一种城市排水系统性能评估方法

摘要

本发明公开了一种城市排水系统性能评估方法，属于城市排水技术领域。该方法集成系统弹性评估和可持续性评估，其具体步骤为：(1)确定系统弹性评估指标和可持续性评估指标，以及衡量每个指标的因子；(2)利用城市排水系统模型，计算这些因子值，并根据公式计算相应的指标值；(3)通过集成公式，计算排水系统的性能指数。本发明的方法可以评估城市排水系统性能，以及在不同威胁(极端降雨、构件故障等)情况下的系统弹性、可持续性，评估结果更为准确、客观，且可操作性强，能够更好地辅助排水系统的规划设计。

说明书

技术领域

本发明属于城市排水技术领域，更具体地说，涉及一种城市排水系统性能的评估方法。

背景技术

城市排水系统是指收集、输送、处理、再生和处置污水和雨水的设施以一定方式组合成的总体(分流制雨水系统或合流制系统)，在全球气候变化和城镇化的背景下，城市内涝频繁发生。城市排水系统是城市内涝防治的重要组成部分，其系统性能的好坏对其使用至关重要，因此，城市排水系统性能的评估就具有重要的意义。

系统性能如何评估？目前开展的对排水系统性能评估的研究，基本都是从水力性能(hydraulic performance)出发，根据不同情景(不同重现期、雨型等)，借助模型模拟或计算分析，获得一些指标，如积水体积、积水历时、积水深度等，然后根据这些参数去评估排水系统的性能。但目前现有城市排水系统性能的评估方法大都存在以下不足：一是未考虑不同威胁(如构件故障)情况下系统的弹性(resilience)；二是未考虑系统的可持续性，因此，现有评估方法难以真实判断城市排水系统的性能好坏。

上述系统弹性是指系统在极端降雨情况下(如百年一遇降雨)或系统构件故障下(如管道损坏、雨水口堵塞、泵故障等)对这些威胁(极端降雨、构件损坏等)的响应恢复能力。Mugumeet al.(2015)对排水系统的弹性分析方法开展了研究，采用总内涝体积、总入流体积、平均内涝时间和模拟时间四个指标计算量化弹性，并分析了管道损坏从0％-100％的排水系统弹性值(随着管道损坏比例增加，弹性也随之降低)。TahmasebiBirgani Y.etal.(2013)对系统弹性采用内涝体积和恢复时间两个指标量化。Casal-Camposetal.(2015)中弹性指标包括5个类别：管道内涝、河流溶解氧、河流氨氮、合流制溢流、河流洪水，每一类别的弹性量化也不一样，如管道内涝采用内涝体积和内涝历时两个指标量化，河流溶解氧采用年最低浓度和历时两个指标量化。其中后两篇文献考虑了气候变化等，但没有考虑构件损坏(管道损坏等)的威胁情况，因此其对城市排水性能的弹性评估存在较大误差。

系统可持续性是指系统保持服务标准的情况下，使社会、经济、环境指标效益最大化。但是，出于研究的需要，排水系统可持续性的一级指标，并不局限于社会、经济、环境三个方面。由于研究目的、对象等不同，一级指标、二级指标(参数)、计算方法也有差异。TahmasebiBirgani Y.etal.(2013)一级指标考虑传统的社会、经济、环境三个方面，二级指标分别采用美观效益、造价和维护成本、雨水水质，量化参数分别是美化城市的能力(高/中/低)、最佳管理措施建造成本($)与维护成本($/year)、总悬浮固体(Kg)。Casal-Camposetal.(2015)可持续性一级指标采用管道内涝、河流溶解氧、河流氨氮、合流制溢流、河流洪水、能源利用、成本、可接受性，参数分别为受影响的损失(￡)、对水生资源的影响([6h minimum(mg/l)])、对水生资源的影响([99％ile(mg/l)])、溢流对美观与健康影响、受影响的损失(￡)、运行时CO₂排放(吨)、生命周期成本(￡)、高/中/低。

