低影響開發(fā)成本效益研究內(nèi)容與方法進(jìn)展綜述

李沐寒唐 爽

低影響開發(fā)（Low impact development，LID）是一種新興的城市雨洪管理技術(shù)，能夠有效地減少城市徑流污染與洪澇災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前，國內(nèi)外LID的研究逐漸綜合化和多學(xué)科化，并開始向城市規(guī)劃領(lǐng)域延伸，針對(duì)LID成本效益地探討日益增加。然而，現(xiàn)階段我國的城市雨洪管理仍處于大規(guī)模投入與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段，相關(guān)研究還未成體系[1]。因此，本文通過對(duì)近20年相關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)分析，探討了LID研究熱點(diǎn)的轉(zhuǎn)變趨勢，從LID措施的成本控制和效益評(píng)估兩方面對(duì)LID成本效益的研究內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)綜述，總結(jié)了LID成本效益的研究方法及具體應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上提出未來研究的重點(diǎn)發(fā)展方向。研究結(jié)果可為我國城市雨洪管理的規(guī)劃實(shí)踐提供借鑒。

1 LID概念與研究熱點(diǎn)的轉(zhuǎn)變

1.1 LID的起源與概念

全球范圍內(nèi)大規(guī)模的城市建設(shè)使得許多城市面臨著各種各樣的“城市病”，洪澇災(zāi)害是其中發(fā)生比較頻繁的一個(gè)。過去，以雨水工程為主的灰色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是解決城市洪澇問題的首要選擇[2]。然而，大量的灰色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不僅改變了地表的產(chǎn)匯流條件，增加了雨水徑流量，而且造成了水資源的巨大浪費(fèi)[3]。因此，為應(yīng)對(duì)城市雨洪帶來的一系列生態(tài)環(huán)境問題，反思基于灰色基礎(chǔ)設(shè)施的傳統(tǒng)雨洪管理理念，許多國家提出了“將雨水轉(zhuǎn)化為資源”的新型城市雨洪管理方法。20世紀(jì)90年代，在城市用地緊缺問題和“基于自然的解決方案（Nature-based solution，NBS）”理念的影響下，第二代最佳管理措施（Beneficial management practices，BMPs）——低影響開發(fā)（或稱低影響設(shè)計(jì)，Low impact design）應(yīng)運(yùn)而生[4]。

LID作為近年來國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的城市雨洪管理措施，可在保障城市建設(shè)發(fā)展的前提下，通過優(yōu)化透水面空間格局達(dá)到減少不透水面的目的，是實(shí)現(xiàn)城市雨洪管理的有效手段[5-6]。迄今為止，美國、新西蘭、德國等國家都已經(jīng)形成了較為完整的城市雨洪管理體系。隨著我國海綿城市建設(shè)的深入發(fā)展，LID也被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃實(shí)踐。包括生物滯留池（Bioretention）、雨水花園（Rain garden）、植草溝（Grass swale）、綠色屋頂（Green roofs）等在內(nèi)的各種小型綠色基礎(chǔ)設(shè)施被用來降低地表非滲透面面積，從而達(dá)到調(diào)蓄雨洪的目的[7-8]。

1.2 LID研究熱點(diǎn)的轉(zhuǎn)變

自20世紀(jì)90年代末以來，各界對(duì)LID的認(rèn)知不斷提升，其研究范圍也逐步拓寬。本文基于Web of Science數(shù)據(jù)庫，以“Low Impact Development”為關(guān)鍵詞搜索了1998年—2018年的相關(guān)文章，最終檢索到SCI、SSCI論文共571篇，并利用CiteSpace軟件對(duì)其進(jìn)行文獻(xiàn)的共被引分析和出現(xiàn)時(shí)間線分析。其中，采用LLR（Log-likelihood ratio）算法對(duì)文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚類分析（圖1），發(fā)現(xiàn)LID研究的關(guān)鍵詞主要為吸附作用、綠色屋頂、透水面、管網(wǎng)溢流、污染物削減、城市規(guī)劃、成本效益和生命周期評(píng)價(jià)等方面。

