李山 李大奎

摘? ? 要：如今國內(nèi)城市化過程中大力推進綠色排水建設，立足于城市現(xiàn)有的排水系統(tǒng)，探討優(yōu)化組合新型LID調(diào)控與排水管網(wǎng)這個非常現(xiàn)實的棘手問題。文章提出了組合以及優(yōu)化雨洪管理舉措的方法與手段，利用多目標優(yōu)化算法GA以及SWMM水動力模擬軟件進行聯(lián)合求解，對各種改造方案情境下的建造費用以及系統(tǒng)溢流量的關系進行評價，分析LID徑流控制舉措以及管網(wǎng)改造的組合策略以及個體作用，本文還采取了多目標優(yōu)化措施，能夠為兩類改造舉措輔以可選擇的組合方案，有利于相關城市借鑒與建設符合自身實際情況的雨洪管理系統(tǒng)。

關鍵詞：SWMM;LID;城市內(nèi)澇;多目標優(yōu)化

1? 引言

隨著城市化以及氣候化的日益加速，城市頻頻發(fā)生內(nèi)澇現(xiàn)象，在較大程度上影響了群眾的生產(chǎn)生活。以往主要通過改造排水系統(tǒng)，以應對這些洪澇暴雨災害，切實增強管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力。但是，如今只依賴這些治水理念，很難有效地解決城市日益復雜的雨洪問題。為此，國家大力建設海綿城市，實施以低影響開發(fā)（LID）為基礎的徑流調(diào)控、滯蓄減排以及源頭控制等各種新舉措，使城市強化調(diào)控洪澇暴雨的水平。既然無法無限制地提高城市管網(wǎng)系統(tǒng)的設計標準，就要及時轉(zhuǎn)換思路，探討傳統(tǒng)管網(wǎng)以及LID舉措的相關組合策略。

2? 以SWMM為基礎的多目標優(yōu)化機制

以Mat lab優(yōu)化工具箱的實施為基礎，建立多目標優(yōu)化模型。為多目標優(yōu)化問題的解決，提供多種算法合集，也就是說，先把問題描述過渡為能夠采取優(yōu)化求解的相關目標函數(shù)，然后借助優(yōu)化工具箱，恰當?shù)靥幚砟繕撕瘮?shù)。以下是詳細步驟。

步驟1：向SWMM中導入水文屬性、管網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)、匯水區(qū)用地等，這樣以來，就建立了它的初始模型。

步驟2：利用Mat lab平臺，借助動態(tài)鏈接庫*.dll，有效地調(diào)用SWMM的相關計算模型，輸出，可以獲得描述當前使用的系統(tǒng)的洪澇影響以及排水性能的相關參數(shù)（比如系統(tǒng)溢流量）。

步驟3：恰當?shù)卦O置多目標優(yōu)化GA模型的相關優(yōu)化變量（也就是說，SWMM中刻畫了LID徑流措施以及管網(wǎng)改造的有關參數(shù)）以及約束條件（比如排水規(guī)劃、可用空間、可用空間以及規(guī)劃土地的具體類型等），對該系統(tǒng)的造價總成本以及系流總量進行了迭代計算，然后摒棄劣勢組合的相關方案，最后獲得了與組合系統(tǒng)相適應的最優(yōu)配置措施（也就是Pareto Front的相關前沿解集）。

步驟4：在相關GA程序中，通過突變以及交叉篩選相關個體，持續(xù)地提升廣大人民的個體適應度，突變以及交叉的速率依次設定為0.01以及0.9，使它在優(yōu)化過程中進行有效的收斂。以SWMM為基礎的多目標優(yōu)化體系。

3? 案例分析

3.1? SWMM模型以及研究區(qū)概況

將國內(nèi)W市A區(qū)為研究對象，重點研究其排水系統(tǒng)，該市地處39°36，該市的河流長度累計達到了1075.8km。A區(qū)被分成了五十三個子匯水區(qū)，涵蓋了三個出水口、五十三個雨水井、五十三條排水管。SWMM模型立足于這些子匯水分區(qū)的雨水口、水文屬性、管道的相關勘測數(shù)據(jù)以及所在地區(qū)的降雨數(shù)據(jù)等，逐步建立起來。利用系統(tǒng)的溢流節(jié)點數(shù)量、總溢流量以及管道自身的流量峰值，分析和概括當?shù)嘏潘罎诚到y(tǒng)的排水能力。模擬上述兩類改造措施（LID徑流控制以及管網(wǎng)擴增制）依次利用SWMM中擴增管道管徑以及削減子匯水區(qū)的相關不透水性進行描述。

