CN112712268A - 一种海绵城市优化布局与综合效益评价方法 - Google Patents
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Abstract
一种海绵城市优化布局与综合效益评价方法，涉及环境工程技术领域，针对现有海绵城市规划中存在较为突出的规划效率低、规划准确率差、规划效果误差大的问题，科学可靠本项目选择的决策变量分别为：绿色屋顶面积、透水铺装面积、下凹绿地面积、生物滞留池面积、植草沟面积与雨水花园面积，目标函数包括LID设施总建设费用函数、雨水年综合径流系数函数和LID***综合污染物控制率函数。决策者可以针对改造区域内的主要问题与矛盾，综合考虑成本、水量和水质等因素，选择不同目标偏好下的决策方案，为因地制宜建设各类LID设施提供决策思路。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，具体为一种海绵城市优化布局与综合效益评价方法。
背景技术
2019年8月，住房和城乡***发布《海绵城市建设评价标准》，标志着我国海绵城市创建迈出了重要一步。国内外学者针对海绵城市建设进行的大量研究和实践表明，海绵城市作为一个综合性生态工程，其改造效果理应从多个方面进行考量，以满足现实中多维的工程设计目标要求，然而目前LID***优化目标选择比较单一；此外LID***优化备选 方案众多，且影响因素复杂，每种方案都有着各自的优缺点和适应性，方案的评价主要依 靠主观经验确定，缺乏一定的科学依据，导致海绵城市规划中存在较为突出的规划效率低、规划准确率差、规划效果误差大的问题，因此合理地选择海绵城市布局优化评价方法是海绵城市建设的重要内容。
发明内容
本发明的目的是：针对现有海绵城市规划中存在较为突出的规划效率低、规划准确率 差、规划效果误差大的问题，提出一种海绵城市优化布局与综合效益评价方法。
本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种海绵城市优化布局与综合效益评价方法，包括以下步骤：
步骤一：建立以绿色屋顶面积、透水铺装面积、下凹绿地面积、生物滞留池面积、植草沟面积与雨水花园面积为决策变量，以LID设施总建设费用、雨水年综合径流系数和LID***综合污染物控制率为目标函数的雨水调控多目标决策模型，然后以设施建设面积和雨水年综合径流系数为约束条件对雨水调控多目标决策模型求解得到最优解集；
步骤二：对最优解集中所有的判断指标进行两两打分，并构建两两元素比较矩阵，得 到判断指标间的重要性比较，进而得到各个判断指标的权重，所述判断指标包括LID设施 总建设费用、雨水年综合径流系数和LID***综合污染物控制率；
步骤三：利用各个判断指标的权重进行一致性检验，得到一致性指标CI，然后保留CI<0.10时CI对应的各个判断指标的权重；
步骤四：对最优解集中各个判断指标对应的指标值进行归一化处理；
步骤五：根据步骤三中保留下来的各个判断指标的权重及归一化后的各个判断指标对 应的指标值对评价目标进行评价，得到综合评分指数，并将综合评分指数最高的方案最为 最终优化方案。
进一步的，所述最优解集通过NSGA-II算法得到。
进一步的，所述对最优解集中所有的判断指标进行两两打分通过标度法进行。
进一步的，所述判断指标的权重表示为：
式中：i＝1,2,3，其中1表示LID设施总建设费用，2表示雨水年综合径流系数，3表示 LID***综合污染物控制率；
ai1为要素i对要素1的相对重要性；
ai2为要素i对要素2的相对重要性；
ai3为要素i对要素3的相对重要性。
进一步的，所述一致性指标CI表示为：
式中：λmax表示元素比较矩阵最大特征根，λi表示元素比较矩阵特征根，
m为判断指标总数；
aij为两两元素比较矩阵第i行第j列的值；
wj为元素比较矩阵最大特征根对应的归一化后的特征向量。
进一步的，所述归一化后的各个判断指标对应的指标值表示为：
x为归一化前各判断指标对应的指标值；
