关键词:
雨水管理
城市内涝
灰绿基础设施
多目标优化
海绵城市
摘要:
城市化与气候变化是导致城市内涝风险增加的两个最具影响力的因素。本研究立足于城市化与气候变化,响应海绵城市的发展导向,对城市雨水管理的相关文献梳理与研究现状的分析。雨水管理基础设施的研究已得到相当程度的发展与进步,灰色基础设施如城市排水管网,能够确保有足够的能力为特定的设计暴雨转移径流;绿色基础设施,如生物滞留池和透水路面,可以提高系统面对极端降雨时的弹性、灵活性和适应性。当考虑到各种灰色基础设施和绿色基础设施的组合以及多个目标时,灰绿耦合基础设施的设计是一项具有挑战性的任务。
本研究基于一种多目标优化框架,将生命周期成本和系统韧性(技术韧性和操作韧性)确立为优化目标,综合考虑灰绿基础设施寿命中不同的失效和退化来源,旨在:(1)在各种不确定性和相互冲突的目标下优化和设计灰绿基础设施;(2)确定不同发展强度地区的多重目标与系统分散化程度之间的权衡。本研究以广东省广州市南沙区的港科大广州校区与横沥岛尖为例,两个案例分别为高等院用地与商业、商务用地,形成开发强度的对比,根据其特征在雨水管理模型(Storm water management model,SWMM)中建立基础水文模型,进行模型参数确立,利用空中花园算法与非支配排序遗传算法进行灰绿耦合基础设施的协同空间优化,得到帕累托解。优化结果表明,分散式的灰绿基础设施更具有经济优势;但为了在高密度的集水区保持高度的系统弹性,通常需要依赖高度集中的解决方案,这也导致了更高的成本。研究发现,在极端风暴下,灰绿基础设施在技术弹性方面的表现优于与结构性能不确定性相关的操作弹性。此外,与生物滞留池相比,透水铺装具有更广泛的应用潜力。最后,在一定的生命周期成本限制内选取韧性最佳的帕累托解,确定生命周期成本、技术韧性和操作韧性三者之间的最优权衡,根据灰绿基础设施布局图,把握开发强度的差异,对两个案例进行景观设计,绘制平面图、鸟瞰图、分析图等,并对局部的生物滞留池、透水铺装进行详细设计,使灰绿耦合基础设施融于城市景观中。
本研究开发的框架可以通过提高水力可靠性和水文恢复力来支持城市雨水管理决策,填补城市雨水管理基础设施多目标优化方面的空白,并为适应不同城市开发强度的灰绿耦合基础设施多目标优化设计提供一定参考。在未来的城市绿地建设发展中,应结合城市防洪排涝的要求,规避气候变化带来的风险,根据不同发展程度城市的需求,以符合城市环境设计要求为目标,不断完善城市绿地体系的规划建设,激发城市活力,建设可持续发展的生态宜居城市。