3.2? 多目標優(yōu)化模型的構(gòu)建

多目標優(yōu)化問題借助Matlab優(yōu)化工具箱的相關多目標求解器，關鍵步驟如下所示：①設定相關的目標函數(shù)，對變量與相關參數(shù)進行優(yōu)化;②最小、最大邊界取值（也就是所謂的約束條件）;③求解，對優(yōu)化結(jié)果進行分析。多目標優(yōu)化變量依次設定為管道管徑的相關擴增率以及子匯水區(qū)中不透性面積的實際減少率。就組合系統(tǒng)而言，兩大優(yōu)化目標函數(shù)累計涵蓋了：①系統(tǒng)總溢流量W1。以分析暴雨形勢下該市防洪排水系統(tǒng)所具備的洪澇管理水平。組合系統(tǒng)所形成的總溢流量越小，意味著這些改造措施的效果越理想。以下是它的計算公式：

式中，[TTFVi]指的是第i個溢流節(jié)點的實際溢流量;Ma、MO依次是改造之后以及改造之前溢流節(jié)點的數(shù)量;[PRi]以及[PRoi]依次是第i個節(jié)點改造之后以及改造之前的實際徑流峰值。②建造該系統(tǒng)的費用達到了W2。在這其中，查閱相關參考文獻，聯(lián)系所在地區(qū)的工程造價水平，可以算出改造管網(wǎng)的費用函數(shù)?？傎M用涵蓋了建設該系統(tǒng)的經(jīng)營費用以及基建費用，比如檢查井以及管線等所需要的設備、材料、施工、土方和維護等多個方面的費用。實施LID徑流控制的費用按照現(xiàn)行的國家海綿城市建設指南等進行計算。以下是它的計算公式：

在上述式子中，Pi、Li依次是改造管網(wǎng)的費用、LID措施的鋪設費用;Li、Di、Hi依次是第i節(jié)點處管道的長度、管徑以及埋深;C是它的調(diào)整系數(shù);Ai、Impi分別指的是第i個子匯水區(qū)的相應面積以及不透水面積的相應削減率;UCLID是布設LID措施的單位成本。

3.3? 結(jié)果與分析

展示了上文設計的多種測試情景下，對它們進行優(yōu)化后獲得了相應的系統(tǒng)溢流總量W1以及建造費用W2之間的優(yōu)化關系，曲線與X軸相交，它的截距越小，意味著這種測試情景下所需要的成本也就越低、越有效。

D1展示的是布設LID措施下改造費用以及溢流總量之間的關系，D2展示的是管網(wǎng)改造情況下改造費用與溢流總量之間的關系。D3以及D4分別刻畫了同時將管網(wǎng)改造以及LID徑流控制當作改造措施，在關注以及不關注約束條件這兩種形勢下，與得到優(yōu)化的相關組合系統(tǒng)相吻合的改造費用以及系統(tǒng)溢流量之間的關系。

4? 結(jié)論

經(jīng)過上文的系統(tǒng)研究和分析，文章獲得了下列結(jié)論：

首先，本文重點采取了多目標遺傳算法，優(yōu)化了相應的排水管網(wǎng)改造措施，而且分析了LID措施以及管徑擴增舉措，求解了兩類舉措的最佳組合規(guī)劃。

其次，在解決和處理城市雨洪問題的過程中，管徑擴增是更有效、更經(jīng)濟的措施，然而適度地鋪設LID的舉措，能夠在一定程度上降低排水系統(tǒng)所承載的水文總負荷，以實現(xiàn)幫助調(diào)控雨洪影響的良好效果。

再次，基于GA以及SWMM等多個智能優(yōu)化方式，將數(shù)學優(yōu)化計算以及城市暴雨洪澇模擬有機地結(jié)合起來，降低了人工操作的具體步驟，優(yōu)化效率得到了提升，希望能夠為城市建設以及規(guī)劃雨洪管理系統(tǒng)提供了較強的借鑒價值。

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作者簡介：

李山（1986—），男，畢業(yè)于東北電力大學（吉林）本科，中級工程師，研究方向：市政給排水。