雨洪利用措施生態(tài)效益的評價(jià)指標(biāo)研究

崔萬晶，李丹雄

(北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100083)

近年來，全國掀起了“海綿城市”熱，針對雨洪利用措施的研究越來越多[1-2]，例如下凹綠地、下沉花園、透水鋪裝結(jié)構(gòu)等雨洪利用形式在奧林匹克公園的應(yīng)用[3]等。有研究表明，當(dāng)綠地下凹5～10 cm時(shí)，能夠消納自身和相同面積不透水地面流入的雨水，使5年一遇日降雨無徑流外排[4]。雨水資源利用產(chǎn)生的效益是一個(gè)涉及經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)等多層次、多方位、多約束和多功能的“自然-社會-經(jīng)濟(jì)”復(fù)合系統(tǒng)[5]。但是針對各項(xiàng)措施效益評價(jià)的研究還較少，雨洪利用效益多被換算為經(jīng)濟(jì)價(jià)值，例如：秦皇島市“在水一方”住宅小區(qū)雨洪利用工程的綜合效益為4.88萬元/a[2]；陜西省楊凌城區(qū)采用雨洪利用措施，將住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)和教育科研區(qū)收集到的雨水全部用于居民生活中的非飲用水，一年可為居民節(jié)省開支823.40萬元[6]；北京市2011年“6·23”降雨，雨洪利用工程收集雨水量達(dá)113萬m3，帶來的間接經(jīng)濟(jì)效益為0.51億元[5]。目前評價(jià)指標(biāo)的選取尚未有一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，多是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行選擇，效益評價(jià)的指標(biāo)也尚未構(gòu)建一套科學(xué)合理、普遍適用的理論體系[1]。

此外，因雨洪利用措施的效益體現(xiàn)在多個(gè)方面[7]，且有很多的外部性效益，很難具體量化，包括提升區(qū)域景觀效果、改善區(qū)域小氣候、消除區(qū)域內(nèi)澇、增加區(qū)域地下水補(bǔ)給等[8]，因此雨洪利用措施的效益評價(jià)顯得比較復(fù)雜。

目前，雨洪利用措施的生態(tài)效益評價(jià)主要停留在某些指標(biāo)方面且不夠全面，尚未對各個(gè)指標(biāo)之間的相互關(guān)系對效益的影響進(jìn)行研究。本研究通過對目前采用較多的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，研究其相互作用關(guān)系，最后采用相互作用關(guān)系矩陣法對定性的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦值，旨在建立定量與定性分析方法為一體的評價(jià)指標(biāo)體系。

1 評價(jià)指標(biāo)的選取原則

目前采用較多的指標(biāo)有硬化地面透水率、綠地下凹率、徑流系數(shù)的控制、外排徑流量的控制、消除內(nèi)澇的效益、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、景觀性等。指標(biāo)的選取應(yīng)遵循全面性原則、代表性原則和實(shí)用性原則。

首先，指標(biāo)的選取應(yīng)全面，應(yīng)將所有可能的生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)綜合考慮，全面分析各因素的內(nèi)在聯(lián)系和對效益分析的影響。

其次，指標(biāo)的選取應(yīng)有代表性，效益評價(jià)的指標(biāo)眾多，應(yīng)選取對效益評價(jià)起重要作用的指標(biāo)，影響較小的指標(biāo)可以不做選取。

最后，評價(jià)指標(biāo)還應(yīng)實(shí)用，在具體的效益分析中，指標(biāo)應(yīng)可以量化，指標(biāo)數(shù)據(jù)可以在實(shí)踐中獲取。生態(tài)效益評價(jià)的指標(biāo)眾多，包括定量和定性的指標(biāo)，應(yīng)從中盡可能選出可定量的指標(biāo)，進(jìn)而使得效益評價(jià)可以量化。

2 評價(jià)指標(biāo)

硬化地面透水率、綠地下凹率、徑流系數(shù)、外排徑流量、內(nèi)澇等指標(biāo)，在北京市多個(gè)文件及地方標(biāo)準(zhǔn)《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB 11/685—2013)中均有相應(yīng)的規(guī)定：其中硬化地面透水率規(guī)定“具備透水地質(zhì)要求的新建(含改、擴(kuò)建)人行步道、城市廣場、步行街、自行車道應(yīng)采用透水鋪裝路面，且透水鋪裝率不應(yīng)小于70%”；下凹式綠地率規(guī)定“不宜低于50%”；徑流系數(shù)規(guī)定“已建成城區(qū)的外排雨水流量徑流系數(shù)不大于0.5，新開發(fā)區(qū)域外排雨水流量徑流系數(shù)不大于0.4”；外排徑流量規(guī)定“建設(shè)區(qū)域的外排水量不大于開發(fā)前的水平”。

