基于雨洪模型的城市低影響開發(fā)設(shè)施的優(yōu)化研究

劉 標(biāo)，李江云，常 青

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

由于LID設(shè)施的多樣性，針對(duì)特定區(qū)域選取合理的LID設(shè)施組合也成為一個(gè)關(guān)鍵的問題。利用雨洪模型對(duì) LID設(shè)施的類型及實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)估，并將LID設(shè)施在流域內(nèi)進(jìn)行合理布局，對(duì)LID的規(guī)劃及實(shí)施具有重要的意義[1]。因此，有必要提出一種系統(tǒng)的城市雨洪優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)LID設(shè)施的雨洪模型優(yōu)化有過一些研究，賈海峰[2]等人利用BMPDSS和SWMM模型，以北京奧運(yùn)村區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行了以徑流總量控制率與經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的優(yōu)化計(jì)算。Zhen[3]基于經(jīng)濟(jì)效益對(duì)流域暴雨徑流管理滯留區(qū)的最佳選址和數(shù)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。陳韜[4]等人對(duì)于典型LID設(shè)施進(jìn)行了成本-效益分析，介紹了典型LID設(shè)施建設(shè)成本的參數(shù)估算方法。D.Joksimovic a和Z.Alam[5]以加拿大一小區(qū)為例，計(jì)算分析并比較了LID設(shè)施對(duì)徑流量控制效果以及LID設(shè)施的經(jīng)濟(jì)效益。本文基于前人對(duì)雨洪模型優(yōu)化的相關(guān)研究，利用SUSTAIN強(qiáng)大的LID設(shè)施的成本-效益優(yōu)化能力，對(duì)城市雨洪模型優(yōu)化方法進(jìn)行進(jìn)一步的探索。

1 模型介紹及優(yōu)化分析方法

1.1 雨洪模型介紹

SWMM是美國(guó)環(huán)保局(EPA)開發(fā)的一套動(dòng)態(tài)降雨-徑流模型軟件，如今已被廣泛應(yīng)用在城市雨洪管理中[6]。模型中嵌有多種LID設(shè)施，可以對(duì)一系列的結(jié)構(gòu)性雨水管理設(shè)施的徑流和污染物傳輸進(jìn)行模擬，模擬過程如圖1，并允許LID在子匯水區(qū)域內(nèi)進(jìn)行組合設(shè)置。根據(jù)LID設(shè)施在“滯、蓄、滲、排”等控制徑流水量方面的功效，本例選用生物滯留池、綠色屋頂、植草溝、滲渠及滲透鋪裝等5種LID調(diào)控設(shè)施，模擬城市LID設(shè)施布置及設(shè)計(jì)方案。

圖1 LID設(shè)施模擬過程概要圖Fig.1 Overview of LID facility simulation process

SUSTAIN是一套建立在ArcGIS平臺(tái)上的用于在城市或開發(fā)區(qū)流域內(nèi)進(jìn)行LID的選址、布局、模擬、優(yōu)化的整合決策支持系統(tǒng)[7], 其中內(nèi)部模擬是運(yùn)用SWMM5.0的運(yùn)算法則計(jì)算水文和水質(zhì)的變化過程。

在 SUSTAIN中可以模擬雨水的儲(chǔ)存、輸送、滲透、蒸發(fā)、管渠排水和污染物輸送去除過程。LID設(shè)施的優(yōu)化分析是利用SUSTAIN的優(yōu)化模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，通過非支配排序遺傳算法NSGA-II對(duì)一系列可能的方案進(jìn)行成本-效益最優(yōu)計(jì)算。其中，NSGA-II算法通過隨機(jī)生成各LID設(shè)施初始特征尺寸作為父代種群，通過遺傳選擇操作產(chǎn)生一系列新的特征尺寸，反復(fù)更新子代種群，并不斷進(jìn)行模擬計(jì)算及方案比對(duì)，最終優(yōu)選出滿足條件的最佳設(shè)計(jì)方案[8]。

