本發(fā)明屬于城市排水技術領域，更具體地說，涉及一種海綿城市低影響開發(fā)設施組合與布局的確定方法。

背景技術：

在全球氣候變化和城鎮(zhèn)化的背景下，城市內澇頻繁發(fā)生。城市內澇防治系統(tǒng)的重要組成部分之一是低影響開發(fā)(lid)雨水系統(tǒng)。海綿城市低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)中低影響開發(fā)設施的組合與布局，對整個系統(tǒng)的性能發(fā)揮至關重要。由于低影響開發(fā)設施種類繁多，其組合與布局是一個難題與挑戰(zhàn)。因此，目前低影響開發(fā)設施布局的優(yōu)化方法成為許多研究者的研究熱點。

如，xiao-yuezhen等利用分散搜索算法(scattersearchalgorithm)結合非點源污染模型(annagnps)來優(yōu)化布局雨水滯留塘。guoshunzhang等采用多目標優(yōu)化方法ε-nsgaii結合暴雨管理模型(swmm)篩選低影響開發(fā)設施布局方案。yaozeliu等使用多層次空間優(yōu)化(mlsopt)框架、amalgam優(yōu)化算法和水文/水質模型(l-thia-lid2.1)優(yōu)化選擇與布局低影響開發(fā)設施。

但目前國內的方法主要是依據(jù)經驗，通過人工進行有限的組合與布局(在規(guī)劃設計中，通常組合與布局設計方案的數(shù)量非常有限)，然后通過模型試算年徑流總量控制率是否達標，反復修正，直至滿足達標要求(如，胡愛兵等.基于swmm的深圳市某區(qū)域lid設施布局與優(yōu)化.中國給水排水,2015,31(21):96-100)。這種方法由于采用人工組合與布局，需要耗費大量時間，且組合方案非常有限，難以較為全面地篩選出效果好的組合與布局方案，同時采用該種方法篩選所得方案的成本造價不一定低，即性價比不一定高。

經檢索，關于雨水低影響開發(fā)規(guī)劃的專利報道已有相關公開。

如，中國專利201510563320.2公開了一種雨水低影響開發(fā)的規(guī)劃方法和裝置，該申請案的規(guī)劃方法包括：獲取規(guī)劃區(qū)的各地塊的年雨水徑流系數(shù)和所述規(guī)劃區(qū)的徑流峰值；將雨水設施作為所述地塊的一影響因子規(guī)劃至所述地塊內；計算加入雨水設施后的地塊的年雨水徑流系數(shù)和所述規(guī)劃區(qū)的徑流峰值(權重設定模塊31用于對加入雨水設施后的地塊的各影響因子分別賦予一權重集合中的一元素)；判斷所述年雨水徑流系數(shù)是否在第一預設范圍內，判斷所述徑流峰值是否在第二預設范圍內，若均為是，采用雨水設施優(yōu)化算法優(yōu)化規(guī)劃區(qū)內的雨水設施的布局，否則，采用雨水設施調整算法調整規(guī)劃區(qū)內的雨水設施的布局。該申請案實現(xiàn)了對加入雨水設施后的規(guī)劃方案的模型化，能夠對規(guī)劃區(qū)的雨水設施進行規(guī)劃，還能根據(jù)地塊的徑流系數(shù)和規(guī)劃區(qū)的徑流峰值，對規(guī)劃區(qū)的雨水設施的布局做優(yōu)化和調整。但該申請案存在一些不足，如利用權重設定模塊，增加了方案的人為主觀性，同時未考慮造價，使得獲得的方案性價比不一定高，有可能不是最優(yōu)方案。

技術實現(xiàn)要素：

1.發(fā)明要解決的技術問題

針對現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種海綿城市低影響開發(fā)設施組合與布局的確定方法，該方法基于0-1規(guī)劃模型、方案采集和成本效果分析，集成年徑流總量控制率評估和成本效果評估，對低影響開發(fā)設施不同組合與布局方案進行綜合評定，相對于現(xiàn)有方法能夠避免試算，方案比選較為全面，最終所得方案的性價比較高。

