本发明属于城市水文技术领域，具体涉及基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法及系统。
背景技术：
受城市化进程不断推进及全球气候变化影响，城市局部区域极端暴雨天气事件发生频率不断上升，由此引发了诸如洪涝等一系列气象灾害，对人民生活、社会发展和自然生态系统都产生了严重影响。
城市设计暴雨雨型即降雨强度随时间的分布，它反映了降雨发生、发展和消失的过程。设计暴雨可分为流域设计暴雨和城市设计暴雨，由于城市化导致的径流数据一致性偏差，城市水文计算过程不能像流域水文计算一样通过历史洪水数据直接得到。城市设计暴雨是研究城市产汇流、排水管网设计、污染治理、海绵城市建设等的基础，在城市水文研究中得到了广泛的应用。例如，根据设计暴雨雨型，通过产汇流计算，能够得到设计洪水，从而能够基于此确定设计标准下工程要建多大的规模才可以抵御这种暴雨导致的洪水，以确保建筑的工程建筑的安全。因此，确定城市设计暴雨雨型尤为重要。
常用的设计暴雨雨型推求方法有均匀雨型、芝加哥雨型、y-c法雨型、p-c法雨型、huff雨型等。均匀雨型是最简单的雨型推求方法，但这种方法得到的设计洪水往往偏小。芝加哥雨型得到的对称式降雨过程本质上不符合实际雨型的特点。y-c法只考虑降雨持续时间为t的核心部分，而忽略了降雨的头尾部分。p-c法虽然考虑了一定的概率分布，但仅仅是将雨峰放在了最可能出现的位置而忽略了其他雨峰。huff法得到的设计洪峰受降雨历时影响较大，降雨历时选择不当会造成较大误差。此外，上述方法均没有考虑降雨空间分布的不均匀性，仅根据一个站点的数据推求一个片区的降雨过程。且由于全球气候变化，城市降水强度受到显著影响，传统的方法与实际结果偏差很大，已不能满足城市设计暴雨雨型推求的需求。
因此，亟需一种适应气候变化且可反映城市不同站点空间差异的设计暴雨雨型推求方法。
技术实现要素：
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法及系统，充分考虑设计区域的降雨特性及不同站点的空间差异。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<方法>
本发明提供一种基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：以设计城市区域为单元收集不同站点历史降雨资料；
步骤2：确定设计暴雨历时，根据历史资料长短选择合适方法选取暴雨样本；
步骤3：对选取的暴雨样本进行排频计算，确定设计暴雨重现期，根据重现期确定设计暴雨雨量；
步骤4：对不同站点的暴雨样本数据进行本征正交分解，得到降雨场的主要模态和模态对相应的时间系数；模态对应降雨场分解后的雨强状态，主要模态为对降雨场贡献率较大的那些模态；
步骤5：根据步骤4得到的第一主要模态的时间系数确定设计暴雨雨峰位置、暴雨雨型趋势，选择雨型的重构模板；第一主要模态为含能率最高的模态。
步骤6：根据步骤4得到的模态，选取对降雨场贡献率超过60％的主要模态按照步骤5确定的重构模板进行暴雨雨型重构；
步骤7：将步骤6得到的重构结果按照步骤3的设计暴雨雨量进行同倍比放大或缩小得到区域的设计暴雨雨型。
优选地，本发明提供的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，获取的降雨资料有如下具体要求：长历时(15天、7天)设计暴雨雨型研究所需降雨资料为日尺度；中长历时(3天、1天)设计暴雨雨型研究所需降雨资料为小时尺度；短历时(2小时、1小时)设计暴雨雨型研究所需降雨资料为分钟尺度。
优选地，本发明提供的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，优先采用年最大值法选取暴雨样本，若无法获取研究区域连续30年的暴雨资料则采用年超大值法选取暴雨样本。
另外，本发明提供的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，应当选取适当概率分布函数线性，优先选取p-iii型曲线进行排频计算。
