本技术涉及雨水与生活污水处理，特别涉及一种城市流域灰绿设施系统协同优化设计的方法。
背景技术：
1、城市灰绿基础设施系统包含灰色基础设施与绿色基础设施，其中灰色基础设施包括雨水管网和污水管网(两者并称“管网”)、调蓄池、溢流处理装置、污水处理厂等，绿色基础设施包括雨水花园、绿屋顶、透水铺装等。城市灰绿基础设施系统能够降低城市流域人为活动对水环境的干扰。具体而言，在无降雨条件下，通过灰色基础设施收集与处理生活污水；在降雨条件下，通过绿色基础设施对雨水进行渗透、净化与再利用，通过灰色基础设施收集与处理降雨径流与生活污水。城市灰绿基础设施系统规划设计的内容包括四个要素，分别为(1)选择合适的灰色与绿色基础设施、(2)确定各类设施的建设位置、(3)确定各类设施的建设时间、(4)确定各类设施的建设规模。
2、已有城市流域灰绿设施系统设计方法，一般首先通过一定方法固定或简化以上列举的四个设计要素中的一个到两个，然后对其他要素进行优化。以下列举的三个背景技术所实现的功能，均是在固定或简化一至两个要素后，对剩余要素进行优化，而没有实现对上述要素的协同优化。
技术实现思路
1、本技术提供一种城市流域灰绿设施系统协同优化设计的方法，以解决现有规划方法仅能对建设规模与建设位置等要素进行局部优化，未能以水质为优化目标以及现有规划方法规划缺乏对系统发展面临的不确定性的综合考虑等问题。
2、本技术第一方面实施例提供一种城市流域灰绿设施系统协同优化设计的方法，包括以下步骤：收集待规划城市流域灰绿设施系统的基础信息，并基于所述基础信息构建所述待规划城市流域灰绿设施系统在建设规划期内的多种气候变化情景和社会发展不确定性情景；基于城市流域水系统水质模型，构建可考虑各类灰绿设施系统污控效应、气候变化效应与社会发展不确定性的水环境状态转移方程，其中，所述城市流域水系统水质模型包括通过采用动态物质流分析方法模拟城市处理过程的城市模块、基于串联完全混合反应器模型cstr构建的河流模块和基于湖泊力学模型efdc和lstm元模型构成的湖泊模块；根据所述水环境状态转移方程，以水质指标和成本指标作为优化目标确定最优值函数，利用预设的启发式算法求解最优值及所述最优值对应的所述待规划城市流域灰绿设施系统的多阶段的、空间异质的建设策略。
3、可选地，水环境状态转移方程中的输入应包括灰绿设施的建设策略pi，其构建方法包括：概化所述待规划城市流域灰绿设施系统的建设阶段；将每个建设阶段内需要建设特定位置、规模与种类的灰绿设施系统定义为备选工程，并将每个建设阶段内备选工程的建设状态概化为决策变量，基于每个建设阶段的决策变量得到所有建设阶段的允许决策集合；将所述所有建设阶段的允许决策集合排列组成的序列概化为多个灰绿设施建设策略的集合pi。
4、可选地，所述最优值函数为：
5、
6、其中，fi(pi)为采取灰绿设施建设策略pi所得到的指标函数值，fquality为水质指标函数，fcost为成本指标函数，
7、其中，所述水质指标函数fquality是多种气候情境下是多种气候情境下多类污染物质的平均超标状况，其计算方法：
8、
9、其中，cj,t,a为气候变化情景a下污染物j在时间t的浓度，nj为待规划城市流域所关注的污染物种类的总数，na为待规划城市流域的气候变化情景的总数，stdj为污染物j的水质标准，fquality,j为在多种气候变化情景下污染物指标j的超标比例的平均值，wj为各类污染物的权重，∑wj＝1；
10、所述成本指标函数fcost为：
11、fcost＝tcc+tmc；
12、tcc＝∑tcc(pi,t)/(1+r)t；
13、tmc＝∑tmc(pi,t)/(1+r)t；
14、其中，tcc为建设规划期各类灰绿基础设施的总建设成本，tmc为建设规划期各类灰绿基础设施的总维护成本，cc(pi,t)为建设成本函数返回第t年建设的灰绿设施的总建设成本，mc(pi,t)为维护成本函数返回第t年所有已建灰绿设施的总维护成本，r为贴现率，pi为多个灰绿设施建设策略的集合，nk为阶段变量。
15、可选地，所述水环境状态转移方程基于城市流域水系统水质模型，可考虑各类灰绿设施系统污控效应、气候变化效应与社会发展不确定性，所述状态方程为：
16、
17、其中，st为社会发展不确定性情景，at为气候变化情景，t为城市流域水系统水质模型，ct为t时刻各类污染物的浓度。
18、本技术第二方面实施例提供一种城市流域灰绿设施系统协同优化设计的装置，包括：第一构建模块，用于收集待规划城市流域灰绿设施系统的基础信息，并基于所述基础信息构建所述待规划城市流域灰绿设施系统在建设规划期内的多种气候变化情景和社会发展不确定性情景；第二构建模块，用于基于城市流域水系统水质模型，构建可考虑各类灰绿设施系统污控效应、气候变化效应与社会发展不确定性的水环境状态转移方程，其中，所述城市流域水系统水质模型包括通过采用动态物质流分析方法模拟城市处理过程的城市模块、基于串联完全混合反应器模型cstr构建的河流模块和基于湖泊力学模型efdc和lstm元模型构成的湖泊模块；获取模块，用于根据所述水环境状态转移方程，以水质指标和成本指标作为优化目标确定最优值函数，利用预设的启发式算法求解及所述最优值对应的所述待规划城市流域灰绿设施系统的多阶段的、空间异质的建设策略。
19、可选地，所述第二构建模块，还用于：概化所述待规划城市流域灰绿设施系统的建设阶段；将每个建设阶段内需要建设位置、规模与种类的灰绿设施系统定义为备选工程，并将每个建设阶段内备选工程的建设状态概化为决策变量，基于每个建设阶段的决策变量得到所有建设阶段的允许决策集合；将所述所有建设阶段的允许决策集合排列组成的序列概化为多个灰绿设施建设策略的集合。
20、可选地，所述最优值函数为：
21、
22、其中，fi(pi)为采取灰绿设施建设策略pi所得到的指标函数值，fquality为水质指标函数，fcost为成本指标函数，
23、其中，所述水质指标函数fquality是多种气候情境下是多种气候情境下多类污染物质的平均超标状况，其计算方法：
