一种替换SWMM模型输送模块计算出水口流量的方法

一种替换swmm模型输送模块计算出水口流量的方法
技术领域
1.本发明涉及水流量测量技术领域，具体涉及一种替换swmm模型输送模块计算出水口流量的方法。


背景技术：

2.城市的产汇流机制远比天然流域复杂，需要采用水文学和水力学相结合的途径，研制能够模拟复杂流态的城市排水系统的数学模型，以满足城市防洪减灾工作对水情和涝情预测计算的要求。
3.目前已经发展了多种城市雨洪模型，其中swmm模型在世界范围内应用广泛，swmm模型主要包含两大模块，分别是地表产汇流模块及管网汇流演算的输送模块。地表产汇流模拟采用非线性水库模型，由连续方程和曼宁方程联立求解，计算速度快时间短；管网输送模块涉及圣维南方程组的求解，耗时长速度慢，计算时间随着管网数量和复杂程度而增加。在涉及采用遗传算法大规模循环调用swmm模型进行优化求解时，例如基于多目标优化算法的海绵城市低影响开发(lid)设施的空间优化布局，管网输送模块的计算会拖慢整个优化过程的计算速度。因此，亟需一种解决swmm模型管网输送模块存在的缺陷以快速计算出水口流量的技术方案。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的缺陷与不足，针对swmm模型管网输送模块运行速度慢，但是基于多目标优化算法的lid空间布局需要循环调用swmm模型获取研究区的径流削减率，以致降低整个优化过程的运算速率的问题，本发明提供一种替换swmm模型输送模块计算出水口流量的方法，为未来海绵城市lid设施在空间上的科学规划和快速布局提供技术支撑。
5.本发明的第二目的在于提供一种替换swmm模型输送模块计算出水口流量的系统。
6.本发明的第三目的在于提供一种计算机可读存储介质。
7.本发明的第四目的在于提供一种计算设备。
8.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
9.本发明提供一种替换swmm模型输送模块计算出水口流量的方法，包括下述步骤：
10.构建包括完整管网的swmm模型，提取子汇水区和管网的上下游拓扑关系；
11.运行swmm模型，获取管网各井点的总入流量和侧向入流量结果数据，计算各井点的流量输送率，根据各井点的流量输送率构建管网流量输送率矩阵；
12.去除swmm模型中的管网资料，运行不含管网的swmm模型，获取各子汇水区的出流量；
13.依据上下游拓扑关系、子汇水区出流量和管网流量输送率矩阵，从上游至下游依次计算各井点出流量，直至达到出水口，求得出水口流量；
14.随机生成多种lid设施空间布局方案，输入至不含管网的swmm模型中进行模拟，获
取各子汇水区的出流量及出水口流量，同时将同样的lid设施空间布局方案输入至含管网的swmm模型，计算出水口流量，对由管网流量输送率矩阵求得的出水口流量进行线性修正，输出修正后的出水口流量。
15.作为优选的技术方案，所述构建包括完整管网的swmm水文模型，预先获取研究区域的基础数据，所述基础数据包括数字高程模型、卫星遥感影像数据、管网分布和土地利用类型数据，根据基础数据划分汇水区，确定子汇水区和管网参数。
16.作为优选的技术方案，所述计算各井点的流量输送率，所述流量输送率的计算公式具体为：
[0017][0018]
其中，di表示研究井点的流量输送率，inflowi表示研究井点i的总入流量；outflowi表示研究井点i的出流量。
[0019]
作为优选的技术方案，依据上下游拓扑关系、子汇水区出流量和管网流量输送率矩阵，从上游至下游依次计算各井点出流量，具体步骤包括：
[0020]
依据上下游拓扑关系可知与研究井点相连的上游井点和子汇水区信息，各子汇水区的出流量相当于对应下游井点的侧向入流量，研究井点的总入流量等于所有上游井点的出流量与研究井点相连的子汇水区出流量之和，计算公式表示为：
[0021][0022]
对于上游起始井点，将研究井点总入流量与管网流量输送率矩阵中对应的下游井点流量输送率相乘以获取研究井点出流量，计算公式表示为：
[0023]
