基于成本效益分析的城市雨洪管理设施研究.pdf

水电站设计 第 卷第 期年 月修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）第一作者简介：刘洁（），女，江西景德镇人，博士，副教授，从事城市水文研究。基于成本效益分析的城市雨洪管理设施研究刘洁，张翔，龚莉，梁昌梅（成都大学，四川 成都 ；武汉大学，湖北 武汉 ；湖北省水土保持研究中心，湖北 武汉 ）摘要：以成都某研究区域为例，以成本、径流控制为目标函数，以设施的建设面积和调蓄容积为约束条件，构建城市雨洪管理设施布局的多目标优化模型，并采用 与 耦合的算法进行多目标求解，得到 非劣解集。通过非劣解的成本 收益分析显示，在重现期为 年时，万 万区间是雨洪管理设施建设的“成本 效益”高效区间，当成本超过 万时，继续增加设施的建设面积，对于径流的控制变化不明显。关键词：城市雨洪管理设施；成本效益；多目标优化中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言随着城市规模的扩大，城市暴雨洪涝灾害造成的损失日益严重。住房和城乡建设部调研结果显示：年间全国 的城市发生洪涝，洪涝灾害超过 次以上的城市有 个，同时城市内涝灾害带来的面源污染也不断加重，引起城市水体黑臭 。习总书记在 年提出的城市建设新理念中提到：优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市。住建部 年印发的 海绵城市建设技术指南 指出，海绵城市的本质是改变传统城市建设理念，通过低影响开发措施（，）来实现开发后水文特征接近于开发前的目标。在海绵城市建设的国家发展重大战略需求前提下，如何根据拟建区域特征以及径流、污染物控制目标，将多种城市雨洪管理措施有机结合进行优化布局，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护，是城市雨洪管理措施规划的核心问题，也是当前研究的重要方向。多目标优化模型的构建 目标函数模型以最小化径流总量、污染物负荷和成本为目标函数 （，）（）。（）式中（）和 。（）式（）中：是指 措施实施后（）与实施前（）的径流总量比。式（）中：为措施实施后（、）与实施前（、）累积污染物负荷比。这是措施实施后与实施前各种污染物负荷比之和，污染物有总悬浮物、总磷、总氮、重金属 、生化需氧量、化学需氧量。目标可以根据区域实际污染情况选择全部或部分污染物。成本 包括 措施的建设成本和运行成本。变量变量（，）分别代表三组变量，组合方案变量 ，规模变量 以及措施结构性参数变量 。，。（）第 个子汇水区采用 第 种 措施组合方式 否则。（）式（）中：代表子汇水区的个数；代表雨洪管理设施组合方案种类数。根据式（）、（）描述，变量的确定是为每个子汇水区分配一个可行的雨洪管理设施组合方案。基于本研究中单设施经济技术特征分析结果，结合实际工程案例，筛选出 种的设施组合方案。，。（）式中：代表在第 个子汇水区布设第 个措施的面积。，；，。（）式中：表示第 个设施中第 个结构参数；代表第 个设施的敏感性结构参数个数。基于本研究中单设施结构参数的敏感性研究和实际案例的基础资料分析，筛选出第 个设施的敏感性结构参数集合。约束条件 海绵城市建设面积源头海绵设施的建设面积是一项十分重要的约束条件，不同的建设面积对于水量和水质的影响不同，同时研究区域的停车场、人行道、绿地等区域的总面积决定了海绵设施建设的最大面积，因此建设面积作为海绵布局优化的约束条件。，。（）式中：，指的是子汇水区绿地的总面积；，指的是植草沟的面积；，指的是生物滞留池的面积；，指的是子汇水区的绿色屋顶的面积；，指的是每个子汇水区屋顶的面积。调蓄容积在 海绵城市建设技术指南 中规定，海绵城市建设以径流总量和径流污染为控制目标进行设计时，通常情况下采用容积法进行调蓄容积计算。（）式中：为总调蓄容积，；为设计降雨量，根据年径流总量控制率指标确定，；为综合径流系数；为汇水面积，。经过海绵化改造后，所有海绵设施径流体积控制规模之和应大于或等于研究区内需要调蓄的总容积，即。模型求解以海绵城市建设的成本、径流控制率、污染物控制率为目标函数，海绵设施的建设面积以及调蓄规模为约束条件，采用 算法与 耦合进行计算。目标函数利用构建的 模型模拟分析进行求解，模拟结果作为优化算法中目标函数的评价依据。