一种考虑复杂降雨模式的绿色基础设施空间布局优化方法

本发明属于城市水文规划，尤其涉及一种考虑复杂降雨模式的绿色基础设施空间布局优化方法。

背景技术：

1、城市的快速发展改变了城市地表，使得不透水地表显著增加，导致城市地区水安全问题频发。城市地区的雨水管理因其对人类圈、水圈及其相互联系具有重要影响而成为关键和热点问题。尽管现有的工程和非工程措施已在努力地降低风险，但目前的城市排水系统仍不具备足够的韧性和适应性以应对气候变化的影响。为解决这个问题，基于自然的可持续排水系统解决方案(nbs)已经获得了广泛的关注与研究。基于自然的解决方案包括各种气候适应策略，例如低影响开发(lid)、最佳管理实践(bmp)和海绵城市建设等，这些策略的核心是绿色基础设施，包括绿色屋顶、透水路面和雨水花园等。绿色基础设施旨在减少径流并改善整个城市地区的水质，其空间配置在水文响应和相关效益中起着至关重要的作用。

2、鉴于其多样的空间分布和显著的效益影响，绿色基础设施空间布局优化对于成功实施上述基于自然的解决方案至关重要。虽然绿色基础设施空间布局优化研究已经取得了一定的成果，但仍存在一些不足之处，如：1)绿色基础设施空间布局优化的情景过于单一，常采用峰值居中的单峰型设计暴雨作为优化情景，而实际的暴雨过程是多样的，这种方法得到的结果不具备全面性；2)绿色基础设施空间布局优化常以类型、面积和位置作为优化参数，但设施之间的水文连接关系并没有被考虑，得到的结果也不理想。因此如何提高绿色基础设施空间布局优化的全面性以及科学性是本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑复杂降雨模式的绿色基础设施空间布局优化方法，以解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明公开一种考虑复杂降雨模式的绿色基础设施空间布局优化方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤1、获取研究区域的基础数据与监测数据，构建水文模型模块；所述基础数据包括地理数字高程信息、土地利用类型、河网数据和管网数据，所述监测数据包括降雨量、河道流量、管道流量和检查井水位；所述水文模型模块用于评估绿色基础设施空间布局水文效应；

5、步骤2、确定研究区域绿色基础设施空间布局优化目标、优化变量、约束条件以及优化算法，构建优化模型模块；所述优化模型模块用于优化绿色基础设施空间布局方案；

6、步骤3、根据研究区域的暴雨强度公式以及规划应对降雨等级确定总降雨量，再根据不同降雨模式的降雨量时程分配比例与总降雨量确定研究区域的降雨过程，构建降雨情景模块；所述降雨情景模块用于构建不同的降雨情景输入到水文模型中；

7、步骤4、将水文模型模块与优化模型模块耦合，并在降雨情景模块包含的所有降雨情景中分别进行优化计算；提取在各降雨情景中计算得到的结果，构建结果提取模块，所述结果提取模块用于综合各个局部最优布局方案从而获取全局最优布局方案。

8、进一步的是，步骤1中所述地理数字高程信息为研究区域的高程数据；所述土地利用类型为研究区域的下垫面类型，包括屋顶、道路、停车场、广场和绿地；所述河网数据包括河网空间分布和河道地形数据；所述管网数据包括管网空间分布、管道长度、管道截面形状、管径、检查井深度以及管道与检查井的连接方式；所述水文模型为雨洪管理模型。

9、进一步的是，步骤2中所述优化目标为研究区域进行绿色基础设施空间布局所要达到的目标，包括降低全生命周期成本、降低环境影响系数；

10、所述优化变量用于组成不同的空间布局方案，包括绿色基础设施的类型、面积、位置及水文连接；

11、所述约束条件用于限制优化变量的取值，包括绿色基础设施因地制宜布置、绿色基础设施在某一地块布置面积不能超过该地块的面积、绿色基础设施的水文连接根据地势由高到低进行设置；

12、所述优化算法用于根据目标函数在约束条件范围内寻找最优的空间布局，包括类型、面积、位置和水文连接关系；所述优化算法为多目标优化算法spea2。

13、进一步的是，所述全生命周期成本f1的计算公式为：

14、

15、其中，ng为研究区域内可布设绿色基础设施的子汇水区总数；sa为第a个子汇水区的面积，m2；αa为第a个子汇水区中绿色基础设施的布设比例；uaacb,a为第a个子汇水区内所含的第b种绿色基础设施的单位年平均成本，元/(m2·年)；

16、对于第b种绿色基础设施的单位年平均成本uaacb，计算公式为：

17、uaacb＝pvcb/nb                   (2)

18、

19、

20、

21、其中，pvcb为第b种绿色基础设施在整个生命周期的单位成本现值，元/m2；nb为第b种绿色基础设施的使用年限，年；icb为第b种绿色基础设施的单位初期建设成本，元/m2；omcb为第b种绿色基础设施每年的单位运营维护成本，元/m2；svb为第b种绿色基础设施在使用结束时的单位残值，元/m2；ka为第a个子汇水区的外来径流量与收集的降雨总体积的比值；fr,t为第t年折现率r的现值系数；fr,nb为使用期限末年折现率r的现值系数；v为从上一个维修年到使用期限末年的间隔数；

22、所述环境影响系数f2的计算公式为：

23、

24、其中，vn为布设绿色基础设施后出水口的径流总量，m3；vp为布设绿色基础设施前出水口的径流总量，m3；mn为布设绿色基础设施后出水口的ss总排放量，kg；mp为布设绿色基础设施前出水口的ss总排放量，kg；ωv和ωm分别为gi效益目标函数对径流和污染物的归一化权重系数；r为径流与水质控制效率；

25、所述优化目标表示为：

26、

27、进一步的是，步骤3中所述暴雨强度公式为：

28、

29、其中，q为降雨量，mm；p为降雨重现期；t为降雨历时；

30、所述降雨模式包括七种，分别为：1)峰值靠前的单峰降雨，2)峰值居中的单峰降雨，3)峰值靠后的单峰降雨，4)均匀降雨，5)峰值靠前及居中的双峰降雨，6)峰值居中及靠后的双峰降雨，7)峰值靠前及靠后的双峰降雨。

31、进一步的是，步骤4中所述水文模型模块与优化模型模块耦合具体为：采用优化模型模块生成不同的布局方案，采用水文模型模块评估不同布局方案的效率和成本，并将结果反馈到优化模型模块中指导生成新的布局方案，再采用水文模型模块进行评估，如此循环，直至完成设定的循环次数；所述循环次数根据历代非支配集的趋近度收敛情况来设定；

32、所述各降雨情景中计算得到的结果包括多个结果，每个降雨情景的结果均为一个局部最优结果，采用内切线方法确定全局最优结果。

33、本发明的有益效果是：本发明所述方法全面考虑了复杂降雨模式下的降雨情景以及绿色基础设施水文连接关系，计算不同降雨情景下的局部最优方案并获取全局最优方案，为构建最优的绿色基础设施空间布局提供一种新的途径，计算结果更全面更科学，为全国的海绵城市规划与建设提供理论支撑与技术支持，也为高度城市化地区的雨洪管理提供决策参考，对城市水安全治理问题具有重要意义。

34、下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。