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

背景技術(shù)：

在全球氣候變化和城鎮(zhèn)化的背景下，城市內(nèi)澇頻繁發(fā)生。城市內(nèi)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(shè)施的組合與布局，對整個(gè)系統(tǒng)的性能發(fā)揮至關(guān)重要。由于低影響開發(fā)設(shè)施種類繁多，其組合與布局是一個(gè)難題與挑戰(zhàn)。因此，目前低影響開發(fā)設(shè)施布局的優(yōu)化方法成為許多研究者的研究熱點(diǎn)。

如，xiao-yuezhen等利用分散搜索算法(scattersearchalgorithm)結(jié)合非點(diǎn)源污染模型(annagnps)來優(yōu)化布局雨水滯留塘。guoshunzhang等采用多目標(biāo)優(yōu)化方法ε-nsgaii結(jié)合暴雨管理模型(swmm)篩選低影響開發(fā)設(shè)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(zhì)模型(l-thia-lid2.1)優(yōu)化選擇與布局低影響開發(fā)設(shè)施。

但目前國內(nèi)的方法主要是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過人工進(jìn)行有限的組合與布局(在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，通常組合與布局設(shè)計(jì)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(dá)標(biāo)，反復(fù)修正，直至滿足達(dá)標(biāo)要求(如，胡愛兵等.基于swmm的深圳市某區(qū)域lid設(shè)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(fèi)大量時(shí)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(shí)采用該種方法篩選所得方案的成本造價(jià)不一定低，即性價(jià)比不一定高。

經(jīng)檢索，關(guān)于雨水低影響開發(fā)規(guī)劃的專利報(bào)道已有相關(guān)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(shè)施作為所述地塊的一影響因子規(guī)劃至所述地塊內(nèi)；計(jì)算加入雨水設(shè)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(quán)重設(shè)定模塊31用于對加入雨水設(shè)施后的地塊的各影響因子分別賦予一權(quán)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(yù)設(shè)范圍內(nèi)，判斷所述徑流峰值是否在第二預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，若均為是，采用雨水設(shè)施優(yōu)化算法優(yōu)化規(guī)劃區(qū)內(nèi)的雨水設(shè)施的布局，否則，采用雨水設(shè)施調(diào)整算法調(diào)整規(guī)劃區(qū)內(nèi)的雨水設(shè)施的布局。該申請案實(shí)現(xiàn)了對加入雨水設(shè)施后的規(guī)劃方案的模型化，能夠?qū)σ?guī)劃區(qū)的雨水設(shè)施進(jìn)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(shè)施的布局做優(yōu)化和調(diào)整。但該申請案存在一些不足，如利用權(quán)重設(shè)定模塊，增加了方案的人為主觀性，同時(shí)未考慮造價(jià)，使得獲得的方案性價(jià)比不一定高，有可能不是最優(yōu)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題

針對現(xiàn)有技術(shù)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(shè)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(shè)施不同組合與布局方案進(jìn)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(jià)比較高。

2.技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

本發(fā)明的一種海綿城市低影響開發(fā)設(shè)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(shè)施不同組合與布局方案進(jìn)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(gòu)建：確定控制目標(biāo)及低影響開發(fā)設(shè)施，根據(jù)擬實(shí)施的低影響開發(fā)設(shè)施及子匯水區(qū)域，構(gòu)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(shè)施組合與布局方案；

步驟三、方案采集：根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，開展方案采集；

步驟四、方案模擬與指標(biāo)計(jì)算：針對采集的方案，調(diào)用城市排水系統(tǒng)模型，對采集的不同組合與布局方案進(jìn)行模擬，根據(jù)模型輸出報(bào)告文件，計(jì)算獲得每個(gè)方案的相關(guān)評估數(shù)據(jù)；

步驟五、方案篩選：根據(jù)預(yù)先確定的低影響開發(fā)年徑流總量控制率指標(biāo)，對不同方案進(jìn)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(jì)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(jié)果，即確定擬推薦的低影響開發(fā)設(shè)施組合與布局方案。

更進(jìn)一步的，所述步驟一中0-1規(guī)劃模型的構(gòu)建方法如下：

(1)根據(jù)地形等條件，參照排水設(shè)計(jì)規(guī)范，將擬開發(fā)匯水區(qū)域劃分成多個(gè)子匯水區(qū)域；

(2)控制目標(biāo)及低影響開發(fā)設(shè)施的確定：以低影響開發(fā)年徑流總量控制率指標(biāo)為控制目標(biāo)，根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)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(zhì)等)和設(shè)施的功能特性，擬選擇實(shí)施的低影響開發(fā)設(shè)施：生物滯留設(shè)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(shè)技術(shù)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(gè)地塊的年徑流總量控制率以及對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量；

