SUSTAIN支持下的LID建設(shè)成本效益研究——以南京市鼓樓區(qū)為例

李沐寒 尹海偉 唐爽

當(dāng)前，為應(yīng)對(duì)城市發(fā)展帶來(lái)的一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，反思基于灰色基礎(chǔ)設(shè)施的傳統(tǒng)雨洪管理理念，許多國(guó)家提出了“將雨水轉(zhuǎn)化為資源”的新型城市雨洪管理方法。其中低影響開(kāi)發(fā)（Low Impact Development, LID）因能夠模仿地表自然狀態(tài)下的水文機(jī)制，實(shí)現(xiàn)源頭徑流控制，改善城市水生態(tài)環(huán)境并增加水系統(tǒng)的彈性[1]，已成為有效緩解城市雨洪問(wèn)題的重要策略。

然而LID建設(shè)涉及工程、技術(shù)、預(yù)算、材料等諸多方面，不僅需要評(píng)估單個(gè)設(shè)施的水文和水質(zhì)調(diào)控效果，更重要的是對(duì)區(qū)域雨洪管理措施建設(shè)的投入和產(chǎn)出進(jìn)行評(píng)估[2-3]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，一系列關(guān)于雨洪管理措施建設(shè)成本與效益的討論開(kāi)始出現(xiàn)，試圖探尋環(huán)境效益和成本投入的平衡，并針對(duì)其優(yōu)化配置形成了一套較為成熟的分析流程[4]。尤其水文模型與算法結(jié)合的方法促進(jìn)了LID優(yōu)化分析的系統(tǒng)性和目標(biāo)方案的適用性，在實(shí)踐中逐漸得到廣泛應(yīng)用。其中城市降雨徑流控制的模擬與分析集成系統(tǒng)（System for Urban Stormwater Treatment and Analysis Integration, SUSTAIN）是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署于2009年通過(guò)整合暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model, SWMM）和最佳管理措施決策支持系統(tǒng)（Best Management Practice Decision Support System, BMPDSS）研發(fā)的一款小型優(yōu)化集成軟件。與其他雨洪模型相比，SUSTAIN中的LID類型更加豐富，土地模擬更加完善，且內(nèi)置的選址工具能夠根據(jù)LID適用特征將其精準(zhǔn)布局到空間上，強(qiáng)化了可視化功能和對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。此外，SUSTAIN的優(yōu)化模塊中內(nèi)置分散搜索算法（Scatter Search, SS）和非支配排序遺傳算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-II），能夠在給定的優(yōu)化目標(biāo)下搜索所有可能方案，并在后處理模塊中生成成本效益曲線，更好地幫助決策者執(zhí)行雨水管理目標(biāo)并節(jié)約投資費(fèi)用[5]。因此，本研究依托ArcGIS與SUSTAIN建立城市雨洪管理評(píng)價(jià)與優(yōu)化的方法框架，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建南京市鼓樓區(qū)水文模型，并進(jìn)行LID措施的成本效益分析。

表1 模型所需的數(shù)據(jù)及來(lái)源Tab. 1 Data and sources required for the model

以往應(yīng)用SUSTAIN進(jìn)行的城市雨洪管理措施成本效益分析通常僅關(guān)注不同降雨條件或LID配置方案的影響，忽視了對(duì)不同措施內(nèi)在連接方式的考量。本研究則考慮了徑流路徑對(duì)成本效益的影響，借助SUSTAIN的最佳管理措施（Best Management Practice, BMP）模擬模塊構(gòu)建了3種不同的LID連接方案，并利用SUSTAIN模型優(yōu)化模塊中的NSGA-II算法模擬得到成本效益曲線圖，從而選擇最優(yōu)成本效益下的LID配置方案。研究結(jié)果對(duì)鼓樓區(qū)的土地利用規(guī)劃、綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和城市控制性詳細(xì)規(guī)劃均具有一定的參考價(jià)值，同時(shí)可為國(guó)內(nèi)其他城市的海綿城市規(guī)劃與建設(shè)提供方法支撐與決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本研究的研究范圍為南京市鼓樓區(qū)，位于南京市區(qū)西北部，總面積54.18 km2。區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜、山水環(huán)繞，可利用的土地資源十分緊張，不透水面面積（建筑、道路和其他用地）占64.7%[6]。隨著氣候變化和不透水面面積的持續(xù)增加，有研究表明鼓樓區(qū)洪澇災(zāi)害的發(fā)生概率將會(huì)同步增加[7]，因此LID設(shè)施建設(shè)尤為重要。