xmin为归一化前各判断指标对应的最小指标值；
xmax为归一化前各判断指标对应的最大指标值。
进一步的，所述综合评分指数表示为：
Pi为第i项判断指标对应的指标值。
本发明的有益效果是：
(1)科学可靠本项目选择的决策变量分别为：绿色屋顶面积、透水铺装面积、下凹绿地面积、生物滞留池面积、植草沟面积与雨水花园面积，目标函数包括LID设施总建设 费用函数、雨水年综合径流系数函数和LID***综合污染物控制率函数。决策者可以针对 改造区域内的主要问题与矛盾，综合考虑成本、水量和水质等因素，选择不同目标偏好下 的决策方案，为因地制宜建设各类LID设施提供决策思路。
(2)操作性强本项目采用的层次分析法运算简单，结果明确，可操作性强，既不单纯追求高深数学，又不片面地注重行为、逻辑和推理，而是把定性方法与定量方法有机地结合起来，使复杂的***分解，把多目标、多准则又难以全部量化处理的决策问题化为多层次单目标问题，通过两两比较确定同一层次元素相对上一层次元素的数量关系后，最后进行简单的数学运算。
(3)准确性高本项目通过SWMM模型对最优化方案进行模拟，能够实现海绵城市 建设效果的定量化与可视化分析，通过海绵城市建设前后的污染风险指数和雨水径流系数对比，精准判别海绵城市低影响开发设施的雨水控制效果和污染削减水平，有效降低了评价效果的误差。
(4)效率高本项目通过NSGA-II算法与层次分析法相结合，实现了成本、水量、水质三元最优条件下的海绵城市规划方案的快速提出，处理速度快，便于推广使用；同时， 利用SWMM模型对最优方案进行模拟评价，实现了预期规划效果的高效评价，为相关部 门的决策提供科学依据。
附图说明
图1为多目标决策模型构建体系流程图；
图2为海绵城市布局优化评价方法流程图；
图3为多目标优化结果关系图；
图4为层次分析法综合评分指数图；
图5为SWMM模型示意图；
图6为LID开发前后全年降雨雨水分配情况对比图。
具体实施方式
需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本申请公开的各个实施方式之间可以相互组 合。
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种海绵城市优 化布局与综合效益评价方法，包括以下步骤：
步骤一：建立以绿色屋顶面积、透水铺装面积、下凹绿地面积、生物滞留池面积、植草沟面积与雨水花园面积为决策变量，以LID设施总建设费用、雨水年综合径流系数和LID***综合污染物控制率为目标函数的雨水调控多目标决策模型，然后以设施建设面积和雨水年综合径流系数为约束条件对雨水调控多目标决策模型求解得到最优解集；
步骤二：对最优解集中所有的判断指标进行两两打分，并构建两两元素比较矩阵，得 到判断指标间的重要性比较，进而得到各个判断指标的权重，所述判断指标包括LID设施 总建设费用、雨水年综合径流系数和LID***综合污染物控制率；
步骤三：利用各个判断指标的权重进行一致性检验，得到一致性指标CI，然后保留CI<0.10时CI对应的各个判断指标的权重；
步骤四：对最优解集中各个判断指标对应的指标值进行归一化处理；
步骤五：根据步骤三中保留下来的各个判断指标的权重及归一化后的各个判断指标对 应的指标值对评价目标进行评价，得到综合评分指数，并将综合评分指数最高的方案最为 最终优化方案。
本发明重点解决海绵城市规划中一下技术问题：①水安全问题，海绵城市规划设计中 难以对雨水管网进行全面模拟，导致汛期城市积水问题严重；②水环境问题，现阶段海绵 城市规划局限于年径流总量控制率的指标要求，轻视乃至忽略了对城市雨水面源污染的防 控；③规划准确性，传统海绵城市规划对于规划方案的效果仅通过工程参数进行估算，效 果评价的准确性差、误差大；④规划效率：现阶段海绵城市规划仅针对某一典型区域进行 指标分解的设计，在进行大尺度城市总体海绵城市整体规划时，存在着耗时长、效率低的 问题。
