基于海綿城市理念的LID措施優(yōu)化布局
——以濟南市黃臺橋流域為例

徐宗學(xué)，李鵬，程濤

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875；2.城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點實驗室,北京 100875；3.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣州 510635)

近年來，全球氣候變化和城市化進程不斷加快引發(fā)了一系列城市水問題，在水資源供需矛盾、城市暴雨內(nèi)澇以及水生態(tài)環(huán)境等方面給城市居民安全造成了極大影響[1-2]。由短歷時強降水造成的城市內(nèi)澇問題尤為突出，造成的災(zāi)害損失大、影響范圍廣[3]。我國是受到城市化與氣候變化影響最為嚴重的國家之一，據(jù)《中國水旱災(zāi)害防御公報：2019》統(tǒng)計[4]，我國因洪澇共造成4 766.6萬人次受災(zāi)，658人死亡失蹤，直接經(jīng)濟損失達1 922.7億元。同時，城市暴雨內(nèi)澇發(fā)生頻率上升，加之其影響程度大，使得我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)[5-7]。最近幾年，我國“城市看?！爆F(xiàn)象愈演愈烈，逢雨必澇已逐漸成為我國許多城市的痼疾[8-9]。

在此背景下，我國新一代城市雨洪管理理念——海綿城市應(yīng)運而生。海綿城市理念的核心是低影響開發(fā)(low impact development，LID)[10]，諸多研究人員從不同角度開展了LID建設(shè)相關(guān)研究，取得了豐碩的研究成果。其中，LID措施的優(yōu)化布局研究越來越受到研究人員的關(guān)注[11]。國外從20世紀末期便已開始LID優(yōu)化布局方法的探索，至今已涌現(xiàn)出一批有益的成果，如由美國EPA開發(fā)的BMPDSS和SUSTAIN模型[12]已被廣泛應(yīng)用于LID-BMP措施優(yōu)化布局與城市雨洪管理中。國內(nèi)學(xué)者[13]21世紀初才開始注重LID的研究和實踐，目前處于探索階段，仍缺乏一套完整的城市徑流控制與LID優(yōu)化布局的理論體系。另外，目前研究多為小尺度的小區(qū)模擬，不能較好滿足區(qū)域海綿城市規(guī)劃的要求[14-16]。因此，將LID措施及優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于大尺度城市流域的海綿城市建設(shè)勢在必行。

本文在系統(tǒng)梳理海綿城市的內(nèi)涵、LID措施及其優(yōu)化布局的基礎(chǔ)上，結(jié)合案例研究，剖析LID組合措施的雨洪削減效果與其經(jīng)濟成本之間的關(guān)系，為完善我國海綿城市建設(shè)體系提供一定參考。

1 海綿城市內(nèi)涵及LID措施

1.1 海綿城市的內(nèi)涵

近年來，我國城市防洪與雨水資源化利用思想轉(zhuǎn)變，提出了新一代城市雨洪管理理念——海綿城市，北京、濟南市等30個試點城市先后開展了海綿城市建設(shè)，取得了大量成功經(jīng)驗[17]。海綿城市理念旨在緩解或解決快速城鎮(zhèn)化帶來的負面水文效應(yīng)，使城市在應(yīng)對復(fù)雜變化時展現(xiàn)出良好的“韌性”，充分利用自然的蓄存、滲透與凈化能力，達到控制徑流量、控制峰值流量、控制水環(huán)境污染和雨水資源化利用的目標[18]。

在廣義層面上，海綿城市是一種與自然環(huán)境和諧共生的發(fā)展理念，旨在解決城市化建設(shè)與自然資源環(huán)境間的矛盾。一方面，海綿城市理念以保護原有生態(tài)系統(tǒng)為原則，加大對山、水、林、田、湖的保護力度，改變傳統(tǒng)城市開發(fā)模式;另一方面，改變原有城市集中排水的防洪排澇思路，實踐海綿城市六字方針(“滲、滯、蓄、凈、用、排”)，大力恢復(fù)遭到破壞的水循環(huán)系統(tǒng)，在開發(fā)建設(shè)時要嚴格遵循生態(tài)優(yōu)先原則，將對原有水生態(tài)環(huán)境的破壞程度減少到最低限度。在狹義層面上，海綿城市是一套基于源頭削減、過程控制、末端處理思想的技術(shù)體系，即低影響開發(fā)(LID)，以增加填洼與入滲、減少地表徑流和地表沖刷污染等[19]。由此可見，海綿城市是“綠水青山就是金山銀山”科學(xué)論斷的具體實踐，體現(xiàn)了減輕城市化造成的負面水文效應(yīng)、人水和諧和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針，見圖1。