本研究所需數(shù)據(jù)主要包括以下幾個(gè)部分：BMP選址工具所需的土地利用、透水率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[8]；SUSTAIN水文模型構(gòu)建中匯水區(qū)劃分和管網(wǎng)概化所需的機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)和南京市鼓樓區(qū)總體規(guī)劃（2013—2030年）中的雨水管網(wǎng)、道路等信息；氣象參數(shù)（溫度、風(fēng)速）和降雨數(shù)據(jù)（表1）。

本研究所采用的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)由南京市測(cè)繪勘察研究院于2009年4月通過(guò)Optech ALTM Gemini傳感器圍繞南京市中心城區(qū)獲取，研究區(qū)內(nèi)部的點(diǎn)密度為4.16個(gè)點(diǎn)/m2。機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的處理在LiDAR360中完成，以生成高精度DEM。為保證氣象和降雨數(shù)據(jù)的真實(shí)性，本研究使用在南京市棲霞區(qū)金陵小學(xué)屋頂自設(shè)的Hobo U30微氣象觀測(cè)系統(tǒng)和CR-1000降雨徑流觀測(cè)系統(tǒng)，分別對(duì)2016年6月—2017年5月的空氣溫度（℃）、風(fēng)速（m/s）、降雨量（mm）等因素進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)得到南京市氣象和降雨數(shù)據(jù)。最后，基于ArcGIS軟件平臺(tái)，將表1中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、格式轉(zhuǎn)換和數(shù)字化，建立具有統(tǒng)一坐標(biāo)系的地理數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 研究方法

2.1 SUSTAIN模型組成

SUSTAIN模型依托ArcGIS9.3空間分析系統(tǒng)作為操作平臺(tái)，內(nèi)含七大功能模塊：BMP選址工具、框架管理模塊、土地模擬模塊、傳輸模擬模塊、BMP模擬模塊、優(yōu)化模塊和后處理模塊[7]。SUSTAIN模型的功能包括前期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整合、BMP措施的選址和空間配置、降雨徑流和水質(zhì)的模擬以及規(guī)劃方案優(yōu)化[9]。

2.2 基于多源數(shù)據(jù)的研究區(qū)水文模型構(gòu)建

本研究基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理獲取了精細(xì)尺度（精度為1 m×1 m）的研究區(qū)DEM，進(jìn)而通過(guò)ArcGIS水文分析實(shí)現(xiàn)城市流域的匯水區(qū)劃分，并借助SUSTAIN傳輸模擬模塊通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)和管段構(gòu)建研究區(qū)排水系統(tǒng)。為了提高模型的運(yùn)算效率，在ArcGIS中根據(jù)研究區(qū)排水管網(wǎng)和匯水區(qū)匯流情況對(duì)節(jié)點(diǎn)和管段進(jìn)行概化（保留管段起始和匯入節(jié)點(diǎn)、流向改變處的節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化）后，再輸入SUSTAIN水文模型中。

SUSTAIN水文模擬需要的模型參數(shù)可以分為3類：1）氣候與降雨參數(shù)；2）子匯水區(qū)的屬性參數(shù)，包括子匯水區(qū)的面積、不透水面率、坡度、曼寧系數(shù)等；3）管段的屬性參數(shù)，包括長(zhǎng)度、曼寧系數(shù)等。本研究采用SWMM土地外部模擬方法，匯水區(qū)面積和坡度等確定性參數(shù)可根據(jù)客觀數(shù)據(jù)利用ArcGIS計(jì)算得到，而模型中需要主觀識(shí)別和輸入的曼寧系數(shù)、下滲速率等水文和水質(zhì)模擬參數(shù)能夠影響模型模擬的準(zhǔn)確性，因此需要對(duì)這類參數(shù)進(jìn)行校核。本研究采用徑流系數(shù)法進(jìn)行水文模型主要參數(shù)的率定（表2），具體方法為參考經(jīng)驗(yàn)值預(yù)設(shè)參數(shù)的初始值，然后根據(jù)水文模擬結(jié)果不斷校準(zhǔn)參數(shù)，直至所得徑流系數(shù)為0.6（鼓樓區(qū)綜合徑流系數(shù)的參考值為 0.5～0.7）。

