基于多目标优化的低影响开发设施布局方法

以海绵城市试点区-南昌市某分流制区域为例,针对低影响开发（LID）设施的最优成本效益问题,耦合了雨水管理模型（SWMM）和非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）,对LID设施建设成本、径流SS负荷削减率、径流量削减率3个目标函数进行多目标优化.得到了一系列完整的成本效益曲线（帕累托解集）,实现了区域LID设施建设方案的自动寻优.比较不同降雨重现期（P=2、5、15 a）条件下的优化结果,发现LID设施在径流SS负荷控制方面不易受降雨重现期的影响;而在径流量控制方面,受降雨重现期影响较大,高成本LID设施建设方案也难以有效削减高重现期降雨径流.以帕累托解集中3种不同建设成本的方案为例,根据2016年实际降雨对不同方案下的水量水质的控制效果进行了模拟,决策者可以根据资金投入、控制目标、受纳水体环境容量从帕累托解集上选择适合的LID设施建设方案.     

基于多目标优化与综合评价的海绵城市规划设计

海绵城市源头减排设施已被广泛应用于城市雨水径流削减与污染控制,但仍缺乏一种综合评价方法来实现其科学规划设计.本研究构建了一种基于多目标优化与综合评价相耦合的海绵城市规划设计方法,以建设成本、雨水综合径流系数、污染物综合控制率为目标函数,以源头减排设施建设规模和海绵城市径流控制指标作为边界条件,建立基于快速分类的非支配遗传算法（NSGA-Ⅱ）的多目标优化模型;然后结合层次分析法对优化解集进行综合指标评价,得出最优化设计方案.利用该方法以研究区A为案例,构建了一套建设成本最小化、水文水质效益最大化的设计方案,并通过海绵城市建设前后的暴雨洪水管理模型（SWMM）,评估最优化方案的降雨径流控制与径流污染控制效果.研究结果表明,海绵城市建设能大幅削减雨水径流量,年径流总量控制率达70.1%;雨水峰值流量削减率超过40%,同时延后径流峰值出现时间;有效降低雨水径流污染,研究区各类污染物综合削减率均超过30%.本文提出的多目标优化与综合评价方法,能够基于特定的目标与需求,针对性提出适合区域发展的海绵建设方案,为海绵城市规划设计提供技术支持.     

汇流路径对SWMM模型水量模拟结果的影响

随着城市雨水管理信息化的快速发展,数学模型逐渐在城市雨水系统规划设计中得到广泛应用,但模型的模拟精度已成为制约其广泛应用的瓶颈问题之一。以某低影响开发（low impact development,LID）雨水系统为例,基于SWMM模型,系统分析了不同重现期条件下,低影响开发设施占比和汇流路径的差异对雨水径流水量控制效果的影响。模拟结果表明:与不考虑汇流路径相比,考虑汇流路径时雨水径流外排总量削减率为4.32%~26.53%,峰值削减率为38.46%~61.40%。因此,汇流路径对雨水径流外排总量和峰值流量影响均较大,且随着LID设施占比升高而增大,随着降雨重现期的增加而降低。在场地开发过程中,可以通过合理的汇流路径设计,提高场地中LID设施对雨水径流的控制效果。同时,在利用模型对场地雨水控制利用效果评估时,也应充分考虑汇流路径对模拟结果的影响。     

对低影响开发中雨水调蓄设施的分析和思考研究

随着海绵城市规划建设的陆续开展,低影响开发(LID)的理念也深入人心并得到广泛应用,国内各地均结合自身实际情况提出了年径流总量控制率的目标.事实上,各地在实践中也都逐渐总结出,将年径流总量控制率的目标转化为控制的雨量更容易落地实施,而实现目标的其中一个关键抓手就是雨水调蓄设施.通过对调蓄设施的类型、用途及标准等内容的分析和思考,提出规划建设中应当注意的问题和建议,为海绵城市建设提供一些参考,促进调蓄设施更好的发挥作用.     

