一种城市内涝黑点的内涝模拟方法及装置

技术领域

本申请涉及城市灾害监测领域，尤其涉及一种城市内涝黑点的内涝模拟方法及装置。

背景技术

随着国内城市化的进一步发展，从超大城市到超级城市，城市的规模、人口和财产大量增加，意味着内涝灾害损失将更加巨大。另一方面，在气候变化的影响下，城市极端降雨也呈现增多、增强的趋势，未来城市内涝问题将会更加频繁，其灾害损失也更加严重。面对日益严峻的城市内涝灾害，通过精细化管理降低城市内涝造成的人员伤亡和财产损失备受关注，随着城市基础地理、水利业务等数据资料的质量和精度不断提升，城市内涝模拟技术得到较快发展，如何通过有效的城市内涝模拟及预报技术为城市防洪排涝规划、海绵城市建设、内涝预报预警、内涝风险管理、内涝风险评估、防洪调度决策支持提供技术支撑，己经成为当前水文和防灾减灾领域最为迫切解决的一个科学问题。

防治城市内涝的关键环节是内涝的仿真模拟，得到的模拟结果可以用于为城市内涝防治工作提供科学的决策支持，是城市内涝防治工作的基础。城市内涝仿真模拟首先需要合适的城市内涝模型，当前常用的城市内涝模型包括：水动力学城市内涝模型，其模拟城市内涝灾害要素较精细，更好的反应了城市内涝演进过程，能很好的满足当代城市内涝各方面研究及应用需求，但是建模过程较为复杂，对基础数据如地形、高程和排水管网等要求较高，导致了现有的城市内涝仿真模拟基础资料依赖性强、计算效率低和适用性差的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种城市内涝黑点的内涝模拟方法及装置，用于解决现有的城市内涝仿真模存在基础资料依赖性强、计算效率低和适用性差的技术问题。

为实现上述的发明目的，本申请第一方面提供了一种城市内涝黑点的内涝模拟方法，包括：

根据获取到的降雨量与自然消耗雨量的差值，得到净降雨量，其中所述自然消耗雨量为根据内涝黑点的环境监测信息，结合历史降雨监测数据计算得到的，包括：蒸发量、下渗量和排水量；

将所述净降雨量输入至内涝积水模拟模型，使得所述内涝积水模拟模型输出所述内涝黑点的内涝积水模拟值，以根据内涝积水模拟值确定所述内涝黑点的内涝模拟结果，其中所述内涝积水模拟模型为根据所述历史降雨监测数据中的历史净降雨量和历史内涝积水结果训练得到的。

优选地，所述根据获取到的降雨量与自然消耗雨量的差值，得到净降雨量具体为：

根据获取到的实时降雨量与自然消耗雨量的差值，得到分段净降雨量，其中所述自然消耗雨量为根据内涝黑点与降雨时段内的各个分时段对应的环境监测信息，结合历史降雨监测数据计算得到的；

且将所述净降雨量输入至内涝积水模拟模型，使得所述内涝积水模拟模型输出所述内涝黑点的内涝积水模拟值，以根据内涝积水模拟值确定所述内涝黑点的内涝模拟结果具体包括：

将所述分段净降雨量依次输入至内涝积水模拟模型，使得所述内涝积水模拟模型输出所述内涝黑点的分段内涝积水模拟值，并根据所述分段内涝积水模拟值之和确定所述内涝黑点的内涝模拟结果。

优选地，所述蒸发量的计算过程具体包括：

根据所述环境监测信息中的实时温度值和实时湿度值，以及所述实时温度值、实时湿度值与降雨时段内的各个分时段的对应关系，结合预设的温湿度与单位蒸发量的对应关系，通过比对确定所述内涝黑点在各个所述分时段的单位蒸发量，并根据所述单位蒸发量计算在所述分时段内的蒸发量。

优选地，所述下渗量的计算过程具体包括：

根据所述环境监测信息中的土地类型，结合预设的土地类型与土地持水量的对应关系，确定所述内涝黑点的土地持水量阈值；

基于所述土地类型，结合预设的土地类型与下渗速率的对应关系，确定在各个所述分时段内的下渗速率，并根据所述下渗速率计算在所述分时段内的下渗量。

优选地，所述排水量的计算过程具体包括：

根据所述环境监测信息中的积水容纳区域的实时水位和水位上限，以及所述实时水位与降雨时段内的各个分时段的对应关系，结合预设的实时水位、水位上限与积水流通速率的对应关系，通过比对确定在各个所述分时段内的积水流通速率，并根据所述积水流通速率计算在所述分时段内的排水量。

