一种城市暴雨内涝演化韧性的动态贝叶斯网络评估方法

本发明属于海绵城市建设，具体涉及一种海绵城市暴雨内涝演化韧性的动态贝叶斯网络(dynamic bayesian network，dbn)评估方法。

背景技术：

1、进入21世纪以来，全球气候变化异常，极端天气频发，城镇化高速发展，城市暴雨内涝灾害问题突出，迫切需要提高城市抗洪能力。海绵城市系统韧性是指城市在发生暴雨灾害等环境变化时调整其活动以保留其基本功能的能力，被广泛用于分析、理解和提高城市对灾害的应对。尽管对韧性的概念内涵和外延的研究十分丰富，但定量研究却相当匮乏。现有的韧性评估方法主要可分为三类：一是基于洪水韧性指数的韧性分析，强调系统内的动态演变；二是指标体系法，进行海绵城市内涝韧性静态分析；这二者很难充分考虑城市系统各组成部分之间的反馈效应和系统性相互作用。三是基于智能算法的韧性评估，但海绵城市内涝韧性量化需要以前灾害损失的一些信息，基于智能算法的韧性评估可能会在分析过程中带来不确定性。海绵城市暴雨内涝演化韧性系统由多个指标组成，这些指标以高度复杂的交互模式参与全局状态，同时在韧性演变过程中指标随时间状态变化现象显著，是一个多维的动态过程。尽管仔细考虑了多维因素，但当前的方法仍然更多地关注静态的物理设施，缺乏基于过程的韧性考虑；或是当前的动态分析难以处理多维系统中大量指标的系统性互动作用。因此，发展动态的、系统性互动的城市韧性评估工具是一个持续而紧迫的挑战。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明针对海绵城市暴雨内涝演化韧性评估在进行动态评估和考虑大量指标系统性互动的局限性，提供了一种城市暴雨内涝演化韧性的动态贝叶斯网络评估方法，目的在于结合国内外韧性指标选取指南及研究区特点确定综合韧性指标，将韧性评估按照次暴雨内涝过程划分为次暴雨初始、洪水中与恢复三个阶段，形成基于次暴雨初始、洪水中与恢复阶段的灾害、社会、经济、环境、基础设施综合韧性指标，并充分考虑指标在洪水演变过程中的动态性和复杂的交互关系，以实现科学定量指导、提升暴雨内涝过程的海绵城市韧性。

2、为了实现上述目的，本发明的具体方案如下：

3、一种城市暴雨内涝演化韧性的动态贝叶斯网络评估方法，包括如下步骤：

4、s1，收集暴雨内涝演化的韧性动态指标和韧性静态指标，获取基于次暴雨初始、洪水中与恢复阶段的灾害、社会、经济、环境、基础设施的综合韧性指标；

5、s2，建立综合韧性指标的dbn拓扑关系；

6、s3，分别计算综合韧性指标的dbn先验概率和权重，并组合综合韧性指标的dbn先验概率和权重计算综合韧性指标的dbn条件概率，确定动态韧性指标阈值，获取动态韧性指标的时变证据，形成dbn输入数据；

7、s4，基于综合韧性指标、dbn拓扑关系和dbn输入数据构建dbn，形成城市暴雨内涝演化时变总韧性图，从动态的角度分析应对暴雨内涝的次暴雨初始、洪水中与恢复阶段韧性的演化过程，识别韧性变化的临界阈值。

8、进一步地，步骤s1所述获取基于次暴雨初始、洪水中与恢复阶段的灾害、社会、经济、环境、基础设施的综合韧性指标步骤如下：

9、步骤11，采用城市暴雨强度公式计算各重现期设计暴雨，采用芝加哥雨型进行降雨时程分配，将研究区划分子汇水分区，通过arcgis软件获取与处理研究区现状水平年的水文气象、下垫面土地利用、数字高程模型、排水管网、节点及路网基础设施数据的综合信息，获取swmm模型建模参数，完成对研究区0.25a-100a重现期次暴雨的swmm模型降雨径流模拟；

10、步骤12，将步骤11所述研究区0.25a-100a重现期次暴雨的swmm模型降雨径流模拟结果整理成.ascii、.par、.bci和.bdy文件，完成swmm模型和lisflood-fp模型的耦合建模，构建成基于次暴雨的swmm-lisflood模型，以收集研究区的城市现状水平年在初始、洪水中与恢复阶段随暴雨内涝演化的动态韧性指标；

11、步骤13，基于统计年鉴、高德地图api检索数据收集并选取统计研究区现状水平年在承载、适应和恢复阶段的静态韧性指标；

12、步骤14，结合步骤12和步骤13最终获得研究区现状水平年基于次暴雨的初始、洪水中与恢复阶段的灾害、社会、经济、环境、基础设施的综合韧性指标。

13、进一步地，步骤s2所述建立综合韧性指标的dbn拓扑关系，采用dematel-ism法结合专家经验，其步骤如下：

14、步骤21，确定比较综合韧性指标xi对指标xj的直接影响矩阵a，并通过归一化原始关系得到规范直接影响矩阵b；分别计算综合影响矩阵t、各指标的影响度di、被影响度ci、中心度mi和原因度ri；

