【模型工具】基于多目标优化的暴雨应急管理城市排水决策模型

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原文信息

题目：Urban drainage decision model for storm emergency management based on multi-objective optimization

作者：Shitai Baoa, Zehui Laib, Biao Chenb & Shunqing Chenb

作者单位：华南农业大学资源与环境学院；b 广州奥格智能科技有限公司研发中心

期刊：Stochastic Environmental Research and Risk Assessment

时间：2022

原文链接：https://doi.org/10.1007/s00477-022-02315-x

文章亮点

1. 构建了集成内涝预测和排水优化的模拟-决策模型

2. 使用元胞自动机（CA）模拟城市内涝代替传统数理模型，并考虑了城市表面的复杂性

3. 应用多目标优化方法，为紧急情况下的排水决策提供了一系列最优解决方案

背景与目的

城市内涝是一个日益严重的环境问题，尤其在气候变化和快速城市化的背景下，导致交通中断、财产损失甚至生命威胁。研究提出了一个基于元胞自动机和多目标优化理论的城市内涝模型，以预测不确定雨水径流下的城市内涝，并为紧急情况下的排水决策提供优化方案。

研究方法

研究首先构建了一个基于元胞自动机和机理的城市内涝模型，输入包括降雨、土壤渗透、植物截留、沟渠排放和相邻网格的出水流量，输出网格间的流量和网格水深；并提出了一个改进的网格流量分配算法。在内涝模拟的基础上定义了优化问题，以最大化淹没区泵送水量和最小化能源成本为优化目标，以水库库容、淹没区到水库一一对应等为约束条件，进而使用基于遗传算法NSGAII的gamultiobj模型进行优化求解。

研究结果

选取广州东濠涌流域作为案例区域，使用了两场历史大暴雨数据进行模型验证，模型的均方根误差分别为26.89 mm和78.48 mm。之后模拟了1年、10年、50年和100年一遇暴雨并使用优化算法得到帕累托前沿面。通过修改两个优化目标的权重得到不同的最优结果。

编者点评

本文提出的模型CA部分使用简明的机理过程可以模拟城市中的不确定性径流，并且输入参数少；使用优化算法解决了内涝灾害后的减灾效益与成本多目标最优化问题。但模型的前提假设、构建的排水设施、以及优化算法的决策变量和优化目标都较简单，未来可以对地下排水管网以及内涝的社会生态影响等构建更全面的模拟和优化模型。

关键图表

图1 CA模型的内涝模拟流程



图2 年一遇暴雨模拟结果：淹没区域和水库情况



图3 不同目标权重的帕累托最优结果



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