1.2 優(yōu)化分析方法

基于雨洪模型在城市規(guī)劃中的應(yīng)用，筆者通過對(duì)不同LID布局方案進(jìn)行模擬和成本-效益分析，以研究區(qū)域的年徑流總量控制率為控制目標(biāo)，確定該區(qū)域的最優(yōu)LID設(shè)施布局方案。該方案的具體步驟為：根據(jù)流域的基本信息對(duì)各LID設(shè)施進(jìn)行初步選址及模擬計(jì)算，選出成本較低方案為初篩方案，利用SUSTAIN的優(yōu)化功能，在滿足地區(qū)徑流控制指標(biāo)的前提下，以成本-效益最優(yōu)為目標(biāo)，進(jìn)一步優(yōu)化LID設(shè)施的實(shí)施參數(shù)，確定最終方案[9]。分析及優(yōu)化計(jì)算步驟如圖2所示。

圖2 優(yōu)化分析步驟圖Fig.2 Steps of optimization analysis

2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)楹鲜市某在建LID小區(qū)，小區(qū)內(nèi)雨水經(jīng)雨水管道排至市政管網(wǎng)，管線接入口位于道路另一側(cè)。研究區(qū)域?qū)儆诘湫偷某鞘械匦危貏?shì)平緩，總體坡度較小。研究區(qū)域總面積為2.9 hm2，不透水面積約占40.5%。區(qū)域南部設(shè)置了部分下沉式綠地，作為L(zhǎng)ID設(shè)施。地塊的用地分類以及排水管線情況如圖3所示。

圖3 地塊用地分類及現(xiàn)狀管線Fig.3 Land use classification and current pipeline

3 LID設(shè)施的選址分析

根據(jù)本研究區(qū)域的特征及各LID設(shè)施的水文特性，選取綠色屋頂、滲透鋪裝、滲渠、植草溝以及生物滯留池作為主要的設(shè)施進(jìn)行研究。上述LID設(shè)施在控制徑流總量、削減徑流峰值以及污染物去除方面都具有較好的效果[10]。由于研究區(qū)域本身就設(shè)置有一定面積的下沉式綠地，所以，本例不再對(duì)下沉式綠地的效果進(jìn)行單獨(dú)討論。

不同的LID設(shè)施的特性不同，適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)也有很大差別，其位置的選定參考了美國(guó)環(huán)保局的BMP設(shè)計(jì)指南[11]，指南中對(duì)于各個(gè)低影響開發(fā)設(shè)施的實(shí)施條件做了較為具體的限定，例如對(duì)于生物滯留池的限定條件為“道路緩沖距離<30 m；河流緩沖距離>30 m；建筑物緩沖距離>3 m；地下水位距設(shè)施底部>0.61 m；土壤類型為A～D；匯流坡度<15%；不透水率為0～80%”，同樣，其他LID設(shè)施的布置也有相應(yīng)的限定條件。

根據(jù)本研究區(qū)域的特點(diǎn)以及參考各LID設(shè)施的限定條件，可以從擬建范圍內(nèi)計(jì)算得出符合條件的區(qū)域，圖4表示了5種LID設(shè)施的可實(shí)施區(qū)域，表1總結(jié)了各LID設(shè)施在小區(qū)內(nèi)的最大可實(shí)施面積。

圖4 各LID設(shè)施可實(shí)施區(qū)域Fig.4 Areas can be implemented with LID facilities

設(shè)施名稱最大可實(shí)施面積/m2綠色屋頂(GR)3089．6滲透鋪裝(PP)3411．2生物滯留池(BRC)1934．5滲渠(IT)728．4植草溝(VS)813．5

4 LID組合設(shè)施比選及分析

分別對(duì)單一LID設(shè)施控制效果進(jìn)行模擬計(jì)算分析，由計(jì)算結(jié)果可知，滲渠具有最大的年徑流總量控制率79.63%，其次依次為滲透鋪裝、生物滯留池、植草溝以及綠色屋頂。可以看出，單一LID設(shè)施能夠?qū)δ陱搅骺偭坑幸欢ǖ目刂菩Ч?dāng)單一LID設(shè)施實(shí)施比例較大時(shí)，脫離了LID設(shè)施曲線的性能高效區(qū)域，高比率的單一設(shè)施工程及經(jīng)濟(jì)可行性較差，因此需探討組合LID設(shè)施的功效。

