一种计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法

1.本发明涉及水利水电技术领域，特别是涉及一种计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法。


背景技术：

2.堤防作为河流防洪减灾体系工程中的重要组成部分，在我国水利事业的发展过程中取得了突出的成就。但很多工程就近取土，堤基和填筑质量差，且防洪标准偏低，在洪水条件下易发生溃堤，给防护区人民群众的生命、财产安全造成了很大的威胁。而且近年来，随着全球气候变化，极端降雨事件频发，给江河堤防的安全带来更大的风险，溃堤事件时有发生。
3.当前应对洪水溃堤风险的管理措施主要包括工程措施和非工程措施两类。工程措施对堤防工程进行除险加固或提高防洪标准，但是由于技术和经济等原因，大规模修建高标准堤防具有很大的难度。非工程措施主要包括洪泛区管理、洪水预报警报、洪水保险以及洪水风险图等，在堤防风险管控中可起到事半功倍的作用。然而作为非工程措施中非常重要的内容之一，目前关于风险人口在溃堤状况下应急避难转移的研究尚不够成熟：一是如何确定出溃堤洪水作用下的风险区域，确定出较为准确的避难风险人口；二是如何建立完善的指标体系和评价方法，构建出能够有效容纳溃堤风险人口的避难场所；三是如何规划出科学的避险转移路径，以确保风险人口的快速转移。
4.因此，作为一种低概率高损失的事故，溃堤风险的评估及管控应引起更大的重视。


技术实现要素：

5.本发明改善了现有技术中针对溃堤洪水应急避险转移过程中的避难选址优化和路径规划难点的问题，提供一种应急抢险效率、应急防汛决策能力和水平较高的计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法。
6.本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下步骤的计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法：含有以下步骤：
7.步骤1、构建溃堤洪水数值模拟模型；
8.步骤2、避险转移撤离单元和人数分析；
9.步骤3、评价指标选取原则及指标体系构建；
10.步骤4、基于除法集成法的组合赋权；
11.步骤5、基于topsis的避难选址综合赋分模型；
12.步骤6、构建避险转移路径优化模型。
13.优选地，所述步骤1含有以下步骤，
14.步骤1.1、选取多次发生溃堤的堤防保护区，利用arcmap、globalmapper及autocad相关软件对研究区dem数据进行预处理，得到mkie21需要的散点数据(.xyz)；
15.步骤1.2、用mike 21模型中的fm非结构化网格，采用单元中心的有限体积法数值
模拟，计算区域采用不规则三角形网格，利用mike中mesh genrrator模块进行网格剖分，经网格生成、调整及插值制作，得到堤防保护区地形网格剖分；
16.步骤1.3、根据圩堤内模型的糙率和圩堤内土地的利用数据，运用mesh generator结合1.2步中制作的地形网格进行插值处理，绘制出研究区糙率云图；
17.步骤1.4、对模型参数率定，模型参数包括溃口选取、模拟时间和时间步长、边界条件和涡粘系数；
18.步骤1.5、结合1.1步至1.4步的操作结果，利用流体模拟软件mike进行堤防溃堤洪水数值模拟，得到发生历史特大洪水时保护区的基础水情数据，如洪水淹没范围、到达时间和最大流速。
19.优选地，所述步骤2中结合淹没水情数据和人口密度数据，利用地理空间分析工具arcgis，分析处理出溃堤洪水避险转移撤离单元和人数。