2.技術方案

為達到上述目的，本發(fā)明提供的技術方案為：

本發(fā)明的一種海綿城市低影響開發(fā)設施組合與布局的確定方法，該方法基于0-1規(guī)劃模型、方案采集和成本效果分析，集成年徑流總量控制率評估和成本效果評估，對低影響開發(fā)設施不同組合與布局方案進行綜合評定，具體確定方法如下：

步驟一、0-1規(guī)劃模型的構建：確定控制目標及低影響開發(fā)設施，根據(jù)擬實施的低影響開發(fā)設施及子匯水區(qū)域，構建0-1規(guī)劃模型；

步驟二、組合與布局方案生成：基于0-1規(guī)劃模型，生成不同低影響開發(fā)設施組合與布局方案；

步驟三、方案采集：根據(jù)統(tǒng)計學方法，開展方案采集；

步驟四、方案模擬與指標計算：針對采集的方案，調用城市排水系統(tǒng)模型，對采集的不同組合與布局方案進行模擬，根據(jù)模型輸出報告文件，計算獲得每個方案的相關評估數(shù)據(jù)；

步驟五、方案篩選：根據(jù)預先確定的低影響開發(fā)年徑流總量控制率指標，對不同方案進行篩選，滿足年徑流總量控制率要求；

步驟六、成本效果分析：針對篩選后的方案，開展成本效果分析，計算效果成本比；

步驟七、方案確定：根據(jù)成本效果分析，按效果成本比，從高到低排序，根據(jù)排序結果，即確定擬推薦的低影響開發(fā)設施組合與布局方案。

更進一步的，所述步驟一中0-1規(guī)劃模型的構建方法如下：

(1)根據(jù)地形等條件，參照排水設計規(guī)范，將擬開發(fā)匯水區(qū)域劃分成多個子匯水區(qū)域；

(2)控制目標及低影響開發(fā)設施的確定：以低影響開發(fā)年徑流總量控制率指標為控制目標，根據(jù)《海綿城市建設技術指南》中年徑流總量控制率分區(qū)圖確定擬低影響開發(fā)匯水區(qū)域的年徑流總量控制率；根據(jù)匯水區(qū)域的特征(氣候特征、土壤地質等)和設施的功能特性，擬選擇實施的低影響開發(fā)設施：生物滯留設施、雨水花園、綠色屋頂、透水鋪裝、植草溝；

(3)根據(jù)《海綿城市建設技術指南》，將年徑流總量控制率分解到子匯水區(qū)域地塊上，得到每個地塊的年徑流總量控制率以及對應的設計降雨量；

(4)根據(jù)《海綿城市建設技術指南》中關于設施規(guī)模計算的內容，采用容積法或流量法計算每個子匯水區(qū)域各種低影響開發(fā)設施的面積；

(5)對整個匯水區(qū)域中每一子匯水區(qū)域內的各種類型的低影響開發(fā)設施進行順序編號(id)，最終形成可供選擇的低影響開發(fā)設施id集合，低影響開發(fā)設施總數(shù)量記為n；

(6)低影響開發(fā)設施的組合與布局：對于每一個子匯水區(qū)域，每個id低影響開發(fā)設施只存在兩種可能：布置或者不布置，從而形成0-1規(guī)劃模型，其中0代表不布置，1代表布置。

更進一步的，所述步驟二中組合與布局方案生成的具體方法為：根據(jù)0-1規(guī)劃模型，每一子匯水區(qū)域上的不同id低影響開發(fā)設施，按布置或者不布置，進行組合，低影響開發(fā)設施的數(shù)量從1一直增加到n，從而形成不同的組合與布局方案。

更進一步的，所述步驟三中方案采集的具體方法為：按照低影響開發(fā)設施的數(shù)量從1一直增加到n進行方案采集，方案采集總次數(shù)為n，其中單次采集所需的方案樣本量按下式進行計算：

式中，nr為單次采集的方案樣本量；ns為單次采集時所有可能的方案總數(shù)；p為成功的概率，設置為0.5；ci為置信區(qū)間，設置為±5％；zα為給定置信度的正態(tài)分布值。

