算在特定降雨重现期下的常值权重，结合不同内涝防治方案的弹性效益和成本现值，基于所述相对贴近度，进行内涝防治方案的选择。从全面提升城市内涝防治弹性能力的角度选择内涝防治方案，使得实施所选方案后具备应对气候变化的能力，从而有效缓解由于极端天气导致的城市内涝灾害频繁发生的问题。害频繁发生的问题。害频繁发生的问题。


技术研发人员：吴雅文 邱庆泰 冯忠伦 刘文文 黄东宝 于光远 贾文豪
受保护的技术使用者：泰安市东信智联信息科技有限公司
技术研发日：2023.09.14
技术公布日：2023/10/20