雖然SUSTAIN模型中含有雨洪管理措施成本數(shù)據(jù)庫(kù)（美國(guó)國(guó)家成本數(shù)據(jù)庫(kù)），以滿足優(yōu)化模塊搜索符合用戶定義成本條件下的LID最佳組合方案，但最新的當(dāng)?shù)爻杀究梢愿訙?zhǔn)確地反映實(shí)際材料和人工成本[10]。因此，本研究中的LID措施成本采用自設(shè)值，根據(jù)南京市當(dāng)?shù)豅ID建造報(bào)價(jià)、海綿城市建設(shè)技術(shù)指南和相關(guān)文獻(xiàn)，得到各類LID措施的建造成本：綠色屋頂200元/m2，透水鋪裝150元/m2，生物滯留池500元/m2，植草溝200 元 /m2。

2.3 LID空間配置

相關(guān)研究顯示，LID占地面積較小、工程量較少，可在大部分城市化區(qū)域建設(shè)，且其對(duì)于重現(xiàn)期小的降雨事件能起到削減徑流量和凈化徑流水質(zhì)的作用[11]。上述特征適用于城市化率較高且用地復(fù)雜的鼓樓區(qū)，因而予以重點(diǎn)考慮。根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀情況和LID實(shí)施的難易程度，本文作者選取綠色屋頂、生物滯留池、透水鋪裝和植草溝4種LID措施進(jìn)行研究。其中，綠色屋頂作為一種典型的LID措施已經(jīng)被廣泛使用，常見(jiàn)于各類建構(gòu)筑物屋頂、露臺(tái)或天臺(tái)上，可通過(guò)植物的葉片、根系和土壤截留、吸收水分從而有效削減雨水；透水鋪裝是指由人工材料鋪設(shè)的透水路面，能夠有效促進(jìn)雨水下滲、延長(zhǎng)雨水滯留時(shí)間、增加滲透；生物滯留池則可以結(jié)合景觀設(shè)計(jì)在城市化區(qū)域（如商務(wù)區(qū)、居住小區(qū)、道路周邊等）建設(shè)，其不僅能夠吸收來(lái)自不透水面或屋面的徑流，同時(shí)具有一定的景觀效果；植草溝是一種表面覆蓋植被、用來(lái)輸送和過(guò)濾雨水的明渠，其通常設(shè)置在生物滯留池前端，雨水經(jīng)植草溝預(yù)處理后流入管道，可以替代傳統(tǒng)的排水溝。

結(jié)合文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)值，本研究運(yùn)用SUSTAIN系統(tǒng)中的BMP選址工具，根據(jù)模型內(nèi)置約束參數(shù)與自定義約束條件確定了LID的空間位置[6]（表3），結(jié)果如下：LID適建面積共計(jì)8.80 km2，占研究區(qū)總面積的16.33%。其中，綠色屋頂2.56 km2，占鼓樓區(qū)屋頂總面積的18%；透水鋪裝2.23 km2；生物滯留池2.98 km2；植草溝 1.03 km2（圖 1）。

表2 模型參數(shù)率定過(guò)程Tab. 2 The process of model parameter calibration

表3 LID空間配置特征參數(shù)Tab. 3 LID spatial configuration feature parameters

2.4 基于SUSTAIN的LID成本效益分析

本研究首先根據(jù)不同的徑流傳輸路徑設(shè)置了3個(gè)模擬場(chǎng)景，并參照《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》與當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)標(biāo)準(zhǔn)，確定了60%～85%的年徑流總量控制目標(biāo)[12]。其次，基于SUSTAIN優(yōu)化模塊中的NSGA-II算法，通過(guò)設(shè)定的決策變量數(shù)值范圍，對(duì)所有情景方案的成本和徑流削減效率進(jìn)行了評(píng)估模擬，進(jìn)而得到不同場(chǎng)景下的成本效益曲線和最優(yōu)方案，并對(duì)比了不同LID連接方式對(duì)成本效益的影響。最后，結(jié)合4個(gè)匯水分區(qū)的計(jì)算結(jié)果，對(duì)鼓樓區(qū)LID措施規(guī)劃布局和海綿城市建設(shè)提出建議。

