结合全生命周期成本和水文效应的海绵城市建设评价方法技术

本发明专利技术提出了一种结合全生命周期成本和水文效应的海绵城市建设评价方法，其步骤为：首先，根据历史雨水措施和历年发生的暴雨洪涝设计研究区的雨水管理措施和降雨方案；其次，对研究区的实际雨水管网进行概化及划分构建SWMM模型，并利用实测降雨对SWMM模型进行校准和验证，得到最终的SWMM模型；然后，将设计的降雨方案输入最终的SWMM模型中进行模拟，并对比未加入雨水管理措施和加入雨水管理措施下的径流控制效果；最后，计算每种雨水管理措施下的全生命周期成本，并采用成本效益量化分析方法对每种雨水管理措施进行评估分析。本发明专利技术结合全生命周期成本与水文效应评估雨水管理措施的经济有效性，对未来城区的海绵城市建设提供重要的决策依据。供重要的决策依据。供重要的决策依据。

【技术实现步骤摘要】
结合全生命周期成本和水文效应的海绵城市建设评价方法


[0001]本专利技术涉及海绵城市建设
，特别是指一种结合全生命周期成本和水文效应的海绵城市建设评价方法。

技术介绍

[0002]政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(AR5)中指出：随着地表平均温度上升，大部分陆地区域极端降水发生频率增加、强度加大，进而使得洪涝灾害更为频繁。气候变化引起的许多全球性风险都集中在城市，洪水灾害大约占一个世界上发达国家和发展中国家自然灾害的三分之一。中国地处亚洲季风区，是世界上暴雨最为频发的国家之一，研究表明：近半世纪，尤其是20世纪90年代以来，中国极端降水发生强度和频率都呈现增加趋势，暴雨洪涝趋于增多。根据水利部历年《中国水旱灾害统计公报》的数据，2006年至2017年，全国平均每年有157座县级以上城市进水受淹或发生内涝；随强降水次数和范围的变化而年际差异较大，最高年份如2010年、2013年发生内涝的城市分别达258个、243个，最低年份如2007年、2017年也分别有109个、104个。以灾害程度较轻的2017年为例，当年城市内涝的受灾人口仍达218.72万人，直接经济损失达165.68亿元。据应急管理部通报，截至2020年7月22日，6月1日主汛期以来，洪涝灾害造成江西、安徽、湖北、湖南等27省(区、市)4552.3万人次受灾，142人死亡失踪，3.5万间房屋倒塌，直接经济损失1160.5亿元。这些年，我国城市内涝问题就像一块挥之不去的雾霾笼罩在城市的上空，寻找完善城市雨水管理系统之策已成为急需解决的问题。
[0003]在这种情况下，城市洪水的战略性控制吸引了越来越多的关注。典型的洪水控制主要是利用传统的灰色基础设施用于捕获和传递径流，包括管渠、泵站、滞留池和机械设备等。事实证明，仅靠扩大排水系统来进行洪水控制是昂贵且不可持续的，这种策略存在一定的不足，因为当洪水来临时排水系统负担急剧增加，这些基础设施很难达到需要的引流量。通过传统策略进行洪水控制面临巨大挑战，因此需要有效的替代方法。
[0004]由于近年来环境保护的意识增强和生态型基础设施的建设要求，国外一些学者将生态化绿色环境网络设施分离出来，归类为一种新的基础设施
‑‑
绿色基础设施(GI)，以“慢排缓释”和“源头分散”控制为主要实施理念。绿色基础设施一词在北美和新西兰被称为雨水管理措施，在联合国被称为可持续城市排水系统，在澳大利亚被称为水敏感的城市设计，在中国被称为海绵城市。海绵城市是新一代城市雨洪管理概念，区别于传统的技术，其建设遵循生态优先等原则，将自然途径与人工措施相结合，在确保城市排水防涝安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护。
[0005]在先前的研究中，许多学者通过多尺度建模实验对雨水管理措施的发展做了许多贡献。Villarreal等采用滞留池和绿色屋顶等雨水管理措施对瑞典马尔默市的一个内城郊区进行了模拟研究，研究发现，绿色屋顶能有效降低总径流。Daeryong等运用SWMM模型，以韩国广域市为例，分别研究了不同重现期的降雨下调蓄池的雨洪控制效果。朱培元等运用
SWMM模型在不同重现期条件下利用雨水管理措施进行模拟，结果显示，雨水桶对径流量的削减能力强于绿色屋顶，而绿色屋顶能够较好的控制推迟洪峰时间。王金鑫以武汉市保利拉菲小区为研究区，进行雨水管理措施模拟分析，结果表明，当研究区加入雨水管理措施后，达到了削减峰值流量和延缓峰现时间的目的。
[0006]综上，大多数研究仅被动的解决城市雨洪中出现的问题，但是，现阶段仍缺乏对每种措施具体的防洪能力的了解。对实施海绵城市或者某项具体的海绵措施所引发的水文效应缺乏系统的评估，海绵措施实施的成本效益缺乏详细计算，难以客观评估实施海绵措施的经济合理性。