outflowi＝inflowi×di
[0024]
其中，lateral inflow表示子汇水区入流量，m和k表示汇入研究井点i的上游井点总数和子汇水区总数，outflowi表示将研究井点i的入流量与该井点对应的流量输送率相乘所得的研究井点i的出流量。
[0025]
为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：
[0026]
一种替换swmm模型输送模块计算出水口流量的系统，包括：swmm模型构建模块、拓扑关系提取模块、流量输送率计算模块、输送率矩阵构建模块、各子汇水区出流量获取模块、出水口流量计算模块、布局方案生成模块、模拟模块、线性修正模块和输出模块；
[0027]
所述swmm模型构建模块用于构建包括完整管网的swmm模型；
[0028]
所述拓扑关系提取模块用于提取子汇水区和管网的上下游拓扑关系；
[0029]
所述流量输送率计算模块用于运行swmm模型，获取管网各井点的总入流量和侧向入流量结果数据，计算各井点的流量输送率；
[0030]
所述输送率矩阵构建模块用于根据各井点的流量输送率构建管网流量输送率矩阵；
[0031]
所述各子汇水区出流量获取模块用于获取各子汇水区的出流量，去除swmm模型中的管网资料，运行不含管网的swmm模型，获取各子汇水区的出流量；
[0032]
所述出水口流量计算模块用于依据上下游拓扑关系、子汇水区出流量和管网流量输送率矩阵，从上游至下游依次计算各井点出流量，直至达到出水口，求得出水口流量；
[0033]
所述布局方案生成模块用于随机生成多种lid设施空间布局方案，
[0034]
所述模拟模块用于将lid设施空间布局方案输入至不含管网的swmm模型中进行模拟，获取各子汇水区的出流量及出水口流量，以及将同样的lid设施空间布局方案输入至含管网的swmm模型，计算出水口流量；
[0035]
所述线性修正模块用于对由管网流量输送率矩阵求得的出水口流量进行线性修正；
[0036]
所述输出模块用于输出修正后的出水口流量。
[0037]
为了达到上述第三目的，本发明采用以下技术方案：
[0038]
一种计算机可读存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时实现如上述所述替换swmm模型输送模块计算出水口流量的方法。
[0039]
为了达到上述第四目的，本发明采用以下技术方案：
[0040]
一种计算设备，包括处理器和用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现如上述所述替换swmm模型输送模块计算出水口流量的方法。
[0041]
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0042]
在基于多目标算法的lid设施空间优化布局的研究中，最小化研究区出水口流量为多目标优化算法的目标函数之一，目前学者和工程师们大多直接调用swmm模型进行水文模拟以获取研究区出水口流量，但是对于管网复杂的研究区，swmm模型输送模块涉及圣维南方程的求解，计算量大，对计算机性能要求较高且计算时间长，对此，本发明采用了以管网输送率矩阵替换swmm模型输送模块的技术方案，解决了swmm模型求解速度慢的技术问题，能有效降低计算出水口流量的计算量，达到了提高lid设施空间优化布局运算效率的技术效果。
附图说明
[0043]
图1为本发明替换swmm模型输送模块计算出水口流量的方法流程示意图；
[0044]
图2为本发明采用的广州市天河区长湴片区的数字高程模型和管网分布图；
[0045]
图3为本发明通过管网流量输送率矩阵和swmm模型求得的出水口流量之间的线性关系拟合图；
[0046]
图4为本发明通过线性修正后的管网流量输送率矩阵和swmm模型求得的出水口流量之间的误差分布图。
具体实施方式
[0047]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0048]
实施例1
[0049]
