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水 利 学 报

２０２３年 ３月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ３期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０３ － ０３５８ － １１

基于 ＳＷＭＭ 与 ＮＳＧＡ － Ⅱ耦合的城区雨水泵站多目标优化调控

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陈学凯 １，２ ，刘晓波 １，２ ，董 飞 １，２ ，廉秋月 １，２ ，毛战坡 ，王若男 ４
（１．中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；
２．中国水利水电科学研究院 水生态环境研究所，北京 １０００３８；３．中国电力建设集团，北京 １０００４８；
４．水利部节约用水促进中心，北京 １０００３８）

摘要：针对城区复杂水系统中雨水泵站的调控系统性弱和优化时效性慢的问题，将 ＳＷＭＭ 的水量水质过程模拟
与 ＮＳＧＡ － Ⅱ的快速非支配排序进行深度耦合，从减缓城区内涝、控制面源污染负荷输出与减低耗电 量 的 角 度，
建立了多线程并行计算和带有决策者偏好的城区雨水泵站多目标优化调控模型。对天津空港经济区的雨水泵站优
化调度进行实例研究，结果表明，与常规调度方式相比，在典型设计降水情景下，该优化模型在不显著增加节点
积水累计时间的前提下，减少输出了 １３８３．３４ｋｇ的污染负荷，节约了 ６２１．９２ｋＷ·ｈ电能，求解速率可提升至单线
程串行计算的 ４．２倍。该优化方案充分利用了泵站调蓄池的库容缓冲和水质稀释作用，减缓了场次降水对于城区
水环境的瞬时冲击影响，降低了运行成本。
关键词：多目标优化调控模型；多线程并行计算；城市内涝；污染负荷；耗电量
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ８８２ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０４２４

１ 研究背景

雨水泵站作为城区水陆交界的水量和污染物输出关键节点，如何科学调控是市政、水利、环保等
多部门关注的热点问题 ［１ － ２］ 。开展城区复杂水系统中雨水泵站的多目标优化方法的研究和应用，能为
城区的防洪内涝、环境保护、经济投入等方面提供最优的科学决策依据，有着巨大的社会、经济和环
境效益 ［３］ 。
针对城区复杂水系统中雨水泵站的调控系统性弱的问题，众多学者开展了大量的研究。一方面，
通过机理模型对于雨水泵站的水量水质过程进行准确模拟，采用多情景比拟法，分析不同来水情景和
不同调控方式下雨水泵站的运行情况。Ｐｅｎｇ等 ［４］ 、Ｆａｎ等 ［５］ 、陆海明等 ［６］ 、陈秋伶等 ［７］ 、宫永伟等 ［８］
等采用 ＳＷＭＭ、Ｉｎｆｏｗｏｒｋｓ、ＭｉｋｅＵｒｂａｎ等数值模型在北京、福州、南京、广州等典型区域开展了雨水
泵站的组合方式优化、截留减污效果评估、河湖水文响应关系建立、调蓄池容积设计等方面的研究。
另一方面，随着人工智能在区域水资源优化调配 ［９ － １０］ 、跨流域调水工程优化调度 ［１１ － １２］ 、城区景观 ＬＩＤ
措施优化布设 ［１３ － １４］ 等领域的应用，已有学者逐步将人工智能算法与雨水泵站的运行调控相结合，通过
学科间的交叉互融来指导雨水泵站的日常运行。Ｗａｎｇ等 ［１５］ 、Ｆａｔｅｍｅｈ等 ［１６］ 、彭周洋等 ［１７］ 、何胜男
等 ［１８］ 采用粒子群优化方法（ＰａｒｔｉｃｌｅＳｗａｒｍ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ＰＳＯ）、非支配排序遗传算法（Ｎｏｎ － ｄｏｍｉｎａｔｅｄ
ＳｏｒｔｉｎｇＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ＮＳＧＡ）等多目标遗传算法，从减缓城区内涝的角度，以启泵水深、启泵次
数、调蓄池承载力等人工可调控对象为决策变量，实现径流截留率最大、泵站运行效率最大、建设成

收稿日期：２０２２ － ０５ － ３１；网络首发日期：２０２３ － ０３ － ２８
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０３２８．１０４４．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５２２０９１０６）；国家重点研发计划项目（２０２１ＹＦＣ３２００９０３）；北京市自然科学基金项目（８２１４０６４）；
中国水利水电科学研究院基本科研业务费项目（ ＷＲ０１４５Ｂ０１２０２１，ＷＥ０１４５Ｂ０７２０２２，ＷＥ１１０１４５Ｂ００７２０２１）
作者简介：陈学凯（ １９９０ － ），高级工程师，主要从事流域水环境模型研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｘｋ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
通讯作者：刘晓波（１９７８ － ），正高级工程师，主要从事流域水环境模拟与调控研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｘｂｌｉｕ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ

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