CN110033139A - 一种基于海绵城市理念的城市雨水优化系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于海绵城市理念的城市雨水优化系统，包括确定研究内容模块、查阅文献收集资料模块、城市雨水系统理论基础模块、海绵城市建设研究模块、研究区域实例分析模块及雨水系统优化方法模块；海绵城市建设研究模块与实例分析模块之间依次插有雨水系统优化模型建立模块和模型求解方法确定模块；城市雨水系统理论基础模块下方分别连接有设计重现期模块、年径流总量控制率模块及径流系统模块；海绵城市建设研究模块下连接有合理规模研究模块和城市雨水系统设计影响因素研究模块；研究区域实例分析模块上方插有基础资料数据分析模块和雨水计算模型建立模块。本发明利用模型对城市雨水系统进行模拟分析，为城市雨水系统优化设计提供可靠依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于海绵城市理念的城市雨水优化系统和方法，属于城市雨水优化利用技术领域。
背景技术
海绵城市指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，通过“吸、蓄、渗、净、用、排”等技术修复城市生态，提高城市防洪排涝的安全性能。海绵城市建设应遵循规划引领、生态优先、安全为重、因地制宜和统筹建设等原则，将自然途径与人工措施相结合，在确保城市防涝安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源利用和生态环境保护。海绵城市建设的技术模式突破了“以排为主”的传统雨水管理理念，它强调构建低影响开发(Low Impact Development，LID)雨水系统，结合源头减排、城市雨水管渠系统及超标雨水径流排放系统实现城市现代雨洪管理。
虽然海绵城市理念提出不久，但本质上与我国古代治水措施及国际上流行的其他雨洪管理方法有异曲同工之处。20世纪70年代到80年代，美国完成了大量的雨洪最佳管理措施(Stormwater Best Management Practice， BMPs)，主要依靠雨水塘、雨水湿地、渗透池等末端措施来控制径流污染，但单纯的末端处理方式存在投入大、效率低等问题；到20世纪90年代，美国环保局提出了从分散式源头管理雨水径流的低影响开发技术(LID)，但对流域大暴雨事件的控制能力有限；1999年，美国国家资源保护委员会在雨洪管理措施的研究报告中详细列举了低影响开发的应用案例；3年后，美国低影响开发技术研究中心在其研究报告中指出，低影响开发技术可用于旧城改造、城市雨洪管理和生态环境的改善；到2007年，美国环保局提出了绿色雨水基础设施(GSI)，是以低影响开发技术为基础的雨水管理措施，涉及源头、中途和末端全过程多尺度的雨水径流控制，和海绵城市原理基本一致。20世纪90年代，英国以BMPs为基础发展形成了可持续城市排水系统(Sustainable UrbanDrainage System，SUDS)理念，通过规划过程控制、雨水排放许可监管及建设维护管理三种机制进行实施。澳大利亚在20世纪 90年代也出现了类似的设计，即现在常被提及的水敏感性城市设计(Water SensitiveUrban Design，WSUD，它以雨水系统为核心，通过雨水水量、水质、水生态及水景观的整合设计，构建城市良性水循环系统，具有实效性和可操作性。其他发达。国家，如：德国采用水敏感性城市设计理念，并通过设备集成化，将大量收集、过滤、储存、渗透雨水的产品投放到市场上；新西兰采用低影响城市设计与开发(LIUDD)技术，制定了以保护城市生态和雨洪安全的技术导则，对我国海绵城市建设有一定借鉴意义。我国历史悠久，古人为我们留下了丰富的物质文明，在我国古代便有与海绵城市理念不谋而合的案例可供借鉴。例如：北宋期间，江西赣州建造的“福寿沟”，福、寿两沟总长12.6公里，“福沟”排放城东南之水，“寿沟”排放城西南之水。“福寿沟”采用明沟和暗渠结合并与城区池塘串通的方式，有效避免了沟水外溢，又可利用废水种植水生植物。