城市雨水管网模型参数优化及应用研究

摘要

在城市内涝灾害频发和海绵城市建设的大背景下，城市雨洪模型逐渐成为一种有效的雨水管理手段，意在为解决好城市雨水排水的本质——雨水的空间分配问题出谋划策。然而，人们在应用时缺乏相应的模型校核，致使模拟结果与实际情况出现较大偏差，参数优化率定作为其应用准确性和可靠性的关键性问题近年来受到越来越多的重视。本文基于众多城市雨水管网模型软件一维模拟内核SWMM模型和参数识别最优化思想，对其水文水力模块参数自动优化问题进行了系统研究。
　　基于 SWMM模型对城市雨水管网数学模型组成及其模拟原理进行了详细介绍。在系统研究了SWMM模型水文水力参数取值范围的基础上，以C市某区雨水管网为例，采用修正的Morris筛选法对14个参数进行了局部灵敏度分析，得到了各参数对不同目标变量（径流总量、峰值流量、排放口水力负荷）的灵敏度分布及其稳定性分析结果。并引入子排水区面积和不渗透率修正系数最终确定了10个优化参数集合。
　　研究了自适应混沌粒子群优化算法（ACPSO）。引入按指数函数非线性递减的自适应惯性权重及逻辑自映射混沌搜索技术对标准粒子群算法（SPSO）进行了组合改进。采用三个经典的 Benchmark问题对其进行的性能测试表明：该算法能有效摆脱早熟收敛，收敛性能及稳定性能均得到加强，可用于参数优化研究。
　　研究了SWMM模型参数优化问题。采用C语言二次开发了共10个外部API函数用于本文研究。以水位和流量为匹配对象构建了SWMM参数优化数学模型，并用ACPSO算法对其进行了求解。结果表明：用于优化和验证的场次降雨中，两个目标变量的纳什效率系数（NSE）均在0.70以上，峰值流量相对误差绝对值均在10%以内，内涝溢流验证结果也与实际基本吻合，经过参数优化的SWMM模型准确性和可靠性令人满意。
　　作为城市雨水管网模型的应用，基于以上研究结果开展了 C式某区管网运行性能评估。其雨水管网整体达标率为57.69%（满足设计重现期P?2a及以上），但与之相对的系统整体耐受度达到98.73%，说明了在该区域进行海绵城市开发建设的必要性和可行性。

目录

第1章 绪论

1.1 课题来源、研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3课题研究的内容和技术路线

第2章 雨水管网模型基础

2.1 引言

2.2 SWMM模型组成及原理

2.3本章小结

第3章 雨水管网模型参数识别及优化参数确定

3.1引言

3.2 SWMM模型水文水力参数取值范围确定

3.3雨水管网模型的不确定性

3.4雨水管网模型参数灵敏度分析方法

3.5 SWMM模型参数灵敏度分析

3.6本章小结

第4章 雨水管网模型参数优化方法的建立

4.1引言

4.2参数优化算法研究

4.3 SWMM二次开发研究

4.4参数优化数学模型的构建

4.5本章小结

第5章 雨水管网模型参数优化及应用实例

5.1引言

5.2研究区域概况

5.3研究区域雨水管网SWMM模型构建

5.4参数优化结果及分析

5.5雨水管网模型应用

5.6本章小结

结论与建议

结论

建议

参考文献

附录Ⅰ 开发用于本文研究的部分源程序

声明

致谢