基于蒙特卡洛法的海绵城市规划系统的开发与应用
2015-06-19 15:05:08   来源:

应用海绵城市规划系统,以年径流总量控制率为总体目标,在城市用地现状或规划图的基础上,筛选各种不同用地类型的地块宜采用的低影响开发设施类型,确定各种设施的开发强度。
1绪论
海绵城市是指在城镇化建设过程中,推广和应用低影响开发建设模式,加大城市径流雨水源头减排的刚性约束,优先利用自然排水系统,建设生态排水设施,充分发挥城市绿地、道路、水系等对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用,使城市开发建设后的水文特征接近开发前,有效缓解城市内涝、削减城市径流污染负荷、节约水资源、保护和改善城市生态环境,最终将城市建设成具有自然积存、自然渗透、自然净化功能的海绵城市。
由住房城乡建设部组织编制的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》(以下简称《指南》)已于2014年10月22日发布实施,为各地开展海绵城市建设提供了指导和依据。《指南》明确了海绵城市的概念和建设路径,提出了低影响开发的理念、低影响开发雨水系统构建的规划控制目标分解、落实及其构建技术框架,并指出海绵城市建设应以径流总量、径流峰值与径流污染综合控制为目标,通过容积法、流量法或水量平衡法等方法计算确定低影响设施总体规模,综合用地性质、建设和改造难度、经济性等方面,统筹兼顾、因地制宜的将总体控制目标和设施规模逐层分解落实到城市开发用地上。
由于海绵城市建设总体控制目标的实现依赖于各地块可实施的低影响开发措施来实现,而不同地块的低影响开发设施的规模、强度和关键控制参数存在差异。如果不考虑各个地块之间的措施适用性差异,采用统一的标准、规模及控制参数进行设施布局,则方案将不具备可实施性;如果要充分考虑地块之间的差异,则需要人工进行大量的方案组合与试算,工作效率偏低,计算出错可能性较高,而且由于人工试算的方案组合有限,可能会导致最优组合方案未试算与筛选的可能性。因此,亟需开发一个通用的海绵城市规划系统工具,该系统需满足城市用地分类、低影响开发设施选择与匹配、设施开发强度及关键参数控制、大量方案自动采样计算、可行方案自动筛选等核心需求,并能对选定方案进行地块级的参数调整优化,自动计算调整后的地块指标和总体控制目标[5]
基于上述专业需求,北京清控人居环境研究院自主开发了基于地理信息系统(GIS)和低影响开发理念(LID)的海绵城市规划系统(以下简称“系统”),解决了地块级LID设施规模、布局与总体控制目标有效对应的难题,为海绵城市规划提供高效、科学、便捷的规划工具,确保海绵城市的总体控制目标有效分解到各个地块。应用该系统,不仅可以辅助规划设计人员快速准确的得到可行方案,也可以借助GIS可视化工具进行设施参数的交互式调整,大幅提高海绵城市规划设计的效率。系统主要功能包括方案管理、地图操作、地块编辑、参数编辑、方案计算、结果输出等功能,系统主界面见图 1。
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图 1海绵城市规划系统主界面
 
2方案制定流程及计算方法
2.1方案制定流程
系统利用地理信息系统(GIS)的空间分析功能,确定城市规划范围各地块的用地类型及面积比例,通过设置不同土地利用类型的低影响开发设施规模和开发强度指标,以城市年径流总量控制率为约束条件,采用蒙特卡洛随机抽样法,进行不同指标参数随机组合,形成百万个组合方案,按照《指南》的技术要求,基于各个地块的抽样参数自下而上的汇总计算,得到对应方案的总体控制目标,筛选出满足年径流总量控制率要求的有效方案集合,由规划设计人员通过对比,进行方案优选,并选择适宜方案对各个地块的具体指标进行调整优化,获得最终规划方案,为海绵城市建设中低影响开发设施的空间布局提供依据。系统方案制定、筛选与优化流程见图 2。
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图 2系统方案制定、筛选与优化流程