近千年过去了，赣州人民至今还在享受“福寿沟”的余荫，仍有900多米下水道在使用，这也算是世界上最早的海绵城市。遗憾的是，中国进入近现代以来，主要依赖雨水管网系统解决雨洪问题，投入较少，城市雨水系统没有太大发展。20世纪 80年代末，我国开始对雨洪管理开展较为系统的理论技术研究和工程实践。到21世纪，我国出现了一些比较有代表性的雨洪管理相关理论与技术体系，台湾学者陈瑞文提出的机动车道“海绵体”结构设计(JW生态工法)；车伍、李俊奇等提倡和推广基于“滞、渗、蓄、净、用、排”原理和多功能雨洪控制利用的应用体系；尹澄清等开展研究城市面源污染控制原理与技术；周玉文等提出了构建三套排水系统解决城市排涝问题；俞孔坚等提出了有关雨洪管理的“安全格局”和“反规划”理论，并在许多景观项目中应用。这些理论也包括对发达国家的理念和方法的直接引用。近年来，我国开始进行城市雨洪控制利用的系统性研究和应用：在深圳西坑水库开展了第一个低影响开发试点；Zhang等通过进行屋面雨水收集、地表径流渗透等措施的实地实验，分析了低影响开发措施在控制雨水径流量和净化径流水质等方面的作用；晋存田等对下凹式绿地的水文水质作用进行了实验研究；北京建工学院的专家们对比分析了国内外雨洪控制利用的技术方法，并对各国的绿色建筑标准进行了评价。2014年11月，住建部颁布了《海绵城市建设技术指南--低影响开发技术雨水系统构建》，在总体上对海绵城市建设提供政策指导；2016年4月，己评选两批城市进入“海绵城市”试点，先后有30多个城市开始进行海绵城市改造：如池州市未来三年规划相关项目共117个，总投资约221.6亿元，包括道路交通海绵城市系统、园林绿地系统、建筑小区系统、水生态及水安全系统，以期全方位打造城市水环境整体解决方案。可见，在构建现代雨洪管理体系的进程中，我国正在奋起直追并进入一个迅速发展的关键时期。
随着城市基础设施的不断完善，城市雨水系统的主要研究从单-的雨水管网系统设计、优化，衍生出更多要求和更复杂的工程体系。除了城市雨水管网系统，城市雨水系统还包括超标雨水径流系统和源头减排。城市雨水系统的优化设计目标是在保证良好的水力性能和社会环境效应下，寻求投资最省。目前，城市雨水系统优化设计主要集中于城市雨水管网系统，其优化计算是在管网定线的基础上进行。从造价优化方面来说，是通过满足设计流速、管径、埋深及充满度等约束条件，得到管网建设费用最低的目标。国外在20世纪60年代提出了雨水管网优化的概念，但由于当时的计算机技术刚刚起步，取得的成绩较小；20世纪70到80年代，Deininger， Dajani和Hasit对线性规划方法的研究，Holland和Price对非线性规划方法的研究，May和Yen对动态规划方法的研究开始应用于管网优化并得到发展。1997年，Cembrowicz和Kraute：使用遗传算法对排水管网进行计算，遗传算法作为一种进化方法很受欢迎，不仅成功应用于管网优化上，且还在不断发展中。
我国在20世纪70年代也开始进行排水管网工作的设计研究，并在前人研究基础上对这些算法进行了改进研究。其中，同济大学的张景国提出拟差动态规划法进行雨水管网优化设计；李贵义提出求解有约束的非线性凸规划问题的简约梯度法，该方法考虑了水力因素，取得了较为满意的管网优化效果。随着计算机技术和城镇化的发展，城市径流和污染加重，对雨水系统优化设计的要求也随之提高，从控制径流污染、保证良好的水力性能及保护生态方面考虑，数值模拟方法和雨洪管理系统得到应用。最常用的数值模拟模型是20世纪70年代由美国环保局开发的暴雨雨水管理模型(SWMM)，通过模拟排水管网的运行情况，可以从中发现造成检查井溢流问题的原因，从而为施行各种优化措施提供参考和依据；SWMM还完善了城市暴雨的水质、水量的预测及管理且至今仍被广泛应用。1973年，美国工程师协会水文工程中心开发的蓄水、处理、径流及溢流模型(STORM)，可用来分析径流过程、污染物迁移变化过程，适用于对流域长期径流过程的模拟。20世纪70年代中期，美国环保署研制的HSPE模型可以用来模拟流域的水文水质情况，计算流域水量和水质变化，预测径流、地表水和地下水污染浓度，但是此模型对数据要求较高。我国学者对城市雨水系统模型研究较晚，其中有不少国内学者对国外雨洪模型进行研究并应用于我国排水系统。如1999年河海大学教授刘俊利用SWMM模型建立了天津市暴雨管理模型。2008年赵冬泉等人以澳门某小区为例，构建了基于GIS技术的SWMM城市排水管网模型等。我国在2014年提出了海绵城市建设指南以来，很多学者、设计部门等针对海绵城市开展了大量实例建设和研究，主要是通过SWMM、Infoworks和MIKE等软件建立数值模型进行模拟。
