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城市水基础设施建设如何综合考虑自然与社会因素?

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小康人家 发表于 2018-5-15 12:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

城市水基础设施建设如何综合考虑自然与社会因素?





  2018-05-15 11:00社会科学/操作系统/对比

  题目: Modeling Transitions in Urban Water Systems

  作者:: Rauch W, Urich C, Bach P M

  第一作者单位:Institute of Environmental Engineering, ETH Zürich, Switzerland

  期刊:Water Research

  发表时间:May 2017

  城市基础设施在未来的运行状况需要综合考虑生物物理学的变化与城市社会学的变化。而目前对城市基础设施的运行状况的模拟往往从生物物理学的角度进行考量,对社会学因素重视较少。一般的城市社会学模型往往使用主体建模实现,多数在空间上过于粗糙,难以提供有意义的系统规划工具。将城市的生物物理学与社会学组分进行集成是一个研究方向。

  本文提供了一种“探索性建模”的解决方案和一个集成的决策支持工具DAnce4Water(图1)。DAnce4Water包含了三个子系统:水基础设施、城市发展与社会子系统,将三者连入图1中心所示的指挥单元,可实现三个子系统的集成。

  水基础设施模块(BPM):利用栅格像元,模拟城市水基础设施(集中式与分散式)的建立,并模拟这些系统的表现;城市发展模块(UDM):运用主体建模方法,基于UrbanSim模拟人口、政策、法规对城市发展(人口分布与土地利用)的影响;社会变迁模块(STM):将暴雨管理技术的变化简化为分散式基础设施占比的变化,将大量的可行解简化为一个路径集以作为输入。三个模块的集成方式详见图2。

  

  图1DAnce4Water的构架

  

  图2DAnce4Water的三个模块间协同作用

  具体而言,STM基于输入情景模拟未来可能的发展路径,为集中式/分散式系统“赋权”;将得到的权值输入BPM;UDM模拟城市形态的变化,得到GIS数据;BPM根据UDM的GIS数据与STM的结果,基于输入的目标与约束在城市空间放置集中式/分散式系统,得到满意解,从而实现三个模块的集成。

  由于模型的构建是用于模拟未来的城市水基础设施,因此本文基于城市的历史发展进行案例分析,模拟城市水基础设施的变化过程,对模型进行验证。本文选取了选取墨尔本Scotchman’s Creek汇水区从1960年至2010年的数据进行分析。输入包括当地的区划图(包括土地利用与楼层密度等规范)与人口分布、当地雨排水系统的变化(分时间段转化为一系列目标与约束)、当地相关法律法规的变化(按照时间设置约束)。

  模型的验证则从以下几个方面进行:

  首先是对土地利用的模拟验证(图3):将模拟得到的屋顶面积、建筑物数量与不同时期的现状进行对比,其相关系数的平方均大于0.7,表明其有很高的相关性。

  其次是对暴雨管理路径集的模拟验证(图4):将模拟得到的暴雨管理路径集中分散式和绿色基础设施的占比与不同时期的现状进行对比,模拟结果与历史现实有较高的拟合度。

  再次是对集中式基础设施的模拟验证(图5):将模拟得到的集中式基础设施方案集中管网总长度与不同时期的现状进行对比,结果表明模拟方案集与现实方案不止在总长度上,在拓扑结构上也能较好地吻合。

  最后是对分散式基础设施的模拟验证(图6):将模拟的方案集中分散式基础设施的放置与实际情形进行对比,发现模拟方案与实际情形的位置较为接近,现实中存在分散式基础设施的位置在模型中基本都存在,这表面了二者的吻合度高。不过二者仍然有一些差异,原因包括:城市空间模拟时选取的栅格大小为500m×500m、以及现实中在某些位置安装基础设施不可行。

  

  图3模拟得到的2010年屋顶面积与建筑物数量和实际状况的对比

  

  图4模拟得到的分散式与绿色基础设施总占比与历史数据

  

  图5模拟得到的集中式基础设施方案集和历史现状对比

  

  图62006年分散式基础设施的模拟方案集与现实方案

  

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 楼主| 小康人家 发表于 2018-5-15 12:52 | 显示全部楼层

文中所建立的集成模型DAnce4Water可以很好地模拟城市水基础设施随社会发展、城市形态改变而产生的变化。它所使用的集成与简化手段,如:将暴雨管理技术变化简化为成分散式基础设施占比变化、将城市水基础设施的建立在栅格像元上实现等,在未来的模拟中均能有较好的利用。另外,本文使用的一些指标,如按照斯特拉勒数分类的管网长度,对于管网拓扑结构的研究也具有一定的参考价值。

  https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0043135417307935

  

  

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