圖1 文獻(xiàn)共被引分析聚類

此外，由文獻(xiàn)共被引分析時(shí)間線（圖2）可以得出LID研究呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉、追求綜合效益最優(yōu)的發(fā)展趨勢：最早從1998年起，有學(xué)者開始對(duì)綠色屋頂?shù)萀ID單體的建造技術(shù)及原理進(jìn)行探索[9]；2004年左右，針對(duì)LID的研究開始豐富，相繼出現(xiàn)了對(duì)植被過濾帶、透水鋪裝等LID措施的關(guān)注；與此同時(shí)，對(duì)LID吸附作用、徑流和污染物削減的研究成為熱點(diǎn)，并著重分析了LID的雨洪調(diào)控原理[10]；此后，隨著LID建設(shè)實(shí)踐的發(fā)展，相關(guān)建設(shè)技術(shù)和徑流控制原理的研究逐步完善；2010年左右，城市規(guī)劃領(lǐng)域展開了對(duì)LID建設(shè)與空間布局的探討，特別是針對(duì)LID成本效益的研究逐漸增多，并延續(xù)至今[11-12]。

圖2 文獻(xiàn)共被引分析時(shí)間線

2 LID成本效益研究內(nèi)容

2.1 LID措施的成本控制

LID措施的成本控制屬于城市雨洪管理綜合開發(fā)利用的前期設(shè)計(jì)階段，目前多項(xiàng)研究探討了LID建設(shè)工程技術(shù)進(jìn)步帶來的成本控制效果，涉及到工程、技術(shù)、預(yù)算、材料等諸多方面[13]。一般認(rèn)為，LID建設(shè)成本的控制需要平衡自然條件和目標(biāo)需求，通過改變地表水文特征、提升雨水徑流管理效率等途徑，得到成本低同時(shí)效益優(yōu)的建設(shè)方案[14]。城市規(guī)劃界對(duì)于LID措施的成本控制研究則主要集中于空間優(yōu)化配置問題，試圖通過設(shè)施布局的優(yōu)化進(jìn)而控制經(jīng)濟(jì)投入。經(jīng)過多年的探索和實(shí)踐，最新的研究結(jié)果表明LID措施的成本控制不僅需要關(guān)注單個(gè)設(shè)施的水文和水質(zhì)調(diào)控效果，更重要的是評(píng)估區(qū)域雨洪管理設(shè)施建設(shè)的投入和產(chǎn)出，流域范圍的雨洪管理逐漸成為海綿城市規(guī)劃的前沿研究方向[15-16]。

2.2 LID措施的效益評(píng)估

LID措施的效益評(píng)估存在于城市雨洪管理綜合開發(fā)利用的設(shè)計(jì)、建設(shè)和檢測各個(gè)階段。最早的效益評(píng)估主要通過與傳統(tǒng)雨洪控制設(shè)施的對(duì)比研究，表明LID的建設(shè)成本低于灰色基礎(chǔ)設(shè)施，在城市雨洪管理效果上也遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)雨洪管理模式[17]。在效益評(píng)估指標(biāo)選取方面，研究常采用環(huán)境指標(biāo)，對(duì)于經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和社會(huì)文化指標(biāo)的探討則相對(duì)較少。總體而言，既有研究多將環(huán)境指標(biāo)分為水文評(píng)估和水質(zhì)評(píng)估兩類，其中水文評(píng)估指標(biāo)如徑流量和峰值流量，研究均認(rèn)為與傳統(tǒng)開發(fā)相比LID措施可以降低徑流系數(shù)、徑流量和峰值流量，延后峰值時(shí)間[18-20]；水質(zhì)評(píng)估指標(biāo)中應(yīng)用較多的則有TSS去除率、TP去除率和TN去除率，研究結(jié)果表明LID措施對(duì)水質(zhì)凈化同樣具有很好的效果[21-22]。

3 LID成本效益研究方法

隨著對(duì)LID成本效益討論的逐漸增多，大量試圖探尋LID的設(shè)計(jì)和優(yōu)化布局以期達(dá)到環(huán)境效益和成本投入平衡的研究開始出現(xiàn)。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展使得相應(yīng)研究方法不斷走向全面和科學(xué)化。簡要而言，大致經(jīng)過了建設(shè)成本法、生命周期法、費(fèi)效比分析法和水文模型與算法結(jié)合方法四個(gè)階段（表1）。

