مدیریت رواناب شهری با رویکرد بهینه‌سازی روش‌های توسعه کم‌اثر و تلفیق مدل‌های SWMM و SUSTAIN

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی منابع آب، گروه مهندسی آب، پردیس ابوریحان، دانشگاه تهران، پاکدشت، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی آب، پردیس ابوریحان، دانشگاه تهران، پاکدشت، تهران، ایران

چکیده

توسعه‌ سریع و ناپایدار شهر‌ها منجر به تغییر خصوصیات هیدرولوژیکی حوضه‌ها شده و ریسک‌ وقوع آب‌گرفتگی ناشی از رواناب‌های شهری را افزایش داده است. یکی از راه‌حل‌های به‌کار گرفته شده برای کنترل کمّی و کیفی رواناب‌های شهری، رویکرد‌های مبتنی بر زیرساخت‌های سبز و روش‌های توسعه کم‌اثر است که توجه پژوهشگران زیادی را به خود جلب کرده است. در این پژوهش، از مدل SWMM به‌منظور شبیه‌سازی فرایند بارش‌ رواناب در ناحیه یک منطقه 11 شهرداری تهران استفاده شد. 6 سناریو شامل ترکیبات مختلفی از انواع LID شامل بام سبز، مخزن باران، سلول نگهداشت‌زیستی، معابر نفوذپذیر، جوی‌ باغچه و حوضچه‌ نفوذ در نظر گرفته شد. سپس مدل SUSTAIN به‌منظور ارزیابی عملکرد هر سناریو به‌کار گرفته شد. در گام بعد پاسخ‌های بهینه از طریق الگوریتم بهینه‌سازی NSGA-II به‌دست آمد و برای هر سناریو یک منحنی پارتوی هزینه-عملکرد ارائه شد. نتایج نشان داد پاسخ‌های منتخب پیاده‌سازی سناریوهای 1 تا 6 به‌ترتیب حجم رواناب را به میزان 53، 4، 66، 72، 31 و 34 درصد کاهش دادند. سناریوی 4 با ترکیبی از مخازن باران، معابر نفوذپذیر و جوی ‌باغچه با 72 درصد و هزینه 2/12 میلیون دلار، بهینه‌ترین عملکرد را نسبت به پاسخ‌های متناظر از سناریو‌های دیگر نشان داد و سناریوی 6 نیز با 34 درصد کاهش حجم رواناب و هزینه 1/7 میلیون‌دلار در رتبه بعدی قرار گرفت. به‌کارگیری تلفیقی مدل‌های SUSTAIN و SWMM کمک کرد تا علاوه بر عملکرد فنی، هزینه و عملکرد هر سناریو ارزیابی و امکان بهینه‌سازی آن فراهم شد. نتایج به‌دست آمده از این پژوهش می‌تواند مدیران شهری و تصمیم‌گیرندگان را در طراحی، تخمین عملکرد و هزینه‌های اجرایی سناریو‌های LID یاری کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Urban Stormwater Management by Optimizing Low Impact Development Techniques and Integration of SWMM and SUSTAIN Models

نویسندگان [English]

  • Amir Hossein Nazari 1
  • Abbas Roozbahani 2
  • Seied Mehdy Hashemy Shahdany 2
1 MSc. Student of Water Resources Engineering, Dept. of Water Engineering, College of Aburaihan, University of Tehran, Pakdasht, Tehran, Iran
2 Assoc. Prof., Dept. of Water Engineering, College of Aburaihan, University of Tehran, Pakdasht, Tehran, Iran
چکیده [English]