圖1 海綿城市內(nèi)涵Fig.1 The connotation of sponge city

1.2 LID措施

LID措施的宗旨是維持城市開發(fā)前的水循環(huán)特征，包括控制地表徑流量與匯流速度、削減污染物濃度等。隨著LID技術(shù)的發(fā)展，LID措施種類越來越多，常用于海綿城市建設(shè)的LID措施有：綠色屋頂、雨水花園、下凹式綠地、生物滯留池、雨水罐、透水鋪裝、植草溝等。不同的LID措施的主要功能不同，一般分為滲透、存儲、截污凈化與調(diào)節(jié)等功能，有些LID措施同時具備多種功能。因此，實際工程規(guī)劃中，應(yīng)根據(jù)區(qū)域的功能分區(qū)特點及規(guī)劃的控制目標選擇合適的LID措施。另外，諸多研究[20-21]表明，不同LID措施組合運用的效果更好。表1總結(jié)了常用的LID措施的功能與特征。

表1 各LID措施的功能特征Tab.1 Functions and characteristics of each LID measure

注：★★★-作用大；★★-作用一般；★-作用小。

2 LID措施優(yōu)化布局的方法與目標

近年來，關(guān)于LID措施優(yōu)化方面的研究[11]越來越多，已經(jīng)成為城市雨洪管理領(lǐng)域的研究前沿領(lǐng)域之一。國內(nèi)外關(guān)于LID措施優(yōu)化布局方面的研究[22-24]主要集中在LID措施的設(shè)計優(yōu)化(類型、尺寸)以及多種措施的性能評估、LID措施的空間布局優(yōu)化及成本效益分析[25-26]、參數(shù)優(yōu)化及運用多準則方法[27-29]、不同LID措施的性能試驗[30-31]等。本文聚焦LID措施的空間布局優(yōu)化研究主題，歸納總結(jié)該類研究所采用的方法及目標，以期為解決多尺度、多參數(shù)的LID措施規(guī)劃與優(yōu)化布局問題提供系統(tǒng)性和戰(zhàn)略性的指導(dǎo)思路。

當(dāng)單獨或組合LID措施位于不同位置時，它們表現(xiàn)的性能會存在一定差異。在考慮地形特征因素方面：若將LID措施布設(shè)在高不透水以及排水管網(wǎng)密集的地方，可以收集與處理大量徑流，對該區(qū)域的水文狀況產(chǎn)生較大影響[32]；若布設(shè)于滲透性較好的區(qū)域，則有利于植被生長與棲息地的保護[33]；在陡峭的地形和滲透性較差的土層條件下，會導(dǎo)致徑流速度過快，通常不利于LID措施的布設(shè)，然而這些地方對LID措施的需求較大[34-35]。另一方面，LID措施在集水區(qū)內(nèi)的相對位置(上下游、排水管首末端等)也對最后的控制效果產(chǎn)生一定影響，分散布設(shè)與集中布設(shè)方式的水文效應(yīng)也具有很大差異，見圖2[36]。一些研究[37-40]認為，在集水區(qū)上游(源頭)處布設(shè)LID措施，可以在降水一開始就起到控制徑流的作用，減輕下游排水系統(tǒng)的負荷。然而，部分研究[41-42]認為，位于下游地區(qū)或管段末端的LID措施控制效果更好。因此，不同的區(qū)域特征以及優(yōu)化目標會導(dǎo)致不同的“最優(yōu)”LID措施布局方式[37,43]。

圖2 LID措施不同空間分配方式的水文過程[36]Fig.2 Hydrological process of LID facilities with different spatial allocation