本申请第二方面提供了一种城市内涝黑点的内涝模拟装置，包括：

净降雨量计算单元，用于根据获取到的降雨量与自然消耗雨量的差值，得到净降雨量，其中所述自然消耗雨量为根据内涝黑点的环境监测信息，结合历史降雨监测数据计算得到的，包括：蒸发量、下渗量和排水量；

内涝模拟单元，用于将所述净降雨量输入至内涝积水模拟模型，使得所述内涝积水模拟模型输出所述内涝黑点的内涝积水模拟值，以根据内涝积水模拟值确定所述内涝黑点的内涝模拟结果，其中所述内涝积水模拟模型为根据所述历史降雨监测数据中的历史净降雨量和历史内涝积水结果训练得到的。

优选地，所述净降雨量计算单元具体用于：

根据获取到的实时降雨量与自然消耗雨量的差值，得到分段净降雨量，其中所述自然消耗雨量为根据内涝黑点与降雨时段内的各个分时段对应的环境监测信息，结合历史降雨监测数据计算得到的；

所述内涝模拟单元具体用于：

将所述分段净降雨量依次输入至内涝积水模拟模型，使得所述内涝积水模拟模型输出所述内涝黑点的分段内涝积水模拟值，并根据所述分段内涝积水模拟值之和确定所述内涝黑点的内涝模拟结果。

优选地，还包括：

蒸发量计算单元，用于根据所述环境监测信息中的实时温度值和实时湿度值，以及所述实时温度值、实时湿度值与降雨时段内的各个分时段的对应关系，结合预设的温湿度与单位蒸发量的对应关系，通过比对确定所述内涝黑点在各个所述分时段的单位蒸发量，并根据所述单位蒸发量计算在所述分时段内的蒸发量。

优选地，还包括：

下渗量计算单元，用于根据所述环境监测信息中的土地类型，结合预设的土地类型与土地持水量的对应关系，确定所述内涝黑点的土地持水量阈值，基于所述土地类型，结合预设的土地类型与下渗速率的对应关系，确定在各个所述分时段内的下渗速率，并根据所述下渗速率计算在所述分时段内的下渗量。

优选地，还包括：

排水量计算单元，用于根据所述环境监测信息中的积水容纳区域的实时水位和水位上限，以及所述实时水位与降雨时段内的各个分时段的对应关系，结合预设的实时水位、水位上限与积水流通速率的对应关系，通过比对确定在各个所述分时段内的积水流通速率，并根据所述积水流通速率计算在所述分时段内的排水量。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请提供了一种城市内涝黑点的内涝模拟方法及装置，其中方法包括：根据获取到的降雨量与自然消耗雨量的差值，得到净降雨量，其中所述自然消耗雨量为根据内涝黑点的环境监测信息，结合历史降雨监测数据计算得到的，包括：蒸发量、下渗量和排水量；将所述净降雨量输入至内涝积水模拟模型，使得所述内涝积水模拟模型输出所述内涝黑点的内涝积水模拟值，以根据内涝积水模拟值确定所述内涝黑点的内涝模拟结果，其中所述内涝积水模拟模型为根据所述历史降雨监测数据中的历史净降雨量和历史内涝积水结果训练得到的。

本申请利用环境数据传感监测技术，根据采集的环境监测信息，结合历史降雨监测数据，建立净降雨量-内涝积水对应关系，使得后续实施内涝模拟时，只需要根据实际雨量，结合该净降雨量-内涝积水的关系模型，即可通过已知降雨推算出对应内涝模拟结果，建模过程无需利用地形、高程和排水管网等基础数据，解决了现有的城市内涝仿真模存在基础资料依赖性强、计算效率低和适用性差的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请提供的一种城市内涝黑点的内涝模拟方法的第一个实施例的流程示意图；

图2为本申请提供的一种城市内涝黑点的内涝模拟方法的第二个实施例的流程示意图；

图3为本申请提供的一种城市内涝黑点的内涝模拟方法的整体逻辑流程示意图；

图4为本申请提供的一种城市内涝黑点的内涝模拟装置的第二个实施例的流程示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种城市内涝黑点的内涝模拟方法及装置，用于解决现有的城市内涝仿真模存在基础资料依赖性强、计算效率低和适用性差的技术问题。

为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，本申请第一个实施例提供了一种城市内涝黑点的内涝模拟方法，包括：

