雨水收集与防洪系统设计与控制协同优化研究：提升15%-27%水回收效率的创新框架

为解决雨水收集系统(RWH)设计与控制策略分离优化导致的性能瓶颈，研究人员提出了一种协同优化框架。该研究通过建立候选设计方案库与高分辨率模拟评估，实现了系统设计与控制策略的全局最优匹配。案例显示，热带城市RWH系统水回收率提升15%-27%，同时减少25%容量需求，为高密度城区水资源管理提供了高效解决方案。

　　

在全球气候变化加剧和城市化快速发展的背景下，水资源短缺与城市内涝问题日益突出。雨水收集系统(RWH)作为兼具水资源回收与防洪减灾双重功能的基础设施，其设计优化一直是环境工程领域的研究热点。然而现有系统面临一个关键瓶颈：设计参数与运行控制策略往往被割裂优化，导致系统整体性能无法达到理论最优值。这种"各自为政"的优化方式，使得系统在应对极端降雨事件和满足不断增长的用水需求时显得力不从心。

针对这一挑战，研究人员开发了一套创新的协同优化框架，首次将RWH系统的物理设计与动态控制策略纳入统一优化体系。研究以热带地区高密度住宅区的多水箱RWH系统为对象，该系统包含分离(Separation)、蓄滞(Detention)、收集(Harvesting)和处理(Treatment)四个功能单元。通过建立包含固定速率泵(Pump)和可变速率泵(PControl)等多种控制策略的候选方案库，结合24小时高分辨率降雨模拟，实现了系统全局性能的突破性提升。

研究采用了三个关键技术方法：(1)构建两阶段优化框架，首阶段生成候选设计方案与控制策略组合，次阶段通过模拟评估确定全局最优解；(2)开发新型约束公式，将泵控参数(如启动水位H^*和增益系数k)转化为决策变量；(3)采用历史降雨数据(含十年一遇设计暴雨)进行多场景验证。通过平衡溢流风险、水回收量和系统容量等指标，建立了包含溢出频率、产水量(Yield)和节水平衡(Balance of savings)的多维度评价体系。

研究结果部分显示：

在系统配置优化方面，最优方案采用可变速率泵控制"分离"水箱的上下出口(SD和SH)，设定水位分别为0.8m和0.1m。与仅优化设计的被动系统相比，该配置使水箱总面积从80m²降至40m²，高度从2.0m增至3.0m，形成更紧凑的垂直结构。

性能提升方面，历史降雨情景下的模拟显示，协同优化方案实现平均产水量234m³，较被动系统(184.2m³)提升27%。节水平衡指标从16.42%跃升至37.57%，意味着系统在更多降雨日中能完全依靠回收水满足灌溉需求。尤为重要的是，所有测试场景中均未观测到溢流事件，而现有系统溢流量高达9.2m³。

控制策略比较发现，可变速率泵(PControl)表现显著优于固定速率泵，后者在某些配置中甚至导致负的节水平衡(-23.95%)。研究还揭示输入降雨模式对优化结果的影响——采用历史降雨数据比单纯使用设计暴雨能产生更稳健的系统配置。

在讨论部分，作者指出该框架成功突破了传统双层优化(bi-level optimisation)的计算瓶颈。通过分解策略空间和离散化控制参数，将原本可能包含数百万变量的非线性动态优化问题，转化为可在10分钟内求解的序列模型。研究同时发现，单纯在现有系统中加装优化控制器(不改变设计)仅能带来有限改进，证实了协同优化的必要性。

这项发表于《Resources, Conservation and Recycling》的研究，为城市水系统"设计-控制"一体化优化提供了方法论突破。其创新性体现在：(1)首次在RWH系统中实现设计与控制的同步优化；(2)开发可处理多种控制策略的通用建模工具；(3)实证25%容量缩减下的性能提升。这些发现对高密度城市的水-涝协同管理具有重要指导价值，特别为新加坡等热带城市的水资源基础设施规划提供了技术支撑。未来研究可扩展至全系统多组件协同优化，并探索机器学习在控制参数预测中的应用潜力。