基于多目标优化与综合评价的海绵城市规划设计

位欣

湖北省城市规划设计研究院 湖北省武汉市 430000

【摘要】近年来，我国利用“海绵城市”理论解决了部分城市的水涝问题。但是从现有的时间运行来看，大部分建设评价的指标都较为单一，无法全面分析海绵城市的建设成本、雨水综合径流处理技术、污染物综合控制的效益。本文基于多目标优化、综合评价的角度，对海绵城市规划设计进行了分析，相关内容总结如下。

【关键词】：基于多目标优化；综合评价；海绵城市；规划设计

近年来，随着我国城市化的发展和进步，城市的生态建设需求日益见长，城市的排水问题也引起了社会的广泛关注。整体而言，我国大部分的城市水地面比率较大，地下垫层渗透能力较强，整体自然系统调蓄能力较弱。城市内的污染物排放量、水流量超标可能会直接导致水质严重恶化。为了精准评价海绵城市的“渗透、储存、净化、使用、排放”等综合效益，寻找一种多目标优化、综合评价的方式十分重要，本文结合案例分析的方式，对海绵城市的规划设计进行以下论述。

1.简述多目标优化和综合评价海绵城市的规划设计发展理论

为了有效构建一个生态循环的城市雨水管理系统，世界各国也提出了较多的城市水处理构想理论。其中“海绵城市”理论是大众关注的重点之一。国内很多科学家采用 InfoWorks CS水文模型系统对海绵城市的降排水问题进行了深入研究；一些学者也通过源头减排设施组合方式模拟对单一设施的雨水效果进行了综合评价；目前我国对于源头减排组合定量化设计方案报道不多，而大部分的科研学者任务海绵城市属于一项综合性的生态工程，整体建设方面需要从成本、水文、地质情况进行多方面的综合决策和评价；也有部分学者认为，海绵城市的建设技术体系和建设标注也在日益完善，目前建设的关键在于控制源头减排设施的类型和面积。

本文针对我国现有的海绵城市建设的相关理论进行分析，结合海绵城市的建设成本、雨水径流控制率以及污染物的削减情况，积极构建 NSGA-II 多目标优化算法模型，采用了层次结构分析法等方法对海绵城市进行综合评价，希望能够为海绵城市的优化设计和布局奠定基础。

2.案例分析

2.1案例背景研究

A区域位于a城的东部，规划面积为2500平方千米，属于亚热带润湿气候，最大降雨量为2305.5mm，最少降水量为1152.2mm，平均降水量为（1852.6±4.54）mm。年平均日时数为1841.2小时，年平均风速为1.4m·s－1，当地的地质土壤主要以红壤为主，渗透性较为理想，不存在滞水现象。

2.2多目标优化和综合分析评价

（1）建立NSGA-II 算法

本次研究结合快速分类的非支配遗传算法，结合Deb等在NSGA基础进行多目标优化计算。目前NSGA-II 算法属于当前行业内部最主流的多目标遗传算法之一，已经被广泛运用到了多个工程领域中。结合NSGA-II 多目标的遗传算法特点来看，该策略可有效分析建设区域的建设费用，区域的雨水综合径流系数以及源头减排的污染物等内容。可以年径流总量控制率最低目标，并以减排设施的最大面积作为边界条件，采用“迭代进化”模型的方式得到最优化的帕累托解集合。

（2）目标函数分析

海绵城市的源头减排设施的综合布局的内容较多，相关单位需要考虑建设费用、雨水径流控制以及径流污染物的整体控制效果。计算考虑的内容包括a、源头减排设施的建设费用；b、雨水综合径流的系数；c、源头减排设施的污染物综合去除率；d、多目标优化的总目标函数。

（3）约束条件分析

为保证模型建立的精准性，让其更加符合海绵城市的综合建设特点各项内容，因此在土地规划和利用时候需要结合海绵城市的建设的各个需求，在多目标优化模型等方面结合源头减排设施建设面积和雨水年综合径流系数作为约束条件。涵盖的内容应当包括：a、源头减排设施的建设面积；b、雨水的年综合径流系数；c、层次分析法的综合评价等。

2.3模型构建体系研究

（1）SWMM模型的排水系统构建

建设时候相关单位需要结合研究区域的地形地势以及土地规划、建筑分布、管网走向和行政边界等内容予以综合研究。需要考虑雨水的排水管和排水分区现状做好子汇水区域规划，可结合区域管网规划的模型和雨水排水管的网络进行概化，最终确定SWMM模型概念体系。

（2）降雨数据的分析选择

在设计中为了研究区域的源头减排设施的雨水径流量、污染物控制效果等内容，模型建立时候需要结合不同时期的降水量和实际的年降水量的边界条件进行模拟计算。其中预计研究全年降水量为80场，降水量为1846mm。

（3）参数设置

选择SWMM模型的源头减排的各项内容进行研究，其中的参数包括了表层结构、内部的结构参数等。表层参数包括了蓄水深度、植物体积覆盖率、表面的坡度等。内层参数的内容也包括了土壤的厚度、蓄水层厚度、堵塞因子等。

3.验证结果与讨论分析

3.1多目标优化和综合评价的结果

采用 NSGA-II 等进行多目标优化求解，得出200组数据，其中最优解都包含大量的信息内容，结合多目标的分析优化结果可知，雨水的径流系数和污染物综合去除率的提升，源头减排的建设成本也会增加，可结合实际的建设需求和内容控制建设成本的最优级，进而控制雨水的径流量和径流污染问题。

3.2层次分析法

成分分析得知，结合权重系数和归一化处理结果，可得到综合建设的三项指标，其中源头减排建设成本（权重系数为0.653）、雨水径流控制能力（权重系数为0.263）、污染物控制率（权重系数为0.109）三项指标。可结合实际的土地规划情况，结合海绵城市的综合发展规划得到最优处理结果。

（图1 源头减排设施占比分布）

4.结语

综上所述，海绵城市的减排设施成本、雨水径流量和污染物控制的三项指标都会影响海绵城市的设计效果，本文结合案例分析方式，结合 SWMM 排水管网、层次分析法对海绵城市的规划多目标分析。

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