市政给排水管网改造中多目标优化措施研究分析
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摘 要：如今国内城市化过程中大力推进绿色排水建设，立足于城市现有的排水系统，探讨优化组合新型LID调控与排水管网这个非常现实的棘手问题。文章提出了组合以及优化雨洪管理举措的方法与手段，利用多目标优化算法GA以及SWMM水动力模拟软件进行联合求解，对各种改造方案情境下的建造费用以及系统溢流量的关系进行评价，分析LID径流控制举措以及管网改造的组合策略以及个体作用，本文还采取了多目标优化措施，能够为两类改造举措辅以可选择的组合方案，有利于相关城市借鉴与建设符合自身实际情况的雨洪管理系统。
关键词：SWMM;LID;城市内涝;多目标优化
1 引言
随着城市化以及气候化的日益加速，城市频频发生内涝现象，在较大程度上影响了群众的生产生活。以往主要通过改造排水系统，以应对这些洪涝暴雨灾害，切实增强管网系统的排水能力。但是，如今只依赖这些治水理念，很难有效地解决城市日益复杂的雨洪问题。为此，国家大力建设海绵城市，实施以低影响开发（LID）为基础的径流调控、滞蓄减排以及源头控制等各种新举措，使城市强化调控洪涝暴雨的水平。既然无法无限制地提高城市管网系统的设计标准，就要及时转换思路，探讨传统管网以及LID举措的相关组合策略。
2 以SWMM为基础的多目标优化机制
以Mat lab优化工具箱的实施为基础，建立多目标优化模型。为多目标优化问题的解决，提供多种算法合集，也就是说，先把问题描述过渡为能够采取优化求解的相关目标函数，然后借助优化工具箱，恰当地处理目标函数。以下是详细步骤。
步骤1：向SWMM中导入水文属性、管网基础数据、降雨数据、汇水区用地等，这样以来，就建立了它的初始模型。
步骤2：利用Mat lab平台，借助动态链接库*.dll，有效地调用SWMM的相关计算模型，输出，可以获得描述当前使用的系统的洪涝影响以及排水性能的相关参数（比如系统溢流量）。
步骤3：恰当地设置多目标优化GA模型的相关优化变量（也就是说，SWMM中刻画了LID径流措施以及管网改造的有关参数）以及约束条件（比如排水规划、可用空间、可用空间以及规划土地的具体类型等），对该系统的造价总成本以及系流总量进行了迭代计算，然后摒弃劣势组合的相关方案，最后获得了与组合系统相适应的最优配置措施（也就是Pareto Front的相关前沿解集）。
步骤4：在相关GA程序中，通过突变以及交叉筛选相关个体，持续地提升广大人民的个体适应度，突变以及交叉的速率依次设定为0.01以及0.9，使它在优化过程中进行有效的收敛。以SWMM为基础的多目标优化体系。
3 案例分析
3.1 SWMM模型以及研究区概况
将国内W市A区为研究对象，重点研究其排水系统，该市地处39°36’，该市的河流长度累计达到了1075.8km。A区被分成了五十三个子汇水区，涵盖了三个出水口、五十三个雨水井、五十三条排水管。SWMM模型立足于这些子汇水分区的雨水口、水文属性、管道的相关勘测数据以及所在地区的降雨数据等，逐步建立起来。利用系统的溢流节点数量、总溢流量以及管道自身的流量峰值，分析和概括当地排水防涝系统的排水能力。模拟上述两类改造措施（LID径流控制以及管网扩增制）依次利用SWMM中扩增管道管径以及削减子汇水区的相关不透水性进行描述。
3.2 多目标优化模型的构建
多目标优化问题借助Matlab优化工具箱的相关多目标求解器，关键步骤如下所示：①设定相关的目标函数，对变量与相关参数进行优化;②最小、最大边界取值（也就是所谓的约束条件）;③求解，对优化结果进行分析。多目标优化变量依次设定为管道管径的相关扩增率以及子汇水区中不透性面积的实际减少率。就组合系统而言，两大优化目标函数累计涵盖了：①系统总溢流量W1。以分析暴雨形势下该市防洪排水系统所具备的洪涝管理水平。组合系统所形成的总溢流量越小，意味着这些改造措施的效果越理想。以下是它的计算公式：
式中，[TTFVi]指的是第i个溢流节点的实际溢流量;Ma、MO依次是改造之后以及改造之前溢流节点的数量;[PRi]以及[PRoi]依次是第i个节点改造之后以及改造之前的实际径流峰值。②建造该系统的费用达到了W2。在这其中，查阅相关参考文献，联系所在地区的工程造价水平，可以算出改造管网的费用函数。总费用涵盖了建设该系统的经营费用以及基建费用，比如检查井以及管线等所需要的设备、材料、施工、土方和维护等多个方面的费用。实施LID径流控制的费用按照现行的国家海绵城市建设指南等进行计算。以下是它的计算公式：
在上述式子中，Pi、Li依次是改造管网的费用、LID措施的铺设费用;Li、Di、Hi依次是第i节点处管道的长度、管径以及埋深;C是它的调整系数;Ai、Impi分别指的是第i个子汇水区的相应面积以及不透水面积的相应削减率;UCLID是布设LID措施的单位成本。
3.3 结果与分析
展示了上文设计的多种测试情景下，对它们进行优化后获得了相应的系统溢流总量W1以及建造费用W2之间的优化关系，曲线与X轴相交，它的截距越小，意味着这种测试情景下所需要的成本也就越低、越有效。
D1展示的是布設LID措施下改造费用以及溢流总量之间的关系，D2展示的是管网改造情况下改造费用与溢流总量之间的关系。D3以及D4分别刻画了同时将管网改造以及LID径流控制当作改造措施，在关注以及不关注约束条件这两种形势下，与得到优化的相关组合系统相吻合的改造费用以及系统溢流量之间的关系。
4 结论
经过上文的系统研究和分析，文章获得了下列结论：
首先，本文重点采取了多目标遗传算法，优化了相应的排水管网改造措施，而且分析了LID措施以及管径扩增举措，求解了两类举措的最佳组合规划。
其次，在解决和处理城市雨洪问题的过程中，管径扩增是更有效、更经济的措施，然而适度地铺设LID的举措，能够在一定程度上降低排水系统所承载的水文总负荷，以实现帮助调控雨洪影响的良好效果。
再次，基于GA以及SWMM等多个智能优化方式，将数学优化计算以及城市暴雨洪涝模拟有机地结合起来，降低了人工操作的具体步骤，优化效率得到了提升，希望能够为城市建设以及规划雨洪管理系统提供了较强的借鉴价值。
参考文献：
[1] 陈小龙，赵思东，赵冬泉等.城市排水管网模拟系统介绍[J].中国给水排水，2015（1）：104～108.
[2] 车伍，葛裕坤，唐磊等.我国城市排水（雨水）防涝综合规划剖析[J].中国给水排水，2016（10）：15～21.
[3] 宋翠萍，王海潮，唐德善.暴雨洪水管理模型SWMM研究进展及发展趋势[J].中国给水排水，2015（16）：16～20.
作者简介：
李山（1986—），男，毕业于东北电力大学（吉林）本科，中级工程师，研究方向：市政给排水。
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