20.优选地，所述步骤3中依据安全性、可达性、有效性三个指标选取原则对应急避难场所评价指标进行选取，并构建堤防保护区溃堤洪水避难选址评价指标体系，该体系包括的评价指标含有与地质灾害点距离、与加油站距离、与天然气服务站距离、坡度、与医疗、消防、公安和水源距离、道路服务水平、认知能力和服务人口能力。
21.优选地，所述步骤4含有以下步骤，
22.步骤4.1、使用层次分析法和熵权法分别得到评价指标的主观权重向量ω
ahp
和客观权重ω
ewm
；
23.步骤4.2、依据除法集成法进行主客观权重的优化组合，目标函数如下式，
[0024][0025]
式中：ω为组合权重，ω
ahp
为层次分析法计算权重，ω
ewm
为熵权法计算权重。
[0026]
优选地，所述步骤5中topsis法通过矩阵初始化和标准化处理，结合组合权重构建决策加权矩阵，定义正、负理想解，计算各选址方案与正理想解和负理想解间的距离及相对贴进度，根据相对贴进度的大小对选址方案进行优劣排序，最终从拟定选址方案中选取最佳方案。
[0027]
优选地，所述所述步骤6含有以下步骤，
[0028]
步骤6.1、基于dijkstra算法最短距离路径寻优模型
[0029]
6.1.1、假设研究区路网结构，分别记初始节点c0，其余节点为ci，各节点之间的最短距离为d(i-1,i)；增设集合u和集合v，集合u表示已求解出的最短路径的节点，初始时为空集，集合v表示剩余待求解最短路径的节点；
[0030]
6.1.2、构建一个邻接矩阵c，用以储存6.1.1步中的路网信息；
[0031]
6.1.3、初始计算开始，即从c1出发，将c1放入集合u中，此时u＝{c0}，v＝{c1,c
i-1
,ci,}；计算集合u
→
集合v的所有路径距离，标记出最短路径c0→
c1，最短路径距离d
min
；
[0032]
6.1.4、将6.1.3步中挑选的最近节点c1放入集合u中，此时u＝{c0,c1}，v＝{c
i-1
,ci,}；计算集合u
→
集合v的所有路径距离，标记出最短路径c1→ci-1
，最短路径距离d
min
；
[0033]
6.1.5、依次循环6.1.4步操作，检查集合v是否为空集，如果不为空，继续循环，如果为空集，则结束计算，进而筛选出撤离单元至选址方案的静态路径距离；
[0034]
步骤6.2、基于改进dijkstra算法最短时间路径寻优模型
[0035]
6.2.1、路权赋值原理，由dijkstra算法原理结合实时交通状况对撤离单元和避难场所中间的道路网进行时间赋权，即确定道路时间权重，而路权的确定用描述道路上车辆的费用或时间与道路交通状况关系的路阻函数进行分析确定，研究结合dijkstra算法原理和选取合适的路阻函数，对溃堤避险转移灾民所要花费的最短时间路径进行细致的评估；
[0036]
6.2.2、路阻函数参数修正，选取conical函数，对研究区道路网进行时间权重赋值，如下式，
[0037][0038]
式中：tm为路段m的交通流量为xm时行程时间；t0为路段m交通量为0或者是极小时的自由流时间；xm为路段m的交通流量；cm为路段m的实际通行能力；α和β为待标定的常数，α＝(2β-1)(2β-2)，β大于1，引入行人干扰影响系数γ1、道路弯曲程度影响系数γ2和道路宽度影响系数γ3对式中t0进行修正，行人干扰影响系数γ1根据行人干扰影响从重到轻的取值范围为0.5-1，道路弯曲程度影响系数γ2根据道路弯曲程度从高到低的取值范围为0.7-1，道路宽度影响系数γ3根据道路宽度影响从窄到宽的取值范围为0.5-1.3，并考虑道路的交通量达到最大服务交通量、通行能力满足基准通行能力的情况，对实际道路负荷度xm/cm进行修正；
[0039]
6.2.3、最短时间寻优，将6.2.2步中计算得到的路段路阻，替换步骤6.1中的各节点距离权值，即可计算出撤离单元至选址方案的动态时间路径；
[0040]