步骤101、根据获取到的降雨量与自然消耗雨量的差值，得到净降雨量，其中自然消耗雨量为根据内涝黑点的环境监测信息，结合历史降雨监测数据计算得到的，包括：蒸发量、下渗量和排水量。

需要说明的是，本申请中的降雨量可以是由当地气象部门预测的降雨量数据或测出的实时降雨量，然后通过从当地气象部门获取这些数据，以便实施本申请的方法。

而自然消耗雨量就是用于量化该内涝黑点内涝消化能力的数据，具体包括有蒸发量、下渗量以及排水量三个方面，而降雨量与自然消耗雨量以及净降雨量三者的关系，可以理解为当获得的降雨量数据大于该自然消耗雨量时，说明降雨量超出该内涝黑点的内涝消化能力，而超出其内涝消化能力的这部分雨量，即为本申请中提及净降雨量。

步骤102、将净降雨量输入至内涝积水模拟模型，使得内涝积水模拟模型输出内涝黑点的内涝积水模拟值，以根据内涝积水模拟值确定内涝黑点的内涝模拟结果，其中，内涝积水模拟模型为根据历史降雨监测数据中的历史净降雨量和历史内涝积水结果训练得到的。

然后紧接着上述的步骤101，基于上一步骤计算得到的净降雨量，将其输入至训练好的内涝积水模拟模型中，由该内涝积水模拟模型基于输入的净降雨量进行运算输出相应的内涝积水模拟值，以根据内涝积水模拟值确定内涝黑点的内涝模拟结果。

本申请基于环境数据传感监测技术，根据布置在内涝黑点现场的传感设备，采集相应的环境监测信息，结合历史降雨监测数据，建立净降雨量-内涝积水对应关系，使得后续实施内涝模拟时，只需要根据实际雨量，结合该净降雨量-内涝积水的关系模型，即可通过已知降雨推算出对应内涝模拟结果，建模过程无需利用地形、高程和排水管网等基础数据，解决了现有的城市内涝仿真模存在基础资料依赖性强、计算效率低和适用性差的技术问题。

以上为本申请提供的一种城市内涝黑点的内涝模拟方法的第一个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种城市内涝黑点的内涝模拟方法的第二个实施例的详细说明。

请参阅图2和图3，本申请第二个实施例提供了一种城市内涝黑点的内涝模拟方法，包括：

步骤201、根据获取到的实时降雨量与自然消耗雨量的差值，得到分段净降雨量，其中自然消耗雨量为根据内涝黑点与降雨时段内的各个分时段对应的环境监测信息，结合历史降雨监测数据计算得到的，包括：蒸发量、下渗量和排水量。

其中，自然消耗雨量中的蒸发量，其计算过程具体包括：

根据环境监测信息中的实时温度值和实时湿度值，以及实时温度值、实时湿度值与降雨时段内的各个分时段的对应关系，结合预设的温湿度与单位蒸发量的对应关系，通过比对确定内涝黑点在各个分时段的单位蒸发量，并根据单位蒸发量计算在分时段内的蒸发量。

蒸发量主要与温度、湿度有关，因此可以通过降雨过程对应时刻的温度、湿度数据大体确定蒸发值的取值范围。而蒸发的扣除方式根据在降雨过程中每个时刻都产生一定量的蒸发值，因此在降雨过程的每个时刻降雨量依次扣除对应蒸发值。

蒸发因子对降雨过程的扣除/增加方式：降雨过程从开始到结束的每个时刻都减去一个蒸发值，当出现负值则归零。

更具体地，自然消耗雨量中的下渗量，其计算过程具体包括：

根据环境监测信息中的土地类型，结合预设的土地类型与土地持水量的对应关系，确定内涝黑点的土地持水量阈值；

基于土地类型，结合预设的土地类型与下渗速率的对应关系，确定在各个分时段内的下渗速率，并根据下渗速率计算在分时段内的下渗量。

下渗量主要取决于内涝点附近区域地块的可持水量及降雨发生时刻的土壤饱和度，可以利用土地利用数据大体估计可持水量，并由前期降雨数据估算土壤饱和度，最终确定下渗值的阈值。下渗值的扣除方法为在降雨过程从开始时刻起扣除。

下渗因子对降雨过程的扣除/增加方式：从降雨过程的第一个时刻的时段雨量开始依次减下渗量，直到将下渗量减为零。

更具体地，自然消耗雨量中的排水量的计算过程具体包括：

根据环境监测信息中的积水容纳区域的实时水位和水位上限，以及实时水位与降雨时段内的各个分时段的对应关系，结合预设的实时水位、水位上限与积水流通速率的对应关系，通过比对确定在各个分时段内的积水流通速率，并根据积水流通速率计算在分时段内的排水量。