針對LID措施優(yōu)化布局主題，諸多學(xué)者從研究方法和優(yōu)化目標層面開展了大量探索性工作，取得了大量有價值的成果。方法層面上，研究人員在模型工具與啟發(fā)式算法領(lǐng)域開展了大量實踐，常用的模型工具有storm water management model (SWMM)、system for urban stormwater treatment and analysis integration model(SUSTAIN)、the hydrologic engineering center′s-hydrologic modeling system (HEC-HMS)、model for urban stormwater improvement conceptualization(MUSIC)等，應(yīng)用的啟發(fā)式算法有g(shù)enetic algorithm(GA)、non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)、particle swarm optimization(PSO)等。目標層面上，主要分為4類目標：水量控制(削減徑流總量、控制溢流量、降低徑流峰值)、水質(zhì)控制(污染物削減率)、時間控制(延長峰現(xiàn)時間)和成本控制(建設(shè)成本與維護成本)。表2總結(jié)了國內(nèi)外LID措施優(yōu)化布局研究涉及的措施類型、模型工具和優(yōu)化目標。此外，部分研究[44-46]沒有采用優(yōu)化算法，而是通過設(shè)置多種比例、位置、類型等情景，分析不同情景LID措施布局方式的效果。

表2 LID措施優(yōu)化布局研究細節(jié)Tab.2 The details of the research on the optimization layout of LID facilities

3 案例研究

針對濟南市黃臺橋流域開展LID措施優(yōu)化布局研究。該研究區(qū)包含濟南市中心城區(qū)、西北部郊區(qū)和南部山區(qū)，總面積約326 km2，濟南市海綿城市示范區(qū)就位于該研究區(qū)內(nèi)。當(dāng)暴雨發(fā)生時，南部山區(qū)形成的徑流很容易在北部形成積澇。選取不同LID措施在各功能區(qū)的設(shè)置比例為參數(shù)，在不同目標函數(shù)下對LID組合措施進行優(yōu)化，篩選LID措施布局在經(jīng)濟成本、徑流總量削減率、洪峰流量削減率和洪峰推遲時間等約束條件下的最優(yōu)方案。

3.1 黃臺橋流域功能區(qū)劃分

僅對黃臺橋流域主城區(qū)LID布設(shè)進行優(yōu)化及效果評估，根據(jù)《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標準》[57]，結(jié)合研究區(qū)下墊面特征將研究區(qū)用地類型分為園林區(qū)、居住區(qū)、公共設(shè)施區(qū)、教育科研區(qū)和其他區(qū)域，見圖3。居住區(qū)包括居住小區(qū)及周邊配套活動場所等，其建筑物密集、人口流量大、不透水率較大；教育科研區(qū)包括初高中及高等院校、研究所等；公共設(shè)施區(qū)涵蓋各大商圈，其建筑物密度大、不透水率極高；園林區(qū)包括公園、濕地、生態(tài)區(qū)等，植被覆蓋率較高、不透水率較小；其他區(qū)域包括平原區(qū)、山區(qū)等，不對該類用地進行LID設(shè)置。

圖3 濟南市主城區(qū)功能分區(qū)Fig.3 Functional zoning of main urban area in Jinan City

3.2 LID措施篩選與布局

大量研究表明，不同種類和規(guī)模的LID組合措施有助于實現(xiàn)雨水資源化利用、洪峰流量削減、徑流總量控制、生態(tài)景觀修復(fù)等多重目標，從而解決城市水問題。為了解決流域尺度LID研究中面臨的數(shù)據(jù)量大、布設(shè)位置較難確定等問題，根據(jù)研究區(qū)下墊面特征初步篩選出適用的LID，根據(jù)各功能區(qū)用地類型確定LID的最大設(shè)置比例，綜合考慮雨洪控制效果、經(jīng)濟成本等約束，對LID組合布置比例進行優(yōu)化。

在4個功能區(qū)布設(shè)不同比例的透水鋪裝和雨水花園，除園林區(qū)外均設(shè)置相應(yīng)比例的雨水罐和綠色屋頂。其中:綠色屋頂主要設(shè)置于教學(xué)樓、寫字樓及居民小區(qū)等;透水鋪裝主要設(shè)置于公路及人行道、小區(qū)道路及面積較大的廣場;雨水花園主要設(shè)置于草坪、隔離帶等公共綠地區(qū)域;雨水罐則設(shè)置于住宅、教學(xué)樓和商場等四周。研究區(qū)用地構(gòu)成及LID最大設(shè)置比例見表3，LID相關(guān)參數(shù)主要參考《雨水控制與利用工程設(shè)計規(guī)范》[58]，經(jīng)濟成本主要參考《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[21]及相關(guān)實際工程案例概算等資料，主要參數(shù)見表4。

表3 黃臺橋流域用地構(gòu)成及LID設(shè)置Tab.3 Land use composition and LID setting of Huangtaiqiao catchment