优选地，本发明提供的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，还可以具有以下特征：在步骤4中，对不同站点的暴雨样本数据进行本征正交分解，得到降雨场的主要模态和模态对相应的时间系数，本证正交模态分解具体操作如下：
(1)降雨场记为x＝[v(x，t1)v(x，t2)...v(x，tn)]∈rm×n，式中，x表示降雨场；t表示时间，n为时间序数最大值，r为实数域，m为站点个数；
(2)对降雨场x进行奇异值分解x＝φ∑ψt，式中，φ为模态矩阵，∑为模态含能对角阵，ψt为时间系数矩阵。
优选地，本发明提供的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，还可以具有以下特征：在步骤5中，最佳为按照第一模态对应的时间系数的变化趋势选择重构模板；偏安全设计可选取主峰靠后型降雨作为重构模板；侧重经济考虑的可选择主峰靠前或降雨较为均匀的历史降雨过程作为重构模板。
优选地，本发明提供的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，还可以具有以下特征：在步骤6中，提取对降雨场贡献率超过80％的主要模态进行暴雨雨型重构。
<系统>
进一步，本发明还提供一种城市设计暴雨雨型推求系统，其特征在于，包括：
资料获取部，以设计城市区域为单元获取不同站点历史降雨资料；
样本选取部，确定设计暴雨历时，并根据历史资料长短选取暴雨样本；
雨量确定部，对选取的暴雨样本进行排频计算，确定设计暴雨重现期，并根据重现期确定设计暴雨雨量；
时间系数确定部，对不同站点的暴雨样本数据进行本征正交分解，得到降雨场的主要模态和模态对相应的时间系数；
位置雨型确定部，根据第一主要模态的时间系数确定设计暴雨雨峰位置、暴雨雨型趋势，选择雨型的重构模板；
雨型重构部，从所有模态中选取对降雨场贡献率超过60％的主要模态按照重构模板进行暴雨雨型重构；
雨型生成部，将重构结果按照设计暴雨雨量进行同倍比放大或缩小得到区域的设计暴雨雨型；以及
控制部，与资料获取部、样本选取部、雨量确定部、时间系数确定部、位置雨型确定部、雨型重构部、雨型生成部均通信相连，控制它们的运行。
优选地，本发明提供的裂隙岩心渗透注浆实时充填效果检测系统，还可以包括：预测部，根据实测或预报数据预测雨峰位置、峰现时间；并能够基于生成的设计暴雨雨型，通过产汇流计算，得到研究区域的设计洪水过程。
优选地，本发明提供的裂隙岩心渗透注浆实时充填效果检测系统，还可以包括：输入显示部，与资料获取部、样本选取部、雨量确定部、时间系数确定部、位置雨型确定部、雨型重构部、雨型生成部、预测部、控制部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
发明的作用与效果
本发明所提供的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法及系统，通过本征正交分解提取反映降雨过程的主要模态与模态对应的时间系数，根据第一主要模态对应的时间系数反映的雨峰位置、降雨强度变化趋势选择雨型重构模板，推求不同重现期下峰值雨强、雨峰位置、雨强变化的设计暴雨雨型；并可根据实测或预报数据预测雨峰位置、峰现时间；基于该设计暴雨雨型，通过产汇流计算，可进一步得到研究区域的设计洪水过程。亦可耦合未来气候模式，将不同气候模式下的预测降雨数据作为输入，得到未来城市设计暴雨雨型，为工程设计提供更具有前瞻性的设计标准。本发明将本征正交分解引入城市设计暴雨雨型推求，基于不同站点的大量实测资料，充分考虑设计区域的降雨特性及不同站点的空间差异，推求出的暴雨雨型与实际情况更为接近，能够获得更加准确、合理的推求结果，为城市设计暴雨雨型的确定提供了新思路。
附图说明
图1为本发明实施例中涉及的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法的流程图；
图2为本发明实施例中涉及的以武汉市为例应用本发明进行模态分解后模态能量占比图，前9个主要模态的能量占比总和超过80％；
图3为本发明实施例中涉及的是以武汉市为例应用本发明进行模态分解后第一主要模态模态值图；
图4为本发明实施例中涉及的以武汉市为例应用本发明进行模态分解后第一主要模态对应时间系数图；