2.4.1 模擬場(chǎng)景設(shè)定

本文作者將研究區(qū)簡(jiǎn)化為4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的匯水分區(qū)（圖2），其中S1片區(qū)面積15.5 km2，自然環(huán)境良好，西側(cè)與長(zhǎng)江相鄰，北部有幕府山，南部建筑密度較高，整體不透水面率達(dá)60%，與鼓樓區(qū)建設(shè)環(huán)境最為相似（圖3）。由于SUSTAIN的優(yōu)化模擬針對(duì)單一獨(dú)立的匯水區(qū)運(yùn)行，4個(gè)子匯水區(qū)方法和操作流程一致，故本研究以S1片區(qū)作為案例實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行LID措施的成本效益分析方法介紹，并以相同方法計(jì)算得出其余匯水區(qū)優(yōu)化結(jié)果。

由于LID措施之間的連接順序直接影響雨水徑流路徑和徑流時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致雨水管理效果的差異，因此本研究考慮LID措施的串、并聯(lián)銜接關(guān)系并設(shè)置了3個(gè)模擬場(chǎng)景（圖4）。

1）場(chǎng)景一：生物滯留池與植草溝串聯(lián)，并與其余LID措施并聯(lián)（圖4-1）。

1 LID的空間配置LID saptial configuration

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)劃定Delineation of experimental area

3 實(shí)驗(yàn)區(qū)下墊面現(xiàn)狀圖Status of underlying surface in the experimental area

4 實(shí)驗(yàn)區(qū)LID布置The LID layout in the experimental area

降雨發(fā)生后分為屋面雨水與路面雨水。其中，降落至屋頂?shù)挠晁徊糠滞ㄟ^(guò)普通屋頂直接從落水管排出至雨水口，另一部分則經(jīng)綠色屋頂截留、下滲后再?gòu)穆渌芘胖劣晁?。而降落至路面的雨水一部分通過(guò)透水鋪裝下滲進(jìn)入土壤，超出吸納能力的雨水可沿不透水面排至雨水口；另一部分則漫流至植草溝，在長(zhǎng)距離傳輸和下滲過(guò)后進(jìn)入生物滯留池，繼續(xù)削減和過(guò)濾；其余超出LID削減能力的雨水則匯流后直接排入雨水系統(tǒng)中。

2）場(chǎng)景二：透水鋪裝、生物滯留池與植草溝串聯(lián)，并與綠色屋頂并聯(lián)（圖4-2）。

將透水鋪裝與生物滯留池和植草溝串聯(lián)，降落到地面的雨水經(jīng)透水路面滯留后，超出下滲能力的徑流可匯流至生物滯留池和植草溝，從而達(dá)到二次削減的目的；而降落至屋頂?shù)挠晁畡t經(jīng)綠色屋頂截留、下滲后直接匯流至雨水口。

3）場(chǎng)景三：4種LID設(shè)施全部串聯(lián)（圖 4-3）。

在場(chǎng)景二的基礎(chǔ)上，超出綠色屋頂削減能力的雨水經(jīng)落水管匯流至地表后，將流入下滲型的植草溝和生物滯留池進(jìn)行再次滯留，而超出削減能力的雨水最終進(jìn)入雨水口，進(jìn)一步延長(zhǎng)了徑流路徑和時(shí)長(zhǎng)。

2.4.2 決策變量與優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置

已有研究表明，將雨洪管理措施放置在不同的位置會(huì)影響雨洪控制系統(tǒng)的整體成本效益[13]，因此LID措施的空間位置代表了優(yōu)化系統(tǒng)的一個(gè)重要決策變量。此外，LID措施的規(guī)模數(shù)量是另一個(gè)重要的決策變量。SUSTAIN中的BMP模擬模塊可在對(duì)應(yīng)匯水區(qū)放置LID措施并設(shè)置規(guī)模參數(shù)。本研究通過(guò)浮動(dòng)設(shè)定每個(gè)子匯水區(qū)LID措施單元數(shù)量的最小值、最大值和間隔值來(lái)定義搜索范圍，為優(yōu)化模擬提供了上萬(wàn)種可能性的組合方案。