排水主要分为排水管网排水与地面排水两部分，排水管网排水能力可以通过获取排水管网管径数据估算，地面排水能力可以通过坡度以及道路属性估算，两者相合决定排水值的阈值。排水值的扣除方法为在降雨量满足下渗后，之后的降雨过程的每个时刻值都扣除相应排水值。

排水因子对降雨过程的扣除/增加方式：降雨过程从开始到结束的每个时刻都减掉排水量。

积水容纳区域(如河涌、湖泊、河道等)的水位主要影响内涝点的排水，随着河涌实时水位的升高到一定程度时，水流的势能将会不断减弱，而当河涌水位漫过内涝点排水口的高程时，积水将无法排出。

因此，积水容纳区域因子对降雨过程的扣除/增加方式：当河涌水位高于排水管网出水口时，排水降为0。

步骤202、将分段净降雨量依次输入至内涝积水模拟模型，使得内涝积水模拟模型输出内涝黑点的分段内涝积水模拟值，并根据分段内涝积水模拟值之和确定内涝黑点的内涝模拟结果。

降雨过程通过上述因子的扣除/增加后称为净雨过程，搜索净雨过程的第一个大于0的值开始向后加和得到累计净雨过程，累计净雨过程如出现负值则归0，最大加和值为最大积水深度所对应的累计净雨最大值，最大加和值出现时间为最大积水深度出现，累计净雨过程第一个大于0的时刻为积水出现时刻，最后一个不为0的时刻的下一刻为积水消失时刻

以上为本申请提供的一种城市内涝黑点的内涝模拟方法的第二个实施例的详细说明，此实施例基于与第一个实施例相同的技术构思，进一步考虑了降雨过程的各个变量的动态变化，提出了一个具有更高实用价值的实施方式，而下面提供的，则是与上述第一个实施例及第二个实施例提供的方法一一对应的一种城市内涝黑点的内涝模拟装置的一个实施例的详细说明。

请参阅图4，本申请第三个实施例提供了一种城市内涝黑点的内涝模拟装置，包括：

净降雨量计算单元401，用于根据获取到的降雨量与自然消耗雨量的差值，得到净降雨量，其中自然消耗雨量为根据内涝黑点的环境监测信息，结合历史降雨监测数据计算得到的，包括：蒸发量、下渗量和排水量；

内涝模拟单元402，用于将净降雨量输入至内涝积水模拟模型，使得内涝积水模拟模型输出内涝黑点的内涝积水模拟值，以根据内涝积水模拟值确定内涝黑点的内涝模拟结果，其中内涝积水模拟模型为根据历史降雨监测数据中的历史净降雨量和历史内涝积水结果训练得到的。

更具体地，净降雨量计算单元401具体用于：

根据获取到的实时降雨量与自然消耗雨量的差值，得到分段净降雨量，其中自然消耗雨量为根据内涝黑点与降雨时段内的各个分时段对应的环境监测信息，结合历史降雨监测数据计算得到的；

内涝模拟单元402具体用于：

将分段净降雨量依次输入至内涝积水模拟模型，使得内涝积水模拟模型输出内涝黑点的分段内涝积水模拟值，并根据分段内涝积水模拟值之和确定内涝黑点的内涝模拟结果。

更具体地，还包括：

蒸发量计算单元403，用于根据环境监测信息中的实时温度值和实时湿度值，以及实时温度值、实时湿度值与降雨时段内的各个分时段的对应关系，结合预设的温湿度与单位蒸发量的对应关系，通过比对确定内涝黑点在各个分时段的单位蒸发量，并根据单位蒸发量计算在分时段内的蒸发量。

更具体地，还包括：

下渗量计算单元404，用于根据环境监测信息中的土地类型，结合预设的土地类型与土地持水量的对应关系，确定内涝黑点的土地持水量阈值，基于土地类型，结合预设的土地类型与下渗速率的对应关系，确定在各个分时段内的下渗速率，并根据下渗速率计算在分时段内的下渗量。

更具体地，还包括：

排水量计算单元405，用于根据环境监测信息中的积水容纳区域的实时水位和水位上限，以及实时水位与降雨时段内的各个分时段的对应关系，结合预设的实时水位、水位上限与积水流通速率的对应关系，通过比对确定在各个分时段内的积水流通速率，并根据积水流通速率计算在分时段内的排水量。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。