24、
25、其中，cj,t,a为气候变化情景a下污染物j在时间t的浓度，nj为待规划城市流域所关注的污染物种类的总数，na为待规划城市流域的气候变化情景的总数，stdj为污染物j的水质标准，fquality,j为在多种气候变化情景下污染物指标j的超标比例的平均值，wj为各类污染物的权重，∑wj＝1；
26、所述成本指标函数fcost为：
27、fcost＝tcc+tmc；
28、tcc＝∑tcc(pi,t)/(1+r)t；
29、tmc＝∑tmc(pi,t)/(1+r)t；
30、其中，tcc为建设规划期各类灰绿基础设施的总建设成本，tmc为建设规划期各类灰绿基础设施的总维护成本，cc(pi,t)为建设成本函数返回第t年建设的灰绿设施的总建设成本，mc(pi,t)为维护成本函数返回第t年所有已建灰绿设施的总维护成本，r为贴现率，pi为多个灰绿设施建设策略的集合，nk为阶段变量。
31、可选地，所述水环境状态转移方程基于城市流域水系统水质模型，可考虑各类灰绿设施系统污控效应、气候变化效应与社会发展不确定性，所述状态方程为：
32、ct+1＝(c1,t,a,c2,t,a,…,cnj,t,a)＝t(st,at,pi,ct)；
33、其中，st为社会发展不确定性情景，at为气候变化情景，t为城市流域水系统水质模型，ct为t时刻各类污染物的浓度。
34、本技术第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的城市流域灰绿设施系统协同优化设计的方法。
35、本技术第四方面实施例提供一种计算机程序产品，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的城市流域灰绿设施系统协同优化设计的方法。
36、上述实施方式中，收集待规划城市流域灰绿设施系统的基础信息，并基于基础信息构建待规划城市流域灰绿设施系统在建设规划期内的多种气候变化情景和社会发展不确定性情景；基于城市流域水系统水质模型，构建可考虑各类灰绿设施系统污控效应、气候变化效应与社会发展不确定性的水环境状态转移方程；根据水环境状态转移方程，以水质指标和成本指标作为优化目标确定最优值函数，利用预设的启发式算法求解最优值及最优值对应的待规划城市流域灰绿设施系统的多阶段的、空间异质的建设策略。由此，解决了现有规划方法仅能对建设规模与建设位置等要素进行局部优化，未能以水质为优化目标以及现有规划方法规划缺乏对系统发展面临的不确定性的综合考虑等问题，使得各类灰绿基础设施、设施建设位置、建设时间、及建设规模可以在同一优化框架下进行协同优化，通过提供灰绿设施系统带来的污染物减排和受纳水体的水质改善之间的响应关系，使得以水质为目标的优化成为可能，将不确定性纳入优化框架的方法，保障灰绿设施系统的长期有效性，提高系统对未来的适应能力，确保在整个规划期内，灰绿设施系统的成本效益最优。
37、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
38、附图说明
39、本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
40、图1为根据本技术实施例提供的一种城市流域灰绿设施系统协同优化设计的方法的流程图；
41、图2为根据本技术一个实施例的城市流域灰绿基础设施协同优化方法的实施流程图；
42、图3为根据本技术一个实施例的城市流域水系统水质模型在训练集上对湖泊水质的模拟结果与实测结果对比示意图；
43、图4为根据本技术一个实施例的城市流域水系统水质模型在测试集上对湖泊水质的模拟结果与实测结果对比示意图；
44、图5为根据本技术一个实施例的城市流域灰绿基础设施协同优化问题的备选工程、决策、策略的概化过程及其关联关系的示意图；
45、图6为根据本技术一个实施例的在三种城市化发展水平下，帕累托解集的指标函数的对比示意图；
46、图7为根据本技术一个实施例的在某一种城市化发展水平下，特殊解的图形化展示示意图；
47、图8为根据本技术实施例的城市流域灰绿设施系统协同优化设计的装置的示意图；
48、图9为根据本技术实施例的电子设备结构的示意图。
1.一种城市流域灰绿设施系统协同优化设计的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最优值函数为：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水环境状态转移方程基于城市流域水系统水质模型，可考虑各类灰绿设施系统污控效应、气候变化效应与社会发展不确定性，所述状态方程为：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述水环境状态转移方程的输入中包含灰绿设施建设策略pi，该策略的构建方法包括：
5.一种城市流域灰绿设施系统协同优化设计的装置，其特征在于，装置包括：
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述最优值函数为：
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述水环境状态转移方程基于城市流域水系统水质模型，可考虑各类灰绿设施系统污控效应、气候变化效应与社会发展不确定性，所述状态方程为：
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二构建模块，还用于：
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-4中任一所述的城市流域灰绿设施系统协同优化设计的方法。
10.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一所述的城市流域灰绿设施系统协同优化设计的方法。