(4)根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中關(guān)于設(shè)施規(guī)模計(jì)算的內(nèi)容，采用容積法或流量法計(jì)算每個(gè)子匯水區(qū)域各種低影響開發(fā)設(shè)施的面積；

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

(6)低影響開發(fā)設(shè)施的組合與布局：對于每一個(gè)子匯水區(qū)域，每個(gè)id低影響開發(fā)設(shè)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(jìn)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(shè)施，按布置或者不布置，進(jìn)行組合，低影響開發(fā)設(shè)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(jìn)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(shè)施的數(shù)量從1一直增加到n進(jìn)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(jìn)行計(jì)算：

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

更進(jìn)一步的，所述方案模擬與指標(biāo)計(jì)算時(shí)，模型輸出報(bào)告文件包含降雨徑流輸入輸出、子匯水區(qū)、管道、節(jié)點(diǎn)、低影響開發(fā)設(shè)施屬性及結(jié)果數(shù)據(jù)信息，所述相關(guān)評估數(shù)據(jù)包括年徑流總量控制率和造價(jià)。

更進(jìn)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(jìn)行成本效果分析，根據(jù)年徑流總量控制率和造價(jià)，按以下公式計(jì)算效果成本比：效果成本比＝年徑流總量控制率/造價(jià)。

3.有益效果

采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)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(shè)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(shè)施的組合與布局進(jìn)行確定，方案采集基于置信度，靈活可供選擇，同時(shí)考慮效果成本比，所得結(jié)果方案實(shí)施可行性更大(相對于未考慮造價(jià)成本)，從而可以更好地用于指導(dǎo)海綿城市低影響開發(fā)設(shè)施組合與布局的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

(2)本發(fā)明的一種海綿城市低影響開發(fā)設(shè)施組合與布局的確定方法，其低影響開發(fā)設(shè)施組合與布局，采用0-1模型隨機(jī)組合，比人為組合與布局更為科學(xué)合理；由于采集大量方案，所以對低影響開發(fā)設(shè)施組合與布局方案的評價(jià)，比有限樣本更為全面，從而可以有效解決現(xiàn)有規(guī)劃設(shè)計(jì)方案數(shù)量非常有限，低影響開發(fā)設(shè)施人工組合與布局優(yōu)化耗費(fèi)時(shí)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(shè)施組合與布局的確定方法示意圖；

圖2實(shí)施例1中6607個(gè)組合與布局方案的年徑流總量控制率計(jì)算結(jié)果。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的一種海綿城市低影響開發(fā)設(shè)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(shè)施不同組合與布局方案進(jìn)行綜合評定，結(jié)合圖1，其具體確定步驟如下：

步驟一、0-1規(guī)劃模型的構(gòu)建：確定控制目標(biāo)及低影響開發(fā)設(shè)施，根據(jù)擬實(shí)施的低影響開發(fā)設(shè)施及子匯水區(qū)域，構(gòu)建0-1規(guī)劃模型，其具體構(gòu)建方法如下：

(1)根據(jù)地形等條件，參照排水設(shè)計(jì)規(guī)范，將擬開發(fā)匯水區(qū)域劃分成多個(gè)子匯水區(qū)域；

(2)控制目標(biāo)及低影響開發(fā)設(shè)施的確定：以低影響開發(fā)年徑流總量控制率指標(biāo)為控制目標(biāo)，根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)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(zhì)等)和設(shè)施的功能特性，擬選擇實(shí)施的低影響開發(fā)設(shè)施：生物滯留設(shè)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(shè)技術(shù)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(gè)地塊的年徑流總量控制率以及對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量；

(4)根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中關(guān)于設(shè)施規(guī)模計(jì)算的內(nèi)容，采用容積法或流量法計(jì)算每個(gè)子匯水區(qū)域各種低影響開發(fā)設(shè)施的面積；例如，選定蓄水深度，根據(jù)指南和對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量，計(jì)算每個(gè)地塊生物滯留設(shè)施、雨水花園所需的面積；選定綠色屋頂率、透水鋪裝率，計(jì)算每個(gè)地塊所需綠色屋頂、透水鋪裝的面積等；

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

(6)低影響開發(fā)設(shè)施的組合與布局：對于每一個(gè)子匯水區(qū)域，每個(gè)id低影響開發(fā)設(shè)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(shè)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(shè)施，按布置或者不布置，進(jìn)行組合，低影響開發(fā)設(shè)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(chǎn)生海量不同的低影響開發(fā)設(shè)施組合與布局方案，為節(jié)省后續(xù)模擬計(jì)算時(shí)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(jì)學(xué)方法，開展方案采集，其具體方法為：按照低影響開發(fā)設(shè)施的數(shù)量從1一直增加到n進(jìn)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(jìn)行計(jì)算：