因此，将系统弹性和可持续性纳入城市排水系统性能的评估因素范围，对于城市排水系统性能的准确客观判断具有重要意义，从而能够更好地指导城市排水系统的优化设计。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服采用现有城市排水系统性能评估方法难以真实判断城市排水系统性能好坏的不足，提供了一种城市排水系统性能评估方法。本发明集成系统弹性评估和可持续评估，借助城市排水系统模型，通过定量方法，对排水系统性能进行综合评定，从而能够有效保证城市排水系统性能评估的准确性、客观性，进而能够更好地用于指导城市排水系统的优化设计。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种城市排水系统性能评估方法，该方法集成系统弹性评估和可持续性评估，对城市排水系统性能进行综合评定，具体包括如下步骤：

步骤一、确定系统弹性评估指标和可持续性评估指标，以及衡量每个指标的因子；

步骤二、利用城市排水系统模型，计算上述因子值，并计算得到相应的评估指标值；

步骤三、通过集成公式，计算得到排水系统的性能指数。

更进一步的，衡量系统弹性的指标为：{系统弹性}，衡量指标{系统弹性}的因子为：{弹性}；衡量系统可持续性的指标为：{社会，经济，环境}，衡量指标{社会}的因子为：{系统内涝体积}；衡量指标{经济}的因子为：{系统造价，系统运行维护费用}；衡量指标{环境}的因子为：{污染控制率，雨水利用量}。

更进一步的，所述系统弹性评估的具体步骤如下：

(1)从水力性能角度出发，利用城市排水系统模型，模拟极端降雨情况或系统构件故障情况，获得相应的参数值：内涝体积，内涝历时，进入系统的径流总体积，总模拟历时；

(2)计算衡量因子{弹性}，其计算公式如下所示：

上式中，R₀为{弹性}因子，范围为[0,1]，对于某一特定的情景，0表示弹性很低，1表示弹性很高；F为系统总内涝体积，为所有节点内涝体积的总和；D为系统中所有内涝节点平均内涝历时；V_ti为进入系统的径流总体积；t_n为系统总模拟历时；

(3)计算衡量指标{系统弹性}，其计算公式为：

上式中，R为{系统弹性}指标，R越大，表示排水系统的弹性越好，在特定威胁中的适应能力越强，恢复得越快；i为系统损坏的构件数量；n为系统总的构件数量；R_0,i为当i个构件损坏时对应的{弹性}因子值，由公式(a)计算；P_i为当i个构件损坏时对应的损坏分数，由某特定类型构件损坏数除以某特定类型构件总数计算得到。

更进一步的，所述系统可持续性评估的步骤如下：

(1)利用城市排水系统模型，模拟极端降雨情况或系统构件故障情况，获得到相应的参数值：内涝体积，年径流总量控制率，单个污染指标如TSS、总氮、总磷或其组合指标，雨水下渗量，雨水储存量；

(2)结合待评估的排水系统实际情况，设置可持续性评估指标评价因子的最大值和最小值，对评价因子作归一化处理，选用Min-max标准化方法，公式如下：

式中，实际值为某参数的数值，由模型模拟获得或通过计算所得；最小值取零或取多个方案的实际值下限取值；最大值，内涝体积取值，参考不设置低影响开发设施情景下的系统总内涝体积取值；污染控制率最大值设置为0.9，其他参数的最大值参考实际值设置；

(3)计算衡量指标{社会}，其计算公式为：

I_So＝1-I_F(d)；

式中，I_So为{社会}指标，I_So越大，表明系统的社会效果越好；I_F为归一化的内涝体积，由模型模拟和归一化公式(c)计算获得；

(4)计算衡量指标{经济}，其计算公式如下：

I_Ec＝[(1-I_C1)(1-I_C2)]^1/2(e)；

式中，I_Ec为{经济}指标，I_Ec越大，表明系统的经济效果越好；I_C1为归一化的系统造价，I_C2为归一化的系统维护运行费用；

(5)计算衡量指标{环境}，其计算公式如下：

I_En＝(I_K·I_S)^1/2(f)；

式中，I_En为{环境}指标，I_En越大，表明系统对环境的效果越好；I_K为归一化的污染控制率，可由年径流总量控制率表示，或以单个污染指标如TSS、总氮、总磷或组合指标表示；I_S为归一化的雨水利用量，通过雨水下渗量和雨水储存量计算(可由模型模拟和归一化公式(c)计算获得)；