技术实现思路

[0007]针对上述
技术介绍
中存在的不足，本专利技术提出了一种结合全生命周期成本和水文效应的海绵城市建设评价方法，在全面考虑成本效益的基础上，确定每种雨水管理措施(LID)的经济有效性，解决了海绵城市建设中LID措施的优选问题。
[0008]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0009]一种结合全生命周期成本和水文效应的海绵城市建设评价方法，其步骤下：
[0010]步骤一：方案设计：根据历史雨水措施和历年发生的暴雨洪涝设计研究区的雨水管理措施和降雨方案；
[0011]步骤二：SWMM模型构建：对研究区的实际雨水管网进行概化及划分构建SWMM模型，对SWMM模型中的不确定性参数进行敏感性分析，并利用实测降雨对SWMM模型进行校准和验证，得到最终的SWMM模型；
[0012]步骤三：模型模拟：将步骤一中设计的降雨方案输入最终的SWMM模型中进行模拟，并通过计算径流量减少率、洪峰流量减少率、峰现时间延迟率对比未加入雨水管理措施和加入雨水管理措施下的径流控制效果；
[0013]步骤四：全生命周期分析：根据径流量减少率计算每种雨水管理措施下的全生命周期成本，并采用成本效益量化分析方法对每种雨水管理措施进行评估分析，得到每种雨水管理措施下的经济有效性。
[0014]优选地，所述研究区的降雨方案的设计方法为：
[0015]S11、采集研究区的历史雨水管理措施，根据单一雨水管理措施或组合雨水管理措施进行情景设计，得到不同的雨水管理措施；
[0016]S12、根据研究区的海绵城市建设要求规范，确定每种雨水管理措施的布设面积，以及布设比例及位置；
[0017]S13、统计历年发生的暴雨洪涝，并进行特征分析，设计研究区的降雨重现期及持续时间；
[0018]S14、根据重现期和持续时间的不同，利用芝加哥雨型生成器生成不同的降雨方案。
[0019]优选地，所述最终的SWMM模型的获得方法为：
[0020]S21、根据研究区实际的地形地貌、下垫面情况和区域流水方向，将现实的雨水管网概化为管网模型；
[0021]S22、根据研究区的建筑物分布、道路和河流水系的分布，将研究区划分为多个子
汇水区，并对所有的子汇水区进行编号；
[0022]S23、将实测降雨资料、子汇水区的资料、城市管网资料输入SWMM模型中的径流模块；
[0023]S24、对SWMM模型中的不确定性参数进行敏感性分析，采用洪峰流量相对误差和Nash效率系数评估SWMM模型的模拟精度，进行SWMM模型的校准及验证，获得最终的SWMM模型。
[0024]优选地，所述采用洪峰流量相对误差和Nash效率系数评估SWMM模型的模拟精度的方法为：
[0025]S24.1、利用一场实测降雨进行参数灵敏度分析，在保证其它水文参数不变的情况下，改变其中一个参数值，分析对排水口洪峰流量的变化率来判断参数敏感度，依次对参数的敏感性进行排序；
[0026]S24.2、输入实测降雨文件，利用建好的SWMM模型进行模拟，将模型输出的出水口模拟流量与研究区出水口的实测径流量进行对比，计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合全生命周期成本和水文效应的海绵城市建设评价方法，其特征在于，其步骤下：步骤一：方案设计：根据历史雨水措施和历年发生的暴雨洪涝设计研究区的雨水管理措施和降雨方案；步骤二：SWMM模型构建：对研究区的实际雨水管网进行概化及划分构建SWMM模型，对SWMM模型中的不确定性参数进行敏感性分析，并利用实测降雨对SWMM模型进行校准和验证，得到最终的SWMM模型；步骤三：模型模拟：将步骤一中设计的降雨方案输入最终的SWMM模型中进行模拟，并通过计算径流量减少率、洪峰流量减少率、峰现时间延迟率对比未加入雨水管理措施和加入雨水管理措施下的径流控制效果；步骤四：全生命周期分析：根据径流量减少率计算每种雨水管理措施下的全生命周期成本，并采用成本效益量化分析方法对每种雨水管理措施进行评估分析，得到每种雨水管理措施下的经济有效性。2.根据权利要求1所述的结合全生命周期成本和水文效应的海绵城市建设评价方法，其特征在于，所述研究区的降雨方案的设计方法为：S11、采集研究区的历史雨水管理措施，根据单一雨水管理措施或组合雨水管理措施进行情景设计，得到不同的雨水管理措施；S12、根据研究区的海绵城市建设要求规范，确定每种雨水管理措施的布设面积，以及布设比例及位置；S13、统计历年发生的暴雨洪涝，并进行特征分析，设计研究区的降雨重现期及持续时间；S14、根据重现期和持续时间的不同，利用芝加哥雨型生成器生成不同的降雨方案。3.根据权利要求2所述的结合全生命周期成本和水文效应的海绵城市建设评价方法，其特征在于，所述最终的SWMM模型的获得方法为：S21、根据研究区实际的地形地貌、下垫面情况和区域流水方向，将现实的雨水管网概化为管网模型；S22、根据研究区的建筑物分布、道路和河流水系的分布，将研究区划分为多个子汇水区，并对所有的子汇水区进行编号；S23、将实测降雨资料、子汇水区的资料、城市管网资料输入SWMM模型中的径流模块；S24、对SWMM模型中的不确定性参数进行敏感性分析，采用洪峰流量相对误差和Nash效率系数评估SWMM模型的模拟精度，进行SWMM模型的校准及验证，获得最终的SWMM模型。4.根据权利要求3所述的结合全生命周期成本和水文效应的海绵城市建设评价方法，其特征在于，所述采用洪峰流量相对误差和Nash效率系数评估SWMM模型的模拟精度的方法为：S24.1、利用一场实测降雨进行参数灵敏度分析，在保证其它水文参数不变的情况下，改变其中一个参数值，分析对排水口洪峰流量的变化率来判断参数敏感度，依次对参数的敏感性进行排序；S24.2、输入实测降雨文件，利用建好的SWMM模型进行模拟，将模型输出的出水口模拟流量与研究区出水口的实测径流量进行对比，计算研究区出水口的实测流量与模拟流量的
Na...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡彩虹，姚依晨，邬强，刘成帅，孙悦，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：