市政給排水管網(wǎng)改造中多目標(biāo)優(yōu)化措施研究分析

李山 李大奎

摘? ? 要：如今國內(nèi)城市化過程中大力推進(jìn)綠色排水建設(shè)，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(gè)非常現(xiàn)實(shí)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(biāo)優(yōu)化算法GA以及SWMM水動(dòng)力模擬軟件進(jìn)行聯(lián)合求解，對(duì)各種改造方案情境下的建造費(fèi)用以及系統(tǒng)溢流量的關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析LID徑流控制舉措以及管網(wǎng)改造的組合策略以及個(gè)體作用，本文還采取了多目標(biāo)優(yōu)化措施，能夠?yàn)閮深惛脑炫e措輔以可選擇的組合方案，有利于相關(guān)城市借鑒與建設(shè)符合自身實(shí)際情況的雨洪管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：SWMM;LID;城市內(nèi)澇;多目標(biāo)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(yīng)對(duì)這些洪澇暴雨災(zāi)害，切實(shí)增強(qiáng)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(fù)雜的雨洪問題。為此，國家大力建設(shè)海綿城市，實(shí)施以低影響開發(fā)（LID）為基礎(chǔ)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(qiáng)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，就要及時(shí)轉(zhuǎn)換思路，探討傳統(tǒng)管網(wǎng)以及LID舉措的相關(guān)組合策略。

2? 以SWMM為基礎(chǔ)的多目標(biāo)優(yōu)化機(jī)制

以Mat lab優(yōu)化工具箱的實(shí)施為基礎(chǔ)，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型。為多目標(biāo)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(guān)目標(biāo)函數(shù)，然后借助優(yōu)化工具箱，恰當(dāng)?shù)靥幚砟繕?biāo)函數(shù)。以下是詳細(xì)步驟。

步驟1：向SWMM中導(dǎo)入水文屬性、管網(wǎng)基礎(chǔ)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(tái)，借助動(dòng)態(tài)鏈接庫*.dll，有效地調(diào)用SWMM的相關(guān)計(jì)算模型，輸出，可以獲得描述當(dāng)前使用的系統(tǒng)的洪澇影響以及排水性能的相關(guān)參數(shù)（比如系統(tǒng)溢流量）。

步驟3：恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置多目標(biāo)優(yōu)化GA模型的相關(guān)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(guān)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(duì)該系統(tǒng)的造價(jià)總成本以及系流總量進(jìn)行了迭代計(jì)算，然后摒棄劣勢(shì)組合的相關(guān)方案，最后獲得了與組合系統(tǒng)相適應(yīng)的最優(yōu)配置措施（也就是Pareto Front的相關(guān)前沿解集）。

步驟4：在相關(guān)GA程序中，通過突變以及交叉篩選相關(guān)個(gè)體，持續(xù)地提升廣大人民的個(gè)體適應(yīng)度，突變以及交叉的速率依次設(shè)定為0.01以及0.9，使它在優(yōu)化過程中進(jìn)行有效的收斂。以SWMM為基礎(chǔ)的多目標(biāo)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(duì)象，重點(diǎn)研究其排水系統(tǒng)，該市地處39°36，該市的河流長度累計(jì)達(dá)到了1075.8km。A區(qū)被分成了五十三個(gè)子匯水區(qū)，涵蓋了三個(gè)出水口、五十三個(gè)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(guān)勘測(cè)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(diǎn)數(shù)量、總溢流量以及管道自身的流量峰值，分析和概括當(dāng)?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(kuò)增制）依次利用SWMM中擴(kuò)增管道管徑以及削減子匯水區(qū)的相關(guān)不透水性進(jìn)行描述。

3.2? 多目標(biāo)優(yōu)化模型的構(gòu)建

多目標(biāo)優(yōu)化問題借助Matlab優(yōu)化工具箱的相關(guān)多目標(biāo)求解器，關(guān)鍵步驟如下所示：①設(shè)定相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)，對(duì)變量與相關(guān)參數(shù)進(jìn)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(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析。多目標(biāo)優(yōu)化變量依次設(shè)定為管道管徑的相關(guān)擴(kuò)增率以及子匯水區(qū)中不透性面積的實(shí)際減少率。就組合系統(tǒng)而言，兩大優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)累計(jì)涵蓋了：①系統(tǒng)總溢流量W1。以分析暴雨形勢(shì)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(jì)算公式：

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

在上述式子中，Pi、Li依次是改造管網(wǎng)的費(fèi)用、LID措施的鋪設(shè)費(fèi)用;Li、Di、Hi依次是第i節(jié)點(diǎn)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(gè)子匯水區(qū)的相應(yīng)面積以及不透水面積的相應(yīng)削減率;UCLID是布設(shè)LID措施的單位成本。

3.3? 結(jié)果與分析

展示了上文設(shè)計(jì)的多種測(cè)試情景下，對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化后獲得了相應(yīng)的系統(tǒng)溢流總量W1以及建造費(fèi)用W2之間的優(yōu)化關(guān)系，曲線與X軸相交，它的截距越小，意味著這種測(cè)試情景下所需要的成本也就越低、越有效。

D1展示的是布設(shè)LID措施下改造費(fèi)用以及溢流總量之間的關(guān)系，D2展示的是管網(wǎng)改造情況下改造費(fèi)用與溢流總量之間的關(guān)系。D3以及D4分別刻畫了同時(shí)將管網(wǎng)改造以及LID徑流控制當(dāng)作改造措施，在關(guān)注以及不關(guān)注約束條件這兩種形勢(shì)下，與得到優(yōu)化的相關(guān)組合系統(tǒng)相吻合的改造費(fèi)用以及系統(tǒng)溢流量之間的關(guān)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(diǎn)采取了多目標(biāo)遺傳算法，優(yōu)化了相應(yīng)的排水管網(wǎng)改造措施，而且分析了LID措施以及管徑擴(kuò)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(kuò)增是更有效、更經(jīng)濟(jì)的措施，然而適度地鋪設(shè)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(fù)荷，以實(shí)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(gè)智能優(yōu)化方式，將數(shù)學(xué)優(yōu)化計(jì)算以及城市暴雨洪澇模擬有機(jī)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?yàn)槌鞘薪ㄔO(shè)以及規(guī)劃雨洪管理系統(tǒng)提供了較強(qiáng)的借鑒價(jià)值。

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作者簡介：

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