(6)计算衡量指标{可持续性}，其计算公式如下：

S＝(I_So·I_Ec·I_En)^1/3(g)；

式中，S为{可持续性}指标，S越大，表示排水系统的可持续性越好；I_So为{社会}指标，由公式(d)计算；I_Ec为{经济}指标，由公式(e)计算；I_En为{环境}指标由公式(f)计算。

更进一步的，当排水系统规划设计中存在多个方案时，公式(c)中的参数最大值参考多个方案中的参数实际值上限取值；当仅有单个方案时，参数最大值直接参考实际值上限取值，并控制在实际值上限取值的2倍以下。

更进一步的，所述排水系统性能指数的计算公式为：

PI＝(R·S)^1/2(h)；

式中，PI为系统性能指数，PI越大，表示排水系统的性能越好；R为{系统弹性}指标，由公式(b)计算；S为{可持续性}指标，由公式(g)计算。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种城市排水系统性能评估方法，集成系统弹性评估和可持续评估，借助城市排水系统模型，通过定量方法，对排水系统性能进行综合评定，评估结果更加准确，且考虑排水系统实际运行情况(如构件故障等)，因此能够更好地用于指导城市排水系统的优化与设计，有利于设计出更具弹性和可持续性的城市排水系统。

(2)本发明的一种城市排水系统性能评估方法，针对社会、环境指标，给出了具有可度量性的衡量因子，保证了评估的可操作性和客观性；同时对{经济}、{环境}、{可持续性}及排水系统性能指数的评估公式进行优化，从而可以有效避免人为设置评价指标权重的主观性，进一步保证了系统排水性能评估的准确性、客观性。

附图说明

图1是本发明的一种城市排水系统性能评估方法的指标及因子组成的示意图。

图2是实施例1中系统弹性评估在管道故障(0％-100％)情况下的弹性计算结果。

具体实施方式

本发明的一种城市排水系统性能评估方法，该方法集成系统弹性评估和可持续性评估，对城市排水系统性能进行综合评定，具体包括如下步骤：

步骤一、确定系统弹性评估指标和可持续性评估指标，以及衡量每个指标的因子。

系统弹性评估是指系统在极端降雨情况下(如百年一遇降雨)或系统构件故障下(如管道损坏、雨水口堵塞、泵故障等)对这些威胁(极端降雨、构件损坏等)的响应恢复能力评估。系统可持续性评估是指系统在不同威胁情况下(主要指气候变化、土地利用变化的情景，不考虑构件故障，即构件故障0％)的可持续性评估。

本发明中衡量系统弹性的指标为：{系统弹性}，衡量指标{系统弹性}的因子为：{弹性}；衡量系统可持续性的指标为：{社会，经济，环境}，衡量指标{社会}的因子为：{系统内涝体积}；衡量指标{经济}的因子为：{系统造价，系统运行维护费用}；衡量指标{环境}的因子为：{污染控制率，雨水利用量}。

步骤二、利用城市排水系统模型，计算上述因子值，并计算得到相应的评估指标值。

本发明中系统弹性评估的具体步骤如下：

(1)从水力性能角度出发，利用城市排水系统模型，模拟极端降雨情况(如百年一遇降雨)或系统构件故障情况(如管道损坏、雨水口堵塞、泵故障等)，获得相应的参数值：内涝体积，内涝历时，进入系统的径流总体积，总模拟历时；

