CN110984333A - 基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化方法，包括以下步骤：将绿色基础设施划分为凹式绿地、雨水花园、绿色屋顶及透水铺装，再以最大吸收雨量及最少综合费用为优化目标，以场地内实际可建设面积作为约束条件，建立绿色基础设施规模优化的多目标优化模型；求解所述绿色基础设施规模优化的多目标优化模型，得最优吸收雨量及综合费用，完成基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化，该方法能够实现吸收雨量及综合费用最省的最优方案。
Description
技术领域
本发明属于绿色建筑领域，涉及一种基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化方法。
背景技术
随着城市的快速发展，导致了地表不透水面积不断扩张，致使城市径流总量超出原有水平，地表径流汇流量增多，灰色雨水管网排雨水能力不足，城市内涝频发(陈秉楠.新开发区低影响开发设施布置优化研究[D].深圳:深圳大学,2015)。此前以“快排”模式为主的灰色雨水管网已不能有效解决城市雨水利用问题，如今，引入“海绵城市”理念的绿色基础设施起到了消减、净化和滞蓄降雨径流的重要功能，能够有效缓解城市雨洪问题，同时实现环境、生态、景观多功能一体化(张伟,车伍,王建龙,王思思.利用绿色基础设施控制城市雨水径流[J].中国给水排水2011.2(4)22-26)。
目前，已有学者分析不同降雨重现期、不同降雨历时、不同规模单项绿色基础设施设施径流控制能力的影响，利用暴雨洪水管理模型(SWMM)进行模拟，评估不同规模下各LID设施对不同降雨过程的径流削减效果，还有学者分析了不同设计暴雨情景下绿色基础设施的表现(CHUI T F M,LIU X,ZHAN W.Assessing cost-effectiveness of specific LIDpractice designs in response to large storm events[J].Journal of Hydrology,2016,533:353-364)。对于绿色基础设施规模的计算，多数是单项基础设施规模优化研究，例如有学者根据我国多数城市雨水花园的构造特点，提出了一种基于水量平衡的面积优化方法(向璐璐,李俊奇,邝诺,车伍,李艺,刘旭东.雨水花园设计方法探析[J].给水排水,2008(06):47-51.)；还有学者以雨水年径流总量控制率作为目标，研究下凹式绿地通过渗蓄效应对径流总量控制率的贡献和下凹式绿地的适宜规模(焦胜,贺颖鑫,罗碧虹,陈映杰.基于雨水年径流控制的下凹式绿地面积比研究[J].给水排水,2016,52(S1):66-72.)；还有以透水铺装和生物滞留设施两种绿色基础设施为研究对象，采用成本与效益的多目标模型对绿色基础设施的模型进行优化(陶涛,肖涛,王林森,颜合想.海绵城市低影响开发设施多目标优化设计[J].同济大学学报(自然科学版),2019,47(01):92-96.)。但相关研究仍然较少，缺少对多种绿色基础设施组合的研究，较少结合直观的雨量和费用对绿色基础设施进行可操作性的综合评估，即没有给出吸收雨量与综合费用最省的最优方案。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化方法，该方法能够实现吸收雨量及综合费用最省的最优方案。
为达到上述目的，本发明所述的基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化方法包括以下步骤：
将绿色基础设施划分为凹式绿地、雨水花园、绿色屋顶及透水铺装，再以最大吸收雨量及最少综合费用为优化目标，以场地内实际可建设面积作为约束条件，建立绿色基础设施规模优化的多目标优化模型；
求解所述绿色基础设施规模优化的多目标优化模型，得最优吸收雨量及综合费用，完成基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化。
优化目标的表达式为：
maxV＝max(V下凹绿地+V绿色屋顶+V雨水花园+V透水铺装)
其中，V下凹绿地为凹式绿地的雨水渗透量，V雨水花园为雨水花园的雨水渗透量，V绿色屋顶为绿色屋顶的雨水渗透量，V透水铺装为透水铺装的雨水渗透量，Ai为绿色基础设施规划面积，Bi为综合成本，i由1～4分别表示下凹绿地、雨水花园、绿色屋顶、透水铺装。