表4 LID措施主要參數(shù)及成本設(shè)置Tab.4 Main parameters and cost settings of LID measures

3.3 LID優(yōu)化情景設(shè)置

為探求不同LID組合對不同重現(xiàn)期暴雨條件下雨洪的削減效果(徑流總量、洪峰流量、峰現(xiàn)時間)，以及相應(yīng)LID的建設(shè)與維護成本對LID措施實施的制約性，根據(jù)研究區(qū)用地類型及LID布局比例，針對不同重現(xiàn)期降雨在不同目標函數(shù)下進行優(yōu)化設(shè)計，見表5。其中：CE為LID的經(jīng)濟成本(建設(shè)成本與維護成本)；QW為徑流總量削減率;Qmax為洪峰流量削減效果;TQ為洪峰推遲時間。

表5 LID優(yōu)化情景設(shè)置Tab.5 LID optimization scenario settings

3.4 結(jié)果分析

以不同LID在各功能區(qū)的設(shè)置比例為參數(shù)，針對不同的情景設(shè)置，選用NSGA-Ⅱ算法進行60 000次降雨產(chǎn)流模擬計算。以設(shè)計暴雨重現(xiàn)期1 a為例，探究LID組合雨洪削減效果與其經(jīng)濟成本之間的關(guān)系，結(jié)果見圖4，各情景LID設(shè)置比例見表6。圖4(a)～4(c)中灰色點為LID布設(shè)方案，黑色點為具有一定成本-效益的LID布設(shè)方案，綠色點為最具成本-效益的LID布設(shè)方案(即表5中最經(jīng)濟方案)，紅色點為削減效果最好的LID布設(shè)方案(即表5中最大削減方案)。圖4(d)為具有一定成本-效益的LID布設(shè)方案，氣泡大小表示洪峰流量削減率。

根據(jù)情景1結(jié)果可知:CE+QW的LID布設(shè)方案中，經(jīng)濟成本隨徑流總量削減率的增加而持續(xù)增加，最具成本-效益的布設(shè)方案徑流總量削減率為16.20%，所需經(jīng)濟成本為90.67億元；具有一定成本-效益的LID布設(shè)方案中徑流總量削減率最大為50.38%，所需經(jīng)濟成本為380.21億元。由表6可知，居住區(qū)和公共設(shè)施區(qū)的透水鋪裝對徑流總量削減效果最為明顯。

圖4 重現(xiàn)期為1 a時各情景優(yōu)化模擬結(jié)果Fig.4 Optimization simulation results of each scenario with a recurrence period of 1 year

根據(jù)情景2結(jié)果可知:CE+TQ的LID布設(shè)方案中，經(jīng)濟成本隨洪峰延遲時間的增加而呈階梯性增長。最具成本-效益的布設(shè)方案的洪峰延遲時間為0.25 h，所需的經(jīng)濟成本為106.65億元；具有一定成本-效益的LID布設(shè)方案中洪峰延遲時間最大為0.75 h，所需經(jīng)濟成本為138.55億元。由表6可知，居住區(qū)、公共設(shè)施區(qū)和園林區(qū)透水鋪裝及公共設(shè)施區(qū)綠色屋頂?shù)慕M合措施對洪峰延遲時間效果最為明顯。

表6 重現(xiàn)期為1 a時各情景優(yōu)化方案LID設(shè)置比例Tab.6 The LID setting ratio of each scenario with a recurrence period of 1 year %

根據(jù)情景3結(jié)果可知，CE+Qmax的LID布設(shè)方案中，經(jīng)濟成本隨洪峰流量削減率的增加而持續(xù)增加。最具成本-效益的布設(shè)方案的洪峰流量削減率為13.29%，此時布設(shè)LID所需的經(jīng)濟成本為118.86億元；具有一定成本-效益的LID布設(shè)方案中洪峰流量削減率最大為38.52%，所需經(jīng)濟成本為342.12億元。根據(jù)表6中兩種方案在不同功能區(qū)LID設(shè)置比例可知，公共設(shè)施區(qū)的透水鋪裝和綠色屋頂組合措施對洪峰流量削減效果最為明顯。