4.1 LID組合設(shè)施的效果計(jì)算

上述中共選用5種LID設(shè)施作為研究對(duì)象，分別為綠色屋頂(Green Roof, GR)，滲透鋪裝(Permeable Pavement, PP)，滲渠(Infiltration Trench, IT)，植草溝(Vegetative Swale, VS)以及生物滯留池(Bio-retention Cell, BRC)。本節(jié)將在上述單一設(shè)施效果分析的基礎(chǔ)上，分析LID組合設(shè)施的功效。共有5種LID設(shè)施，考慮到研究區(qū)域的大小以及設(shè)施在區(qū)域內(nèi)的適用性，擬選取3種作為組合設(shè)施，總共能夠產(chǎn)生10種組合方案。對(duì)于組合方案中各個(gè)設(shè)施的實(shí)施比例，參考海綿城市建設(shè)指南[12]中LID設(shè)施的實(shí)施比例取值范圍，并結(jié)合案例實(shí)際的布置，控制在40%～60%之間。對(duì)每種組合方案進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算工況與單一LID設(shè)施的計(jì)算工況相同，選取2015年每日每小時(shí)的降雨數(shù)據(jù)，降雨量圖如圖5，在運(yùn)動(dòng)波模型條件下進(jìn)行模擬計(jì)算。忽略地下水對(duì)排水系統(tǒng)的影響。組合方案的計(jì)算結(jié)果見表2。

圖5 2015年每日每小時(shí)降雨量圖Fig.5 The daily hourly rainfall chart in 2015

組合方案年徑流總量控制率/%GR+PP+IT83．46GR+PP+VS79．18GR+PP+BRC80．34GR+IT+VS77．99GR+IT+BRC76．71GR+VS+BRC76．38PP+IT+VS85．91PP+IT+BRC85．96PP+VS+BRC83．73IT+VS+BRC78．23

將LID組合設(shè)施與LID單一設(shè)施的模擬結(jié)果相比較，可以發(fā)現(xiàn)相比于單一設(shè)施，組合設(shè)施普遍具有較好的控制功效。

4.2 LID設(shè)施的經(jīng)濟(jì)性及適用性評(píng)價(jià)

低影響開發(fā)設(shè)施可以有效降低徑流峰值、削減徑流總量。但是在保證低影響開發(fā)技術(shù)功能要求的前提下，應(yīng)盡可能使其成本費(fèi)用最低，有效實(shí)現(xiàn)其環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本例的成本主要考慮LID設(shè)施的建造成本以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，其中的雨水管理設(shè)施的造價(jià)參考國(guó)內(nèi)已建設(shè)施造價(jià)、國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)以及各BMP數(shù)據(jù)庫[11,12]中的設(shè)施造價(jià)，并且結(jié)合實(shí)地調(diào)查相關(guān)建設(shè)與維護(hù)成本確定。維護(hù)期限設(shè)定為20 a。研究區(qū)域內(nèi)的LID設(shè)施單位造價(jià)如表3所示。

表3 LID設(shè)施單位成本Tab.3 The unit cost of LID facilities

確定了LID設(shè)施的單位成本之后，即可根據(jù)實(shí)施程度，求得各單一和組合LID方案的成本，各LID方案的實(shí)施成本與徑流總量控制率之間的關(guān)系如圖6所示。按特定徑流量削減率，選擇經(jīng)濟(jì)成本較低的方案，或者在經(jīng)濟(jì)成本相同的條件下，確定徑流量削減效果較好的方案。

圖6 各LID方案成本與徑流總量控制率的關(guān)系Fig.6 Cost and capture ratio of total runoff of each LID scheme

根據(jù)海綿城市建設(shè)指南中對(duì)我國(guó)大陸地區(qū)的年徑流總量控制目標(biāo)的相關(guān)規(guī)定[7]，選取80%作為H市的年徑流總量控制目標(biāo)，如圖6，共有5種方案滿足要求，其中方案“PP+IT+VS”具有較高的年徑流總量控制率，達(dá)到85.91%，并且該方案的造價(jià)相對(duì)較低，為175.5萬元。通過幾種達(dá)標(biāo)方案的綜合比較，將方案“透水鋪裝+滲渠+植草溝”作為該區(qū)域?qū)嵤㎜ID設(shè)施的優(yōu)選方案，并對(duì)該方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化計(jì)算。

5 情景方案的優(yōu)化分析

對(duì)于研究區(qū)域LID設(shè)施的初選方案“透水鋪裝+滲渠+植草溝”，對(duì)各LID設(shè)施的實(shí)施比例進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化調(diào)整，以得到更優(yōu)的成本-效益方案。利用SUSTAIN軟件的優(yōu)化模塊，對(duì)初選方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算，在優(yōu)化模塊中選用徑流總量控制率作為方案的最優(yōu)化目標(biāo)，選取“cost-effective curve”選項(xiàng)作為模型的優(yōu)化方法。在指定的目標(biāo)范圍內(nèi)求解，生成成本-效益優(yōu)化曲線并計(jì)算出該區(qū)間內(nèi)的成本-效益最優(yōu)點(diǎn)。成本-效益曲線的優(yōu)化方法的目標(biāo)函數(shù)可以表示如下：