Unsustainable development and rapid urbanization have led to changes in the hydrological characteristics of watersheds, and the risk of flooding has been increased consequently. One of the solutions used for quantitative and qualitative control of urban runoff is green infrastructure and low impact development (LID) based approaches that have attracted the attention of many researchers. In this study, SWMM was used to simulate the rainfall-runoff process in region 1, district 11, Tehran. Six scenarios, including different combinations of several LID types such as Green Roof, Rain Barrel, Bioretention Cell, Porous Pavement, Vegetated Swale, and Dry Pond were developed. Then the SUSTAIN model was utilized to assess each scenario's performance. Optimal solutions were then obtained using non-dominated sorting genetic algorithm-II (NSGA-II), and a cost-effectiveness Pareto frontier curve was performed for all scenarios. Results showed that the selected solutions of scenarios one to six reduced the runoff volume by 53%, 4%, 66%, 72%, 31%, 34%, respectively. Scenario 4, with a combination of rain barrels, porous pavements, and vegetated swales with a runoff volume reduction of 72% and an implementation cost of $ 12.2 million, showed the best performance, comparing the other scenarios' corresponding optimal solutions. Scenario 6 also came in next with a 34% effectiveness and a cost of $ 7.1 million. The combined use of SUSTAIN and SWMM, in addition to the technical evaluation, helped to attain optimized, cost-effective solutions for developed scenarios as well. The results of this study can also help relevant organizations and decision-makers to design, evaluate performance, and implement costs of different LID scenarios.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Urban Stormwater Management
  • LID
  • SUSTAIN
  • Green infrastructure
  • NSGA-II algorithm
Bahrami, J., Farooghi, F., Hosseini, S. & Rafiee, D. 2017. Effects of low-impact development of infiltration and storage facilities on urban runoff management in city of Sanandaj. Journal of Water and Wastewater, 28(5), 118-124. (In Persian)
Behzadi, P. Roozbahani, A. & Massah Bavani, A. 2019. Analysis of sustainability index in stormwater drainage systems under the climate change impacts (case study: district 11 of Tehran). Ecohydrology, 6(3), 631-649. (In Persian)
Binesh, N., Niksokhan, M. H. & Sarang, A. 2018. Quantifying resilience of urban drainage systems based on the hydraulic performance assessment. Journal of Water and Wastewater, 29(5), 61-71. (In Persian)
Chen, C. F., Sheng, M. Y., Chang, C. L., Kang, S. F. & Lin, J. Y. 2014. Application of the SUSTAIN model to a watershed-scale case for water quality management. Water, 6(12), 3575-3589.
De Paola, F., Giugni, M., Pugliese, F. & Romano, P. 2018. Optimal design of lids in urban stormwater systems using a harmony-search decision support system. Water Resources Management, 32(15), 4933-4951.
Fletcher, T. D., Shuster, W., Hunt, W. F., Ashley, R., Butler, D., Arthur, S., et al., 2015. SUDS, LID, BMPs, WSUD and more – the evolution and application of terminology surrounding urban drainage. Urban Water Journal, 12(7), 525-542.
Gao, J., Wang, R., Huang, J. & Liu, M. 2015. Application of BMP to urban runoff control using SUSTAIN model: case study in an industrial area. Ecological Modelling, 318, 177-183.
Ghodsi, S. H., Zahmatkesh, Z., Goharian, E., Kerachian, R. & Zhu, Z. 2020. Optimal design of low impact development practices in response to climate change. Journal of Hydrology, 580, 124266.
Jia, H., Yao, H., Tang, Y., Yu, S. L., Field, R. & Tafuri, A. N. 2015. LID-BMPs planning for urban runoff control and the case study in China. Journal of Environmental Management, 149, 65-76.
Li, N., Qin, C. & Du, P. 2018. Optimization of China Sponge city design: the case of lincang technology innovation park. Water, 10(9), 1189.
Lee, J. G., Selvakumar, A., Alvi, K., Riverson, J., Zhen, J. X., Shoemaker, L., et al., 2012. A watershed-scale design optimization model for stormwater best management practices. Environmental Modelling and Software, 37, 6-18.
Mao, X., Jia, H. & Yu, S. L. 2017. Assessing the ecological benefits of aggregate LID-BMPs through modelling. Ecological Modelling, 353, 139-149.
Mozaffari, J. & Kobarfard, M. 2017. Investigation of qualitative and quantitative management at urban flood with EPA-SWMM model; case study district 22 of Tehran. Journal of Iranian Water and Irrigation, 7(3), 47-59. (In Persian)
Platz, M., Simon, M. & Tryby, M. 2020. Testing of the storm water management model low impact development modules. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 56, 283-296.
Rezazadeh Helmi, N., Verbeiren, B., Mijic, A., Van griensven, A. & Bauwens, W. 2019. Developing a modeling tool to allocate low impact development practices in a cost-optimized method. Journal of Hydrology, 573, 98-108.
Roozbahani, A., Behzadi, P. & Massah Bavani, A. 2020. Analysis of performance criteria and sustainability index in urban stormwater systems under the impacts of climate change. Journal of Cleaner Production, 271, 122727.
Rossman, L. A., 2015. Storm water management model user’s manual version 5.1. EPA- 600/R-14/413b, national risk management research laboratory. United States Environmental Protection Agency, Cincinnati, Ohio, USA.
Shariat, R., Roozbahani, A. & Ebrahimian, A. 2018. Risk assessment of the urban runoff collection networks using spatial multi criteria decision making (case study : district 11 of Tehran). Journal of Water and Wastewater, 30(1), 1-17. (In Persian)
Shariat, R., Roozbahani, A. & Ebrahimian, A. 2019. Risk analysis of urban stormwater infrastructure systems using fuzzy spatial multi-criteria decision making. Science of the Total Environment, 647, 1468-1477.
Shoemaker, L., Riverson, J. J., Alvi, Kh., Zhen, J. X., Paul, S., & Rafi, T. 2009. SUSTAIN- a framework for placement of best management practices urban watersheds to protect water quality. U.S Environmental Protection Agency (USEPA). Tetra Tech, Fairfax, Virginia, USA.
Tingsanchali, T. 2012. Urban flood disaster management. Procedia Engineering, 32, 25-37.