本发明首先建立雨水调控多目标决策模型，以LID设施总建设费用、雨水年综合径流 系数和LID***综合污染物控制率为目标函数，以设施建设面积和雨水年综合径流系数为 约束条件，对不同参数进行优化，利用NSGA-II算法进行模型求解，寻求最优解集。其次本发明运用层次分析法对最优解集中的各个方案进行评价，从而选定最终方案，使得LID建设成本、雨水控制能力和污染去除能力三者相互协调，以尽量小的建设成本实现最大的环境收益。
本发明的具体技术方案如下：
1.多目标决策模型求取最优解集
建立雨水调控多目标决策模型，以绿色屋顶面积、透水铺装面积、下凹绿地面积、生 物滞留池面积、植草沟面积与雨水花园面积为决策变量，以LID设施总建设费用、雨水年综合径流系数和LID***综合污染物控制率为目标函数，以设施建设面积和雨水年综合径流系数为约束条件，对不同参数进行优化，利用NSGA-II算法进行模型求解，寻求最优解集。
层次分析法确定最优解
(1)构建判断矩阵
采用专家打分法对各判断指标(LID总建设成本、年综合径流系数及综合污染物控制 率)进行两两打分，形成一个两两元素比较矩阵。根据层次分析法理论，参考国内外研究成果，打分标准可用Saaty提出的标度法表示，见表1。
表1判断矩阵评分标准
(2)计算权重系数
各判断指标权重系数计算公式
式中：Wi——第i个指标的权重系数。
(3)一致性检验
用一致性指标检验该项目的相对优先顺序有无逻辑混乱，一般认为，当CI<0.10时， 可能无逻辑混乱，即计算得的各项权重可以接受。一致性指标CI的计算公式如下：
式中：λmax——对应于判断最大特征根；
λi——对应于判断矩阵特征根；
(4)归一化处理
采用离差标准化方法进行线性变换，使结果值映射到[0-1]之间。转换函数如下：
(5)指标综合评价
根据各指标权重系数及归一化处理后的结果，对总评价目标进行综合评价，计算各方 案的综合评分指数GI，计算公式如下：
式中：GI——方案的综合评分指数。
(6)结果统计
选择综合评分指数最高的方案作为最终优化方案。
实施例：
1.多目标决策模型求取最优解集
通过NSGA-II算法进行多目标优化求解可以得到使建设成本、雨水径流系数以及污染 物综合去除率三个目标相互协调的一组非最劣解集。如图3所示。
2.层次分析法确定最优解
(1)构建判断矩阵
采用专家打分法对各判断指标(LID总建设成本、年综合径流系数及综合污染物控制 率)进行两两打分，形成一个两两元素比较矩阵。LID***方案综合评价判断矩阵选值见表2。
表2判断矩阵评分标准(ai,j)
(2)计算权重系数
根据判断矩阵计算得，LID总建设成本、年综合径流系数及综合污染物控制率指标的 权重系数分别为0.6370、0.2583和0.1047。
(3)一致性检验
根据判断矩阵，计算得出CI值为0.017(<0.1)，判断矩阵具有较好的一致性。
(4)归一化/标准化处理
采用离差标准化方法，对200组结果数据进行线性变换，使结果值映射到[0-1]之间。
(5)指标综合评价
根据指标权重系数及归一化处理结果，对总评价目标进行综合评价，计算综合评分指 数GI。
(6)结果统计
根据上述层次分析步骤计算得出200个LID建设方案的综合评分指数，方案评分色阶 图如图4所示，方案16为综合LID总建设成本、年综合径流系数及综合污染物控制率三项指标的最佳方案。具体建设方案为：透水铺装面积373630.9m2、下沉绿地面积2353663.3m2、生物滞留池面积623610.5m2、植草沟面积112143.5m2、雨水花园面积60884.4m2。其建 设费用：7.06亿元，年综合径流系数0.287，综合污染物控制率0.29，综合评分指数0.76。
3.SWMM模型效果评价
(1)SWMM模型构建
根据层次分析法得到的海绵城市建设最优方案(方案16)，建立对应性SWMM模型。如图5所示。
(2)雨水控制能力评价
在2019年全年实际降雨的条件下，相较于非LID开发，LID开发后雨水蒸发量、下渗量分别由8.5％和46.9％提高至11.6％和58.4％，总径流量由44.6％降低到29.9％。从长历时 降雨的角度分析，LID设施在每场降雨中都相应地起到了控制径流的作用，从而在全年减 少总径流。如图6所示。