气候变化背景下城市应对极端降水的适应性方案研究——以西宁海绵城市试点区为例

气候变化将导致极端天气事件频率与强度的增加,城市迫切需要对未来的极端天气做出适应性反应.因此,为了找到应对未来暴雨极端天气的最佳适应性方案,明确不同方案对暴雨极端天气的缓解程度,本研究基于西宁市海绵城市试点区50年(1966—2015)的气象资料,利用Pearson-III概率分布和线性趋势估计法预测了该区未来50年的极端降水量,进而利用SWMM模型模拟未来50年极端降水条件下的城市内涝情况,并根据模拟结果提出基于低影响开发(LID)配置和管网改造的城市内涝适应方案.这些方案包括:局部布设LID措施、局部布设LID措施结合局部管网改造、全局布设LID措施、全局布设LID措施结合满流管网改造.再次利用SWMM模型对这些方案进行模拟,并评价它们应对未来极端降水的能力.结果表明,全局布设LID措施和满流管网改造的效果最好,全局布设LID措施的效果和局部布设LID措施结合局部管网改造的效果相近.然而,管网改造无法有效储存和利用雨水资源,因此,全局布设LID措施将成为城市应对极端降雨的重要适应性方案.     

建筑小区雨水花园空间布局对径流过程影响规律研究

为探究建筑小区雨水花园空间布局对径流过程的影响规律,采用耦合SWMM(暴雨洪水管理模型)管网模块和GAST模型(基于GPU加速技术的地表水动力数值模型)的一二维耦合水动力模型,并以西咸新区天福和园小区为例,模拟计算了实测降雨条件下的径流过程。以雨水花园为研究对象,分别在该小区上、中、下游布设雨水花园,模拟6种重现期,共18种典型工况下其对管网出口径流的调控效果。结果表明:该耦合模型可精确可靠地模拟城市管网排水及地表积涝过程,纳什效率系数为0.80和0.76,模拟结果较好;随着设计降雨重现期增加,径流总量控制率逐渐降低;在相同重现期下,将雨水花园布设于下游侧的径流总量控制率较布设于上游侧时提升了5.33~8.74百分点,提升效果较明显。可见,该研究结果可为优化建筑小区雨水花园空间布局提供参考。     

坡度对低影响开发道路水文参数的影响

近年来,海绵城市在我国得到快速发展,其中低影响开发道路是重要建设内容之一。坡度是影响低影响开发道路雨水控制利用效果的关键因素之一,尤其是山地城市道路纵坡普遍较大,目前尚缺乏系统研究。针对上述问题,在实验室搭建了1∶1物理模型,通过人工模拟降雨实验,系统研究了坡度对低影响开发道路雨水径流总量控制率、峰值削减率、径流系数等水文参数的影响。实验结果表明:低影响开发(LID)道路场次雨水径流总量和峰值流量受坡度影响较大,其削减率分别为7. 5%～73. 2%和4. 5%～52. 6%;径流系数受重现期影响较大,在低重现期时为0. 20～0. 66,在大纵坡和高重现期时均接近1。LID道路在纵坡<5%和重现期<10 a时雨水径流总量和峰值削减效果较明显,在大纵坡和高重现期时雨水外排总量和峰值削减效果较差。上述研究成果可为山地城市低影响开发城市道路设计提供技术支撑。     

基于海绵城市建设的低影响开发技术的功能分析

研究了基于海绵城市建设的低影响开发技术(LID)对场地开发前后自然水文状态的复原原理,分析了LID技术的主要功能,即在场地控制中采用源头处理或者分散处理的技术,从而达到增加雨水的蒸发量、渗透量,削减洪峰流量与径流量,延长峰现时间及同时净化雨水等目标。对LID的6项功能列清单,提出了功能列表并分析了功能多边形。对LID技术功能的分析,有助于了解LID的主要功能及LID的本质目标,为推进海绵城市的建设提供参考。     