2.1 硬化地面透水率

硬化地面透水率是指硬化地面透水鋪裝的面積占所有硬化地面面積的比例。硬化地面透水率與徑流系數(shù)、入滲速率息息相關(guān)。多數(shù)情況下，硬化地面透水率增大，則地表的徑流系數(shù)減小，滲入到土壤層的降水增多，利于雨洪利用[9]。

2.2 綠地下凹率

綠地下凹率是指采取了下凹式整地的綠地面積占所有綠地面積的比例。下凹式綠地具有滲透雨水、削減洪峰流量、減輕地表徑流污染等效果[10-11]。研究表明，在降雨頻率較大的地區(qū)，采用下凹式綠地能夠有效削減洪峰流量[12]，明顯減小徑流系數(shù)，增加雨洪的利用量?？梢?，綠地下凹率直接關(guān)系到雨洪利用的效果。

2.3 徑流系數(shù)

徑流系數(shù)是指在一定的匯水面積內(nèi)某一時(shí)間段的地表徑流深度與同一區(qū)域同一時(shí)間段內(nèi)相應(yīng)的降水量之比。地表徑流系數(shù)受地表下墊面情況及土壤的入滲速率影響很大[13]。一般來說，在同一降水條件下，地表徑流系數(shù)越大，則入滲進(jìn)入土壤層的水分就會越少，即可以用于后期雨水調(diào)蓄的水資源量減少，雨洪利用率變低；反之，則雨洪利用率增大。這說明徑流系數(shù)對雨洪利用措施效益有重要影響。

2.4 外排徑流量

徑流量是指一定時(shí)段內(nèi)通過某一斷面的總水量。徑流量受降水量、氣溫、蒸發(fā)量等因素影響較大。通常外排徑流量并不直接影響雨洪利用的效果，而需要借助集水措施如蓄水池、下凹綠地等實(shí)現(xiàn)。

2.5 內(nèi) 澇

內(nèi)澇是指城市當(dāng)中由于強(qiáng)降水天氣或連續(xù)降水超過城市排水能力，以致于城市內(nèi)產(chǎn)生積水災(zāi)害的現(xiàn)象[14]。要消除內(nèi)澇，一方面要增加區(qū)域排水能力[15]，另一方面需要增強(qiáng)雨水調(diào)蓄能力，提高區(qū)域的雨洪利用效率。可見，內(nèi)澇情況能直接反映雨洪利用措施的實(shí)施效果。

3 評價(jià)指標(biāo)的篩選及相互關(guān)系分析

3.1 評價(jià)指標(biāo)相互作用關(guān)系矩陣

2.1至2.5所述評價(jià)指標(biāo)相互作用，常用于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中的雨洪利用評價(jià)。這5個(gè)指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)、相互作用，綜合影響了雨洪利用措施的整體效益。借鑒李坤等[16]關(guān)于多因素相互作用關(guān)系矩陣的場址評價(jià)方法，我們采用John Hudson相互作用關(guān)系矩陣法，定性與定量相結(jié)合評價(jià)各個(gè)評價(jià)指標(biāo)對雨洪利用措施生態(tài)效益的影響程度，以確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

通過構(gòu)建矩陣，將各評價(jià)指標(biāo)放置在對角線位置，水平方向表示原因值，代表在該主對角線上評價(jià)指標(biāo)作用于其他評價(jià)指標(biāo)對雨洪利用措施效益產(chǎn)生的影響，豎直方向表示結(jié)果值，代表在該主對角線上評價(jià)指標(biāo)受到其他評價(jià)指標(biāo)作用而對雨洪利用措施效益產(chǎn)生的影響。

→原因值R

↓

結(jié)果值F

(1)

式中：Xi,i表示雨洪利用措施效益評價(jià)指標(biāo)中的第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)；Xi,j表示第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)對其他評價(jià)指標(biāo)的影響(即原因值R)；Xj,i表示第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)受到其他評價(jià)指標(biāo)的影響(即結(jié)果值F)。