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[14]，城市尺度的海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)通常以年徑流總量為控制標(biāo)準(zhǔn)。而SUSTAIN優(yōu)化模塊中提供了3種徑流總量控制目標(biāo)設(shè)定：徑流總量、徑流總量削減百分比、雨洪管理措施設(shè)置后與設(shè)置前的徑流總量比值。由于本研究重點(diǎn)在于評(píng)價(jià)LID措施的雨洪調(diào)控能力，因此選用相對(duì)于現(xiàn)狀情景的徑流總量削減百分比作為優(yōu)化控制目標(biāo)。參考2018年《南京市海綿城市規(guī)劃建設(shè)指南》[12]，本研究將鼓樓區(qū)年徑流總量控制目標(biāo)設(shè)定在60%～85%，即模擬場(chǎng)景的環(huán)境優(yōu)化控制目標(biāo)上限為85%，下限為60%。

3 結(jié)果分析

3.1 不同LID連接方案的成本效益評(píng)價(jià)

SUSTAIN優(yōu)化模塊中，搜索矩陣是用戶指定的決策變量所決定的方案集合，最終可計(jì)算出所有類型、配置和成本的LID措施組合方案。本研究采用優(yōu)化模塊中的NSGA-II算法，分別對(duì)S1片區(qū)的3個(gè)LID規(guī)劃場(chǎng)景的成本效益進(jìn)行模擬計(jì)算，得到成本效益曲線結(jié)果（圖 5～7）。

5 LID規(guī)劃場(chǎng)景一的成本效益分析模擬結(jié)果Simulation results of cost-effectiveness analysis of LID planning scenario 1

6 LID規(guī)劃場(chǎng)景二的成本效益分析模擬結(jié)果Simulation results of cost-effectiveness analysis of LID planning scenario 2

7 LID規(guī)劃場(chǎng)景三的成本效益分析模擬結(jié)果Simulation results of cost-effectiveness analysis of LID planning scenario 3

8 不同場(chǎng)景的成本效益曲線對(duì)比Cost-effectiveness curves for different scenarios

成本效益分析模擬結(jié)果圖中的橫坐標(biāo)為不同LID配置方案所需的建造成本；縱坐標(biāo)為相對(duì)于現(xiàn)狀情景的年徑流總量削減百分比（%），即方案能達(dá)到的環(huán)境控制效果。圖中的點(diǎn)表示LID措施建設(shè)配置的所有方案，點(diǎn)的縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的比值（即效益與成本比值）越大代表方案的成本效益越高。結(jié)果中的灰色點(diǎn)由于相對(duì)不具備成本效益因而無(wú)法被選擇；紅色點(diǎn)代表具有一定成本效益的配置方案；綠色高亮的點(diǎn)則為在本次模擬中選定的最具成本效益的方案，后處理模塊可同步給出該方案LID措施的配建比例。由圖5～7可知同一徑流削減目標(biāo)下存在多種LID配置方案，各方案建造成本也具有差異，因而從中選擇最具成本效益的方案既可以節(jié)約前期投資成本，又能達(dá)到相對(duì)理想的環(huán)境控制目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)雨洪管理經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的雙贏。

對(duì)比3個(gè)LID規(guī)劃場(chǎng)景的模擬結(jié)果可以看出，不同規(guī)劃方案的年徑流總量削減效率的變化幅度均在70%～80%，達(dá)到了60%的最低削減目標(biāo)，成本則在1.34億～3.35億元。本研究將3個(gè)場(chǎng)景模擬結(jié)果中不同效益下成本最低的方案點(diǎn)進(jìn)行連接，得到了成本效益的變化曲線（圖8）。

9 場(chǎng)景一LID的最優(yōu)配置方案The optimal configuration scheme of LID in scenario 1

10 場(chǎng)景二LID的最優(yōu)配置方案The optimal configuration scheme of LID in scenario 2

11 場(chǎng)景三LID的最優(yōu)配置方案The optimal configuration scheme of LID in scenario 3

