市政給排水管網改造中多目標優化措施研究分析

李山 李大奎

摘? ? 要：如今國內城市化過程中大力推進綠色排水建設，立足于城市現有的排水系統，探討優化組合新型LID調控與排水管網這個非常現實的棘手問題。文章提出了組合以及優化雨洪管理舉措的方法與手段，利用多目標優化算法GA以及SWMM水動力模擬軟件進行聯合求解，對各種改造方案情境下的建造費用以及系統溢流量的關系進行評價，分析LID徑流控制舉措以及管網改造的組合策略以及個體作用，本文還采取了多目標優化措施，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。

關鍵詞：SWMM;LID;城市內澇;多目標優化

1? 引言

隨著城市化以及氣候化的日益加速，城市頻頻發生內澇現象，在較大程度上影響了群眾的生產生活。以往主要通過改造排水系統，以應對這些洪澇暴雨災害，切實增強管網系統的排水能力。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（LID）為基礎的徑流調控、滯蓄減排以及源頭控制等各種新舉措，使城市強化調控洪澇暴雨的水平。既然無法無限制地提高城市管網系統的設計標準，就要及時轉換思路，探討傳統管網以及LID舉措的相關組合策略。

2? 以SWMM為基礎的多目標優化機制

以Mat lab優化工具箱的實施為基礎，建立多目標優化模型。為多目標優化問題的解決，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化求解的相關目標函數，然后借助優化工具箱，恰當地處理目標函數。以下是詳細步驟。

步驟1：向SWMM中導入水文屬性、管網基礎數據、降雨數據、匯水區用地等，這樣以來，就建立了它的初始模型。

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

步驟3：恰當地設置多目標優化GA模型的相關優化變量（也就是說，SWMM中刻畫了LID徑流措施以及管網改造的有關參數）以及約束條件（比如排水規劃、可用空間、可用空間以及規劃土地的具體類型等），對該系統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相適應的最優配置措施（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，使它在優化過程中進行有效的收斂。以SWMM為基礎的多目標優化體系。

3? 案例分析

3.1? SWMM模型以及研究區概況

將國內W市A區為研究對象，重點研究其排水系統，該市地處39°36，該市的河流長度累計達到了1075.8km。A區被分成了五十三個子匯水區，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的雨水口、水文屬性、管道的相關勘測數據以及所在地區的降雨數據等，逐步建立起來。利用系統的溢流節點數量、總溢流量以及管道自身的流量峰值，分析和概括當地排水防澇系統的排水能力。模擬上述兩類改造措施（LID徑流控制以及管網擴增制）依次利用SWMM中擴增管道管徑以及削減子匯水區的相關不透水性進行描述。

3.2? 多目標優化模型的構建

多目標優化問題借助Matlab優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，對變量與相關參數進行優化;②最小、最大邊界取值（也就是所謂的約束條件）;③求解，對優化結果進行分析。多目標優化變量依次設定為管道管徑的相關擴增率以及子匯水區中不透性面積的實際減少率。就組合系統而言，兩大優化目標函數累計涵蓋了：①系統總溢流量W1。以分析暴雨形勢下該市防洪排水系統所具備的洪澇管理水平。組合系統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點的數量;[PRi]以及[PRoi]依次是第i個節點改造之后以及改造之前的實際徑流峰值。②建造該系統的費用達到了W2。在這其中，查閱相關參考文獻，聯系所在地區的工程造價水平，可以算出改造管網的費用函數。總費用涵蓋了建設該系統的經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依次是改造管網的費用、LID措施的鋪設費用;Li、Di、Hi依次是第i節點處管道的長度、管徑以及埋深;C是它的調整系數;Ai、Impi分別指的是第i個子匯水區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，對它們進行優化后獲得了相應的系統溢流總量W1以及建造費用W2之間的優化關系，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，與得到優化的相關組合系統相吻合的改造費用以及系統溢流量之間的關系。

4? 結論

經過上文的系統研究和分析，文章獲得了下列結論：

首先，本文重點采取了多目標遺傳算法，優化了相應的排水管網改造措施，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所承載的水文總負荷，以實現幫助調控雨洪影響的良好效果。

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

參考文獻：

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作者簡介：

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