(2)计算衡量因子{弹性}，其计算公式如下所示：

上式中，R₀为{弹性}因子，范围为[0,1]，对于某一特定的情景(极端降雨、不同构件损坏比例等)，0表示弹性很低，1表示弹性很高；F为系统总内涝体积，为所有节点内涝体积的总和；D为系统中所有内涝节点平均内涝历时；V_ti为进入系统的径流总体积；t_n为系统总模拟历时；

(3)计算衡量指标{系统弹性}，其计算公式为：

上式中，R为{系统弹性}指标，R越大，表示排水系统的弹性越好，在特定威胁(构件损坏、极端降雨等)中的适应能力越强，恢复得越快；i为系统损坏的构件(管道、水泵及其他类型构件)数量；n为系统总的构件(管道、水泵及其他类型构件)数量；R_0,i为当i个构件损坏时对应的{弹性}因子值，由公式(a)计算；P_i为当i个构件损坏时对应的损坏分数，由某特定类型构件损坏数除以某特定类型构件总数计算得到。

本发明中，系统可持续性评估的步骤如下：

(1)利用城市排水系统模型，模拟不同威胁情况(如气候变化、土地利用变化等)，获得到相应的参数值：内涝体积，年径流总量控制率，单个污染指标如TSS、总氮、总磷或其组合指标，雨水下渗量，雨水储存量；

(2)结合待评估的排水系统实际情况，设置可持续性评估指标评价因子的最大值和最小值，对评价因子作归一化处理，选用Min-max标准化方法，公式如下：

式中，实际值为某参数的数值，由模型模拟获得或通过计算所得；最小值，为了简便计，取零(如果是多个方案，也可通过方案比较，参考实际值下限取值)；最大值，内涝体积的最大值取值参考不设置低影响开发设施情景下的系统总内涝体积值(现在的排水系统规划设计，已经向低影响开发、可持续方向转变)；污染控制率最大值设置为0.9，其他参数的最大值参考实际值设置(由于在排水系统规划设计中，一般不止一个方案，所以参考多方案实际值上限取值；当仅有单个方案时，直接参考实际值上限取值，并控制在实际值上限取值的2倍以下)。

(3)计算衡量指标{社会}，其计算公式为：

I_So＝1-I_F(d)；

式中，I_So为{社会}指标，I_So越大，表明系统的社会效果越好；I_F为归一化的内涝体积，由模型模拟和归一化公式(c)计算获得；

(4)计算衡量指标{经济}，其计算公式如下：

I_Ec＝[(1-I_C1)(1-I_C2)]^1/2(e)；

式中，I_Ec为{经济}指标，I_Ec越大，表明系统的经济效果越好；I_C1为归一化的系统造价，I_C2为归一化的系统维护运行费用，I_C1和I_C2具体结合待评估系统设计造价及公式(c)计算得到；

(5)计算衡量指标{环境}，其计算公式如下：

I_En＝(I_K·I_S)^1/2(f)；

式中，I_En为{环境}指标，I_En越大，表明系统对环境的效果越好；I_K为归一化的污染控制率，可由年径流总量控制率表示，或以单个污染指标如TSS、总氮、总磷或组合指标表示(可由模型模拟和归一化公式(c)计算获得)；I_S为归一化的雨水利用量，通过雨水下渗量和雨水储存量计算，雨水下渗量和雨水储存量可由模型模拟和归一化公式(c)计算获得；

(6)计算衡量指标{可持续性}，其计算公式如下：

S＝(I_So·I_Ec·I_En)^1/3(g)；

式中，S为{可持续性}指标，S越大，表示排水系统的可持续性越好；I_So为{社会}指标，由公式(d)计算；I_Ec为{经济}指标，由公式(e)计算；I_En为{环境}指标由公式(f)计算。

