文摘
随着城市化进程的加速,城市的硬化面积在增加,雨水径流增加,和城市排水网络的压力越来越多,导致城市洪涝灾害严重危及人们的出行安全。SC(海绵市)应该以城市为排水区,通过水的自我调节系统,减少水资源的消耗和排放污染物进入水环境在最大程度上满足居民的生产和生活的最大程度上适应气候变化和生态平衡。基于SWMM(雨水管理模型)模型,本研究构建一个SC规划和设计方法的基础上,耦合的多目标优化和综合评价,建立了一个基于快速分类和多模型non-dominated遗传算法(NSGA-II)。结果表明,与其他方法计算结果相比,在本研究中建立的多目标综合优化模型和遗传算法的计算结果NSGA-II缩短优化时间1.44%,质量可靠性提高9.86%,总成本降低0.66%,并减少对环境的影响为0.93%。结论表明,它减少了卸货港的平均放电流量,减轻排水管网的压力,减少洪涝灾害的风险,等等,更适合处理降雨事件中小返回时间。
1。介绍
随着城市化的不断发展,城市下垫面不透水面积的比例增加,从而改变原区域的水文条件和城市水生态环境的稳定构成威胁。SC海绵(市)意味着一个城市,像海绵一样,具有良好的弹性适应环境变化和应对自然灾害、吸收水,储存水,渗入水和净化水下雨的时候,水释放和利用存储在必要的时候,和增加减排的刚性约束城市径流和雨水的来源。在中国城市的快速发展导致了增加的比例不透水表面,产生的径流和增兵城市表面,从而增加城市洪涝灾害的风险(1]。绿色空间等透水表面逐渐被取代,这改变了地理特征和水文特征和严重损坏正常的水循环过程(2]。它打破了原有的水文环境模式,减少生态环境的自我修复和调节能力,并减少了应对城市洪涝灾害的能力(3]。
为了实现城市雨水准确和有效的管理和控制,国内外学者利用SWMM(雨水管理模型)水文模型来模拟和评估各种SC源减排措施。李方SWMM模型被用来研究土地利用类型变化对洪涝灾害的影响频率填海区[4),而该地区的水文和水动力特征在不同的设计降雨条件下进行了分析。结果表明,在填海地区土地利用类型的变化对洪涝灾害频率有显著影响,和它的影响力增加降雨重现期的缩短。娇等人结合Multi_O SWMM模型的多目标优化算法,并提出了技术方案优化框架的盖子(低影响开发),这是成功地应用于工程实例(5]。朱等人研究了绿色屋顶的性能在减少径流,峰值和污染控制。结果表明,屋顶绿化是有效减少径流和峰值流量和延迟的峰值到达的时间6]。Murazaki等人研究如何协调多个目标之间的矛盾(7]。多目标问题是越来越普遍在现实生活中,它是人类生产和生活密切相关,因此,Multi_O问题逐渐吸引了人们的注意力。因此,我们必须寻求实用和有效的方法来减少城市洪涝灾害,全面提高城市洪涝灾害预防的安全,并提供一个强有力的保证更好的建设生态文明,实现可持续发展。
确保城市生态安全,减少城市洪涝灾害,解决城市面源污染问题,充分利用雨水资源,引导城市可持续发展(8]。在此背景下,本文研究了先前的研究成果,收集相关信息,并分析了经验,研究进展,及主要技术措施的SC construction-combined SC施工的技术措施,确定测量量表,并提供指导合理确定城市雨水系统的测量范围。通过优化的四个目标工期、成本、质量、和环境,Multi_O SC的建设可以实现,以便SC建设顺利进行的条件下建设周期短,高品质,低成本,低污染,城市环境变化的适应能力和反应能力有效地自然灾害可以进一步改进,从而加速新城市化的建设和发展在中国。
2。相关工作
2.1。SC研究现状
唐等人分析了控制措施的作用在控制雨水径流和径流水质净化通过田间试验的屋顶雨水收集和地表径流入渗[9];Benabdelwahed等人做了一个对比分析现代雨水控制系统的特点,提出了一些建议解决城市水问题和在中国建立城市雨水管理系统(10]。田等人使用SWMM模型来研究径流的影响控制在SC改造建筑和居民区。结果表明,年均径流控制约78%∼82%,绿地的建设居民区(31.5%11]。翟等人收集的2000英尺的雨水径流从住宅屋顶使用50加仑的大雨倾盆。研究结果表明,每年从屋顶径流减少了1.4% - -3.1%,但年径流的减少速度可以增加增加大雨倾盆的体积(12]。