表1 LID成本效益研究方法

3.1 建設(shè)成本法

建設(shè)成本法通常用來比較LID前期資本投入和建造成本，包括購買土地、建筑、材料和設(shè)備的資金，可以方便地得出LID措施與傳統(tǒng)雨洪控制設(shè)施的建設(shè)成本差異，大多數(shù)對(duì)LID措施的經(jīng)濟(jì)評(píng)估研究局限于此。如有學(xué)者通過對(duì)一系列LID措施進(jìn)行成本分析并構(gòu)建費(fèi)用模型對(duì)小區(qū)雨水利用工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，所得結(jié)果表明LID措施與傳統(tǒng)雨洪控制設(shè)施建設(shè)相比具有明顯的成本優(yōu)勢[28]；美國堪薩斯州公共工程部運(yùn)用該方法對(duì)城市休閑場所中LID措施與傳統(tǒng)雨洪控制設(shè)施的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析，表明LID措施可以節(jié)省數(shù)萬美元的場地費(fèi)用和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用[29]。

建設(shè)成本法簡單易行，可直觀反映出LID措施所需的投資成本。但其應(yīng)用多局限于單一雨洪管理措施方案，同時(shí)由于該方法忽視了管理和維護(hù)等其他相關(guān)環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)投入，因而難以全面反映LID建設(shè)后的運(yùn)營費(fèi)用。

3.2 生命周期評(píng)價(jià)法

生命周期評(píng)價(jià)（Life cycle assessment，LCA）產(chǎn)生于1969年，是基于最初原料提取到加工制造直至廢棄物最終處理全過程的資源和環(huán)境影響進(jìn)行的定量分析與評(píng)估。有學(xué)者將其用于建設(shè)項(xiàng)目評(píng)估中，提出了LID生命周期成本效益評(píng)價(jià)方法[30]。該方法不僅考慮建設(shè)成本，還包括了后期維護(hù)、運(yùn)營以及報(bào)廢成本。

由于生命周期評(píng)價(jià)可以更加全面地描述LID的綜合費(fèi)用，在國外逐步發(fā)展成為政府及企業(yè)重要的環(huán)境治理手段和預(yù)防性的環(huán)境保護(hù)措施[31]。我國也有學(xué)者采用該方法進(jìn)行了相關(guān)研究，如通過LCA方法對(duì)雨水花園與滲透鋪裝+滲透管/井系統(tǒng)等LID措施進(jìn)行生命周期全過程的成本分析[32]；計(jì)算LID措施全生命周期的成本凈現(xiàn)值及凈年值，并結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)綠色雨水系統(tǒng)的建造成本、運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用、運(yùn)行期收益等經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析[33]。

LCA方法豐富了LID的成本內(nèi)涵，但在實(shí)際的運(yùn)用過程中其對(duì)工程費(fèi)用和價(jià)格數(shù)據(jù)收集的要求較高，計(jì)算量大；同時(shí)，該方法對(duì)LID措施可提供的長期效益關(guān)注不足。

3.3 費(fèi)用—效益比方法

費(fèi)用—效益比（Return on investment，ROI）方法在國內(nèi)外研究中較為常見，該方法分別計(jì)算LID建設(shè)成本和環(huán)境效益，然后根據(jù)比值評(píng)估其成本效益，基本計(jì)算公式如下[34]：

ROI=C/B（C代表雨洪管理措施的建設(shè)成本，B代表項(xiàng)目的產(chǎn)出效益）。

費(fèi)用—效益比能夠直觀反映出雨洪管理設(shè)施投入與產(chǎn)出的比值，近年來應(yīng)用逐漸增多。有學(xué)者通過構(gòu)建道路LID的成本費(fèi)用函數(shù)和效益函數(shù)，計(jì)算了LID的前期成本、施工成本和運(yùn)營維護(hù)成本，以及直接經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)水收益等10種效益，得到復(fù)雜生物滯留設(shè)施成本費(fèi)用和綜合效益的比值（費(fèi)效比）遠(yuǎn)小于1[13]；國外也有學(xué)者運(yùn)用長期水文影響評(píng)價(jià)模型（Long-term hydrological impact analysis，L-THIA），通過局部重點(diǎn)區(qū)域（徑流和污染物超負(fù)荷區(qū)域）的綠色基礎(chǔ)設(shè)施（Green infrastructure，GI）優(yōu)化，使得費(fèi)效比最小的同時(shí)建設(shè)成本最低[35]。雖然該方法原理簡單、實(shí)用性強(qiáng)，但在流域尺度的雨水管理措施建設(shè)中對(duì)所有方案進(jìn)行費(fèi)效比計(jì)算耗時(shí)費(fèi)力，因而其無法為區(qū)域海綿城市建設(shè)提供決策支持。