不同LID措施模擬場(chǎng)景（并聯(lián)模式、串并聯(lián)結(jié)合模式、串聯(lián)模式）所得成本效益結(jié)果具有顯著差異，且并聯(lián)模式成本效益低于串聯(lián)模式。由圖8可見(jiàn)，在總成本相近的情況下場(chǎng)景三的整體效益最高，可達(dá)72%～77%（比場(chǎng)景一高出約4%）；其次為場(chǎng)景二，當(dāng)年徑流控制效率在72%～75%且1.68億元的初始成本下與場(chǎng)景三的效益相近，但隨著成本不斷增加，所得效益差異逐漸顯著，其差值在成本達(dá)到2.68億元后趨于穩(wěn)定；并聯(lián)模式的場(chǎng)景一成本效益曲線顯著低于其他2個(gè)場(chǎng)景，相同成本下的徑流削減效果最差。由此可見(jiàn)，LID連接方式對(duì)徑流傳輸路徑的改變能夠造成成本效益的差異。這一方面是由于串聯(lián)模式增加了雨水徑流傳輸路徑，延長(zhǎng)了徑流下滲的時(shí)間；另一方面，處于上游位置的LID措施在滯蓄功能達(dá)到上限后，多余的雨水徑流可進(jìn)入下游LID措施（如植草溝和生物滯留池）繼續(xù)下滲后進(jìn)入雨水口，避免了直接排入管網(wǎng)系統(tǒng)。因此，LID措施具有一定的累積效應(yīng)，相同徑流控制效果下串聯(lián)模式相較并聯(lián)模式可以節(jié)省上千萬(wàn)元的投資成本，是組合式LID措施方案的優(yōu)選。

另外，圖8中3條成本效益曲線走勢(shì)相似，均在成本增加至一定值后效益達(dá)到最高，并隨即趨于平穩(wěn)。場(chǎng)景一、二、三分別在2.35億元、2.68億元和3.02億元成本下達(dá)到最大效益，并在其后保持穩(wěn)定，可見(jiàn)超出閾值后LID措施成本增加所帶來(lái)的徑流削減邊際效益減少并逐漸趨于零。因此為了避免資源和投資浪費(fèi)，應(yīng)在雨洪管理規(guī)劃前期對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估比較。

3.2 鼓樓區(qū)LID成本效益與最優(yōu)方案分析

根據(jù)模擬結(jié)果，可對(duì)應(yīng)識(shí)別出3個(gè)場(chǎng)景中最具成本效益的LID配置方案（即圖5～7中綠色點(diǎn)），得到最優(yōu)LID配置方案結(jié)果（圖9～11）。圖中橫坐標(biāo)為削減效益，縱坐標(biāo)為所需成本，不同色塊代表不同LID措施的成本占比?？梢钥吹?，隨著橫坐標(biāo)的增加，LID配置方案的總成本也在不斷增加，故選擇成本最低時(shí)為最優(yōu)方案。

由圖9可知，場(chǎng)景一中，最優(yōu)方案為總投入1.88億元時(shí)年徑流總量削減71%；由圖10可知，場(chǎng)景二中，最優(yōu)方案為總投入1.81億元時(shí)年徑流總量削減74%；由圖11可知，場(chǎng)景三中，最優(yōu)方案的年徑流總量消減率為76%，此時(shí)所需總成本投入為2.08億元，其中屋頂綠化造價(jià)占總成本的28%，透水鋪裝造價(jià)占總成本的13%，生物滯留池造價(jià)占總成本的42%，植草溝造價(jià)占總成本的17%。

參照上述思路，本研究針對(duì)鼓樓區(qū)其他3個(gè)匯水區(qū)，同樣采用串聯(lián)模式構(gòu)建LID連接網(wǎng)絡(luò)，并利用SUSTAIN優(yōu)化模塊對(duì)LID措施進(jìn)行了成本效益模擬分析，選取最優(yōu)配置方案。