克勒等人发现,平均40%的有毒成分径流雨水发生在初始径流的20%,平均90%的有毒成分发生在初始径流的30%。径流水样的毒性主要来自重金属(13]。风扇等人选择了稻草和不同大小片段,比例,和埋藏深度进行土壤渗透改进实验,并发现稻草能有效增加土壤的渗透系数,和增加土壤的垂直渗透距离时埋在[10 - 15厘米的深度14]。邓等人透水路面的水力性能进行测试,得出的结论是,透水路面的影响高于或相似的植物,它能减少洪水风险,提高污水处理系统15]。
2.2。Multi_O研究
因为Multi_O问题广泛存在于现实生活中,很难解决这些问题,人们花很多精力寻找解决方案。李等人建立了一个简单的时间成本平衡优化方法。该方法实现了绘制网络图,具体地说,画整个项目从初始节点最终节点,进一步压缩的天数根据项目的时间限制目标,并选择成本最低的工作斜率作为最优成本压缩关键路线(16]。Muralitharan等人建立了一个混合整数规划模型假设的基础上的传统成本持续时间模型。这个模型考虑业主向承包商的激励因素之间的关系,表示项目的成本和持续时间与多行段(17]。艾哈迈迪等人提出了一个简化梯度法(18]求解约束非线性凸规划问题。该方法以水力因素考虑,在管网优化达到令人满意的结果。
根据污染在城市洪水风险,Chuong评估三个不同的重建计划:增加管道尺寸,增加抑郁系统,和增加生物拘留设施,有三个评价对象:洪水深度,洪水污染风险,成本和重建方案。结果表明,洪水风险和水污染风险可能增加抑郁系统减少了59%和26% (19]。刘等人提出了一个优化方法来减少计算时间,缩小搜索范围(20.]。旧事使用仿真技术来模拟非定常流的排水系统,准确地分析和计算排水网络在各种条件下的水力特性,并实现排水网络的优化设计和操作管理通过模拟实际流动过程的水管道(21]。
3所示。研究方法
3.1。研究区域SWMM模型的建立
3.1.1。研究领域的概述
H是中国中部的中心城市。它位于江汉平原的东部。它的地理位置是113°41′∼115°05′E和29°58′∼31°22′h n。城市属于亚热带季风湿润气候,北部与丰富的降雨的特点,足够的热量,雨和热在同一季节,光和热的季节,寒冷的冬天和炎热的夏天,四个不同的季节,等等。
城市H是第一个进入国家海绵试点名单。H市政府根据城市本身的实际情况和未来的发展。根据地形和土地布局规划研究的区域,研究区域分为六个雨水排水区。研究区域的卫星地图显示在图1。
3.1.2。建立模型
SWMM是一个综合的数学模型,它可以完全模拟城市降雨径流过程和污染物输运过程。仿真内容主要包括:表面蒸发,时变降雨,雪融化和积累,萧条,造成降水拦截降水渗透到非饱和土层,补给地下水的渗透水、地表径流计算,等。SWMM加入了盖子(低影响开发)控制模块,提供有利条件的设计、规划和促进盖子(19]。
SWMM模型具有良好的完整性,可以完全模拟和分析面源污染负荷的生成过程。径流sub-module,不仅可以模拟表面抑郁症的过程中,也渗透和渗透能力的恢复的过程在干旱季节,它也有不同的仿真参数要求在研究区域不同土地利用类型。SWMM水质可以接受任何数量的组件定义的用户来模拟污染物在旱季的生长过程和降水和径流的积累;例如,水质变化的组件在排水系统中,存储和处理设施,管网的自然降解过程,等等。
设计重现期的设计是一个重要的指数雨水管道和运河。它应该根据技术经济比选后确定集水区的性质,类型的城镇,地貌和气候特征。如果所选设计重现期低,相应地可以减少项目的成本。然而,可能有可怜的排水和水堆积在地面上,这将影响交通安全,人们的生活和工业生产。总径流控制一般采用年均径流总量控制为控制目标。
年均径流总量控制指标是指的比例控制(不放电)累积降水量在站点的年度总通过自然和人工降雨加强渗透,存储、利用、蒸发、蒸腾等。其概念图如图2。
年径流总量时作为控制目标,规范存储总额(不包括削减洪峰的调节音量)中指定的SC施工技术指南通常是计算如下(3]:
在方程:总存储容量设计,m3;设计降雨,毫米,相应的设计降雨量决定根据年均径流总量控制指标,这是由研究中的典型年法;
综合降雨径流系数;
收集区域,哈哈。
