雨水调蓄池不同布局情景下基于“无为”准则的系统弹性评估方法研究

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随着气候变化加剧和城市快速扩张,极端降水现象在全球范围内频繁发生。城市内涝已经成为世界上许多国家共同面临的问题,在很大程度上制约着城市的经济和社会发展。弹性是指系统遭遇灾害时,能够及时有效地抵御、吸收、适应并从灾害中恢复的能力。对城市排水系统进行弹性设计,是一个比较新的设计理念,也是未来的方向。为了应对城市内涝的威胁,在规划和设计阶段对城市排水系统弹性进行评估具有重要意义。雨水调蓄池是一种城市内涝防治的重要干预措施,可提高区域排水标准和内涝削减能力。然而,雨水调蓄池的不同空间布局会对排水系统弹性产生不同影响。针对部分情况下在排水系统内设置雨水调蓄池会降低系统弹性这一现象,本研究在国内外研究现状的基础上,基于暴雨管理模型(SWMM)和MATLAB,采用模型模拟、案例分析等研究方法对系统弹性评估方法和雨水调蓄池不同布局情景下的系统弹性变化进行研究,并探究系统弹性降低的原因。主要成果和结论如下:(1)提出了基于“无为”准则(‘do-nothing’benchmark)的城市排水系统弹性评估新方法,又称基线方法。基线方法选择系统中无任何干预措施时的内涝节点数量来计算平均内涝持续时间和系统弹性,消除了雨水调蓄池不同布局情景下因缺乏比较基准而导致内涝节点数量不同对系统弹性评估的影响。(2)与传统方法相比,基线方法更为合理。利用传统方法和基线方法分别对池州市某排水区域(池州案例)系统弹性进行模拟计算和统计分析。结果表明,采用传统方法,大部分情况下在系统内增设雨水调蓄池会降低系统弹性,而采用基线方法,系统弹性提高。假定可接受的系统弹性水平为0.7,传统方法中高于该水平的布局方案只占全部方案的41.4%,基线方法中全部布局方案都高于该水平。(3)为了验证基线方法的可靠性,采用基线方法和传统方法分别对北京市某排水区域(北京案例)系统弹性进行研究。结果表明,随着调蓄池数量的增加,两种方法下系统弹性均呈上升趋势,且基线方法得到的系统弹性可能低于传统方法下的系统弹性。这是因为,雨水调蓄池设置不当时可能会增加系统内涝节点个数,此时传统方法计算得到的系统弹性会偏大一些,虽然基线方法得到的弹性较小,却更接近系统真实弹性水平。(4)基线方法下系统弹性受雨水调蓄池布局影响的总体趋势是,随着调蓄池数量的增加,内涝有所缓解,系统弹性上升。利用该方法可以确定给定系统弹性水平下雨水调蓄池的最佳布局方案。(4)雨水调蓄池的最佳布局方案因系统弹性评估方法、案例、调蓄池位置和数量不同而变化。池州案例中,当雨水调蓄池数量小于等于3时,基线方法和传统方法得到的给定弹性条件下最佳布局方案一致;当调蓄池数量大于3时,最佳布局方案不相同;北京案例中,当雨水调蓄池数量大于10时,基线方法和传统方法得到的给定弹性条件下最佳布局方案一致;调蓄池数量小于等于10时,最佳布局方案不相同。因此,雨水调蓄池的最佳布局方案和系统弹性提升对策需要具体情况具体分析,一系统一分析,一系统一对策。
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