低影响开发建筑小区雨水控制效果监测与评估

以某新建建筑小区为研究对象,通过构建低影响开发雨水排水系统,实现了雨水径流总量减排和峰值削减的多目标控制。采用同场次降雨对比分析的方法,在该小区6个排口（A~F）分别设置监测点,并选择下垫面类型组成相似的传统建筑小区排口（G）作为对比监测点。通过7场典型降雨监测数据的分析表明:与传统建筑小区相比,低影响开发建筑小区场次雨水径流外排总量削减率为12.1%~100%,场次雨水径流污染物（以SS计）总量削减率为69.6%~100%,峰值削减率为12.3%~100%。通过建立数学模型对典型年降雨数据进行了连续模拟,结果表明:低影响开发建筑小区平均径流外排总量削减率为77.3%,污染物总量削减率为66.4%。因此,监测和模拟结果均表明低影响开发雨水系统可有效控制雨水径流的外排总量和污染负荷。研究结果可为我国今后海绵型建筑小区建设提供技术支撑。     

城市雨水调蓄池水质控制效果及其影响因素分析

随着我国城市化进程的加快,城市不透水区域面积急剧增加,导致雨水径流外排总量和峰值流量增加,同时城市区域人类活动带来的道路交通、地表沉积物、空气沉降等污染,最终在雨水径流的冲刷作用下排入受纳水体,对城市排水防涝和水体水质带来了极大的威胁。针对上述问题,雨水调蓄池在城市雨水管理中得到越来越广泛的应用,但目前普遍存在投资大、设计功能单一、利用效率较低等问题。分析了雨水调蓄池内水质变化规律,同时模拟某下凹桥区调蓄池在不同重现期及进水浓度下污染物的变化规律,以期为雨水调蓄池优化运行和实时控制提供参考。     

基于IDRISI的水土流失污染及低影响开发模拟

水土流失是陆源径流污染和面源污染的重要因素,低影响开发(LID)对减轻新建城区水污染至关重要。在规划前采取模型预景可提升水土流失污染的治理效果。以长沙市某新城片区为例,基于水土流失污染防治探讨低影响开发决策。首先,基于IDRISI模块利用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)对基地现状进行模拟,得出平均土壤侵蚀模数、土壤侵蚀分级和水系沉积物负荷,并诊断现状水土流失污染的重点区位,引导LID设施布局;对LID规划方案进行模拟,通过规划前后指标的变化揭示该方案对水土流失污染防治的实效。结论:规划将使平均土壤侵蚀模数降低37.84%,侵蚀等级达极强和剧烈的比例分别下降72.04%和85.85%,西北片流域和东南片流域的沉积物总量分别下降32.72%和30.10%。     

天津生态城水系统构建与海绵建设技术研究及实践

围绕天津生态城高标准水系统建设目标,分析不同发展阶段的水环境问题与技术需求,全方位开展水系统及海绵城市规划、建设与管理技术研究,创新形成了统筹所有涉水设施的生态城市新型水系统规划模式、耦合大水系构建与全过程灰绿蓝结合的海绵城市规划策略,研发了非常规水多源多功能净化处理技术、景观水体水质保持与生态修复技术、盐碱区域生物滞留设施雨水径流污染控制技术、盐碱影响下的雨水调蓄与利用技术、基于盐渍土改良和耐盐植物群落构建的景观生态改善技术,建立了融合水动力-水质耦合模型、多水源补水优化调度模型和内涝模型的天津生态城水系统智能化管理平台。该技术成果在天津生态城水系统和海绵城市规划、建设与管理中得到应用,实现非常规水利用率超50%、水体水质达GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类,年径流总量控制率>80%,径流污染削减率>65%(以SS计),年雨水资源化利用总量达30余万m3,优化了水资源结构并提高了水资源利用效率,全面改善了天津生态城水环境质量,提升了涉水设施动态联动联控的协同管理水平,为同类型地区水系统和海绵城市高标准建设提供了参考和借鉴。     