经济成本控制一直是盖项目的一个重要方面。在这项研究中,盖盖子的经济成本控制主要考虑工程造价,随经济发展的不同的地方。根据选定的盖子是获得测量区域和当地的单位价格控制措施。计算公式如下:
在方程:盖子设施的总成本(元);单位面积上的成本控制设施在每个区域(元/ m2);在每个区域(m动静分区控制措施2)。
渗透是一个过程,降水通过表面,进入土壤中的不饱和区域。在Green-Ampt方法中,干燥和潮湿土壤,假定之间的接口和饱和土壤区别在模拟非饱和土,满足达西定理的饱和和非饱和土11]。参数输入:土壤初始含水率、渗透系数和吸头。
在方程:渗透速率,毫米/小时;
土壤饱和导水率;吸头,毫米/小时;初始湿度损失,m;总入渗量,毫米。
修改Green-Ampt方法降低了最低降雨量可以渗透,结果更准确的模拟降雨小于饱和土壤渗透速率很长一段时间。
模型的敏感性分析表明每个参数对模型的影响程度计算判别因子。参数灵敏度分析的模型包括局部灵敏度分析和全局灵敏度分析(12]。如果参数改变,莫里斯筛查方法被用作局部灵敏度分析方法是目前广泛使用的14]。
在这项研究中,选择修改莫里斯筛选方法,并通过改变比例的固定步长,莫尔斯多个扰动系数的平均值计算判别敏感性因素 :
在方程:灵敏的歧视因素;与产出模型的价值th运行;与产出模型的价值 th运行;
计算后的结果参数的初始值校准;
——参数值的百分比 - - - - - -th模型操作相对于校准后的参数值的变化;
——参数值的百分比 - - - - - -th模型操作相对于校准后的参数值的变化;模型运行的数量。
为了确定SC建设的合理规模的措施,本研究采用合适的评价标准及指标和使用层次分析法来确定综合指数,与最低综合指数的总体目标函数的合理规模SC建设措施。并确定第一级约束条件根据规范要求。应遵循的主要原则是:高经济效益的原则;更好的水力性能的原则;更好的社会效益的原则。根据评估标准,所选择的评价指标如图3。
在这项研究中,源减排设施的建设成本,雨水的综合径流系数在研究区,和综合污染物的去除率从源减排设施层作为最低的因素,并对每个因素的重要性排序是通过专家问卷调查的汇总结果,构造判断矩阵,得到各因素的权重系数。根据权重系数和归一化的结果,每个方案的综合评分指标的帕累托最优解集计算,以确定最优SC施工方案。
3.2。建立Multi_O设计模型
在这项研究中,带盖子的总成本和年径流控制率为目标函数,和盖的面积设施作为约束条件,构造控制设施的Multi_O设计模型来获得不同规模的优化方案控制设施。本研究的优化流程如图4。
在这项研究中,每一个海绵的建筑面积参数在每个sub-catchment区域设施SWMM模型被认为是一个变量,确定了约束条件根据实际的最大允许建筑面积海绵在Matlab软件设施,和两个优化目标的方案(结合下水道溢出)率和减少工程造价。
针对雨水管网系统,考虑到成本和整个管网的水力性能,本研究定义了雨水管网Multi_O年度成本为目标函数,总溢出和总积水时间为目标函数,并确定约束条件的基础上,构建雨水管网水力模型Multi_O模型。
根据成本的内容模型,针对雨水管网的每年最低成本,当重力流雨水管网系统,目标函数如下:
每个工序的直接成本的合成的SC建设项目构成了这个项目的直接成本。作为这个项目的间接成本几乎没有影响指标随时间变化,作者将使用线性函数描述其与工序的持续时间的关系。
基于直接和间接成本的一般分析SC建设项目的施工过程,本建设项目的直接和间接成本可以表示如下:
在方程:项目的间接成本;
在合同期内单位间接成本;
合同期限;
——项目的直接成本。
在实际工程中,可以盖或重建的面积是有限的,所以这个问题是该地区的主要约束限制。生物滞留单元,上限和下限的区域,可以设置生物滞留单元可以根据研究领域的绿色区域。约束条件如下:
在方程:——研究领域可以设置的上限生物滞留单元的面积,m2;——上限的透水路面的面积可以设置在研究区,m2。
Multi_O问题不仅有一定的资源约束,也有互动和多个目标之间的矛盾问题。Multi_O和简略优化的本质区别是,如果一个sub-objective多目标函数的改进,其他分项目标的性能恶化。优化结果满足约束条件和目标函数都是提供给决策者,以便决策者可以选择合适的目标函数值和做出相应决定的结果根据自己的特点或效用函数。