计算过程在算法和模型两者间不断循环运行，最终找到非劣解集，从而优化城市雨洪管理设施的布局，提高建设效率。基于 平台，通过构建调用程序的接口文件，将 源程序嵌入到优化算法中，将每次迭代得到的各个子汇水区海绵设施建设的面积写入 输入文件中，通过 的软件模拟分析，可以得出在特定的降雨条件下，各个排水口的径流量和污染物含量，将运行的结果反馈到优化算法中，直到满足终止条件，计算流程如图 所示 。图 多目标优化模型求解流程 研究区域 模型构建 研究区域概况研究区域位于四川省成都市金牛区一环与二环之间，是一块由金府路、交大路、中环路一品大街段、花照壁东街包围的近似长方形区域，包括城市绿舟花园、蓝色空间、金桔花园、金海岸、锦西人家等小区，总面积约 。研究区域建筑用地 ，绿地面积 ，不透水路面及广场 ，其他为未利用土地面积，研究区域总体不透水面积所占比例为 。研究区域 模型构建及参数选定结合研究区域下垫面类型及管网布置情况，将研究区域划分为 个子汇水区，个节点，个管段和 个出水口。区域 模型概化图见图。图 研究区域 概化图 模型参数通过下垫面信息提取、查阅参考手册以及借鉴相似区域研究成果等方式确定，具体取值见表 。设计暴雨成都市水务局与成都市气象局在 年发布成都市中心城区暴雨强度公式如下 ：（）（）（）。（）式中：为降雨强度，；为降雨历时，；为重现期，年。本文采用芝加哥雨型作为设计暴雨雨型，来计算成都市历时 间隔 的设计暴雨过程。利用上述暴雨强度公式（）计算出不同重现期下的设计雨量，再采用芝加哥雨型法来推求设计暴雨过程，如图 所示。表 模型参数取值不透水区粗糙系数透水区粗糙系数不透水区的洼蓄量 透水区的洼蓄量 初始下渗能力（）最小下渗能力（）衰减系数管网曼宁粗糙系数 图 设计暴雨过程线 结果分析针对研究区域的最小化成本及径流总量两个城市雨洪管理设施建设目标，构建上述多目标优化模型，采用 与 耦合的算法进行多目标求解，得到不同降雨重现期（，）下，成本、径流控制率两个目标的 非劣解集，其结果如图 所示：随着海绵城市建设成本的增加，径流控制率随之增加，当成本增加到一定值时，径流控制率的增长趋势逐渐变缓；随 种遗传代数的增加，得到的解逐渐向两端靠近，出现成本偏向和径流控制率偏向。其原因可能是，在该区间无法在同时兼顾两个目标的情况下寻找到更优的解决方案，相同径流控制率会被成本更低的解取代。我们以重现期 为例，绘制成本 效益曲线（见图 ），详细分析城市雨洪设施的成本效益关系。由图 （）可知，随着海绵城市建设成本的增加，径流控制率随之增加，当成本在 万 万时，径流的控制率增加速率较快，但在此海绵城市建设的基础以上继续增加成本，径流控制率的增长趋势逐渐变缓；对此进一步分析，将成本划分为 万 万、万 万、万 万、万 万、万 万，分别计算相应区间的平均径流控制率，如图 （）所示（万 万区间图中对应横坐标为 万，其余区间以此类推）。随着成本从 万增加至 万，径流控制率从 增加至 ，其增长率从 减小至 ，径流控制率整体提升较小。当成本从 万增加到 万时，径流控制率从 增加至 ，增长率为 ；当成本继续增加到达 万时，径流控制率为 ，其增长率继续增加 ；当成本继续增加至 万时，增长率下降到 。这表明在重现期 时，在 万 万区间，是海绵城市建设对径流控制率的“成本 效益”高效区间，当成本超过 万时继续增加海绵城市的建设面积，对于径流的控制变化不明显。图 不同暴雨重现期下成本和径流控制率的关系图 成本 效益优化结果 结论随着城市雨洪管理设施建设成本的增加，径流控制率随之增加，以研究区域重现期 为例，当成本在 万 万时，径流的控制率增加速率较快，但在此建设的基础以上继续增加成本，径流控制率的增长趋势逐渐变缓。因此，找准城市雨洪管理设施建设对径流控制率的“成本 效益”高效区间，可以为设施规划方案的制定提供决策支持。参考文献：，：，（）：，（）：刘洁，李玉琼，张翔，等 基于 的不同 措施城市雨洪控制效果模拟研究 中国农村水利水电，（）：张松 水文模型单目标优化和水库群调度多目标决策方法研究 武汉：华中科技大学，付积皓 城市雨洪排水系统多目标优化设计研究 大连：大连理工大学，彭晨蕊基于海绵城市理念的雨水系统规划设计优化研究 天津：天津大学，唐冬云 基于海绵城市理念的城市雨水系统优化设计研究 合肥：合肥工业大学，沈玉超 基于 的海绵城市防洪排涝效果评估 大连：大连理工大学，（编辑：全力立）