2.2计算方法
《指南》指出海绵城市建设应以径流总量、径流峰值与径流污染综合控制为目标,通过容积法、流量法或水量平衡法等方法计算并确定低影响设施总体规模,将总体控制目标和设施规模逐层分解落实到城市开发用地上。因此,在方案制定过程中,最关键的是地块调蓄容积、调蓄雨量、年径流控制率的计算,本系统按照《指南》技术要求,采取容积法进行计算,保证了年径流控制率总体目标的准确计算。根据相应调蓄容积与覆盖面积计算调蓄降雨量,对照统计分析法计算出的年径流总量控制率与设计降雨量的关系曲线(具体计算方法参照《指南》中附录2),确定各地块和规划区的年径流总量控制率。
3系统关键功能开发
系统关键功能包括:地块地图的标准化导入、地块分类、参数编辑、目标设置与计算筛选、成果输出与专题图分析等。地块地图的标准化导入功能为方案计算提供GIS可视化的基础数据,地块分类功能为设施选择和规模控制提供分类依据,参数编辑功能保证了属性数据和开发参数的录入及修改,目标设置与计算筛选功能确保了方案总体目标实现,成果输出与专题图分析功能为方案结果的展示、分析和评估提供实现途径。
(1)地块地图的标准化导入
为了提高数据录入和管理效率,系统数据需统一标准。原始图纸数据在数字化(拍照或扫描等)和坐标校正后,以背景图片形式添加到系统中,用户可以在系统中根据背景图片进行地图编辑,并批量录入基础信息、开发指标信息等地块属性。CAD格式数据可以GIS工具中转化后,导入到系统数据库中。系统同时提供Shapefile、 Geodatabase等格式的GIS数据导入,并建立原有属性数据与标准数据的映射关系。数据经过标准化,可以使地块数据在系统中可视化显示,用于编辑和设置各类参数,方便下阶段的评估计算和方案确定。
(2)地块分类
系统可以对导入的地块数据根据关键字段进行分类,支持不同类型的地块划分。针对地块的功能划分、和用地性质,结合城市总体规划和控制性详细规划,参考《指南》中用地类型划分,在系统中,将规划地块概括为居住、公共管理与公共服务、商业服务业、工业、物流仓储、交通设施、公用设施、绿地与广场等八类用地,并可根据规划设计需求进行增加。每一种用地类型进一步区分绿地、建筑、道路、开敞空间和未开发用地等二级分类,结合实际用地状况,在地块属性表中设置二级分类在各地块面积中所占比例。
(3)参数编辑
系统中低影响开发设施主要有下沉式绿地、绿色屋顶、生物滞留设施、透水铺装、塘(池)、雨水桶等。对于不同用地类型的地块,结合二级分类比例、设施的改造或建设可行性、设施造价、设施的可维护性等因素,筛选和确定适合不同用地类型的低影响开发设施和开发强度指标。同时,对于特殊地块,可以人工优化和局部调整,确保总体目标实现和局部特殊情况的协调,提高了方案可行性。
(4)目标设置与计算筛选
年径流总量控制率是海绵城市建设最重要的控制目标,各地区应在《指南》中我国年径流总量控制率五级分区的总体要求下,结合当地降雨、地形地貌特点、建设和改造难度、经济能力等条件,因地制宜的确定该地年径流总量控制率目标。方案计算筛选以年径流总量控制率为主要约束条件,采用蒙特卡洛随机抽样法,计算出有效方案,并结合人工优化,最终确定最优方案,计算筛选方法和流程参见图 2。
(5)成果输出与专题图分析
方案成果可以通过结果表和专题图等多种形式输出。结果表包括各地块的开发设施种类、规模、强度、年径流总量控制率、控制容积、设施建设估价等。结果数据也可在系统中通过标注、分级渲染等GIS专题图方式直观显示或出图。系统输出的方案结果可作为海绵城市规划、建设、评估和管理的依据。
4系统应用
某市拟在如图1所示区域内开展海绵城市建设示范,覆盖面积为15.8km2,地块数量为752个,该规划区用地类型划分为居住、公共管理与公共服务、商业服务业设施、工业、物流仓储、道路与交通设施、公用设施、绿地与广场等8类用地,以居住、公共管理与公共服务、商业服务业设施和绿地与广场4类用地为主。各地块用地类型分布和统计见表 1。
 