Multi_O算法发展越来越广泛,有很多方法来解决这个问题。本研究主要介绍基于快速遗传算法NSGA-II non-dominated排序与精英策略,这是一种使用最广泛和有效的多目标遗传算法。NSGA算法的计算更简单、更快捷。其计算参数包括拥挤程度和拥挤程度比较运算符,它保持种群的多样性。它提高了算法的运行速度和稳定性。
NSGA-II算法的一般过程如下:(1)根据工程数据的相关参数和使用公式,相对应的成本和环境影响指数时间最短和最长时间分别计算每个进程的14- - - - - -16];(2)计算每个个体的四个目标参数的初始种群,然后替换成综合计算的优化模型;(3)快速获得的后代支配排序和拥堵计算集进行遗传操作,当进化代数达到指定的代数,可以输出最优解集。
应用该方法解决问题时,有必要设置人口规模、遗传代数、交叉和变异概率合理确保最后曲线接近帕累托最优。是否应该考虑新的后代满足约束条件的交叉和变异操作的每一步。
4所示。结果分析
4.1。径流分析
种植草沟是小规模低强度的测量,通常是由挖浅表面沟周围建筑物和铺设草沟渠。根据截面形状,有三角形、梯形、抛物线的形状。它的主要功能是去除表面面源污染物,同时,它可以保留,存储和渗透雨水。
雨水管网系统的每个部分有特定的水力直径的限制,斜坡,速度,丰满,和埋深,必须最大和最小值之间的相应参数;连接上游和下游管部分,要求下游管道的直径必须小于上游管道。
SWMM模型结果报告详细记录地表径流的相关结果。通过地表径流分析,我们可以知道底层表面的变化在研究区,并反映了不透水地面的速度。表1和图5显示地表径流的变化在研究区域添加前后盖。
可以看出,在研究区,与降雨量的增加复发时期,降雨量、渗透,减少径流,径流系数增加,径流率降低。当盖子措施不补充说,浸润范围的增加减少重现期是5年后,这表明土壤蓄水逐渐饱和,和径流系数的增加表明洪涝灾害风险的增加。
添加控制措施之后,当重现期从1增加到10,两小时降雨量变化过程是一样的,没有盖子的措施,但渗透和径流变化很大。渗透数量增加从18.69毫米到50.16毫米,和入渗量增加了31.47毫米,比上年增长168%。
整个变化过程大致是一样的,没有盖子。减少径流率有很大的下降从1到5。原因是控制措施有一个良好的效果在处理小的降雨,但重现期的增加,盖子效率逐渐降低,导致径流的减少。
4.2。中途拦截管网络的重建效果
SC建设措施,如蓄水、屋顶绿化、凹绿地,透水路面,可以达到降低总径流的目的,洪峰流量、径流系数,从而减少雨水系统的运行压力和城市洪涝灾害的风险。控制措施的影响下,管道的丰满峰值明显下降,有一个大型管道的剩余空间。
一个负载引起的面源污染物降水和地表径流,径流直接相关。凹绿地的凹深度一般是100 - 200 mm,这主要是由考虑到植物的耐涝和土壤渗透性。与此同时,一个溢出端口一般应设置在凹绿地,以确保当入渗量超过凹绿地的蓄水能力,雨水溢出,可以排入市政雨水管网。
为了进一步研究管网的影响转换的法律系统,一套管网改造方案与大转换选择情况,和操作的模型设计降雨和降雨测量不同降雨强度。不同降雨的降雨强度和施工效果的场景在管道网络重建方案如图所示6。
可以看出区域方案减速率的管道网络改造方案是负的降雨情况下3年,5年,10年,大雨,虽然它是正的实际降雨情况下55.01毫米和25.38毫米,表明重建区域污水拦截管有一定的控制效果在暴雨和中雨,但方案削减利率仍负多年降雨情况下。
源附近的雨水管道上游拦截管网络,和结束的拦截管网的排水系统相结合研究区域选择和命名管道,管道,管道3,水位变化如图7。
溢出港口3是前面溢流污水处理厂的港口,管道流量越高,越污水超过污水处理厂的处理能力越高溢流量的污水处理厂。因此,更难减少溢出端口3的溢出。拦截的重建和扩张管道应该尽可能避免和管道漏检查和修复的主要措施。在本章海绵重建设计采用拦截管道漏检测和修复工艺方案。
