可持续城市雨水系统的弹性评估研究

摘要

建设韧性城市是联合国人居环境的发展目标之一。近年来低影响开发（海绵城市）措施日益在全球受到重视，并越来越多地被应用到城市排水系统设计和管理中，以增强城市雨水系统弹性，然而，一方面，关于弹性评价和量化存在一定的难度，弹性定义和内涵在不同的领域定义有所不同，导致评价模型差别较大；另一方面，目前涉及到可持续城市排水系统的弹性评价常常侧重于洪水预防等方面，而我国海绵城市技术措施与城市雨水系统（本文称之为“可持续城市雨水系统”）常常被赋予了多个目标，现有研究存在较大的局限性。本研究旨在建立一套基于多目标的可持续雨水系统弹性评估体系，研究不同 LID 配置方案对系统弹性的影响，以及其对气候变化、城市发展等压力的减缓作用，为城市雨水系统规划设计人员提供方案选择参考。　　本研究通过对弹性的概念进行梳理，结合可持续雨水系统的多功能性发展了一套较完善的弹性评估体系，并根据弹性评价为可持续雨水系统方案选择决策提出优化方法。其中，通过对系统弹性相关概念的分析，提出了可持续雨水系统的弹性包括对城市内涝的弹性、对河流水质污染的弹性和对替代供水的弹性等三个分弹性，并通过对系统在内涝、污染和替代供水三个性能方面的响应过程分析，明确弹性的变化过程，提出了 3 个弹性指标的具体量化公式，并采用层次分析法确定权重，并构建形成系统的总弹性。在量化弹性指标时，采取Infoworks ICM水文模型和Excel VBA建立的水量平衡计算模型为工具，收集当地降雨、地形、用地规划等基础数据进行模拟计算得出；对于可持续雨水系统的设计，基于低影响开发和当地规划要求，设定了传统方案、生物滞留方案、透水铺装方案、蓄水池方案和混合方案等 5 种方案；对于不确定干扰情景，系通过预测气候变化和城市发展的趋势，按比例分别改变降雨量和不透水面积比例而设定。根据上述方法，通过应用新建立的弹性评估体系，可评估可持续雨水系统在基准条件和气候变化、城市发展等不确定干扰情景下总弹性和3个分弹性表现最优的方案。　　本论文以重庆市 Y区为案例，采用前述弹性评估方法对其可持续雨水系统进行了应用研究。评价结果表明，结合内涝、水质污染、替代供水等3个分弹性，显示总弹性最高的是蓄水池和混合方案，其次是透水铺装和生物滞留方案；混合方案在 3 个分弹性指标均有较好表现，因此推荐为最优方案，也证明当考虑更广泛标准时，对系统弹性的评价更为合理；考虑气候变化和城市发展的未来不确定情景， 5个方案的总弹性都呈下降趋势，混合方案在不确定情景中表现为最优方案，说明选择多种LID措施分散组合的方案比单独LID措施具有更好的性能表现和更高的系统弹性。案例研究结果表明本文提出的可持续雨水系统弹性评估方法具有更综合的表现，可用于可持续雨水系统方案选择和多目标优化决策。

目录

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2可持续城市雨水系统概念解析

1.3国内外研究进展

1.3.1国内研究现状

1.3.2国外研究现状

1.4文献综述小结

1.5.1研究目的

1.5.2研究内容

1.6研究技术路线

2 可持续城市雨水系统弹性内涵

2.1可持续雨水系统识别与控制目标

2.2可持续城市雨水系统的功能分析

2.3可持续城市雨水系统弹性概念

2.3.1弹性定义

2.3.2弹性内涵

2.3.3弹性属性和干预措施

2.3.4压力识别

2.4本章小结

3 可持续城市雨水系统弹性量化与评估

3.1系统性能的反应过程

3.2弹性指标量化

3.2.1对城市内涝的弹性

3.2.2 对河流水质污染的弹性

3.2.3对替代供水的弹性

3.3弹性评估

3.3.1权重确定

3.4本章小结

4 案例研究

4.1研究区域概况

4.2低影响开发雨水系统方案设计

4.3模型建立

4.3.1可持续城市雨水系统模型选择

4.3.2InfoWorks ICM模型概述

4.3.3规划区雨水系统概化

4.3.4模型参数的设置

4.3.5模型参数的率定和检验

4.3.6雨水蓄水池连续模拟

4.4降雨数据

4.4.1降雨事件和雨型

4.4.2多年降雨资料

4.5未来不确定情景设置

4.5.1气候变化

4.5.2城市发展

4.6基准情景下系统弹性评估结果

4.6.1对城市内涝的弹性

4.6.2对河流水质污染的弹性

4.6.3对替代供水的弹性

4.6.4总弹性

4.7.1对城市内涝的弹性

4.7.2对河流水质污染的弹性

4.7.3替代供水的弹性

4.7.4总弹性

4.8多目标优化决策

4.9本章小结

5 结论与建议

5.1结论

5.2建议

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C 学位论文数据集

致谢