基于单一的雨水管网造价优化和雨水管网数值模拟软件，相关研究人员通过调用SWMM源程序，并建立雨水管网多目标优化模型，通过多粒子群算法和多目标遗传算法对雨水管网改建优化，从管网造价和水力性能两方面实现雨水管网优化。但目前还缺乏基于海绵城市的城市雨水系统优化设计的研究，需要进一步的分析与探讨。
发明内容
本发明是针对现有技术存在的不足，提供一种基于海绵城市理念的城市雨水优化系统和方法，利用模型对城市雨水系统进行模拟分析，为城市雨水系统优化设计提供可靠依据，满足实际使用要求。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种基于海绵城市理念的城市雨水优化系统，所述城市雨水优化系统包括依次连接的：确定研究内容模块、查阅文献收集资料模块、城市雨水系统理论基础模块、海绵城市建设研究模块、研究区域实例分析模块及雨水系统优化方法模块；所述海绵城市建设研究模块与所述实例分析模块之间依次插接有：雨水系统优化模型建立模块和模型求解方法确定模块；
所述城市雨水系统理论基础模块下方分别连接有：设计重现期模块、年径流总量控制率模块及径流系统模块；所述海绵城市建设研究模块下方连接有：合理规模研究模块和城市雨水系统设计影响因素研究模块；所述研究区域实例分析模块上方依次插接有：基础资料数据分析模块和雨水计算模型建立模块。
作为上述技术方案的改进，所述的基于海绵城市理念的城市雨水优化方法如下：
S1：分析海绵城市建设和城市雨水系统优化的研究进展与经验，进行归纳和总结；
S2：海绵城市背景下分析雨水系统中的主要设计参数，提出海绵城市建设的主要措施及确定合理规模的方法；
S3：分析海绵城市建设对雨水系统优化设计的影响，确定雨水管网优化目标，建立优化模型并给出求解方法；
S4：利用雨水管网模型进行效果分析，通过雨水管网优化计算寻求适合该地区的雨水系统优化方案。
作为上述技术方案的改进，在S3中具体操作为：在研究国内外雨洪管理方法的发展基础上，结合海绵城市建设技术指南，研究海绵城市建设措施的合理规模及雨水管网优化设计的方法。
作为上述技术方案的改进，在S4中具体操作为：以某研究区域的雨水排水系统为计算实例，建立数学模型，进行优化设计，给出雨水系统优化决策。
本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：
(1)本方案对海绵城市和城市雨水系统的进展进行全面研究，以城市雨水系统理论研究为基础，对设计重现期、径流系数及年径流总量控制率等设计标准进行分析，作为后续研究的依据与指导。
(2)考虑年径流总量控制率、雨水管渠设计参数、内涝防治设计指标等约束条件，构建源头减排、雨水管渠和雨水调蓄池合理规模优化模型，实现整个海绵城市建设措施的合理规模优化；从城市雨水系统构成、径流总量和径流峰值三个方面，详细分析海绵城市建设措施对城市雨水系统设计的影响。
(3)以雨水管网总费用、溢流总量和积水总时间为目标函数，建立基于海绵城市的城市雨水管网多目标优化模型，通过加权法将多目标转化成单目标问题，调用SWMM模型程序，以Matlab为平台进行优化求解，得到研究区域优化设计方案。
综上所述：本发明利用模型对城市雨水系统进行模拟分析，为城市雨水系统优化设计提供可靠依据；确定优化目标及方法，使城市雨水系统优化设计更具针对性，具有较高的理论价值和实际意义。
附图说明
图1为本发明所述的基于海绵城市理念的城市雨水优化系统模块示意图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。
