应对城镇化与气候变化的城市排水系统适应性规划设计策略研究

Urban infrastructure is facing the continuous shocks from urbanization and climate change. But for urban drainage system, the existing planning and design method can not guarantee the system performance normally in this highly uncertain dynamic environment, which leads to the urban flooding and water environment pollution. Urban drainage system has been transferred from the facility mitigating urban vulnerability to the risk source and potential safety hazard. Therefore, this study is to establish the adaptive planning and design method and tool for urban drainage system to cope with urbanization and climate change. Based on the sustainable development theory and flexible infrastructure conception, an integrated assessment model for urban drainage system performance is developed to describe the economy, vulnerability and adaptation of system. Breaking through the existing urban drainage system planning and design method, the large-scale sampling and simulation for technology feasible system schemes and future urbanization and climate scenarios is used to evaluate the performance of different system scheme in the different conditions of urbanization and climate change. Based on the assessment, the relationships among the system planning and design parameters, the system performance, and the future urban development level and climate conditions are identified. The urban drainage system adaptive planning and design strategies for urbanization and climate change are developed. The results of this research i.e. the strategies will support the urban drainage system planning and design scientifically. They also can supply some guidance for urban water system construction and improve the cities' sustainability.

城镇化与气候变化对基础设施系统不断产生冲击，而目前城市排水系统的规划设计方法难以确保系统在高度不确定的动态环境中始终维持较高的性能，导致城市内涝频发、污染控制不力，使得原本降低城市脆弱性的排水系统成为了城市的风险来源与安全隐患。因此，本研究以建立能够应对城镇化与气候变化的排水系统适应性规划设计方法与工具为根本目标，基于可持续发展理论与弹性基础设施理论，建立涵盖系统经济性、脆弱性及适应性的性能综合评估体系；突破现有系统规划设计方法，通过对系统技术可行方案与未来城镇化及气候情景的大样本采样与大规模模拟，评估不同方案在未来不同城镇化水平与气候条件下的性能；基于评估结果，识别系统规划设计参数与性能及未来城镇发展水平、气候条件间的关系，建立将城镇化与气候变化前置于系统规划阶段考虑的适应性规划设计策略。研究成果将直接服务于未来城市排水系统的科学规划与合理设计，为提高城市可持续发展能力提供重要支撑。

城市排水系统设计在规模、结构、布局等方面存在着多重选择，并且受到未来气候变化和城市发展等因素的影响，传统设计方法难以在诸多不确定条件下获得综合考虑经济成本、资源利用和环境影响等多个方面的优化方案。本研究旨在建立以系统可持续性为目标，考虑气候变化、城镇化和技术进步等中长期影响和降雨随机性扰动的分流制城市排水系统设计方法。.本研究构建了以基准条件下系统多目标优化设计和不确定条件下系统性能评估为核心的城市排水系统适应性设计方法。在基准条件下多目标优化环节，以确定性的服务人口、用水水平、降雨条件为基准输入，以系统生命周期成本表征的经济性、污染物负荷当量表征的环境性、再生水需求满足率表征的资源性、内涝发生量表征的脆弱性、内涝节点数及其时长表征的适应性为优化目标，通过构建基于图论算法和遗传算法的模型工具实现系统设计参数的优化，获得包含雨污管网、径流调蓄、污水处理再生等设施的规模、布局及其与用户之间连接关系的系统设计方案集合。在不确定条件下系统性能评估环节，通过综合考虑气候变化带来的降雨和用水行为的不确定性、城镇化发展引起人口增长和用地变化的不确定性以及技术进步驱动节水器具普及程度的不确定性，从水力性能、排污水平、内涝特征等维度出发，采用情景分析与多指标评价相结合的方法，筛选出在基准条件和不确定条件下性能皆优的方案集合。.本研究以昆明市城北片区为案例，利用所建立的方法和模型工具开展分流制排水系统优化设计，为该区域设计了排水系统优化方案集合，其在系统经济性、环境性、资源性、脆弱性和适应性方面均比现有系统有优势。基于计算结果，进一步分析了“设计输入—结构布局—系统性能”间的关系，识别了最优系统结构与性能对各种不确定条件的响应规律。.本研究将城镇化与气候变化对系统的影响与系统方案的规划设计同步考虑，不仅有效减缓了未来不确定性对系统的冲击，提高了系统的适应性，还大幅度提升了系统规划设计的效率与质量。