(3)污染物削减能力
区域布设LID设施后对面源污染达到有效削减，模型计算年降雨事件中全区域内总的 NH3-N污染物累积被削减量了3.74吨，削减率达到37.5％，TP污染物累积被削减量了0.7 吨，削减率达到34.6％，COD污染物累积被削减量了23.57吨，削减率达到32.59％，SS污染物累积被削减量了421.20吨，削减率达到45.90％。
表3 LID开发前后雨水径流中各类污染物总量(t)
| 污染物种类 | NH3-N | TP | COD | SS |
| LID开发 | 6.24 | 1.41 | 48.73 | 496.39 |
| 非LID开发 | 9.98 | 2.15 | 72.30 | 917.59 |
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定 权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本 发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种海绵城市优化布局与综合效益评价方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：建立以绿色屋顶面积、透水铺装面积、下凹绿地面积、生物滞留池面积、植草沟面积与雨水花园面积为决策变量，以LID设施总建设费用、雨水年综合径流系数和LID***综合污染物控制率为目标函数的雨水调控多目标决策模型，然后以设施建设面积和雨水年综合径流系数为约束条件对雨水调控多目标决策模型求解得到最优解集；
步骤二：对最优解集中所有的判断指标进行两两打分，并构建两两元素比较矩阵，得到判断指标间的重要性比较，进而得到各个判断指标的权重，所述判断指标包括LID设施总建设费用、雨水年综合径流系数和LID***综合污染物控制率；
步骤三：利用各个判断指标的权重进行一致性检验，得到一致性指标CI，然后保留CI<0.10时CI对应的各个判断指标的权重；
步骤四：对最优解集中各个判断指标对应的指标值进行归一化处理；
步骤五：根据步骤三中保留下来的各个判断指标的权重及归一化后的各个判断指标对应的指标值对评价目标进行评价，得到综合评分指数，并将综合评分指数最高的方案最为最终优化方案。
2.根据权利要求1所述的一种海绵城市优化布局与综合效益评价方法，其特征在于：所述最优解集通过NSGA-II算法得到。
3.根据权利要求2所述的一种海绵城市优化布局与综合效益评价方法，其特征在于：所述对最优解集中所有的判断指标进行两两打分通过标度法进行。
4.根据权利要求3所述的一种海绵城市优化布局与综合效益评价方法，其特征在于：所述判断指标的权重表示为：
式中：i＝1,2,3，其中1表示LID设施总建设费用，2表示雨水年综合径流系数，3表示LID***综合污染物控制率；
ai1为要素i对要素1的相对重要性；
ai2为要素i对要素2的相对重要性；
ai3为要素i对要素3的相对重要性。
5.根据权利要求4所述的一种海绵城市优化布局与综合效益评价方法，其特征在于：所述一致性指标CI表示为：
式中：λmax表示元素比较矩阵最大特征根，λi表示元素比较矩阵特征根，
m为判断指标总数；
aij为两两元素比较矩阵第i行第j列的值；
wj为元素比较矩阵最大特征根对应的归一化后的特征向量。
6.根据权利要求5所述的一种海绵城市优化布局与综合效益评价方法，其特征在于：所述归一化后的各个判断指标对应的指标值表示为：
x为归一化前各判断指标对应的指标值；
xmin为归一化前各判断指标对应的最小指标值；
xmax为归一化前各判断指标对应的最大指标值。
7.根据权利要求6所述的一种海绵城市优化布局与综合效益评价方法，其特征在于：所述综合评分指数表示为：
Pi为第i项判断指标对应的指标值。
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