土壤总量的破坏的主要原因是水。当有骨料含量高的土壤,它可以有效地减少土壤的密实度,减少土壤表面结壳和损害程度的降雨期间土壤总量,并改善土壤的入渗性能。因此,雨水管道直径不同,应该有不同的最低斜坡。当设计丰满,管径越大,相应的最小设计梯度值越小。也就是说,macroaggregates的内容在测试土壤样本低于在最初的土壤中,这表明有机废物和土壤结构改良剂没有明显的macroaggregates机械稳定性的改善效果。
4.3。Multi_O结果分析
透水路面指透水路面大毛孔和良好的渗透性,叫做“透气路面”。它可以有效降低城市地表径流,减少径流峰值和拦截径流污染,促进地下水补给。大致可以分为透水沥青混凝土、透水水泥混凝土、透水砖。通常为了检查测量之间的不同尺度的积累层、准则层对目标层的总排名指标层对目标层的向量可以计算的前提不同评价指标的排序向量(准则层)的最佳方案选择(目标层)和不同方案的排序向量(指标层)不同的分析指标(标准层)是已知的。
渗透和存储性能的主要影响参数凹绿地降雨,种植土壤的稳定入渗率和凹深度。种植土壤应该满足的要求在暴雨重现期雨水渗透。如果不满足要求,有必要选择合适的改进的渗透增强材料及其用量。雨水管道的最大埋深应满足该地区的地质条件。当管道的设计埋深达到或超过这个值,雨水泵站应设置在中间,和升级后的管道的埋深应被视为最小埋深。当管道的斜率小于地面的坡度,以确保下游管段的最小覆盖厚度或减少上游管道的埋深,以及连接应采用下降。
2小时降水自记水位计的峰值位置系数0.4作为降雨文件。根据研究区域的实际情况和相关的引用,渗透的水储存区域,曼宁系数在透水区域,水储存在不透水面积,曼宁系数不透水面积,最大渗透速率、最小渗透速率,和衰减系数在霍顿渗透模型作为校准参数,如表所示2。
当盖子的决策者价值经济计划因为资金短缺,他们可以选择方案,当会议总径流控制总成本最低的目标。当决策者强调盖子的径流总量控制目标方案,方案可以选择C实现最好的年均径流总量控制。在一个平衡的情况下,你可以选择方案b .优化方案的选择取决于决策者的投资能力和径流总量控制的要求。
与传统的开发相比,添加水储存身体可以大大减少洪峰流量和延迟高峰时间。每个盖子措施对减少总径流有良好的影响,最大流量、径流系数、凹绿地相对较明显的效果。没有盖子的措施,价格相比峰值大大减少,并接近峰值前的交通发展,这表明盖子社区采取的措施是有效的,反映了SC的特点和要求。
MATLAB遗传算法,用于编程和运行环境一致的比较算法。100个周期后,停止计算,排名前十的最优解集。得到最优结果根据适应度评价函数,如图8。常用算法的计算结果的Multi_O研究建设项目研究了Ref [18)如图9。
可以看出,相比之下,计算出的结果(18),在本研究中建立的多目标综合优化模型和遗传算法的计算结果NSGA-II缩短优化时间1.44%,质量可靠性提高9.86%,总成本降低0.66%,并减少对环境的影响为0.93%,这表明,优化效果更好、更完美的优化结果。
这个算法案例证明遗传算法的有效性在Multi_O项目的施工管理,使项目质量、时间限制,成本,和环境因素满足合同的要求。通过压缩过程的持续时间,可以平衡这四个目标因素,可以实现多个目标之间的平衡优化。算法相比(18),该算法更有效的模型和Multi_O这种工程。
5。结论
SWMM模型被用来模拟SC建设的规划和设计方案Yangtang居民区。通过分析不同措施对径流总量的控制效果,最大流量,高峰时间,和降水综合径流系数在不同的设计降雨条件下,它提供了强大的技术支持促进SC在H城市施工技术。NSGA-IIMulti_O算法基于雨水综合径流系数和综合提出了污染物的去除率,和SC优化方案设计目标控制条件下实现了结合层次分析法综合评价方法。三种控制方案与不同尺度可供决策者选择,避免了传统决策的主观性和不确定性,并使决策者根据实际情况选择合适的优化方案。SC重建规划之前,引入单位成本的降低效果随着项目的评价指标,结合多目标重建福利场景仿真分析可以更加积极地推进SC建设工作。
数据可用性
标签数据集用于支持本研究的发现可以获得相应的作者。
信息披露
杰罗和Yingdong元co-first作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究没有得到具体拨款资助机构在公众,商业,或非营利部门。