15、步骤22，综合影响矩阵t加上单位矩阵i构成确定整体影响矩阵e，引入阈值λ处理矩阵e中的元素，计算可达矩阵f；

16、步骤23，计算可达级r(xi)和先行集s(xi)，若可达级r(xi)和先行集s(xi)满足r(xi)∩s(xi)＝r(xi)时，表示可达级r(xi)中对应的综合韧性指标xi均能在先行集s(xi)中找到前因，所述综合韧性指标xi为位于高层级的指标，划去可达矩阵中相应的行和列，再从剩余的矩阵中抽取最高级的指标，循环此过程，直至所有的行和列均被划除，并根据指标被划除的顺序，结合专家意见形成dbn拓扑关系。

17、进一步地，步骤s21中所述直接影响矩阵a的公式如下：

18、

19、所述规范直接影响矩阵b的公式如下：

20、

21、式中：指标xij(i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，n；i≠j)表示指标xi对xj的直接影响；若i＝j，则xij＝0；

22、所述综合影响矩阵t的公式如下：

23、t＝b(i-b)-1

24、式中：i为单位矩阵；

25、所述各指标的影响度di、被影响度ci、中心度mi和原因度ri的计算公式分别如下；

26、

27、

28、mi＝di+ci

29、ri＝di-ci

30、式中：影响度di为t中各行值之和；被影响度ci为t中各列值之和；

31、步骤s22中所述确定整体影响矩阵e的计算公式为：

32、e＝[eij]n×n＝i+t

33、式中：eij表示综合韧性指标xi对综合韧性指标xj的影响程度；

34、所述可达矩阵f需引入阈值λ对矩阵e中的元素进行处理，取值由专家根据实际情况而定，计算公式为：

35、f＝[fij]n×n，

36、

37、式中：fij是可达矩阵f中的一个元素，位于第i行和第j列；

38、步骤s23中所述可达级r(xi)通过可达矩阵f的第i行上的值为1的列对应的因素求得，公式为：

39、r(xi)＝{xi|fij＝1}，

40、所述先行集s(xi)通过可达矩阵f的第i列上的值为1的列对应的因素求得，公式为：

41、s(xi)＝{xi|fij＝1}，

42、式中：fij是可达矩阵f中的元素。

43、进一步地，步骤s3所述综合韧性指标的dbn先验概率采用截断正态分布法计算，计算公式为：

44、xi:(fit～tnorm)～(μ＝a,σ2＝b,ub＝max(xi),lb＝min(xi))

45、式中：μ、σ2、ub与lb分别表示综合韧性指标xi所有统计数据的平均值、方差、最大值与最小值。

46、进一步地，步骤s3所述综合韧性指标权重采用熵权法计算，其包括如下步骤：

47、s31，先构建综合韧性指标原始数据矩阵x，对综合韧性指标xi进行积极和消极属性划分；

48、s32，采用极值法计算积极综合韧性指标准化值vij和消极综合韧性指标准化值vij'；

49、s33，计算第j项指标的熵值ej，各指标权重wj。

50、进一步地，所述的综合韧性指标原始数据矩阵x如下：

51、x＝(xij)m×n

52、式中：xij表示第i个子汇水区在第j个指标的值，m表示子汇水区数量，n表示综合韧性指标数量；

53、所述的积极综合韧性指标准化值vij公式如下：

54、

55、所述的消极综合韧性指标准化值vij'公式如下：

56、

57、式中：vij和vij'均表示第i个子汇水区在第j个指标上的标准值；

58、所述的第j项指标的熵值ej计算公式如下：

59、

60、所述的各指标权重wj计算公式如下：

61、

62、进一步地，步骤s3所述综合韧性指标的dbn条件概率的计算公式如下：

63、

64、式中：r表示在特定综合韧性指标组合下的综合韧性指标韧性条件概率；n表示在特定综合韧性指标组合下的综合韧性指标非韧性条件概率，计算为1-r；wtrl是第l个综合韧性指标在组合中的r状态权重；l为组合中综合韧性指标处于r状态的个数；prl是第l个综合韧性指标在组合中的韧性先验概率；wtnq第q个综合韧性指标在组合中的n状态权重，q为组合中综合韧性指标处于n状态的个数；pnq是第q个综合韧性指标在组合中的非韧性先验概率。

65、本发明的优点

66、本发明的城市暴雨内涝演化韧性的动态贝叶斯网络评估方法涉及全域化海绵城市韧性评估中的水文水动力学机理，结合国内外韧性指标选取指南及研究区特点确定综合韧性指标，将韧性评估按照次暴雨内涝过程划分为次暴雨初始、洪水中与恢复三个阶段，形成基于次暴雨初始、洪水中与恢复阶段的灾害、社会、经济、环境、基础设施综合韧性指标，考虑了综合韧性指标在次暴雨初始、洪水中与恢复阶段洪水演变过程中的复杂交互关系，形成了城市暴雨内涝演化时变总韧性图，实现了科学定量指导、提升暴雨内涝过程的海绵城市韧性，具有科学定量指导、提升海绵城市应对暴雨内涝过程的韧性作用。