表 1各用地类型统计表

用地类型 大类编号 地块数量 面积(ha)
居住用地 R 144 605.8
公共管理与公共服务用地 A 40 180
商业服务业设施用地 B 89 107.8
工业用地 M 6 54.8
物流仓储用地 W 2 10.1
道路与交通设施用地 S 26 15.1
公用设施用地 U 12 17.9
绿地与广场用地 G 433 589.2
合计 -- 752 1580.7
 
选取该市近30年降雨数据,按照统计学方法,获得该市年径流控制率与设计降雨量关系曲线。由于示范区绿地和广场面积较大,且主要为新建城区,调蓄和改造空间较大,按照《指南》中推荐的上限,确定该区域按年径流控制率85%,设计降雨量为32mm。
在综合分析该地降雨、地质地貌、土壤等自然条件的基础上,结合该地规划和现状用地情况,确定各类用地适宜建设的低影响开发措施。居住用地、商业用地、公共设施用地、公共服务与公共管理用地中的非机动车道优先采用透水铺装,小片绿地优先采用下沉式绿地;公共服务与公共管理用地中的部分坡度较小屋顶可采用绿色屋顶;市政道路人行道、广场宜采用透水铺装;小区内绿地以及道路两侧绿化带可部分改造为植草沟;各类用地建筑屋面雨水,可通过雨水桶收集并进行回用。
利用海绵城市规划系统,确定各类用地地块宜开发的控制措施、规模和强度,采用蒙特卡洛抽样计算,利用计算机优选,结合人工优化调整,最终确定该示范区的海绵城市规划建设方案。
表2中,下沉式绿地率为下沉式绿地面积占地块绿地总面积比例,绿色屋顶率为绿色屋顶面积占总屋面面积比例,透水铺装率为渗透铺装面积占硬化路面比例,植草沟率为植草沟面积占道路用地面积比例,生物滞留设施率为生物滞留设施面积占开敞空间面积比例,各类用地和规划区年径流总量控制率根据相应调蓄容积与覆盖面积计算调蓄降雨量后,查图4的对应关系获得。
由表2可知,商业和服务业用地、工业用地、物流仓储用地由于建筑密度大,不透水比例高,雨水控制难度较大,设施建设难度较大,年径流总量控制率在55%左右。居住用地、公共管理与公共服务设施用地、道路和交通设施用地的绿地率较高,存在一定的开敞空间,设施改造和建设难度相对较低,通过多种措施的组合使用,地块年径流总量控制率普遍达到85%以上。绿地与广场用地和公用设施用地,绿地率和开敞空间极大,本身具有较大的调蓄能力,通过简单的改造和建设,即可使年径流总量控制率达到95%以上。该方案各类设施总投资约15.73亿元,年径流总量控制率达到85.3%,满足85%的控制要求。
表 2各类用地低影响开发结果统计表

    具体指标
序号
 
用地类型
 
下沉式绿地率(%) 绿色屋顶率(%) 透水铺装率(%) 植草沟率(%) 生物滞留设施率(%) 雨桶数量(个) 总控制容积(m3 年径流总量控制率(%) 投资
(万元)
1 R 41 0 28 6 32 3275 118109 88.3 71205
2 B 21 0 55 0 0 682 9096 52.4 8426
3 M 72 0 42 0 0 493 5457 55.4 3078
4 A 40 6 62 0 50 1007 34304 86.7 36209
5 G 19 0 78 0 0 0 115983 98.6 28612
6 S 43 0 90 0 0 65 2328 85 2775
7 U 47 0 85 0 57 0 4332 98 6603
8 W 41 0 50 0 0 96 966 53.2 384
合计             5618 290575 85.3 157292
基于计算机优选方案,下一步可根据各地块,尤其是一些特殊地块的具体情况,对各个地块的设施种类、规模、开发强度等具体参数进行合理的人工调整,深化规划方案,确保方案的合理性、科学性和可行性。
5总结
基于GIS技术开发的海绵城市规划系统具有操作简单、界面友好、数据分析和展示功能强的特点。目前,该系统已应用于数十个海绵城市建设试点规划和申报工作,取得了良好的效应,并为下一步建设项目管控提供依据。该系统的应用和推广为海绵城市规划设计提供了可靠的技术和工具支持。

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