步骤三、通过集成公式，计算得到排水系统的性能指数，所述排水系统性能指数的计算公式为：

PI＝(R·S)^1/2(h)；

式中，PI为系统性能指数，PI越大，表示排水系统的性能越好；R为{系统弹性}指标，由公式(b)计算；S为{可持续性}指标，由公式(g)计算。

可持续性是排水系统规划设计的引导方向，而系统的弹性分析，则可以知晓系统对不同威胁(气候变化、管道损坏等)的响应恢复能力，可以根据系统的弹性情况，制定应对策略，以适应不确定的未来。因此，为了应对气候变化、管道故障等不同威胁，针对排水系统，考虑集成系统弹性和可持续性评估具有重要意义。现有技术中城市排水系统性能通常仅根据水力性能(指标如积水体积、积水历时、积水深度等)进行评估，由于未能考虑威胁，其评价结果与实际应用结果差异较大，对排水系统规划设计的理论指导欠佳。本发明集成系统弹性评估和可持续评估，不仅考虑系统故障等不同威胁，而且考虑系统的造价、维护运行费用、环境、社会效果等，评估更为全面；同时借助城市排水系统模型，通过定量方法，对排水系统性能进行综合评定，从而能够保证评估结果的准确性，且考虑排水系统运行可能出现的情况(如构件故障等)，因此能够更好地用于指导城市排水系统的规划设计，有利于设计出更具弹性和可持续性的城市排水系统。

虽然TahmasebiBirgani Y.etal.(2013)和Casal-Camposetal.(2015)都集成了弹性和可持续性，但其指标、方法各异，且这两篇文献中多个指标重要性的量化方法也不同，TahmasebiBirgani Y.etal.(2013)采用层次分析法(AHP)，Casal-Camposetal.(2015)采用摆动权重法(swing weighting)，这两种方法都通过专家评价，因此存在一定的主观性。本发明针对社会、环境指标，给出了具有可度量性的衡量因子，保证了评估的可操作性和客观性；同时采用本发明的方法对衡量指标{经济}、{环境}、{可持续性}及排水系统性能指数进行计算评估，还可以有效避免人为设置评价指标权重的主观性，从而保证计算结果的准确性、客观性，进而有利于保证城市排水系统性能评估的准确性、客观性，能够更好地用于指导城市排水系统的设计与优化。

为进一步了解本发明的内容，现结合具体实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例以安徽省池州市为背景，结合图1，利用本发明的方法，对某新设计的低影响开发排水系统A开展评估。

首先确定相关评价因子，本实施例确定的评价因子为：{系统弹性，内涝体积，造价，运行维护费用，污染控制率，雨水利用量}。

借助城市排水系统模型，开展系统弹性评估：本实施例考虑不同威胁为系统管道损坏故障(0％-100％)，进行模型模拟。根据公式(a)计算弹性，结果如图2所示，根据公式(b)计算系统弹性，结果为：R＝0.592。

借助城市排水系统模型，开展可持续性评估：本实施例为简便计，未考虑气候变化等威胁。借助城市排水系统模型，获得相关评价因子的值，如表1所示(本实施例排水系统有3个设计方案，表1所列数据来自设计方案甲)。

表1相关评价因子的值

结合待评估的排水系统实际情况，设置评价因子的最大值和最小值。最小值，为了简便计，本实施例均取零。最大值，内涝体积的最大值参考不设置低影响开发设施情景下的系统总内涝体积值(本实施例无低影响开发设施时，系统总内涝体积值30000m³)。污染控制率最大值设置为0.9，其他参数则参考实际值上限取值，控制在2倍以下。如表2所示。(造价和维护费用最大值设置较高，是因为未列出的其他2个设计方案中，有造价和维护费用分别超出16200万元和31.9万元)。

表2相关评价因子的最大值和最小值

根据公式(c)-(f)，对评价因子作归一化处理，并计算指标{社会}、{经济}、{环境}，结果分别为：I_So＝0.756；I_Ec＝0.427；I_En＝0.965。

根据公式(g)，计算系统的可持续性指标，结果为：S＝0.678。

最后，根据集成公式(h)，计算系统的性能指数，结果为：PI＝0.633。

通过以上的性能评估结果，可以了解该排水系统性能指标方面的表现，系统A的{环境}指标很好，但{经济}指标相对较低，规划设计方案还有改善空间。