随着随着我国经济的迅速发展，城镇规模不断扩大，造成了土地利用方式的快速改变。据资料显示，2015年，我国城镇化率达到56.1％，大量的农田、草地等绿色生态用地被城市中的高楼大厦、公路、街道等取代，大大降低了雨水的下渗能力。城镇化与生态环境之间的矛盾逐渐突出，和城镇发展息息相关的雨洪问题也日益复杂。一方面，由暴雨造成的城市内涝问题愈发严重：2013年的城市防洪现状调查显示，全国仍有340座城市(占总数53％)没有达到国家规定的防洪标准，人口在150万以上的34座特大城市中仅有7座达到规定的防洪标准；据国家防汛抗旱总指挥部统计，2014 年有125座城市遭遇内涝灾害；2016年7月，受厄尔尼诺现象影响，我国多数城市遭受不同程度的城市内涝灾害，对市民的生活、出行等造成了极大影响。另一方面，我国淡水总资源占全球总量的6％，居世界第四位，但人均淡水资源量仅为世界平均水平的四分之一，是全球13个淡水资源最贫乏的国家之一。很多城市仍采用传统的排水方式收集雨水再排放，城市防涝减灾的方式还是简单直接的以“排”为主。有近90％的排水都依靠排水管网，使得城市排水管网的负荷越来越大；而且有大量的水资源得不到有效利用。因此，必须寻求切实有效的方法来减少城市内涝，全面提高城市防涝安全，为更好的建设生态文明及实现可持续性发展提供有力的保障。
城市雨水系统作为城市建设基础设施，承担着排涝的重要责任，是评价城镇化的重要指标。在城镇化发展早期，主要依靠排水管网将雨水收集再排放；随着城镇化的不断发展，硬化路面的不断增多，地面径流也逐渐变大，当遇到特大暴雨时，在管网设计重现期不变的情况下，只用雨水管网收集排放雨水无法有效保障城市防涝安全。为了缓解排水管网的负荷，我国开始寻求新的雨水收集与利用方式，并将减少内涝灾害和保护生态环境相结合，以建设生态文明为目标，编制了海绵城市建设技术指南。在此背景下，需认真学习前人的研究成果，收集有关资料，分析海绵城市建设的经验、研究进展及主要技术措施；结合海绵城市建设的技术措施，力求合理确定城市雨水系统的措施规模；利用模型对城市雨水系统进行模拟分析，为城市雨水系统优化设计提供可靠依据；确定优化目标及方法，使城市雨水系统优化设计更具针对性，具有较高的理论价值和实际意义
如图1所示：为本发明所述的基于海绵城市理念的城市雨水优化系统模块示意图。
基于海绵城市理念的城市雨水优化系统，所述城市雨水优化系统包括依次连接的：确定研究内容模块、查阅文献收集资料模块、城市雨水系统理论基础模块、海绵城市建设研究模块、研究区域实例分析模块及雨水系统优化方法模块；所述海绵城市建设研究模块与所述实例分析模块之间依次插接有：雨水系统优化模型建立模块和模型求解方法确定模块；
所述城市雨水系统理论基础模块下方分别连接有：设计重现期模块、年径流总量控制率模块及径流系统模块；所述海绵城市建设研究模块下方连接有：合理规模研究模块和城市雨水系统设计影响因素研究模块；所述研究区域实例分析模块上方依次插接有：基础资料数据分析模块和雨水计算模型建立模块。
具体地，所述的基于海绵城市理念的城市雨水优化方法如下：
S1：分析海绵城市建设和城市雨水系统优化的研究进展与经验，进行归纳和总结；
S2：海绵城市背景下分析雨水系统中的主要设计参数，提出海绵城市建设的主要措施及确定合理规模的方法；
S3：分析海绵城市建设对雨水系统优化设计的影响，确定雨水管网优化目标，建立优化模型并给出求解方法；具体为：在研究国内外雨洪管理方法的发展基础上，结合海绵城市建设技术指南，研究海绵城市建设措施的合理规模及雨水管网优化设计的方法；
S4：利用雨水管网模型进行效果分析，通过雨水管网优化计算寻求适合该地区的雨水系统优化方案；具体为：以某研究区域的雨水排水系统为计算实例，建立数学模型，进行优化设计，给出雨水系统优化决策。
研究的过程：
(1)2019.1-2019.3：分析海绵城市建设和城市雨水系统优化的研究进展与经验，分析雨水系统中主要设计参数。
(2)2019.4-2019.6：提出海绵城市建设的主要措施及确定合理规模的方法，分析海绵城市建设对城市雨水系统优化设计的影响。
(3)2019.7-2019.12：确定城市雨水管网优化目标，建立优化模型并给出求解方法。
(4)2020.1-2020.3：利用雨水管网模型软件进行效果分析，通过雨水管网优化计算寻求适合该地区的雨水系统优化方案。