中高雨强下公园传输型植被浅沟径流控制效果

传输型植被浅沟构造简单、经济实用,是海绵城市建设的重点推广技术之一。通过在深圳光明新区国家LID雨水综合利用示范区的现场监测研究,探讨了中到大雨下传输型植被浅沟对污染物质以及雨水径流总量、峰值流量的实际控制效果。结果表明,中到大雨下,传输型植被浅沟对SS、COD、NH_4~+-N、NO_3~--N、TN和TP的去除率分别为28.91%~67.29%、37.76%~64.57%、21.84%~34.65%、19.39%~25.99%、23.60%~39.97%和31.49%~48.83%,对径流总量的削减率为50.9%~66.3%,且径流峰值较降雨峰值滞后5~9 min;若设计重现期取1 a,深圳的传输型植被浅沟可接纳相当于自身面积1.79倍硬质路面所产生的径流。     

基于SWMM模型的南宁市海绵城市建设优化模拟

为推进南宁市从"工程治水"向"系统治水"的海绵城市建设改造,借助SWMM雨水管理模型和Arc GIS地理信息系统,将研究区划分为若干个150 m×150 m的子汇水面积作为模拟单元,构建南宁市区地表径流及非点源污染精细化雨水径流模型。2009年、2015年南宁市雨水年径流总量分别为1. 86亿,3. 37亿m3,增长率为44. 81%,径流中心和高径流区在空间上均向市区东北方向偏移。利用构建的南宁市精细化雨水径流模型,借助SWMM中的低影响开发(LID)模块,结合不同改造目标对南宁某高强度海绵城市模式示范区进行情景改造模拟。结果表明:最大径流量/悬浮颗粒物(SS)去除模式(情景1)下,径流量削减率为21. 04%,SS削减率为66. 37%。成本最优模式(情景2)下,径流量的削减率为13. 74%,SS削减率为46. 71%。引入单位投资回报作为改造效益评估指标时,情景2下,单位成本径流量和SS削减率分别增加了0. 17%和0. 89%,说明情景2比情景1更贴合实际工程评估。因此,将单位成本投资作为工程效益评估指标能更客观真实地指导海绵城市建设规划。     

雨水生物滞留系统关键设计参数研究进展

低影响开发(LID)雨水系统构建是海绵城市实现雨水控制与利用的有效手段,其中雨水生物滞留系统的设计对城镇区域削减雨水径流量与降低径流污染等具有重要的意义.在综合国内外研究成果的基础上,探讨了雨水生物滞留系统的规模、填料、植物、布局等关键设计要素的选择和确定方法.首先,对雨水生物滞留系统的规模设计方法进行了归纳总结,并阐...     

海绵城市试点区域内面源污染发生过程及其对水体污染负荷贡献评估

低影响开发(LID)作为我国海绵城市建设中最为重要的技术手段,能够有效解决大概率小降雨事件带来的径流污染问题,然而海绵城市试点区域内城市面源污染的发生全过程与污染输出特征规律鲜有报道.本研究选择已经建成的海绵城市建设试点区域,在地块尺度上研究多个不同降雨事件中城市面源晴天污染物累积量、降雨径流冲刷量、LID削减量、外排后对河流水体的污染输出量.结果表明,LID建设区域内街尘的累积范围为7.82~33.36 g·m-2,降雨冲刷量为0.29~4.90 g·m-2,街尘的径流冲刷率为0.9%~62.7%;LID设施对降雨冲刷的固体悬浮物(SS)削减率达90%,即占街尘累积量的13.1%~16.7%,发生溢流时SS输出量占街尘累积量的0.6%~3.8%,占径流冲刷量的3.9%~5.0%.LID径流的调蓄能力大于其设计降雨量(即在降雨量为21 mm)时径流无外排,经过LID设施外排径流水中COD、NH+4-N、TN、TP浓度均低于《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅳ类水标准.另外,LID设施对颗粒物中小于10μm和大于250μm的细颗粒物去除率较高,且微地形和常规性清扫(人工清扫和机械清扫)均对城市面源污染物累积和迁移分布产生影响.上述发现揭示了LID建设区域内城市面源的发生规律,可为定量评估LID工程绩效提供科学依据.     