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

步驟四、方案模擬與指標(biāo)計(jì)算：針對采集的方案，調(diào)用城市排水系統(tǒng)模型，開展不同方案的模擬計(jì)算，獲得年徑流總量控制率、造價(jià)等相關(guān)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(biāo)計(jì)算作準(zhǔn)備；

(2)編寫程序，調(diào)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(bào)告文件(包含降雨徑流輸入輸出、子匯水區(qū)、管道、節(jié)點(diǎn)、低影響開發(fā)設(shè)施屬性及結(jié)果數(shù)據(jù))，編寫程序，計(jì)算獲得每個(gè)方案的年徑流總量控制率、造價(jià)等相關(guān)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(jì)算評估不同低影響開發(fā)設(shè)施組合與布局方案的年徑流總量控制率。造價(jià)評估是指對不同低影響開發(fā)設(shè)施組合與布局方案中所采用的不同低影響開發(fā)設(shè)施的總的造價(jià)進(jìn)行計(jì)算評估。

步驟五、方案篩選：根據(jù)預(yù)先確定的低影響開發(fā)年徑流總量控制率指標(biāo)，對包含年徑流總量控制率和造價(jià)等相關(guān)信息的不同方案進(jìn)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(shè)施組合與布局方案進(jìn)行成本(造價(jià))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(jià)，按以下公式計(jì)算效果成本比：效果成本比＝年徑流總量控制率/造價(jià)；

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(jié)果，即確定擬推薦的低影響開發(fā)設(shè)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(shù)中主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過人工對低影響開發(fā)設(shè)施進(jìn)行有限的組合與布局，然后進(jìn)行反復(fù)修正，直至滿足達(dá)標(biāo)要求存在的耗時(shí)長、所得結(jié)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(shè)施組合與布局的確定更加準(zhǔn)確，效率高，且所得結(jié)果可行性較大，從而可以更好地用于指導(dǎo)海綿城市低影響開發(fā)設(shè)施的組合與布局，保證城市排水系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

為進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，現(xiàn)結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

本實(shí)施例以安徽省池州市為背景，結(jié)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(jìn)行低影響開發(fā)設(shè)施組合與布局方案的確定。

步驟一、構(gòu)建0-1規(guī)劃模型

本實(shí)施例中匯水區(qū)域甲，總匯水面積30.56ha，分成7個(gè)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(shè)施：生物滯留設(shè)施、透水鋪裝、綠色屋頂。

分解年徑流總量控制率80％到7個(gè)子匯水區(qū)域，考慮在每個(gè)地塊分別布置這3種低影響開發(fā)設(shè)施(本實(shí)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(jì)算結(jié)果)；分別計(jì)算每個(gè)地塊生物滯留設(shè)施、透水鋪裝、綠色屋頂?shù)人璧拿娣e。本實(shí)施例中，透水鋪裝率取90％，綠色屋頂率取30％。

對每一地塊內(nèi)的生物滯留設(shè)施、透水鋪裝、綠色屋頂進(jìn)行id順序編號1-21(其中，1-3分別為子匯水區(qū)域s01內(nèi)的生物滯留設(shè)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(shè)施id集合(總數(shù)n＝21)。

對于每一個(gè)子匯水區(qū)域，每個(gè)id低影響開發(fā)設(shè)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(shè)施，按布置或者不布置，進(jìn)行組合，低影響開發(fā)設(shè)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(gè)。

步驟三、方案采集

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

步驟四、方案模擬與指標(biāo)計(jì)算

通過編制的程序，借助城市排水系統(tǒng)模型(本實(shí)施例中采用swmm模型)，對6607個(gè)不同組合與布局方案開展模擬，計(jì)算獲得年徑流總量控制率、造價(jià)等相關(guān)評估數(shù)據(jù)。其中，6607個(gè)方案的年徑流總量控制率計(jì)算結(jié)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(biāo)80％，對6607個(gè)方案進(jìn)行篩選，滿足年徑流總量控制率≥80％，得到1474個(gè)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(gè)方案)。

步驟六、成本效果分析

對篩選后的方案，進(jìn)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(jià))計(jì)算效果成本比。

表1方案篩選結(jié)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(jié)果如表2所示(由于篇幅所限，僅列出top10)。根據(jù)排序結(jié)果，確定擬推薦的低影響開發(fā)設(shè)施組合與布局方案。

本實(shí)施例中，效果成本比前3名低影響開發(fā)設(shè)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(jié)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(jià)分析，也可以聯(lián)合其他指標(biāo)進(jìn)行確定，如內(nèi)澇體積、內(nèi)澇歷時(shí)、雨水利用量、污染物指標(biāo)等。