【文献综述】实时控制在基于自然的解决方案中运用的潜力与挑战
发布时间:2022-05-17 15:35:35 来源:iUWLab 作者:本站编辑 浏览次数:

导读

为应对城市排水系统日益增长的运行压力,可对雨水径流进行源头控制。本文所称的基于自然的解决方案(Nature-based solutions, NBS)即为一类可有效削减径流水量和污染物负荷的绿色基础设施。随着NBS的大量建设,优化这些设施的运行方式,以最大程度发挥其环境效益日益成为研究和工程实践的热点。在这一背景下,本文综述了如何利用实时控制(Real-time control, RTC)提升NBS的效益及其面临的挑战。


文章简介

作者选择了3类典型的NBS作为综述对象:绿色屋顶(Green Roof, GR, 房屋尺度)、生物滞留池(Bioretention, BT, 街道尺度)和滞洪池(Detention Basin, DB, 流域尺度)。综述的目的是指出RTC在各类NBS中的应用潜力和面临的挑战。

  绿色屋顶的控制潜力:绿色屋顶的结构如图1所示。目前尚未有文献报道针对该类设施的RTC。但如建有雨水收集池,可将促进植物生长、避免溢流等作为目标进行实时控制。


图1绿色屋顶结构图,a)不含雨水收集池,b)含雨水收集池。


  生物滞留池的控制潜力:该类设施的结构如图2所示。相关研究表明,具有内部储水功能的滞留池可促进硝化和反硝化反应。在这样的条件下,RTC可以延长停留时间从而改善水质,使得回用成为可能。


图2生物滞留池结构图,a) 传统三层式结构;b) 附带雨水收集池;c) 自由排水


  滞洪池的控制潜力:该类设施具有在线和离线两种结构(如图3所示),其中离线式需要建设分流设施,当上游流量达到阈值后,将超量水引入滞洪池,RTC可以根据系统状态决定是否分流以优化系统性能。虽然滞洪池中RTC应用最普遍,但目前的控制方式多为简单规则,为进一步优化控制效果,有文献构建模型进行预测控制。此外,考虑多个水文、水力和水质目标的多目标优化也受到广泛关注。


图3滞洪池结构图,a) 在线结构;b) 离线结构


实时控制面临的挑战

  ① 监测。实时获取系统状态是进行RTC的重要基础。但是,不可能也无必要对NBS的所有状态进行监测。表1列出了不同监测量对RTC的影响程度,开展RTC时,需根据实际需求对监测指标进行取舍。水质的监测最为复杂,但由于技术的进步,直接监测水质指标的研究也日趋频繁。

表1 不同监测量对RTC的影响程度

注:Et代表蒸发量


  ② 建模。RTC策略一般可分为启发式(基于规则或模糊逻辑控制)和基于优化的策略。启发式策略依赖经验且难以保证最优解,但基于优化的策略对系统建模提出较高的要求:数据可得性、规模、计算和存储资源等。面向实时控制的建模需要平衡好决策时间和准确性两项彼此冲突的目标。一种可行的方案是在全流域范围内构建机理模型,然后独立对各NBS设施建模,再与流域模型耦合。

   ③ 预测。对未来降雨的预测也是RTC的必要条件,但预测不可避免地存在不确定性,从而导致RTC策略性能下降。目前有研究采用动态风险评估的方式提升策略的可靠性。但是,这类方法会增加计算负担,限制了其应用。


编者点评

本文分类综述了在基于自然的解决方案开展实时控制的潜力与面临的挑战,有助于深入了解控制落地的困难。文章内容对城市水系统中其他设施的控制也有一定的借鉴价值。



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