根據(jù)情景4結(jié)果可知:CE+QW+Qmax的LID布設(shè)方案中，經(jīng)濟成本隨徑流總量和洪峰流量削減率的增加而持續(xù)增加；由于目標函數(shù)較多，考慮到計算時間和效率，不對該情景進行最具成本-效益的布設(shè)方案的確定。具有一定成本-效益的LID布設(shè)方案中經(jīng)濟成本為397.17億元時，徑流總量削減率最大可為51.79%，洪峰流量削減率為42.96%。根據(jù)表6中最大削減方案中不同功能區(qū)LID設(shè)置比例可知，各LID比例均已接近其最大設(shè)置比，這也與經(jīng)驗相吻合。

由圖4可以看出:當(dāng)目標函數(shù)分別為CE+QW和CE+Qmax(情景1和情景3)時，其成本-效益呈線性函數(shù)關(guān)系，各情景的LID布設(shè)方案中其經(jīng)濟成本隨LID對雨洪的削減效益的增加而增加，可對實際情況中的LID布設(shè)起到一定的指導(dǎo)作用；當(dāng)目標函數(shù)為CE+TQ(情景2)時，具有一定成本-效益的LID布設(shè)方案較少，可根據(jù)實際情況進行選?。划?dāng)目標函數(shù)為CE+QW+Qmax(情景4)時，由于目標函數(shù)較多，其最優(yōu)LID布設(shè)方案還需通過較為復(fù)雜的計算方法確定。

分析情景4～16模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)目標函數(shù)為CE+QW時，具有一定成本-效益的LID布設(shè)方案中，經(jīng)濟成本隨徑流總量削減率的增加而持續(xù)增加，但隨著設(shè)計暴雨重現(xiàn)期的增加，其徑流總量最大削減率呈現(xiàn)出降低趨勢，最優(yōu)布設(shè)方案所需的經(jīng)濟成本隨之降低；當(dāng)目標函數(shù)為CE+Qmax時，具有一定成本-效益的LID布設(shè)方案中，經(jīng)濟成本隨洪峰流量削減率的增加而持續(xù)增加，但隨著設(shè)計暴雨重現(xiàn)期的增加，其洪峰流量最大削減率呈現(xiàn)出不斷降低趨勢，最優(yōu)布設(shè)方案所需的經(jīng)濟成本也隨之降低。這表明LID措施對重現(xiàn)期較低的暴雨控制效果較好，但對重現(xiàn)期較高的暴雨控制效果較差。

參考濟南市雨洪現(xiàn)狀[55]，根據(jù)模擬結(jié)果:當(dāng)濟南市相關(guān)部門擬投入100億元進行海綿城市LID工程建設(shè)時，對于1 a一遇的降雨(圖4)，此時最具成本-效益的LID布置方案約可控制17%的徑流總量；若其想控制其降水徑流總量的40%，則需相關(guān)部門投入275億元左右用于LID工程建設(shè)，同時相應(yīng)方案的LID設(shè)置比例均可通過本研究的計算方法獲取。由此可見，該研究結(jié)果對濟南市海綿城市建設(shè)具有較好的指導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

梳理了海綿城市理念的內(nèi)涵,總結(jié)了常見LID措施的功能特征，并系統(tǒng)總結(jié)了LID措施優(yōu)化布局方面的研究進展。以濟南市黃臺橋流域為研究區(qū)，基于不同功能區(qū)進行LID措施及建設(shè)比例設(shè)置，選用NSGA-Ⅱ算法對各功能區(qū)LID布局進行了多目標優(yōu)化模擬，初步得出以下結(jié)論。

選用不同的目標函數(shù)時，NSGA-Ⅱ算法能較為準確地給出具有一定成本-效益的LID布局方案，從而進一步確定出相應(yīng)情景下的最經(jīng)濟方案和最大削減方案，并能給出相應(yīng)的LID布設(shè)比例，表現(xiàn)出較良好的適用性，表明NSGA-Ⅱ算法適用于流域尺度的城市區(qū)域LID優(yōu)化布局。對徑流總量削減效果最顯著的是居住區(qū)和公共設(shè)施區(qū)的透水鋪裝，居住區(qū)、公共設(shè)施區(qū)和園林區(qū)的透水鋪裝及公共設(shè)施區(qū)的綠色屋頂組合方式對洪峰延遲時間效果最顯著，對洪峰流量削減效果最顯著的是公共設(shè)施區(qū)的透水鋪裝和綠色屋頂組合方式。本研究是對大尺度城市流域海綿規(guī)劃的初步探討，以期為該方面的研究、工程建設(shè)等提供一定參考。