更進一步的，所述方案模擬與指標計算時，模型輸出報告文件包含降雨徑流輸入輸出、子匯水區(qū)、管道、節(jié)點、低影響開發(fā)設施屬性及結果數(shù)據(jù)信息，所述相關評估數(shù)據(jù)包括年徑流總量控制率和造價。

更進一步的，所述步驟六中成本效果分析的方法如下：對篩選得到的方案進行成本效果分析，根據(jù)年徑流總量控制率和造價，按以下公式計算效果成本比：效果成本比＝年徑流總量控制率/造價。

3.有益效果

采用本發(fā)明提供的技術方案，與現(xiàn)有技術相比，具有如下顯著效果：

(1)本發(fā)明的一種海綿城市低影響開發(fā)設施組合與布局的確定方法，該方法基于0-1規(guī)劃模型、方案采集和成本效果分析，集成年徑流總量控制率評估和成本效果評估，對海綿城市低影響開發(fā)設施的組合與布局進行確定，方案采集基于置信度，靈活可供選擇，同時考慮效果成本比，所得結果方案實施可行性更大(相對于未考慮造價成本)，從而可以更好地用于指導海綿城市低影響開發(fā)設施組合與布局的規(guī)劃設計。

(2)本發(fā)明的一種海綿城市低影響開發(fā)設施組合與布局的確定方法，其低影響開發(fā)設施組合與布局，采用0-1模型隨機組合，比人為組合與布局更為科學合理；由于采集大量方案，所以對低影響開發(fā)設施組合與布局方案的評價，比有限樣本更為全面，從而可以有效解決現(xiàn)有規(guī)劃設計方案數(shù)量非常有限，低影響開發(fā)設施人工組合與布局優(yōu)化耗費時間較長、效率較低的問題。

附圖說明

圖1本發(fā)明的一種海綿城市低影響開發(fā)設施組合與布局的確定方法示意圖；

圖2實施例1中6607個組合與布局方案的年徑流總量控制率計算結果。

具體實施方式

本發(fā)明的一種海綿城市低影響開發(fā)設施組合與布局的確定方法，該方法基于0-1規(guī)劃模型、方案采集和成本效果分析，集成年徑流總量控制率評估和成本效果評估，對低影響開發(fā)設施不同組合與布局方案進行綜合評定，結合圖1，其具體確定步驟如下：

步驟一、0-1規(guī)劃模型的構建：確定控制目標及低影響開發(fā)設施，根據(jù)擬實施的低影響開發(fā)設施及子匯水區(qū)域，構建0-1規(guī)劃模型，其具體構建方法如下：

(1)根據(jù)地形等條件，參照排水設計規(guī)范，將擬開發(fā)匯水區(qū)域劃分成多個子匯水區(qū)域；

(2)控制目標及低影響開發(fā)設施的確定：以低影響開發(fā)年徑流總量控制率指標為控制目標，根據(jù)《海綿城市建設技術指南》中年徑流總量控制率分區(qū)圖確定擬低影響開發(fā)匯水區(qū)域的年徑流總量控制率；根據(jù)匯水區(qū)域的特征(氣候特征、土壤地質等)和設施的功能特性，擬選擇實施的低影響開發(fā)設施：生物滯留設施、雨水花園、綠色屋頂、透水鋪裝、植草溝；

(3)根據(jù)《海綿城市建設技術指南》，將年徑流總量控制率分解到子匯水區(qū)域地塊上，得到每個地塊的年徑流總量控制率以及對應的設計降雨量；

(4)根據(jù)《海綿城市建設技術指南》中關于設施規(guī)模計算的內容，采用容積法或流量法計算每個子匯水區(qū)域各種低影響開發(fā)設施的面積；例如，選定蓄水深度，根據(jù)指南和對應的設計降雨量，計算每個地塊生物滯留設施、雨水花園所需的面積；選定綠色屋頂率、透水鋪裝率，計算每個地塊所需綠色屋頂、透水鋪裝的面積等；

(5)對整個匯水區(qū)域中每一子匯水區(qū)域內的各種類型的低影響開發(fā)設施進行順序編號(id)，最終形成可供選擇的低影響開發(fā)設施id集合，低影響開發(fā)設施總數(shù)量記為n；