研究的方法：
文献研究法：通过查阅文献夯实城市雨水系统理论研究基础，分析设计重现期、年径流总量控制率及径流系数的设计标准，为后续研究提供依据与指导；通过查阅文献了解海绵城市的具体内涵，了解《海绵城市建设技术指南》和《室外排水设计规范》等要求，了解海绵城市建设措施的功能特点、适用条件及规模计算方法，收集多雨城市在海绵城市建设过程中对雨水系统设计优化可能遇到的问题及解决措施；
模型模拟法：结合研究区域选择合适的目标函数，建立基于海绵城市的城市雨水管网多目标优化模型，通过加权法将多目标转化成单目标问题。选择适宜的算法，结合实例调用SWMMH模型软件程序，以MATLAB为平台进行优化求解，最终得到研究区域优化设计方案。
其中，SWMMH模型软件：
雨水管理模型SWMMH是美国环境保护局软件EPA SWMM的汉化版本，是一个动态降雨-径流模拟计算机程序，主要用于城市区域径流水量和水质的单一事件或者长期(连续)模拟。SWMMH的径流组件模拟汇水区域面积上的运行，接收降水并产生径流和污染物负荷。SWMMH的演算部分，计算通过由管道、渠道、蓄水处理设施、水泵和调节器所构成系统的径流。 SWMMH跟踪由多个时间步长构成的模拟时段内每一区域的径流水量和水质，每一条管渠中的流量、水深和水质。SWMM最初开发于1971年，此后经历了几次重要升级。它一直在世界范围内广泛应用，用于城市地区雨水径流、合流管道、污水管道和其他排水系统的规划、分析和设计。同时在非城市区域也有一些应用。SWMMH考虑了城市区域产生径流的各种水文过程，也包含了灵活的水力模拟能力集合，用于演算整个管道、渠道、蓄水处理设施和分流构筑物的排水管网径流和外部进流。除了模拟径流量的产生和输送，SWMMH也可以评价与该径流相关的污染物负荷。从出现以来，SWMMH已用于全世界数千项排水管道和雨水研究中，典型应用包括：控制洪水的排水系统组件设计和尺寸确定；为控制洪水和保护水质的滞留设施及其组件尺寸的确定；自然渠道系统泛洪区的地图绘制；最小化合流制排水管道溢流的设计控制策略；评价进流量和渗入对污水管道溢流的影响；污物负荷分配研究中的非点源污染物负荷。
以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种基于海绵城市理念的城市雨水优化系统，其特征在于：所述城市雨水优化系统包括依次连接的：确定研究内容模块、查阅文献收集资料模块、城市雨水系统理论基础模块、海绵城市建设研究模块、研究区域实例分析模块及雨水系统优化方法模块；所述海绵城市建设研究模块与所述实例分析模块之间依次插接有：雨水系统优化模型建立模块和模型求解方法确定模块；
所述城市雨水系统理论基础模块下方分别连接有：设计重现期模块、年径流总量控制率模块及径流系统模块；所述海绵城市建设研究模块下方连接有：合理规模研究模块和城市雨水系统设计影响因素研究模块；所述研究区域实例分析模块上方依次插接有：基础资料数据分析模块和雨水计算模型建立模块。
2.根据权利要求1所述基于海绵城市理念的城市雨水优化方法，其特征在于：所述城市雨水优化方法如下：
S1：分析海绵城市建设和城市雨水系统优化的研究进展与经验，进行归纳和总结；
S2：海绵城市背景下分析雨水系统中的主要设计参数，提出海绵城市建设的主要措施及确定合理规模的方法；
S3：分析海绵城市建设对雨水系统优化设计的影响，确定雨水管网优化目标，建立优化模型并给出求解方法；
S4：利用雨水管网模型进行效果分析，通过雨水管网优化计算寻求适合该地区的雨水系统优化方案。
3.根据权利要求2所述基于海绵城市理念的城市雨水优化方法，其特征在于：在S3中具体操作为：在研究国内外雨洪管理方法的发展基础上，结合海绵城市建设技术指南，研究海绵城市建设措施的合理规模及雨水管网优化设计的方法。
4.根据权利要求2所述基于海绵城市理念的城市雨水优化方法，其特征在于：在S4中具体操作为：以某研究区域的雨水排水系统为计算实例，建立数学模型，进行优化设计，给出雨水系统优化决策。
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