(1)

式中：Q代表年徑流總量控制率；Q1及Q2分別為優(yōu)化的上下區(qū)間；BMPi表示不同編號(hào)的LID設(shè)施。計(jì)算可得到年徑流總量控制率在Q1，Q2區(qū)間內(nèi)的成本-效益曲線。

在SUSTAIN軟件中建立“滲透鋪裝+滲渠+植草溝”方案的設(shè)施規(guī)劃模型，如圖7所示。

圖7 LID設(shè)施規(guī)劃圖Fig.7 LID facilities layout plan

優(yōu)選方案的最優(yōu)化目標(biāo)是在優(yōu)選方案的徑流總量控制能力的基礎(chǔ)上確定的，根據(jù)初選方案的年徑流總量控制率及該地區(qū)年徑流總量的控制目標(biāo)，設(shè)定徑流控制率的范圍為82%～88%。根據(jù)現(xiàn)有LID設(shè)施布局規(guī)劃方案，在研究區(qū)域內(nèi)選取LID設(shè)施的特征尺寸作為實(shí)施程度的決策變量，在表4所示的最大最小值范圍內(nèi)，進(jìn)一步的進(jìn)行方案組合的優(yōu)化模擬計(jì)算。方案的決策變量范圍如表4。

表4 LID設(shè)施優(yōu)化決策變量Tab.4 Optimization decision variables of LID facilities

注：IT(i)、VS(i)、PP(i)分別對(duì)應(yīng)圖7中的不同編號(hào)的滲渠，植草溝，滲透鋪裝。

使用圖5的降雨數(shù)據(jù)，以年徑流總量控制率作為評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行比較分析。選擇優(yōu)化模塊中的非支配排序遺傳算法NSGA-II，針對(duì)研究區(qū)域在不同LID規(guī)劃情景下，對(duì)各LID設(shè)施選擇不同的實(shí)施比例時(shí)所得到的不同方案的成本-效益進(jìn)行上萬次模擬計(jì)算，結(jié)果見圖8。

圖8 成本-效益分析圖Fig.8 Cost-efficient analysis curve

圖8中橫坐標(biāo)為不同方案的成本(萬元)，縱坐標(biāo)為方案的效益(年徑流總量控制率)。灰色點(diǎn)為所有可能的LID規(guī)劃布置方案，深灰色點(diǎn)為其中成本-效益較好的規(guī)劃方案，黑色高亮的點(diǎn)則為本例中成本-效益最優(yōu)的規(guī)劃情景方案。

從圖8可以看到，根據(jù)所識(shí)別的成本-效益最優(yōu)的規(guī)劃情景方案，優(yōu)化后的方案徑流總量控制率為86.66%，較原方案提升了0.75%。優(yōu)化方案的成本為173.4萬元，原方案成本為175.5萬元，減少了2.1萬元。在減少投資成本的前提下，提高了年徑流總量控制率。優(yōu)化方案與原方案的成本及面積構(gòu)成比例如表5所示。

表5 方案成本與面積構(gòu)成比較Tab.5 Cost and area comparison of different schemes

6 結(jié) 語

通過對(duì)幾種不同LID設(shè)施的單一及組合布置進(jìn)行模擬計(jì)算，組合設(shè)施不僅具有較好的徑流削減效果，而且在成本投入上也具有一定的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)計(jì)算分析和比較，本研究選用了效果和成本都較優(yōu)的“滲透鋪裝+滲渠+植草溝”的LID組合設(shè)施。在SUSTAIN軟件中對(duì)各設(shè)施的面積比例進(jìn)行微調(diào)，優(yōu)化后的方案的年徑流總量控制率較原方案提高了0.75%，且投入成本也較原方案減少了2.1萬元。就市政建設(shè)而言，在緊縮的預(yù)算和嚴(yán)格的約束之下，如何充分利用有限資金來建設(shè)高效益的城市雨洪控制設(shè)施成為一大問題，本例的雨洪模型的優(yōu)化計(jì)算方法給城市LID設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)有很好的參考價(jià)值。

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