步骤6.3、基于gis溃堤洪水避险转移路径可视化，在步骤6.1和步骤6.2中模型原理基础上，结合gis对研究区道路网络进行拓扑分析和构建，进而计算绘制出撤离单元至选址方案的最短距离和动态时间。
[0041]
与现有技术相比，本发明计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法具有以下优点：构建工程措施和非工程措施相结合的综合防灾体系，可有效降低事故损失。因此在通过工程措施避免洪灾发生的同时，分析堤防保护区溃堤洪水演进情况，致力于堤防溃堤后的避难选址规划和路径规划研究，对提高应急抢险效率，提升应急防汛决策能力和水平，增强堤防工程防洪安全保障能力，以降低潜在溃堤损失，具有重要的科学意义。
[0042]
选取曾多次发生溃堤的江西抚河唱凯堤堤防保护区为例，利用成熟的商业化流体模拟软件mike进行堤防溃堤洪水数值模拟，得到发生历史特大洪水时保护区的基础水情数据，如洪水淹没范围、到达时间和最大流速等。结合洪水淹没范围和最大流速，并利用gis图层叠加和空间分析功能对保护区的需转移单元和转移人数进行确定，为后续避难场所选址和路径规划奠定基础。
附图说明
[0043]
图1是本发明的工作流程示意图；
[0044]
图2是本发明中避难选址评价指标体系示意图；
[0045]
图3是本发明中的有向带权示意图；
[0046]
图4是本发明中避险转移道路网络的简化示意图。
具体实施方式
[0047]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0048]
下面结合附图和具体实施方式对本发明计算溃堤紧急避难选址优化方案及路径规划的方法作进一步说明：本实施例中首先构建溃堤洪水数值模拟模型，采用商业化软件mike 21进行溃堤洪水淹没特性数据提取，利用空间处理gis技术求解出圩堤内撤离单元和撤离人数；其次建立溃堤洪水避难选址评价指标体系，采用层次分析法(ahp)计算主观权重，熵权法(ewm)计算客观权重，基于除法集成法讲主客观权重优化重组；然后引入可靠的方案比选方法—topsis，构建了溃堤洪水避难选址模型，对淹没范围外初选选址方案进行了优劣排序，初步确定了溃堤洪水避难位置；最终基于dijkstra算法和路阻函数耦合方法，结合gis实现了溃堤洪水避险转移静态距离和动态时间路径规划。
[0049]
为解决上述技术问题，本发明所采取的具体技术方案如下：
[0050]
步骤一、构建溃堤洪水数值模拟模型
[0051]
选取曾多次发生溃堤的江西抚河唱凯堤堤防保护区为例，利用成熟的商业化流体模拟软件mike进行堤防溃堤洪水数值模拟，得到发生历史特大洪水时保护区的基础水情数据，如洪水淹没范围、到达时间和最大流速等。
[0052]
(1)模型数据预处理
[0053]
利用arcmap、global mapper及autocad等相关软件对研究区dem数据进行预处理，得到mkie 21需要的散点数据(.xyz)。
[0054]
(2)网格剖分
[0055]
为更加精确的模拟实际地形，采用mike 21模型中的fm非结构化网格，采用单元中心的有限体积法数值模拟，计算区域采用不规则三角形网格，利用mike中mesh genrrator模块进行网格剖分，每个网格面积不超过0.1km2，此外对一些较特殊的地形地物进行加密处理，比如g316、福银高速公路等。经网格生成、调整及插值制作，得到堤防保护区地形网格剖分。
[0056]
(3)糙率云图制作
[0057]
圩堤内的糙率，鉴于缺乏实测资料，模型的糙率参考《洪水风险图编制技术细则》和《水力计算手册》给定的糙率取值范围。并结合圩堤内土地利用数据(中科院资源环境科学与数据中心与全球地表覆盖官网)，绘制出研究区糙率云图。
[0058]
(4)模型参数率定