基于LID-BMPs的历史文化区降雨径流管理方案及模拟评估

历史文化区由于建设年代久远,早期排水系统不完善,后期工程改造限制较多,在降雨事件中时常面临积水和内涝问题。在国家大力推行海绵城市建设的大背景下,如何针对历史文化区的特征进行降雨径流管理是决策管理者及技术专家要解决的问题。以清华大学早期建筑大礼堂周边区域为研究对象,基于对其历史文化景观格局和场地自然现状的解析,筛选了4种基于自然功能的LID-BMPs （蓄水池、雨水花园、透水铺装和植草沟）设施,并设计了这些类型LID-BMPs设施的空间布置方案。随后采用SUSTAIN模型进行LID-BMPs方案的水量水质控制效果及成本效益分析。结果表明:LID-BMPs方案能够在设计降雨条件下中满足区域降雨径流控制目标,并且在典型年中实现径流量和污染负荷的显著削减。     

基于SWMM模型的上海市松江国际生态商务区海绵城市建设效果评价

海绵城市建设旨在恢复城市自然调蓄能力,提升生态环境和城市韧性。以上海市松江国际生态商务区为研究区域建立SWMM模型,评估海绵城市建设对区域降雨径流控制和污染负荷控制效果,结果表明:较之传统开发模式,海绵城市建设能够显著滞蓄雨水、降低区域径流总量、削减入河污染负荷,有效减轻区域排涝压力和水环境压力。对于3,5,20,50 a重现期的2 h降雨,海绵城市径流总量分别削减40.8%、39.5%、37.0%、35.8%;对于5 a重现期的2 h降雨,TSS、COD、TN、TP的削减率分别为36.3%、39.4%、32.9%、47.6%。     

基于SWMM模型的城市已建区排水防涝提标改造途径探讨

随着城镇化建设高质量发展,城市排水防涝标准也在逐渐提高,因此,如何实施已建区排水系统的提标改造,是城市有机更新重要建设内容之一。以北京某已建区域为研究对象,提出了针对排水系统的排水能力和内涝防治标准GB 50014—2021《室外排水设计标准》统筹提标改造的方案,并借助于SWMM模型进行了方案优化评估。结果表明:通过海绵城市建设,在80%年径流总量控制率条件下,现状管网的排水能力可由1年一遇提标至2年一遇。在上述方案基础上,通过模拟评估内涝防治重现期(P=20 a)条件下雨水管网的过载情况,进一步提出并比较了调蓄池集中布置和分散布置2种方案,模拟结果表明:调蓄池末端集中布置无法解决上游区域管网的冒溢问题,而调蓄池分散式布置,可有效消除现状冒溢点,实现现状区域的内涝防治标准提高至20年一遇目标。因此,在已建区排水防涝提标改造过程中,根据场地空间条件,可优先考虑采用海绵城市建设与调蓄池分散式布置相结合的方式实现排水防涝提标改造目标。     

基于SWMM水量模拟的人工雨水湿地规模确定方法

人工雨水湿地在控制地表径流污染以及削减地表径流总量方面具有重要作用,但是雨水湿地规模确定往往需要经过复杂的计算;本研究以北京市未来科技城雨水湿地设计为例,研究了基于SWMM(storm water management model)模型的人工雨水湿地规模确定方法;研究表明通过SWMM模型能够较为简便的计算出雨水湿地的规模和形态。