3.4 水文模型與算法結(jié)合方法

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，人們開始關(guān)注算法在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，LID成本效益的研究方法也逐漸呈現(xiàn)出與多種算法結(jié)合的趨勢。由于城市雨洪管理目標(biāo)既包括徑流和水質(zhì)調(diào)控，也包括對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化等的影響，因此單一優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)無法解決現(xiàn)實(shí)生活中的LID布局優(yōu)化問題[36]。為了實(shí)現(xiàn)各類目標(biāo)的總體最優(yōu)需要對(duì)各子目標(biāo)進(jìn)行綜合考量，國外學(xué)者率先進(jìn)行了多種優(yōu)化算法研究，較為常見的有分散搜索算法、遺傳算法等。

（1）分散搜索算法

分散搜索（Scatter search）算法是一種基于種群的全局搜索技術(shù)，其可生成多樣性的參考解集合，并運(yùn)用“分散—收斂集聚”的智能迭代機(jī)制，不斷地用新的優(yōu)化解取代參考集內(nèi)的解，直到搜索不到更優(yōu)方案為止，多用于單目標(biāo)的優(yōu)化[35]。

城市雨洪管理中運(yùn)用分散搜索算法能夠搜索符合環(huán)境控制目標(biāo)的最小成本方案，進(jìn)而可為雨洪管理措施的科學(xué)配置方案提供決策支持。有學(xué)者嘗試將農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模型（Agricultural nonpoint source pollution model）與分散搜索算法相耦合，以成本最低為目標(biāo)優(yōu)化流域尺度中的LID布局和配置，結(jié)果得出LID成本值對(duì)水質(zhì)改善目標(biāo)的敏感性較大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)沉積效應(yīng)影響LID的水質(zhì)改善作用[37]。

（2）遺傳算法

遺傳算法（Genetic algorithm，GA）是一種通過模擬生物界進(jìn)化規(guī)律進(jìn)行隨機(jī)化搜索的方法，其優(yōu)點(diǎn)是可以在單一運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)多個(gè)最優(yōu)解。該算法適應(yīng)性強(qiáng)，可用于各種LID類型和尺度的多目標(biāo)優(yōu)化研究，也是目前LID成本效益分析中最常用的方法，其中運(yùn)用最廣泛的是非支配遺傳算法（Nondominated sorted genetic algorithm-II，NSGA-II）。

作為一種基于帕累托最優(yōu)的先進(jìn)遺傳算法，非支配遺傳算法與分散搜索算法集中于單目標(biāo)的最優(yōu)求解不同，該算法最終得到的不是某個(gè)特定的解，而是所有具有成本效益的方案集合，因而多用于多目標(biāo)的優(yōu)化問題[38]。2005年，Cristina Perez-Pedini等人構(gòu)建了一種基于電子表格的分布式水文模型，嘗試應(yīng)用遺傳算法開發(fā)城市雨洪管理優(yōu)化模型，描述了滲透式措施數(shù)量與徑流量之間的權(quán)衡關(guān)系，并確定了城市雨洪管理措施的最優(yōu)位置，研究結(jié)果表明最優(yōu)位置和數(shù)量是流域網(wǎng)絡(luò)、徑流時(shí)間、土地利用、排水時(shí)間等結(jié)合的復(fù)雜函數(shù)[39]。此后，許多學(xué)者將SWMM模型與NSGA-II算法耦合，結(jié)果表明雨水桶和透水鋪裝削減徑流量和污染物的能力相似，生物滯留池削減徑流量和污染物的功能相對(duì)更好，且與雨水桶相比生物滯留池和透水鋪裝對(duì)成本增加的敏感度較小[40]；也有學(xué)者利用MATLAB集成遺傳算法和SWMM模型對(duì)比分析了在香港和西雅圖建設(shè)綠色屋頂、生物滯留設(shè)施和透水鋪裝三種LID設(shè)施的效果、成本和各類設(shè)施的敏感參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)透水鋪裝的成本效益最高，而綠色屋頂由于只能滲透落入其中的雨水，成本效益最低[41]。而后，為了排除結(jié)果中最后成本效益方案外的其他可能性方案，有學(xué)者在NSGA-II算法基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，運(yùn)用了博格多目標(biāo)進(jìn)化算法（Borg multiobjective evolutionary algorithm，Borg MOEA）等更為先進(jìn)的精英遺傳算法。該算法不斷將新的成本效益方案代替舊的方案，最終生成只有最優(yōu)目標(biāo)解的一條成本效益曲線，結(jié)果更加直觀[42]。也有學(xué)者將SWMM模型與博格多目標(biāo)進(jìn)化算法相耦合，模擬了最小總徑流量、峰值流量和最小成本目標(biāo)下LID的最佳組合方案[43]。

