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題目： Modeling Transitions in Urban Water Systems
作者：: Rauch W, Urich C, Bach P M
第一作者單位：Institute of Environmental Engineering, ETH Zürich, Switzerland
期刊：Water Research
發表時間：May 2017
城市基礎設施在未來的運行狀況需要綜合考慮生物物理學的變化與城市社會學的變化。而目前對城市基礎設施的運行狀況的模擬往往從生物物理學的角度進行考量，對社會學因素重視較少。一般的城市社會學模型往往使用主體建模做到，多數在空間上過於粗糙，難以提供有意義的系統規劃工具。將城市的生物物理學與社會學組分進行集成是一個研究方向。
本文提供了一種「探索性建模」的解決方案和一個集成的決策支持工具DAnce4Water（圖1）。DAnce4Water包含了三個子系統：水基礎設施、城市發展與社會子系統，將三者連入圖1中心所示的指揮單元，可做到三個子系統的集成。
水基礎設施模塊(BPM)：利用柵格像元，模擬城市水基礎設施（集中式與分散式）的建立，並模擬這些系統的表現；城市發展模塊(UDM)：運用主體建模方法，基於UrbanSim模擬人口、政策、法規對城市發展（人口分布與土地利用）的影響；社會變遷模塊(STM)：將暴雨管理技術的變化簡化為分散式基礎設施占比的變化，將大量的可行解簡化為一個路徑集以作為輸入。三個模塊的集成方式詳見圖2。
圖1DAnce4Water的構架
圖2DAnce4Water的三個模塊間協同作用
具體而言，STM基於輸入情景模擬未來可能的發展路徑，為集中式/分散式系統「賦權」；將得到的權值輸入BPM；UDM模擬城市形態的變化，得到GIS數據；BPM根據UDM的GIS數據與STM的結果，基於輸入的目標與約束在城市空間放置集中式/分散式系統，得到滿意解，從而做到三個模塊的集成。
由於模型的構建是用於模擬未來的城市水基礎設施，因此本文基於城市的歷史發展進行案例分析，模擬城市水基礎設施的變化過程，對模型進行驗證。本文選取了選取墨爾本Scotchman’s Creek匯水區從1960年至2010年的數據進行分析。輸入包括當地的區劃圖（包括土地利用與樓層密度等規範）與人口分布、當地雨排水系統的變化（分時間段轉化為一系列目標與約束）、當地相關法律法規的變化（按照時間設置約束）。
模型的驗證則從以下幾個方面進行：
首先是對土地利用的模擬驗證（圖3）：將模擬得到的屋頂面積、建築物數量與不同時期的現狀進行對比，其相關係數的平方均大於0.7，表明其有很高的相關性。
其次是對暴雨管理路徑集的模擬驗證（圖4）：將模擬得到的暴雨管理路徑集中分散式和綠色基礎設施的占比與不同時期的現狀進行對比，模擬結果與歷史現實有較高的擬合度。
再次是對集中式基礎設施的模擬驗證（圖5）：將模擬得到的集中式基礎設施方案集中管網總長度與不同時期的現狀進行對比，結果表明模擬方案集與現實方案不止在總長度上，在拓撲結構上也能較好地吻合。
最後是對分散式基礎設施的模擬驗證（圖6）：將模擬的方案集中分散式基礎設施的放置與實際情形進行對比，發現模擬方案與實際情形的位置較為接近，現實中存在分散式基礎設施的位置在模型中基本都存在，這表面了二者的吻合度高。不過二者仍然有一些差異，原因包括：城市空間模擬時選取的柵格大小為500m×500m、以及現實中在某些位置安裝基礎設施不可行。
圖3模擬得到的2010年屋頂面積與建築物數量和實際狀況的對比
圖4模擬得到的分散式與綠色基礎設施總占比與歷史數據
圖5模擬得到的集中式基礎設施方案集和歷史現狀對比
圖62006年分散式基礎設施的模擬方案集與現實方案
文中所建立的集成模型DAnce4Water可以很好地模擬城市水基礎設施隨社會發展、城市形態改變而產生的變化。它所使用的集成與簡化手段，如：將暴雨管理技術變化簡化為成分散式基礎設施占比變化、將城市水基礎設施的建立在柵格像元上做到等，在未來的模擬中均能有較好的利用。另外，本文使用的一些指標，如按照斯特拉勒數分類的管網長度，對於管網拓撲結構的研究也具有一定的參考價值。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135417307935