[0059]
1)溃口选取
[0060]
溃口位置选择的影响因素众多，并且很多因素具有很强的模糊性，目前还没有一个通用的规范能对溃口位置做出准确的判断。参考已有研究，依据可能、不利和关注溃口原则，结合实地和文献调研，选取溃口。
[0061]
2)模拟时间和时间步长
[0062]
模拟时间根据溃堤真实情况，选取开始和结束时间，并且经模型多次率定计算出
时间步数和步长。
[0063]
3)边界条件
[0064]
模型边界条件主要包括开边界和干湿边界。
[0065]
开边界。选取时间—流量变化过程作为模型上边界设置条件。
[0066]
干湿边界。为保证模型计算的连续性，采用“干湿处理技术”。干湿水深分别采用系统默认值0.005m与0.1m，即当计算区域水深小于0.005m时，该计算区域记为“干”，不参加计算；当水深大于0.1m时，该计算区域记为“湿”，重新参加计算。
[0067]
4)涡粘系数
[0068]
涡粘系数分为水平和垂直涡粘系数，在二维模型中只需要考虑水平涡粘系数，可以采用1963年smagorinsky提出的表达公式，如式(1)所示。
[0069][0070]
式中：cs为常数，取值范围为0.25～1.0；l为特征长度；s
ij
为变形率。一般情况下采用常值0.28。
[0071]
5)其他
[0072]
洪水模拟中对风、浪和潮汐要求较低，且研究区此类数据缺失，故在唱凯堤堤防保护区洪水演进过程中，不进行风、浪和潮汐等的考虑。
[0073]
步骤二、避险转移撤离单元和人数分析
[0074]
根据《洪水风险图编制导则》(sl483-2017)要求，结合淹没水情数据和人口密度数据，利用地理空间分析工具gis，分析处理出溃堤洪水避险转移撤离单元和人数。
[0075]
步骤三、评价指标选取原则及指标体系
[0076]
(1)评价指标选取原则
[0077]
在研究溃堤洪水应急避难场所问题时，应该建立一个科学的评价指标体系。评价体系构建的关键就是如何选取指标，为了便于后续内容的开展，达到客观评价的目的，选取的评价指标要能够真实反映评价对象。做到涵盖全面又避免重叠，各自独立又相互联系，能够突出评价重点，形成清晰层次。因此，在进行选取应急避难场所评价指标时，结合大量的前人研究成果，并结合相应的法律法规，考虑安全性、可达性、有效性三个指标选取原则。
[0078]
(2)指标体系构建
[0079]
依据安全性、可达性、有效性选取原则，构建堤防保护区溃堤洪水避难选址评价指标体系，以尽可能达到选址点综合利用能力最强、风险最小的选址目标。主要包括与地质灾害点距离、与加油站距离、与天然气服务站距离、坡度、与医疗、消防、公安和水源距离、道路服务水平、认知能力和服务人口能力等11个评价指标，如图2所示。
[0080]
步骤四、基于除法集成法的组合赋权
[0081]
(1)使用层次分析法(ahp)和熵权法(ewm)分别得到评价指标的主观权重向量ω
ahp
和客观权重ω
ewm
。
[0082]
(2)依据除法集成法进行主客观权重的优化组合，目标函数，如式(2)所示。
[0083]
[0084]
式中：ω为组合权重，ω
ahp
为层次分析法计算权重，ω
ewm
为熵权法计算权重。
[0085]
步骤五、基于topsis的避难选址综合赋分模型
[0086]
topsis法是一种常用的多属性决策方法，通过构建决策加权矩阵，定义正、负理想解，计算各选址方案与正理想解和负理想解间的距离及相对贴进度，根据相对贴进度的大小对选址方案进行优劣排序。通过组合权重法讲主客观权重耦合，并基于topsis决策方法从拟定选址方案中选取最佳方案。
[0087]
步骤六、构建避险转移路径优化模型
[0088]
(1)基于dijkstra算法最短距离路径寻优模型
[0089]