图5为本发明实施例中涉及的以武汉市为例应用本发明推求暴雨雨型与芝加哥雨型法、p-c法结果对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法及系统的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例>
如图1所示，本实施例提供的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法包括如下步骤：
s1、以武汉市为单元收集不同站点历史降雨资料，本次推求暴雨选取了经纬度为30.0°n,114.4°e、30.5°n,114.4°e、31.0°n,114.4°e的三个站点1980年到2004年的逐小时降雨数据作为推求基础。
s2、确定设计暴雨历时为24小时，根据年最大值选样法选取暴雨样本。
s3、对选取的暴雨样本进行排频计算，本次计算选定p-iii型曲线进行拟合，重现期为十年一遇得出武汉市24小时十年一遇暴雨总雨量。
s4、对不同站点的暴雨样本数据进行本征正交分解，得到降雨场的主要模态和模态(图2～3)对相应的时间系数(图4)，本证正交模态分解具体操作如下。
(1)降雨场记为x＝[v(x，t1)v(x，t2)...v(x，tn)]∈rm×n，式中，
(2)对降雨场x进行奇异值分解x＝φ∑ψt，式中φ为模态矩阵，∑为模态含能对角阵，ψt为时间系数矩阵。
s5、根据s4得到的第一主要模态的时间系数确定设计暴雨雨峰位置、暴雨雨型趋势，据此选择雨型重构的模板。
s6、根据s4得到的模态，选取能量占比总和超过80％的主要模态(图2)按照s5确定的重构模板进行暴雨雨型重构。
本案例中前9个模态的含能率总和超过了80％，
s7、将s6得到的重构结果按照s3的设计暴雨雨量进行同倍比放大得到武汉的24小时十年一遇设计暴雨雨型(图5)。
进一步，本实施例还提供能够自动化实现上述检测过程的系统，该系统包括：资料获取部、样本选取部、雨量确定部、时间系数确定部、位置雨型确定部、雨型重构部、雨型生成部、预测部、雨型重构部、输入显示部以及控制部。
资料获取部以设计城市区域为单元获取不同站点历史降雨资料。
样本选取部确定设计暴雨历时，并根据历史资料长短选取暴雨样本。
雨量确定部对选取的暴雨样本进行排频计算，确定设计暴雨重现期，并根据重现期确定设计暴雨雨量。
时间系数确定部对不同站点的暴雨样本数据进行本征正交分解，得到降雨场的主要模态和模态对相应的时间系数。
位置雨型确定部根据第一主要模态的时间系数确定设计暴雨雨峰位置、暴雨雨型趋势，选择雨型的重构模板。
雨型重构部从所有模态中选取对降雨场贡献率超过60％的主要模态按照重构模板进行暴雨雨型重构。
雨型生成部将重构结果按照设计暴雨雨量进行同倍比放大或缩小得到区域的设计暴雨雨型；
预测部能够根据实测或预报数据预测雨峰位置、峰现时间，并能够基于生成的设计暴雨雨型，通过产汇流计算，得到研究区域的设计洪水过程。
输入显示部与资料获取部、样本选取部、雨量确定部、时间系数确定部、位置雨型确定部、雨型重构部、雨型生成部、预测部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。例如，输入显示部能够对获取的不同站点历史降雨资料对应站点位置进行显示，并能够对得到降雨场的主要模态和模态对相应的时间系数进行显示，还能够对设计暴雨雨峰位置、暴雨雨型趋势、雨型的重构模板、设计暴雨雨型进行相应显示，并能够对计算得到的产汇流进行显示，进一步对研究区域的设计洪水过程进行动态显示。
控制部与资料获取部、样本选取部、雨量确定部、时间系数确定部、位置雨型确定部、雨型重构部、雨型生成部、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
1.基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：以设计城市区域为单元收集不同站点历史降雨资料；
步骤2：确定设计暴雨历时，根据历史资料长短选取暴雨样本；
步骤3：对选取的暴雨样本进行排频计算，确定设计暴雨重现期，根据重现期确定设计暴雨雨量；