采用差分进化算法求解所述绿色基础设施规模优化的多目标优化模型。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化方法在具体操作时，以最大吸收雨量及最少综合费用为优化目标，以场地内实际可建设面积作为约束条件，建立绿色基础设施规模优化的多目标优化模型，再求解该优化模型，得最优吸收雨量及综合费用，完成基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化，操作方便、简单。
附图说明
图1为差分进化算法的流程图；
图2为西安建筑科技大学北院的部分区域图；
图3为实施例一中绘制的吸收雨量与总费用的pateto最优曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化方法包括以下步骤：
将绿色基础设施划分为凹式绿地、雨水花园、绿色屋顶及透水铺装，再以最大吸收雨量及最少综合费用为优化目标，以场地内实际可建设面积作为约束条件，建立绿色基础设施规模优化的多目标优化模型；
求解所述绿色基础设施规模优化的多目标优化模型，得最优吸收雨量及综合费用，完成基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化。
优化目标的表达式为：
maxV＝max(V下凹绿地+V绿色屋顶+V雨水花园+V透水铺装)
其中，V下凹绿地为凹式绿地的雨水渗透量，V雨水花园为雨水花园的雨水渗透量，V绿色屋顶为绿色屋顶的雨水渗透量，V透水铺装为透水铺装的雨水渗透量，Ai为绿色基础设施规划面积，Bi为综合成本，i由1～4分别表示下凹绿地、雨水花园、绿色屋顶、透水铺装。
需要说明的是，绿色基础设施的雨水吸收量V主要由蓄水量和下渗量两部分组成，即：V＝Vs+Wp，Vs表示蓄水量，Vs＝Asdn，d为蓄水深度，n为蓄水层孔隙率，As为有效下渗面积；WP表示下渗量，Wp＝KJAst，K为土壤渗透系数，J为水力坡度，一般取1。
根据四种绿色基础设施结构的不同，得到对应的容积计算公式，下凹绿地、雨水花园和透水铺装从结构上来看，均包含畜水层及下渗层，需要分别计算畜水层和下渗层的容积，绿色屋顶属于面层结构，主要用于拦击降雨使雨水下渗吸收，并没有蓄水层，因此它的容积取决于一定时间内收集、渗透到地下的雨水量，四种设施具体容蓄体积计算过程过程为：
a)下凹绿地的容积包括下凹部分的蓄水量及一定时间内下渗到土壤中的水量，下凹部分可以看作深度较浅的水层，基质部分要根据土壤的下渗率和下渗时间计算，即
V下凹绿地＝A1(d1+K1·J·t)
b)雨水花园从结构分层上来看以下凹绿地类似，也有畜水层和下渗层，容积计算公式为：
V雨水花园＝A2·(d2n2+K2·J·t)
c)绿色屋顶的雨水滞留功能主要体现在基质层对雨水的吸持作用，因此只计算基质层的雨水渗透量，即：
V绿色屋顶＝A3·K3·J·t
d)透水铺装对雨水主要起拦截和下渗的作用，只考虑一定时间内下渗的雨量，即：
V透水铺装＝A4·(d4·n4+K4·J·t)
因此绿色基础设施总容蓄水的体积为：
其中，J为水力坡度，一般取J＝1；t为渗透时间，降雨过程中设施的渗透历时，s；d1、d2、d4分别为下凹绿地、雨水花园对应下凹深度和透水铺装的畜水层深度；绿色屋顶没有蓄水层d3＝0；Ai为四种绿色基础设施对应规划面积；Ki为四种绿色基础设施对应的土壤渗透系数；n2及n4分别为雨水花园和透水铺装蓄水层的孔隙率，下凹式绿地蓄水层视为水层，即n1＝1。
另外，需要说明的是，结合绿色基础设施单位面积的初期建设成本、后期维护成本以及设计使用年限计算各种设施单位面积的综合成本，绿色基础设施单位面积的综合成本表达式为：
其中，n为使用年限，r为折现率，C0为初期平均建造成本，C1为后期平均维护成本，绿色基础设施的有效年限参考市政公用设施使用年限，统一取20年；折现率以2％计算。根据表1中各种绿色基础设施的平均建造成本和平均维护成本计算各种绿色基本设施单位面积的综合成本，对成本值取整得：B1＝119；B2＝413；B3＝232；B4＝212；
表1
关于约束条件：具体的，在规划时，根据《海绵城市建设指南》，绿色基础设施的吸收雨量可以通过容积法来确定，即：
其中：V为设计吸收雨量，H为设计降雨量，
为综合雨量径流系数，F为汇水面积。