當(dāng)前，國內(nèi)應(yīng)用算法進(jìn)行的LID成本效益研究相對(duì)較少，既有研究多直接運(yùn)用集成式軟件模型，如基于SUSTAIN、BMPDSS等模型針對(duì)具體地區(qū)進(jìn)行的LID成本效益實(shí)踐研究[44-46]。在這些集成式軟件模型中，SUSTAIN模型優(yōu)化模塊可提供NSGA-II算法，使得成本效益的分析更加方便，現(xiàn)已越來越多地應(yīng)用于城市雨洪管理規(guī)劃決策中[47]。如有學(xué)者運(yùn)用SUSTAIN模型以污染物凈化為目標(biāo)探討了LID的優(yōu)化方案[48]；也有學(xué)者利用SUSTAIN模型得出LID措施對(duì)徑流的削減量隨著總成本的增加存在一定閾值，超過閾值后邊際效益會(huì)遞減[49]。

4 結(jié)論與展望

在生態(tài)文明建設(shè)背景下，LID是緩解城市洪澇和水污染問題的重要手段。梳理并總結(jié)該領(lǐng)域的進(jìn)展，可以發(fā)現(xiàn)，LID的成本效益已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，研究對(duì)象從單一雨洪管理措施的評(píng)估擴(kuò)展到流域范圍的整體評(píng)估與優(yōu)化分析，計(jì)算方法從較簡單的人工計(jì)算發(fā)展為基于算法的復(fù)雜模型。為了解決城市雨洪管理措施的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益之間的權(quán)衡問題，研究往往需要在徑流削減、污染物控制和節(jié)約成本等多目標(biāo)下對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。相較于國外，我國當(dāng)前針對(duì)LID成本效益的研究明顯不足，未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面的研究。

①完善綜合性的城市雨洪管理效益評(píng)估體系。我國海綿城市建設(shè)指南中對(duì)徑流總量等水文效應(yīng)指標(biāo)作出了明確規(guī)定，為各地LID效益評(píng)估提供了參考。但由于LID的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)文化效益難以量化，目前的效益評(píng)估仍以環(huán)境效益指標(biāo)為主。因此，未來研究應(yīng)完善效益評(píng)估體系，構(gòu)建綜合性的城市雨洪管理效益評(píng)估體系。

②構(gòu)建城市雨洪管理優(yōu)化布局方法框架。LID的空間配置對(duì)海綿城市建設(shè)的整體效益有著決定性作用，前瞻性的定量研究和模型開發(fā)有利于完善城市雨洪管理系統(tǒng)的建設(shè)。為了構(gòu)建城市雨洪管理優(yōu)化布局方法框架，各地應(yīng)提倡并引導(dǎo)數(shù)據(jù)開放，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，應(yīng)學(xué)習(xí)西方國家先進(jìn)的算法應(yīng)用思路，在計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展的背景下構(gòu)建適用于我國實(shí)情的方法框架。

③實(shí)踐中重視城市雨洪管理的動(dòng)態(tài)評(píng)估檢測。監(jiān)測系統(tǒng)是城市雨洪管理體系的重要組成部分，目前多地嘗試建設(shè)了海綿城市監(jiān)測信息化平臺(tái)，通過對(duì)“源頭—過程—末端”重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測來反映建設(shè)效果。未來應(yīng)建立全過程的動(dòng)態(tài)跟蹤評(píng)估體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)建設(shè)維護(hù)過程中問題和風(fēng)險(xiǎn)的在線管控，為城市水資源的綜合管理和海綿城市建設(shè)效益的評(píng)定提供數(shù)據(jù)支撐。

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文中圖表均為作者繪制。