如图1所示，本实施例提供一种替换swmm模型输送模块计算出水口流量的方法，具体步骤包括：
[0050]
s1：构建含完整管网的swmm模型，提取子汇水区和管网的上下游拓扑关系；
[0051]
在本实施例中，以广州市天河区西北部的长湴片区为研究区，总面积约为1.57km2。该片区下垫面较为复杂，北部为山区，南部为建筑比较密集的高度城市化地区。如图2所示，在步骤s1中，swmm模型的构建需要预先获取研究区域的基础数据，基础数据包括数字高程模型、卫星遥感影像数据、管网分布、土地利用类型数据，依据此划分子汇水区、确定子汇水区和管网参数。
[0052]
基于相关部门提供的基础资料，提取管道198条，井点198个、出水口2个。根据dem数据、建筑物、交通道路分布和管网走向，将研究区域人工划分得到86个子汇水区，最小子汇水区面积为1110.95m2，最大子汇水区面积为54130.5m2，研究区域的概化结果可参见图2。参考swmm手册，子汇水区经验参数和管网参数的取值具体参见表1。
[0053]
表1子汇水区经验参数和管网参数的取值表
[0054]
参数名称取值不透水区曼宁系数0.011透水区曼宁系数0.24不透水区洼蓄深度0.5透水区洼蓄深度1最大入渗率10mm/h最小入渗率1.25mm/h渗透衰减系数4管网糙率0.01-0.013
[0055]
s2：运行swmm水文模型，获取管网各井点的总入流量和侧向入流量结果数据，计算各井点的流量输送率，构建管网流量输送率矩阵；
[0056]
在步骤s2中，从含管网的swmm模型运行结果文件中可以提取每个井点的总入流量和侧向入流量，其中侧向入流量即相当于与其连接的子汇水区出流量。另外，虽然无法直接获取每个井点的出流量，但是可以将每个井点的下游井点的总入流量近似看作其上游井点的出流量。根据公式(1)可以计算各井点ji的流量输送率di，依此构建管网流量输送率矩阵，见公式(2)
[0057][0058]
其中，inflowi表示研究井点i的总入流量；outflowi表示研究井点i的出流量，相当于研究井点相对应的下游井点的总入流量；di表示研究井点的流量输送率。
[0059][0060]
s3：去除swmm模型中的管网资料，运行不含管网的swmm模型，获取各子汇水区的出流量；
[0061]
s4：依据上下游拓扑关系、子汇水区出流量和管网流量输送率矩阵，从上游至下游依次计算各井点出流量，直至达到出水口，求得出水口流量；
[0062]
在步骤s4中，依据上下游拓扑关系可知与研究井点相连的上游井点和子汇水区信息，各子汇水区的出流量相当于对应下游井点的侧向入流量，研究井点的总入流量等于所有上游井点的出流量与研究井点相连的子汇水区出流量之和，见公式(3)，对于上游起始井点，只存在侧向入流量(相当于与其相连的子汇水区出流量)；将研究井点总入流量与管网流量输送率矩阵中对应的下游井点流量输送率相乘以获取研究井点出流量，见公式(4)。注意的是，该出流量相当于该研究井点对其下游井点贡献的入流量，因此以上游起始井点为起点，根据上下游拓扑关系、步骤s3求得的子汇水区出流量和步骤s2求得的管网流量输送率矩阵，依次推算位于下游的井点出流量，以此类推，直至达到管网末端的出水口，即可求得出水口流量。
[0063][0064]
outflowi＝inflowi×di
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0065]
其中，lateral inflow表示井点的侧向入流量，相当于步骤s3中获取的子汇水区入流量；m和k表示汇入研究井点i的上游井点总数和子汇水区总数，相当于研究井点i的总入流量等于其所有直接相连的上游井点m和子汇水区出流量k之和。outflowi表示将研究井点i的入流量与该井点对应的流量输送率相乘所得的研究井点i的出流量。
[0066]
s5：随机生成100种lid设施空间布局方案，基于步骤s3(输入至不含管网的swmm模型中进行模拟)获取各子汇水区的出流量，再采用步骤s4推算出水口流量；同时将这100种方案输入至含管网的swmm模型，计算出水口流量。如图3所示，x轴和y轴分别表示管网流量输送率矩阵和swmm模型求得的出水口流量值，二者之间成线性关系，依此对由管网流量输送率矩阵求得的出水口流量进行线性修正。
