城市低影响开发植物滞留系统水量水质智能模拟调控理论与应用

The rainwater management and nonpoint source pollution control based on urban low impact development (ULID) are the important frontier of scientific research. Bioretention system has caused great concern as the best management practice for the ULID in the world. But it is not clear for the regulation mechanism on water quality and water quantity under bioretention systems. To scientifically describe and explain the change processes and regulation mechanism of water quantity and water quality for the bioretention system under urban low impact development, we will establish water quantity-water quality intelligent coupling models which can dynamically simulate the transfer mechanism of water quantity and water quality in ULID bioretention systems through the laboratory, field monitoring, numerical simulation and intelligent calculation. The change processes of water quality and quantity in ULID bioretention systems will be quantitatively described. Theory and models of the intelligent optimization, assessment and regulation of the water quantity and water quality of bioretention system for urban low impact development are set up based on set pair analysis and calculation intelligent methods. The theory and models will be applied in the real urban areas, in which the regulation strategy of the water quality and quantity for ULID bioretention systems will be analyzed. The optimal regulation approches of the water quality and quantity for the best function display in ULID bioretention systems will be designed for the different assessment grades of water quantity-water quality simulation. This study has important scientific significance and application value for the urban rainwater management, urban non-point pollution control, and eco-city planning.

城市低影响开发（ULID）雨水管理和非点源污染控制问题是当前科学研究的重要前沿，植物滞留系统作为ULID的最佳管理措施已引起国内外的高度关注。而ULID植物滞留系统对雨水水量水质调控机制研究尚十分薄弱。为有效描述、物理解析和科学探究ULID植物滞留系统水量水质变化过程及其调控机制，本研究通过实验、监测、数值模拟与计算智能相结合的途径，建立ULID植物滞留系统水量水质智能模拟模型，定量描述ULID植物滞留系统水量水质时空变化过程，建立集对分析与计算智能综合集成的ULID植物滞留系统水量水质智能优化、评价与调控理论方法、模型体系，并将所建理论方法应用于典型城市研究区，解析ULID植物滞留系统调控策略，针对系统水量水质评价不同等级状态及其原因，设计和优选相应的水量水质调控方案，发挥系统最佳功能。这对城市雨水管理、非点源污染控制和生态城市规划等都具有重要的科学意义和应用价值。

本项目从模型构建、智能模拟、水量水质调控等方面开展“城市低影响开发植物滞留系统水量水质智能模拟调控理论与应用”研究，提出了城市低影响开发（ULID）植物滞留系统水量精细模拟综合模型、构建了ULID植物滞留系统水量水质智能模拟、优化和调控模型体系，并将所建理论模型应用于北京市ULID植物滞留系统水量水质模拟与调控，揭示了植物滞留系统对水量水质的调控作用。这对城市人居水环境保护和雨水管理具有重要的科学意义和应用价值。任务全部完成。已发表学术论文25篇，其中SCI 论文12篇。获软件著作权1项、专利1项。共培养研究生8名。重要贡献如下：.1）在ULID植物滞留系统水量精细模拟综合模型构建方面，构建了包括非饱和土壤水运动模型、饱和-非饱和土壤水运动模型、产流-非饱和土壤水运动耦合模型等植物滞留系统水分运移精细模拟综合通用模型，通过田间实验和室内实验测量了土壤水分运移相关参数，并运用有限差分和改进的Picard算法对模型进行数值计算。并用模型模拟了降雨发生及结束期间土壤含水量的变化，本研究揭示了ULID植物滞留系统水量运移时空变化规律。.2） 在ULID植物滞留系统水量水质智能模拟与优化方面，结合实际监测的氨氮、总氮、总磷、铜、镉、铅、锌等水质指标和植物滞留系统结构参数，将特征参数和混沌聚类进化智能优化方法嵌入SWMM低影响开发模块中；构建了ULID植物滞留系统水量水质智能模拟模型，提高了模型的计算精度。上述模型应用于北京市LID植物滞留系统水量水质模拟，为ULID植物滞留系统水量水质模拟提供了理论依据。.3）建立了基于集对分析的ULID植物滞留系统水量水质智能调控理论方法。采用基于混沌遗传优化和集对分析评价方法，建立了ULID植物滞留系统水量水质模拟调控的智能优化集对分析模型和Bayes判别分析模型系列。应用所建理论方法与模型，给出了适合北京市ULID植物滞留系统水量水质优化调控措施，完善了ULID植物滞留系统水量水质模拟调控的理论和方法。