(6)低影響開發(fā)設施的組合與布局：對于每一個子匯水區(qū)域，每個id低影響開發(fā)設施只存在兩種可能：布置或者不布置，從而形成0-1規(guī)劃模型，其中0代表不布置，1代表布置。

步驟二、組合與布局方案生成：基于0-1規(guī)劃模型，生成不同低影響開發(fā)設施組合與布局方案，其具體方法為：根據(jù)0-1規(guī)劃模型，每一子匯水區(qū)域上的不同id低影響開發(fā)設施，按布置或者不布置，進行組合，低影響開發(fā)設施的數(shù)量從1一直增加到n，從而形成不同的組合與布局方案。

步驟三、方案采集：

針對0-1規(guī)劃模型會產生海量不同的低影響開發(fā)設施組合與布局方案，為節(jié)省后續(xù)模擬計算時間并提高效率，因此有必要開展方案采集工作。本發(fā)明根據(jù)統(tǒng)計學方法，開展方案采集，其具體方法為：按照低影響開發(fā)設施的數(shù)量從1一直增加到n進行方案采集，方案采集總次數(shù)為n，其中單次采集所需的方案樣本量按下式進行計算：

式中，nr為單次采集的方案樣本量；ns為單次采集時所有可能的方案總數(shù)；p為成功的概率，設置為0.5；ci為置信區(qū)間，設置為±5％；zα為給定置信度的正態(tài)分布值(如置信度取90％時為1.645，置信度取95％時為1.960，置信度取99％時為2.575)。

步驟四、方案模擬與指標計算：針對采集的方案，調用城市排水系統(tǒng)模型，開展不同方案的模擬計算，獲得年徑流總量控制率、造價等相關評估數(shù)據(jù)信息，其具體步驟如下：

(1)根據(jù)采集的組合與布局方案，編寫程序，生成城市排水系統(tǒng)模型所需要的輸入文件，為方案模擬與指標計算作準備；

(2)編寫程序，調用城市排水系統(tǒng)模型，自動開展不同方案的模擬；

(3)根據(jù)模型輸出報告文件(包含降雨徑流輸入輸出、子匯水區(qū)、管道、節(jié)點、低影響開發(fā)設施屬性及結果數(shù)據(jù))，編寫程序，計算獲得每個方案的年徑流總量控制率、造價等相關評估數(shù)據(jù)。

其中，年徑流總量控制率評估是指利用城市排水系統(tǒng)模型，在連續(xù)模擬情況下，計算評估不同低影響開發(fā)設施組合與布局方案的年徑流總量控制率。造價評估是指對不同低影響開發(fā)設施組合與布局方案中所采用的不同低影響開發(fā)設施的總的造價進行計算評估。

步驟五、方案篩選：根據(jù)預先確定的低影響開發(fā)年徑流總量控制率指標，對包含年徑流總量控制率和造價等相關信息的不同方案進行篩選，滿足年徑流總量控制率要求；

步驟六、成本效果分析：成本效果分析是指對不同低影響開發(fā)設施組合與布局方案進行成本(造價)和效果(年徑流總量控制率)分析，針對篩選后的方案，開展成本效果分析，根據(jù)年徑流總量控制率和造價，按以下公式計算效果成本比：效果成本比＝年徑流總量控制率/造價；

步驟七、方案確定：根據(jù)成本效果分析，按效果成本比，從高到低排序，根據(jù)排序結果，即確定擬推薦的低影響開發(fā)設施組合與布局方案。

采用本發(fā)明的方法能夠有效解決現(xiàn)有技術中主要依據(jù)經驗，通過人工對低影響開發(fā)設施進行有限的組合與布局，然后進行反復修正，直至滿足達標要求存在的耗時長、所得結果可行性較差的問題。本發(fā)明基于0-1規(guī)劃模型、方案采集和成本效果分析，集成年徑流總量控制率評估和成本效果評估，對海綿城市低影響開發(fā)設施組合與布局的確定更加準確，效率高，且所得結果可行性較大，從而可以更好地用于指導海綿城市低影響開發(fā)設施的組合與布局，保證城市排水系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行。

