低影响开发设施优化布局两阶段方法研究

发布时间：2020-09-17 20:18

　　城市化进程的加快和雨水管网系统建设的滞后使得许多城市面临着严重的内涝问题。为有效缓解城市内涝,国家正在大力推进海绵城市建设——低影响开发雨水系统的构建。科学规划布局和选用低影响开发(Low Impact Development,LID)设施及其组合系统是建设海绵城市的关键。然而,LID设施种类繁多,这些设施的选用和布局又受到当地自然地理条件、水文地质特点、水资源状况、降雨规律等因素的制约。因此,选择单项设施或其组合系统,确定优化布局方案是构建低影响开发雨水系统面临的重大挑战。为迎接这方面的挑战,需开展LID设施优化布局方法的研究。本课题的研究将为LID设施布局和海绵城市建设提供理论支撑和科学指导。本课题基于暴雨管理模型(SWMM)和矩阵实验室(MATLAB)软件编程,以国家海绵城市建设试点城市池州市某排水区域作为研究对象,从内涝防治、污染削减、成本效益等方面出发,构建评估指标和评估模型,通过模型模拟,提出并探讨了单项LID设施(雨水蓄水池)和LID设施组合系统(生物滞留设施、透水铺装、绿色屋顶)的“预选址量化+迭代优化”的两阶段优化布局方法,主要成果和结论如下:(1)提出了结合内涝、污染削减和费用等指标的预选址量化方法。在综合分析多种内涝指标的基础上,考虑指标的相对独立性,提出以积水深度和积水时间作为节点的量化特征指标。选用层次分析法作为节点的定量分析方法,考虑节点的敏感性,通过定量计算,得到节点的最终得分。提出内涝削减效率和污染削减效率的概念和计算公式,建立效益指标体系。结合节点得分排序结果和成本效益指标体系进行预选址模拟量化,从而确定LID设施的预选址方案。(2)在预选址量化(第一阶段)的基础上,提出了“预选址量化+迭代优化”的两阶段优化布局方法。在“迭代优化”阶段,重点考察了模式搜索法和遗传算法两种优化方法,提出了“预选址+模式搜索法”和“预选址+遗传算法”两种两阶段优化布局方法,并以国家海绵城市建设试点城市池州市某排水区域为对象,进行了单项LID设施和LID设施组合系统布局的应用案例验证。(3)对于单项LID设施布局,基于定量计算生成的预选址方案可以在所有内涝节点中筛选出更合理的方案,经过模式搜索法三轮优化即可确定最终布局方案。在造价不变的情况下,优化之后的方案可以在预选址的基础上多吸收38.85%的雨水径流和42.29%的总悬浮固体(TSS),将研究区域的水文环境恢复至开发前水平。预选址+模式搜索法能够很好的完成蓄水池的优化布局。(4)为了验证所提出的布局方法的可靠性,分别考察了设计重现期变化和层次分析法中专家打分标准变化对布局方法的影响。在50a和100a设计重现期下,获得的最终布局方案依然具有很好的效果,在预选址的基础上大幅度削减城市内涝和面源污染。改变专家打分标准以后,所生成的最终方案与之前的方案也基本一致,从而验证了布局方法的可靠性。(5)对于LID设施组合系统布局,分别验证了两种两阶段优化布局方法。结果表明,随着优化维度的增加(8子汇水区增加到32子汇水区),两种优化布局方法的工程造价(优化目标之一)都出现了不同程度的下降,模式搜索法优化的年径流总量控制率(另一优化目标)有所下降(1.30%~1.67%),而遗传算法优化的年径流总量控制率有所上升(0.40%~1.26%)。因此,在处理高维度优化问题时,预选址+遗传算法表现更好。
【学位单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU992
【部分图文】：

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要是在地下大量修建雨水管网等灰色设施，让大量的雨水在短时间内通过管网系统排放。而现阶段我国大部分排水系统由于设施老化、标准偏低等问题，排水能力远不能达到预期的目标，给城市排水安全带来了隐患，加之近年来频发的极端降雨，造成近年来国内各大城市内涝灾害频发[8]。雨水作为一种资源，是城市生态用水的理想水源，当大量的密实性下垫面代替原有的渗透性地表之后，降雨产生的大量径流直接外排而不是补充地下水资源，是一种资源的浪费。一方面是地表产生大量径流无法及时排放，导致许多城市出现“城市看海”，而另一方面，地下水资源却得不到有效的补充。1.1.3 海绵城市与低影响开发理念传统雨水管理模式已经不能满足新形势下的雨水排放要求，为了解决城市化过程中衍生出来的一系列水文环境问题，国家开始开展海绵城市建设试点工作。低影响开发，一种有别于传统的雨水管理与利用理念及工程技术方法被提出并在美国等发达国家应用实践。通过源头化、生态化、综合化发展的工程技术和管理措施达到综合利用雨水的目的，原理如图 1.1 所示。

技术路线图,技术路线,绪论,路线

技术路线

布局优化,蓄水池,单项,设施

图 2.1 LID 设施单项（蓄水池）布局优化方法与流程ig. 2.1 The framework and process of layout optimization for single LID facilities (storage t1.2 预选址量化方法（1）评价指标的量化蓄水池的预选址方案采用定量计算的方法。具体来说，根据研究区域的内水情况，提取出各内涝节点的积水时间和积水体积原始数据，并依据《室外设计规范》等相关规范以及工程造价，选用相应的量化公式，将内涝节点的量化为积水时间和积水深度两个指标。借助层次分析法评估所有的内涝节标层为蓄水池的预选址，准则层为积水深度指标和积水时间指标，方案层为节点，为了尽可能客观地评估内涝节点，引入各节点的敏感性权重系数，对内涝节点评估并打分并排序。通过 SWMM 和情景分析来实现评价指标的量化，为了更科学的评估内涝的危害，选取积水深度和积水时间两个指标，两者相互独立，不会影响后续次分析法的评估结果[37]。基于情景分析，分别用雨水管网设计重现期和内治设计重现期的设计降雨，对研究区域进行模拟，可以得到内涝节点的内涝

【参考文献】