[0067]
如图4所示，对由管网流量输送率矩阵求得的出水口流量进行线性修正后，与swmm模型模拟结果的误差小于0.25％，表明管网流量输送率矩阵能够有效替换swmm模型的输送模块以获取出水口流量；
[0068]
另外，由下表2的运行时间对比可知，管网流量输送率矩阵法的运算时间远小于swmm模型，lid设施优化布局的运算速度提高了约19.7倍。
[0069]
表2 swmm和管网流量输送率矩阵运行时间的差异表
[0070][0071]
实施例2
[0072]
一种替换swmm模型输送模块计算出水口流量的系统，包括：swmm模型构建模块、拓
扑关系提取模块、流量输送率计算模块、输送率矩阵构建模块、各子汇水区出流量获取模块、出水口流量计算模块、布局方案生成模块、模拟模块、线性修正模块和输出模块；
[0073]
在本实施例中，swmm模型构建模块用于构建包括完整管网的swmm模型；
[0074]
在本实施例中，拓扑关系提取模块用于提取子汇水区和管网的上下游拓扑关系；
[0075]
在本实施例中，流量输送率计算模块用于运行swmm模型，获取管网各井点的总入流量和侧向入流量结果数据，计算各井点的流量输送率；
[0076]
在本实施例中，输送率矩阵构建模块用于根据各井点的流量输送率构建管网流量输送率矩阵；
[0077]
在本实施例中，各子汇水区出流量获取模块用于获取各子汇水区的出流量，去除swmm模型中的管网资料，运行不含管网的swmm模型，获取各子汇水区的出流量；
[0078]
在本实施例中，出水口流量计算模块用于依据上下游拓扑关系、子汇水区出流量和管网流量输送率矩阵，从上游至下游依次计算各井点出流量，直至达到出水口，求得出水口流量；
[0079]
在本实施例中，布局方案生成模块用于随机生成多种lid设施空间布局方案，
[0080]
在本实施例中，模拟模块用于将lid设施空间布局方案输入至不含管网的swmm模型中进行模拟，获取各子汇水区的出流量及出水口流量，同时将同样的lid设施空间布局方案输入至含管网的swmm模型，计算出水口流量；
[0081]
在本实施例中，线性修正模块用于对由管网流量输送率矩阵求得的出水口流量进行线性修正；
[0082]
在本实施例中，输出模块用于输出修正后的出水口流量。
[0083]
实施例3
[0084]
本实施例提供一种存储介质，存储介质可以是rom、ram、磁盘、光盘等储存介质，该存储介质存储有一个或多个程序，程序被处理器执行时，实现实施例1的替换swmm模型输送模块计算出水口流量的方法。
[0085]
实施例4
[0086]
本实施例提供一种计算设备，该计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、pda手持终端、平板电脑或其他具有显示功能的终端设备，该计算设备包括处理器和存储器，存储器存储有一个或多个程序，处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1的替换swmm模型输送模块计算出水口流量的方法。
[0087]
可通过各种手段实施本发明描述的技术。举例来说，这些技术可实施在硬件、固件、软件或其组合中。对于硬件实施方案，处理模块可实施在一个或一个以上专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、可编程逻辑装置(pld)、现场可编辑逻辑门阵列(fpga)、处理器、控制器、微控制器、电子装置、其他经设计以执行本发明所描述的功能的电子单元或其组合内。
[0088]
对于固件和/或软件实施方案，可用执行本文描述的功能的模块(例如，过程、步骤、流程等)来实施所述技术。固件和/或软件代码可存储在存储器中并由处理器执行。存储器可实施在处理器内或处理器外部。
[0089]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。