步骤4：对不同站点的暴雨样本数据进行本征正交分解，得到降雨场的主要模态和模态对相应的时间系数；
步骤5：根据步骤4得到的第一主要模态的时间系数确定设计暴雨雨峰位置、暴雨雨型趋势，选择雨型的重构模板；
步骤6：根据步骤4得到的模态，选取对降雨场贡献率超过60％的主要模态按照步骤5确定的重构模板进行暴雨雨型重构；
步骤7：将步骤6得到的重构结果按照步骤3的设计暴雨雨量进行同倍比放大或缩小得到区域的设计暴雨雨型。
2.根据权利要求1所述的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，获取的降雨资料有如下具体要求：长历时设计暴雨雨型研究所需降雨资料为日尺度；中长历时设计暴雨雨型研究所需降雨资料为小时尺度；短历时设计暴雨雨型研究所需降雨资料为分钟尺度。
3.根据权利要求1所述的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，其特征在于：
其中，在步骤2中，优先采用年最大值法选取暴雨样本，若无法获取研究区域连续30年的暴雨资料则采用年超大值法选取暴雨样本。
4.根据权利要求1所述的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，其特征在于：
其中，在步骤3中，选取p-iii型曲线进行排频计算。
5.根据权利要求1所述的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，其特征在于：
其中，在步骤4中，对不同站点的暴雨样本数据进行本征正交分解，得到降雨场的主要模态和模态对相应的时间系数，本证正交模态分解具体操作如下：
(1)降雨场记为x＝[v(x，t1)v(x，t2)...v(x，tn)]∈rm×n，式中，x表示降雨场；t表示时间，n为时间序数最大值，r为实数域，m为站点个数；
(2)对降雨场x进行奇异值分解x＝φ∑ψt，式中，φ为模态矩阵，∑为模态含能对角阵，ψt为时间系数矩阵。
6.根据权利要求1所述的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，其特征在于：
其中，在步骤5中，按照第一模态对应的时间系数的变化趋势选择重构模板，或者选取主峰靠后型降雨作为重构模板，或者选择主峰靠前或降雨较为均匀的历史降雨过程作为重构模板，
第一主要模态为含能率最高的模态，模态对应降雨场分解后的雨强状态。
7.根据权利要求1所述的基于本征正交分解的城市设计暴雨雨型推求方法，其特征在于：
其中，在步骤6中，提取对降雨场贡献率超过80％的主要模态进行暴雨雨型重构。
8.一种城市设计暴雨雨型推求系统，其特征在于，包括：
资料获取部，以设计城市区域为单元获取不同站点历史降雨资料；
样本选取部，确定设计暴雨历时，并根据历史资料长短选取暴雨样本；
雨量确定部，对选取的暴雨样本进行排频计算，确定设计暴雨重现期，并根据重现期确定设计暴雨雨量；
时间系数确定部，对不同站点的暴雨样本数据进行本征正交分解，得到降雨场的主要模态和模态对相应的时间系数；
位置雨型确定部，根据第一主要模态的时间系数确定设计暴雨雨峰位置、暴雨雨型趋势，选择雨型的重构模板；
雨型重构部，选取对降雨场贡献率超过60％的主要模态按照重构模板进行暴雨雨型重构；
雨型生成部，将重构结果按照设计暴雨雨量进行同倍比放大或缩小得到区域的设计暴雨雨型；以及
控制部，与所述资料获取部、所述样本选取部、所述雨量确定部、所述时间系数确定部、所述位置雨型确定部、所述雨型重构部、所述雨型生成部均通信相连，控制它们的运行。
9.根据权利要求8所述的城市设计暴雨雨型推求系统，其特征在于，还包括：
预测部，根据实测或预报数据预测雨峰位置、峰现时间；并能够基于生成的设计暴雨雨型，通过产汇流计算，得到研究区域的设计洪水过程。
10.根据权利要求8所述的城市设计暴雨雨型推求系统，其特征在于，还包括：
其中，输入显示部，与所述资料获取部、所述样本选取部、所述雨量确定部、所述时间系数确定部、所述位置雨型确定部、所述雨型重构部、所述雨型生成部、所述预测部、所述控制部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
技术总结