(2)

(3)

在雨洪利用措施效益評價(jià)分析中，通過計(jì)算各指標(biāo)的活動性指數(shù)分析單個(gè)指標(biāo)對雨洪利用措施效益的貢獻(xiàn)。指標(biāo)的活動性指數(shù)越高，說明其對雨洪利用措施效益的貢獻(xiàn)越大。活動性指數(shù)計(jì)算公式為

(4)

3.2 構(gòu)建相互作用關(guān)系矩陣

本研究采用硬化地面透水率(P1)、綠地下凹率(P2)、徑流系數(shù)(P3)、徑流量(P4)和內(nèi)澇(P5)這5個(gè)指標(biāo)構(gòu)建相互作用關(guān)系矩陣，采用半定量專家取值編碼法對各評價(jià)指標(biāo)相互作用強(qiáng)度(0～4)進(jìn)行分級賦值，見表1、2。對雨洪利用措施效益各評價(jià)指標(biāo)賦值后，構(gòu)建的矩陣見表3。

將評價(jià)指標(biāo)相互作用關(guān)系矩陣中的數(shù)值根據(jù)式(2)、(3)計(jì)算，得到各評價(jià)指標(biāo)的因果值見表4。

表1 評價(jià)指標(biāo)相互作用關(guān)系矩陣

表2 半定量專家取值法

表3 評價(jià)指標(biāo)相互作用關(guān)系矩陣編碼取值

根據(jù)雨洪利用措施效益評價(jià)指標(biāo)的原因值和結(jié)果值，繪制評價(jià)指標(biāo)因果關(guān)系圖，不同的值分布在不同位置，反映了不同的措施效益評價(jià)指標(biāo)之間相互作用的強(qiáng)度，評價(jià)指標(biāo)因果關(guān)系見圖1。

表4 評價(jià)指標(biāo)因果值

圖1 評價(jià)指標(biāo)因果關(guān)系

由圖1可見，評價(jià)指標(biāo)均分布在主對角線附近，說明在雨洪利用措施效益評價(jià)中，所選評價(jià)指標(biāo)之間有明顯的相互作用，并以此對雨洪利用效益產(chǎn)生影響。圖中評價(jià)指標(biāo)的R+F值越大，說明該雨洪利用評價(jià)指標(biāo)與其他指標(biāo)之間的相互作用對雨洪利用措施效益評價(jià)的影響越顯著；圖中左上角遠(yuǎn)離對角線方向評價(jià)指標(biāo)的R-F值越大，則說明該評價(jià)指標(biāo)受雨洪利用措施效益評價(jià)的影響程度越大；圖中右下角遠(yuǎn)離主對角線方向評價(jià)指標(biāo)的R-F值越小，則說明該評價(jià)指標(biāo)對雨洪利用措施效益評價(jià)的影響程度越大。評價(jià)指標(biāo)的活動性指數(shù)反映了各指標(biāo)對雨洪利用措施效益影響的權(quán)重值，即代表了各指標(biāo)在雨洪利用措施效益評價(jià)中的重要性。根據(jù)公式(4)可計(jì)算得到各評價(jià)指標(biāo)的活動性指數(shù)。

各評價(jià)指標(biāo)的R+F值、R-F值及活動性指數(shù)K值見表5。由表5可知，評價(jià)指標(biāo)通過相互作用關(guān)系對雨洪利用效益影響程度最強(qiáng)的是內(nèi)澇，最弱的是徑流量，由強(qiáng)到弱的排列順序?yàn)閮?nèi)澇(P5)→綠地下凹率(P2)→徑流系數(shù)(P3)→硬化地面透水率(P1)→徑流量(P4)。

表5 評價(jià)指標(biāo)評價(jià)值

4 結(jié)論與討論

本研究選取5個(gè)雨洪利用措施效益評價(jià)指標(biāo)，采用John Hudson相互作用關(guān)系矩陣法對雨洪利用措施效益進(jìn)行的分析表明，雨洪利用措施效益評價(jià)指標(biāo)中最能體現(xiàn)效益的指標(biāo)由強(qiáng)到弱依次為內(nèi)澇、綠地下凹率、徑流系數(shù)、硬化地面透水率、徑流量。由此可見，檢驗(yàn)雨洪利用措施效益最直接的方法是看其能夠緩解多少內(nèi)澇。