[发明专利]一种用于定量海绵效应的径流频谱相似度计算方法及其应用

说明书

本发明提供一种用于定量海绵效应的径流频谱相似度计算方法，包括以下步骤：获取长时间序列的径流量日值数据，生成径流频谱矩阵以表征径流特征；生成具有分别代表自然地貌和海绵城市的X矩阵和Y矩阵的径流频谱图，反映径流特征的差异；不计算图形相似，直接计算矩阵X和矩阵Y的相似度，将X矩阵和Y矩阵中累积频率不同的流量移动到最接近的频率位置上，使X矩阵和Y矩阵的累积频率对齐，然后计算对齐后的X矩阵和Y矩阵的相似度，根据每组可比对的差异度和水量权重计算对齐后的矩阵X和Y矩阵的相似度，它代表自然径流特征修复程度；径流频谱可以用于建设效果评价，也可以用于工程方案寻优，分别计算不同开发方案对自然径流特征的修复程度。

技术领域

本发明涉及海绵城市建设技术领域，具体涉及一种用于定量海绵效应的径流频谱相似度计算方法及其应用。

背景技术

城镇化过程产生了大量不透水面，这些不透水面破坏了自然水文条件，在降雨时阻碍雨水下渗进入土壤，导致地表径流量及径流污染物排放量大大增加，引起城市内涝和水环境质量恶化。为解决这个问题，我国提出建设海绵城市，并于 2015年开始由中央财政支持海绵城市建设试点工作。

海绵城市建设的基本内涵是通过城市规划、建设的管控，综合采取低影响开发技术措施(low impact development,LID)，有效控制城市降雨径流，最大限度减少城市开发建设行为对原有自然水文特征和水生态环境造成的破坏。海绵效应是指海绵城市建设实现的自然水文特征维系和修复效果。如何定量自然水文特征的修复程度？这个问题是海绵城市方案决策和效果评价中的一个关键问题。

解决这个问题包含了两个方面：一是如何表征水文特征，二是如何定量自然水文特征的修复程度。难点则在于水文事件具有不确定性。

不透水面的直接影响是增加了地表径流，这是其他问题的起源，因此水文特征常常用径流特征来代替。现行方法主要采用年径流总量控制率表征径流特征。所谓年径流总量控制率是指得到控制(不外排)的年均降雨量占到年均降雨总量的比率。这个方法用年径流总量控制率来表示径流特征。在技术经济可行条件下，海绵城市年径流总量控制率应该尽可能地接近自然径流总量控制率。也就是说，城市年径流总量控制率和自然径流总量控制率的接近程度反映了自然水文特征的修复程度。

年径流总量控制率是基于长时间序列的若干降雨径流事件计算得到的，它覆盖了不确定性，而且计算径流总量的方法简单易学，因此该方法在海绵城市建设早期对于推进海绵城市建设发挥了十分重要的作用。

随着对海绵城市理解的加深，该方法的不足之处逐渐显现：年径流总量控制率缺少细节，分辨率不够高。径流事件通常是以日值来记录的，一个地方的径流量在不同的日子相差可以非常大，而年径流总量控制率抹平了这些差别，它不能在天的时间分辨率上解析海绵效应，不能开展径流量日值和频率分析。

美国国家环保局(USEPA)于2013年发布了国家雨水计算器软件(NationalStormwater Calculator,EPA/600/R-13/085))，该软件提出用径流频谱来表征海绵城市径流特征。径流频谱的生成方法：将全部径流量日值按照由大到小排序，统计大于等于某个流量的累积发生次数，用累积发生次数除以分析年数得到累积超过频率，简称累积频率。以径流量日值为横坐标，以累积频率为纵坐标作图所得就是径流频谱，如说明书附图图8所示。

上图就像光谱一样，以频率顺序完成地呈现了全部径流事件，因此称为径流频谱。以图中X矩阵为例，横坐标29.2mm/d对应纵坐标2d/y，意味着发生大于等于29.2mm/d的径流事件平均每年有两次。在X矩阵上，最大径流量147.2mm/d，累积频率0.037d/y；最小径流量0.1mm/d，累积频率32.593d/y。由图可见，径流频谱完整地呈现了全部径流事件的流量、频率和它们分布规律，在天的时间分辨率上表征了径流特征。而年径流总量控制率计算的是年均径流量，和它相比，径流频谱大大提高了径流特征的解析能力。