通過(guò)成本效益分析可得鼓樓區(qū)LID建設(shè)的最優(yōu)方案（表4），其中S1、S2、S3、S4匯水區(qū)在最優(yōu)配置方案下的年徑流總量削減率分別為76%、81%、66%和74%。此種情景下，當(dāng)總投資成本為7.4億元時(shí)，鼓樓區(qū)整體年徑流總量削減率可達(dá)75%。其中綠色屋頂造價(jià)總計(jì)2.14億元，占總成本的28.7%，建設(shè)面積1.06 km2；透水鋪裝造價(jià)總計(jì)1.19億元，占總成本的15.9%，建設(shè)面積0.79 km2；生物滯留池造價(jià)總計(jì)2.86億元，占總成本38.4%，建設(shè)面積0.57 km2；植草溝造價(jià)總計(jì)1.26億元，占總成本的17%，建設(shè)面積0.63 km2。

3.3 鼓樓區(qū)LID措施規(guī)劃布局建議

利用雨洪管理措施進(jìn)行城市更新和局部改造是緩解城市洪澇災(zāi)害的重要選擇，筆者結(jié)合鼓樓區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀與SUSTAIN成本效益分析結(jié)果對(duì)LID措施提出以下規(guī)劃布局建議。

1）在LID規(guī)劃布局過(guò)程中，除用地條件外，對(duì)于LID措施的上下游連接功能也應(yīng)予以考慮。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，串聯(lián)模式的LID布置在相同年徑流削減率下相較并聯(lián)模式可以節(jié)約上千萬(wàn)元的成本投入，因此鼓樓區(qū)LID建設(shè)布局可考慮串聯(lián)設(shè)置順序。

表4 各匯水區(qū)LID最優(yōu)方案Tab. 4 The optimal scheme of LID for each catchment area

2）海綿城市前期規(guī)劃須考慮投資成本與收益之間的平衡，爭(zhēng)取以最小成本達(dá)到環(huán)境控制目標(biāo)。本研究選取的最優(yōu)成本效益方案的年徑流總量削減率可達(dá)75%，符合《南京市海綿城市建設(shè)指南》的要求。根據(jù)研究結(jié)果，鼓樓區(qū)最優(yōu)LID措施配置方案的總成本投入為7.4億元。可據(jù)此為鼓樓區(qū)海綿城市規(guī)劃建設(shè)提供決策與建議，以避免投資與資源浪費(fèi)。

4 結(jié)論與討論

在海綿城市LID建設(shè)過(guò)程中，SUSTAIN模型所提供的成本效益模擬結(jié)果不僅可以對(duì)方案的徑流削減作用、水質(zhì)控制效果做出評(píng)估，同時(shí)可以在整體投資成本控制和LID方案配置上輔助決策者做出規(guī)劃決策。本研究構(gòu)建了LID的優(yōu)化配置框架，針對(duì)城市建成區(qū)LID措施建設(shè)方案的優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了雨洪管理措施的成本效益分析并提出規(guī)劃布局建議。具體結(jié)論如下：

1）LID的連接方式會(huì)影響其開(kāi)發(fā)建設(shè)的成本效益，串聯(lián)模式下LID的成本效益優(yōu)于并聯(lián)模式，證明了LID的成本效益存在一定的累積效應(yīng)。本研究以60%～85%的年徑流總量削減百分比作為研究區(qū)LID建設(shè)的優(yōu)化目標(biāo)，得到相同徑流控制效果下串聯(lián)模式相較并聯(lián)模式可以節(jié)省上千萬(wàn)元的投資成本。但需要注意的是，本研究探討的是理想狀態(tài)下LID的空間布局模式，由于實(shí)際工程中區(qū)域?qū)用鍸ID的串并聯(lián)建設(shè)較難實(shí)現(xiàn)，因此其可行性還有待未來(lái)進(jìn)行更加深入的研究。

2）成本效益曲線表明，隨著LID投資成本和建設(shè)規(guī)模的增加，徑流削減效率在一定成本投入下達(dá)到最高值后即趨于平穩(wěn)，超出閾值后LID措施成本增加所帶來(lái)的邊際效益減少并逐漸趨于零。

3）成本效益曲線能夠很好地指導(dǎo)LID最優(yōu)配置方案的選取，利用SUSTAIN的LID優(yōu)化布局模擬結(jié)果可為海綿城市建設(shè)、土地利用規(guī)劃、綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和城市控制性詳細(xì)規(guī)劃提供參考。

圖表來(lái)源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～4、8由作者繪制；圖5～7、9～11為SUSTAIN模型后處理模塊出圖；表1～4由作者繪制。