1)假设研究区路网结构，如图3所示，分别记初始节点c0，其余节点为ci，各节点之间的最短距离为d
(i-1,i)
；增设集合u和集合v，集合u表示已求解出的最短路径的节点(初始时为空集)，集合v表示剩余待求解最短路径的节点。
[0090]
2)构建一个邻接矩阵c，用以储存图3的信息，如表1所示。
[0091]
表1邻接矩阵信息表
[0092]
cc0c1c
i-1ci
c00d
(0,1)d(0,i-1)d(0,i)
c1∞0d
(1,i-1)d(1,i)ci-1
∞∞0d
(i-1,i)ci
∞∞∞0
[0093]
3)初始计算开始，即从c1出发，将c1放入集合u中，此时u＝{c0}，v＝{c1,c
i-1
,ci,}；计算集合u
→
集合v的所有路径距离，标记出最短路径c0→
c1，最短路径距离d
min
。
[0094]
4)将第三步中挑选的最近节点c1放入集合u中，此时u＝{c0,c1}，v＝{c
i-1
,ci,}；计算集合u
→
集合v的所有路径距离，标记出最短路径c1→ci-1
，最短路径距离d
min
。
[0095]
5)依次循环第四步操作，检查集合v是否为空集，如果不为空，继续循环，如果为空集，则结束计算。进而筛选出撤离单元至选址方案的静态路径距离。
[0096]
(2)基于改进dijkstra算法最短时间路径寻优模型
[0097]
1)路权赋值原理。由dijkstra算法原理可知，仅需要结合实时交通状况对撤离单元和避难场所中间的道路网进行时间的赋权，即确定道路时间权重。而路权的确定可以用描述道路上车辆的费用(或时间)与道路交通状况关系的路阻函数进行分析确定。因此研究结合dijkstra算法原理和选取合适的路阻函数，对溃堤避险转移灾民所要花费的最短时间路径进行细致的评估。
[0098]
2)路阻函数参数修正。选取形式较为简单、应用普遍的conical函数，对研究区道路网进行时间权重赋值，如式(3)所示。
[0099][0100]
式中：tm为路段m的交通流量为xm时行程时间；t0为路段m交通量为0或者是极小时的自由流时间；xm为路段m的交通流量；cm为路段m的实际通行能力；α和β为待标定的常数，α＝(2β-1)(2β-2)，β大于1，参考已有研究对其修正；参考《公路工程技术标准》(jtb-2014)和已有研究引入行人干扰影响系数γ1、道路弯曲程度影响系数γ2和道路宽度影响系数γ3对式中t0进行修正，见表1-表3；在避险转移规划理论计算过程中，我们应该考虑最不利的情
况，即道路的交通量达到最大服务交通量、通行能力满足基准通行能力的情况，对实际道路负荷度xm/cm进行修正。
[0101]
表1行人干扰影响系数γ1[0102]
相对干扰程度很严重严重较严重一般很小无干扰γ10.50.60.70.80.91.0
[0103]
表2道路弯曲程度影响系数γ2[0104]
弯曲程度高度弯曲中度弯曲低度弯曲γ20.7～0.80.8～0.90.9～1.0
[0105]
表3道路宽度影响系数γ3[0106]
道路宽度(m)影响系数γ3道路宽度(m)影响系数γ32.50.504.51.203.00.755.01.263.51.005.51.264.01.116.01.30
[0107]
进一步对式(3)中各参数进行分析标定。
[0108]
3)简化模型和计算步骤，同步骤六(1)基本一致，其主要区别就是路权赋值属性不同，前者是距离属性，后者是时间属性。避险转移道路网络简化，如图4所示。
[0109]
(3)基于gis溃堤洪水避险转移路径可视化
[0110]
在(1)和(2)模型原理基础上，结合gis对研究区道路网络进行拓扑分析和构建，进而计算绘制出撤离单元至选址方案的最短距离和动态时间。
[0111]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。