例如，根据我国降水分区，西安市的年径流总量控制率最好控制在80％～85％之间，那么以80％和85％的年径流总量控制率分别对应的设计降雨量H80％和H85％带入公式，计算相应的V80％和V85％，即V80％和85％表示年径流总量控制率分别为80％和85％时对应的需要吸收的雨量，则约束条件的表达式为：
V80%≤V下凹绿地+V绿色屋顶＋V雨水花园+V透水铺装≤V85%
同时，对于改扩建场地，在实际规划过程中，场地内不同种类设施的可利用面积是有一定限制的，因此将场地内实际的绿色基础设施可建设面积作为规划的上限约束条件。
其中，Acg、Arg、Agr及App分别为场地内下凹式绿地、雨水花园、绿色屋顶和透水铺装的实际可建面积。
采用差分进化算法求解所述绿色基础设施规模优化的多目标优化模型，具体过程如图1所示。
实施例一
以西安建筑科技大学北院的部分区域为例，选取一部分汇水区域进行研究，所选区域如图2，该场地呈现东北高，西南低的地势，雨水汇流后由西南角的最低点排入市政管网，场地汇水面积为71199.20㎡，其中包含硬化路面54986.02㎡，绿化面积16213.18㎡，硬化路面和绿地的径流系数分别为0.9及0.15，计算综合径流系数为φ＝0.73。西安市年径流总量控制率为80％和85％时，对应的设计降雨量分别为17.43mm和21.22mm，得到绿色基础设施的设计吸收雨量范围为V80％＝905.94m3、V85％＝1102.93m3。下凹式绿地的下凹深度范围为50～200mm，雨水花园的蓄水层深度范围为200～300mm,绿色基础设施相关参数如表2所示：
表2
根据设置的参数，上述的目标和约束可以简化为：
目标一：
maxV＝max(0.086A1+0.286A2+0.144A3+0.159A4)
目标二：
minW＝min(119A1+413A2+232A3+212A4)
约束条件：
通过matleb编写DE算法程序，得到一系列的pareto解集，其中，DE算法参数选取为：种群个数N＝100，最大迭代次数T＝400，交叉概率K＝0.8，变异概率Cr＝0.3，经计算得到一系列pareto解集，运行结果如图3，从图3中可以看出，随着设计吸收雨量的增加，费用也在增加，雨量与总费用可以拟合为二次函数的关系，该pareto曲线可用于研究80％-85％年径流总量控制率对应雨量范围内四种绿色基础设施的最低总费用，曲线上的每个点都对应一种最优的开发规模组合，因此，选择了三种设计方案供参考，如表3。
表3
根据计算结果，绿色基础设施建设和维护的总费用随着需要消纳雨水量的增加而升高，没有明显的拐点，即更多经济的投入并不会带来更大效益的雨水消纳量，同时由于所选雨量范围为能够满足80％-85％年径流总量控制率这个最优范围内，对于雨水的消纳能力相差并不大，但是总费用相差30万左右，由此，在方案选择时可根据具体需求选择。从计算结果来看，雨水花园和绿色屋顶远不如下凹式绿地和透水铺装的性价比高，因此在设计规划时，若从经济的角度考虑，可以更多的布置下凹式绿地和透水铺装，既能提高雨水吸收量，又节省造价。
Claims (3)
1.一种基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
将绿色基础设施划分为凹式绿地、雨水花园、绿色屋顶及透水铺装，再以最大吸收雨量及最少综合费用为优化目标，以场地内实际可建设面积作为约束条件，建立绿色基础设施规模优化的多目标优化模型；
求解所述绿色基础设施规模优化的多目标优化模型，得最优吸收雨量及综合费用，完成基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化。
2.根据权利要求1所述的基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化方法，其特征在于，优化目标的表达式为：
maxV＝max(V下凹绿地+V绿色屋顶+V雨水花园+V透水铺装)
其中，V下凹绿地为凹式绿地的雨水渗透量，V雨水花园为雨水花园的雨水渗透量，V绿色屋顶为绿色屋顶的雨水渗透量，V透水铺装为透水铺装的雨水渗透量，Ai为绿色基础设施规划面积，Bi为综合成本，i由1～4分别表示下凹绿地、雨水花园、绿色屋顶、透水铺装。
3.根据权利要求1所述的基于海面城市中处理雨水的绿色基础设施规模优化方法，其特征在于，采用差分进化算法求解所述绿色基础设施规模优化的多目标优化模型。
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