提升市政排水及降低透水水文影响

余献敬

摘要：近年来随着重庆乃至西南城市市政工程逐步加大建设，工程规模也在扩大，气候季节多变性陡增，夏季雨水显著增多，如何让市政工程更好的服务出行需求在细微的构造方面越来越重要。利用市政用地范围内的可用空间，提出更好的雨水控制和排水措施，是本文探讨的首要内容。

关键词：市政道路;市政排水;市政管网;雨水控制

不透水覆盖层已被证明会增加径流量、峰值排放量和河流的污染物负荷，从而导致水质和生物完整性下降。制定了雨水控制措施（SCM）以减轻城市地区和IC的水文和水质影响。这项配对研究评估了SCM改造对小型城市流域水文的影响。2017年9月，在石船镇关兴场镇综合市政基础设施工程中实施了生物滞留单元街道改造、四个可渗透路面停车位和一个树木过滤装置，以控制和处理街道径流。在集水区，52%的直连不透水区和69%的总排水区都经过改造，以用于潜在的水文缓解。

1、分析雨水控制措施对不透水面积滞后的影响

在实施前已经分析出施工区域的下伏土壤为城市砂土。洪峰流量显著减少了28%，而集水区的滞后时间保持不变。径流深显著减少52%。与对照集水区相比，SCM改造集水区的径流深度在小时降雨强度较低（<2.7mm/h）的情况下显著减小，但在小时降雨强度较高（>7.4mm/h）的情况下显著增大。在改造后的监测中，SCM改造和控制集水区的径流阈值分别为5.2 mm和3.5mm。SCM改造径流系数从0.38降至0.18，大大低于传统开发文献中报告的其他径流系数。这说明了在公共用地范围内安装的有限数量的SCM改造可以减轻部分水文影响。

2、市政排水或污水管网改造的多目标优化

排水管网是市政工程中常见的组成部分，一般不会引起注意。然而至关重要。当市政面临洪水造成广泛而昂贵的损失时，就可以看到这一点。气候变化导致的降雨强度增加可能会导致为某些特定流量建立的排水网络存在缺陷，无法应对突然增加的流量，从而导致积水。这个问题可以使用不同的策略来解决。

一是通过提升管网网络。适应传统网络方法的一种方法是用一些管道替换其他直径更大的管道。近年来，雨水箱的安装使得暂时储存多余的水量成为可能。这些解决方案中的任何一个都可能很昂贵，并且必须进行经济分析。最近的研究将洪水与破坏成本联系起来。基于NSGA-II的多目标优化算法，通过更换管道和安装储罐来修复城市排水管网。安装成本将被与洪水相关的损坏成本抵消。因此，可以根据实际情况要实现的目标制定一组最佳解决方案。

3、通过可持续排水系统实现市政适应力

为了成功过渡到可持续性，兼具韧性和成本效益，人们越来越关注将基于自然的解决方案与其他组成部分进行更有效的整合。SuDS与发达城市的城市规划整合的经验已被证明是一种有效的策略，具有广泛的优势和较低的成本。SuDS的有效设计和实施需要采取多目标方法，通过该方法，应将SuDS设计的所有四个支柱（即水质，水量，舒适性和生物多样性）与其他城市，社会，经济方面和制约因素。研究确定了合适的SuDS选项：雨桶，绿色屋顶，生物保留池，植被草丛和可渗透的人行道。最具弹性的解決方案成本很高，但这不能保证更高的iQoL值。生物滞留池在提高水质适应力方面发挥了有效作用，但这会大大增加成本。优先考虑抗洪能力时，渗透性路面和绿色屋顶是有效的。雨桶是首选解决方案，并且该选项的成本较低。

4、不同地表坡度可持续排水系统的多目标优化

可持续市政排水系统是基于自然的多功能解决方案，可以促进市政集水区的洪水管理，同时提高雨水径流质量。传统上，可持续排水基础设施的性能评估仅限于一组狭窄的设计目标，以简化其实施和决策过程。在研究中，考虑五个目标函数优化可持续城市排水系统的空间设计，包括最小化洪水量、洪水持续时间、平均峰值径流、总悬浮固体和资本成本。

允许选择一组可接受的投资组合，以最好地权衡资本成本和其他重要的市政排水服务。从可持续排水类型的空间分布角度讨论了市政集水区平均地表坡度对优化设计方案的影响。结果表明，不同的子汇水面积坡度导致可持续市政排水系统的非均匀分布设计，更高的资本成本和更大的绿色资产表面积与更陡峭的坡度相关。这有两个含义。首先，具有不同表面坡度的地区不应有一刀切的设计政策。其次，在将优化模型应用于具有不同地表坡度的城市子汇水面积时，必须考虑空间平等，以避免与绿色排水基础设施相关的环境和人类健康协同效益分布不均。

5、提高市政排水系统多目标优化设计的有效性

市政排水系统（UDS）的容量会在很大程度上影响集水区的洪水特性。这促使许多研究经常使用多目标进化算法（MOEA）来优化设计UDS，因为它们可以探索冲突目标之间的权衡（例如成本与系统可靠性）。但是，基于MOEA的方法通常需要进行计算，并且其解决方案通常在实践中是不可接受的，因为通常不会明确考虑工程领域的知识。为解决这两个问题，提出一种有效的UDS设计优化框架，该框架开发了基于工程的设计方法（EBDM）来生成近似解以初始化MOEA的搜索，从而大大提高了优化效率。为了提高解决方案的实用性，提出的优化方法（PM）中已实现了两种思路：（1）最小化跨管道峰值深度的变异性;（2）引入约束条件以确保下游方向的管道尺寸不小于其相应管道的尺寸上游直径。

使用两个不同大小的实际UDS来演示PM的有效性。结果表明（1）拟议中的EBDM可有效地产生与最优化方法确定的最终解决方案非常接近的初始解决方案;（2）最小化管道中峰深的变化具有实际意义，因为它可以促进找出具有处理未来不确定性（例如降雨多变性）的强大能力的解决方案。

6、在排水管网修复模型中将水力控制纳入市政洪水控制

市政排水系统管理人员面临的一个问题是极端降雨事件的增加，而世界各地的降雨都在增加。它们的出现会在排水系统中造成水力超负荷，从而导致市政积水。调整现有基础设施，使其能够承受暴雨而又不会给市政造成影响已成为一种必要。这是一种以最小的投资成本来改善排水系统的新方法，为此采用一种新颖的方法，考虑在网络中包括液压控制元件，安装雨水箱和更换管道。提出将雨水管理模型用于网络的水力分析，并使用改进的遗传算法来优化网络。在这种算法中所谓的“伪遗传算法”，染色体的编码是不可或缺的，并且已在以前的水力优化研究中使用。这项工作评估了所需基础设施的成本以及洪水造成的破坏，以找到最佳解决方案。采用液压控制可以降低网络修复的成本并降低洪水位。

7、在市政排水管网设计中整合结构弹性

在市政排水管网设计中整合结构弹性，结构弹性描述了市政排水系统（UDS）的能力，可将常见结构问题（例如管道堵塞和开裂）而导致的故障频率和严重程度降至最低。在UDS设计中，结构弹性通常被忽略。支持将结构分散化作为结构弹性引入UDS的一种方式。尽管存在用于生成和优化分散的单独雨水收集系统的方法，并在非恒定流中合并了水力模拟，但是这些方法有时需要大量的计算工作。简化的成本和结构弹性指标，可用作优化UDS布局的启发式参数。简化目标函数的使用大大方便了可行的搜索空间，并通过优化减少了盲目搜索。

参考文献：

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