為進一步了解本發(fā)明的內容，現(xiàn)結合具體實施例對本發(fā)明作詳細描述。

實施例1

本實施例以安徽省池州市為背景，結合圖1，利用本發(fā)明方法，對某擬低影響開發(fā)的匯水區(qū)域甲進行低影響開發(fā)設施組合與布局方案的確定。

步驟一、構建0-1規(guī)劃模型

本實施例中匯水區(qū)域甲，總匯水面積30.56ha，分成7個子匯水區(qū)域(s01-s07)。

根據(jù)指南及年徑流總量控制率分區(qū)圖，確定池州年徑流總量控制率為80％，根據(jù)池州市和匯水區(qū)域的特征，選擇3種低影響開發(fā)設施：生物滯留設施、透水鋪裝、綠色屋頂。

分解年徑流總量控制率80％到7個子匯水區(qū)域，考慮在每個地塊分別布置這3種低影響開發(fā)設施(本實施例中，子匯水區(qū)域s01和s02沒有建筑，因此屋面面積為0，不影響計算結果)；分別計算每個地塊生物滯留設施、透水鋪裝、綠色屋頂?shù)人璧拿娣e。本實施例中，透水鋪裝率取90％，綠色屋頂率取30％。

對每一地塊內的生物滯留設施、透水鋪裝、綠色屋頂進行id順序編號1-21(其中，1-3分別為子匯水區(qū)域s01內的生物滯留設施、透水鋪裝、綠色屋頂?shù)膇d編號，以此類推)，形成低影響開發(fā)設施id集合(總數(shù)n＝21)。

對于每一個子匯水區(qū)域，每個id低影響開發(fā)設施只存在兩種可能：布置或者不布置，從而形成0-1規(guī)劃模型(0代表不布置，1代表布置)。

步驟二、組合與布局方案生成

根據(jù)0-1規(guī)劃模型，每一子匯水區(qū)域上的不同id低影響開發(fā)設施，按布置或者不布置，進行組合，低影響開發(fā)設施數(shù)量分別從1增加到21，從而形成不同的組合與布局方案，方案總數(shù)量為：個。

步驟三、方案采集

為節(jié)省模擬計算時間提高效率，開展方案采集工作。本實施例中，設定置信度95％，根據(jù)單次抽樣的方案樣本量公式，計算樣本量為384，采集順序按照低影響開發(fā)設施數(shù)量分別從1到21，總抽樣次數(shù)21，共采集方案6607個，即6607個組合與布局方案。

步驟四、方案模擬與指標計算

通過編制的程序，借助城市排水系統(tǒng)模型(本實施例中采用swmm模型)，對6607個不同組合與布局方案開展模擬，計算獲得年徑流總量控制率、造價等相關評估數(shù)據(jù)。其中，6607個方案的年徑流總量控制率計算結果，如圖2所示。

步驟五、方案篩選

根據(jù)確定的低影響開發(fā)年徑流總量控制率指標80％，對6607個方案進行篩選，滿足年徑流總量控制率≥80％，得到1474個組合與布局方案，如表1所示(由于篇幅所限，僅列出前面10個方案)。

步驟六、成本效果分析

對篩選后的方案，進行成本效果分析，按效果成本比公式(效果成本比＝年徑流總量控制率/造價)計算效果成本比。

表1方案篩選結果

步驟七、方案確定

根據(jù)成本效果分析，按照效果成本比從高到低排序，結果如表2所示(由于篇幅所限，僅列出top10)。根據(jù)排序結果，確定擬推薦的低影響開發(fā)設施組合與布局方案。

本實施例中，效果成本比前3名低影響開發(fā)設施組合與布局方案分別為：編號1549方案“2,5,8,14,17,18”、編號1928方案“2,5,7,8,11,14,20”和編號2897方案“5,6,8,11,12,13,15,17,20”。

表2方案排序結果(top10)

需要指出的是，本發(fā)明中方案的確定，除了基于年徑流總量控制率、造價分析，也可以聯(lián)合其他指標進行確定，如內澇體積、內澇歷時、雨水利用量、污染物指標等。