建筑外環(huán)境經(jīng)濟(jì)型低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)模式研究
——以南陽(yáng)一中校園為例

陳泓宇 董宇翔 李 雄 劉志成 林辰松

(1.北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院, 北京 100083; 2.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 上海 200092)

1 研究背景

建筑是城市主要的下墊面類型之一,同時(shí)也是城市徑流與雨洪問(wèn)題主要的“源”空間。建筑外環(huán)境指建筑室外一定范圍內(nèi)的道路、綠地、水體等[1],以單位、園區(qū)、校園為徑流控制單元,通過(guò)建筑外環(huán)境的低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)(Low Impact Development, LID),將雨水徑流控制在建筑及建筑群周邊一定的空間范圍內(nèi),能夠有效地減輕管網(wǎng)運(yùn)行壓力,削減城市徑流危害[2],提升雨水資源利用率,是實(shí)現(xiàn)“海綿城市”建設(shè)與城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

自我國(guó)開(kāi)展“海綿城市”建設(shè)以來(lái),已經(jīng)形成了較為普適的低影響開(kāi)發(fā)方法與設(shè)計(jì)流程[3],并積累了一定的針對(duì)建筑外環(huán)境低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的研究與成果[4-5],然而相關(guān)研究在開(kāi)展建筑外環(huán)境LID設(shè)施布局時(shí),多套用一般性綠地的設(shè)計(jì)方法,特別是在量化LID設(shè)施規(guī)模時(shí)多依據(jù)水量平衡法,基于下墊面類型與降雨量計(jì)算理論地表徑流產(chǎn)值并轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ID設(shè)施規(guī)模值[6],但由于忽視了下墊面其他屬性以及徑流匯流過(guò)程的水文效應(yīng),以此方法得到的LID設(shè)施規(guī)模往往過(guò)大、設(shè)施空置率高[7-8],造成建設(shè)浪費(fèi)。為合理量化LID設(shè)施規(guī)模以實(shí)現(xiàn)節(jié)約化建設(shè),已有相關(guān)研究通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,協(xié)同考慮LID設(shè)施的生態(tài)因素與經(jīng)濟(jì)因素,借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件優(yōu)選LID設(shè)施規(guī)模[9],如邵明、李沐寒等運(yùn)用SUSTAIN模型優(yōu)選了綠地LID設(shè)施建設(shè)的成本最優(yōu)方案[10-11],劉家琳等針對(duì)山地環(huán)境空間提出了水文-成本綜合效益的雨洪管理設(shè)計(jì)方法[12]。然而在研究對(duì)象層面,針對(duì)建筑外環(huán)境的有關(guān)研究相對(duì)較少。

建筑屋頂徑流水量大,水質(zhì)良好,收集于建筑外環(huán)境的雨水徑流不僅能夠用于綠地日常養(yǎng)護(hù),還可就近回饋建筑用水,且依托于較高的管理精度,雨水資源化的實(shí)現(xiàn)度更高,因此建筑外環(huán)境相對(duì)于其他城市環(huán)境具有更廣泛的徑流利用途徑和更強(qiáng)的雨水資源化潛力。然而,目前有關(guān)研究大多僅在數(shù)學(xué)層面考慮了LID設(shè)施雨洪效能與建設(shè)經(jīng)濟(jì)成本的平衡,且未能分類量化LID設(shè)施,從而導(dǎo)致如雨水罐等以高質(zhì)量徑流為目標(biāo)、以存蓄利用為主導(dǎo)功能的設(shè)施,因建設(shè)成本較高而被排除在優(yōu)化方案之外[13],且可能導(dǎo)致建設(shè)后多類型徑流混合收集,徑流水質(zhì)難以滿足回用需求而造成LID設(shè)施無(wú)效建設(shè)等問(wèn)題。因此在研究?jī)?nèi)容和結(jié)果層面,現(xiàn)有節(jié)約式低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)并不能完全匹配建筑外環(huán)境雨水利用特征,限制了建筑外環(huán)境通過(guò)雨水資源化產(chǎn)生長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)勢(shì)與潛力,造成了實(shí)際上的浪費(fèi),亟待對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行細(xì)化以匹配建筑外環(huán)境的低影響開(kāi)發(fā)場(chǎng)景。

此外,在國(guó)外景觀績(jī)效系列(Landscape Performance Series,LPS)、場(chǎng)地可持續(xù)性設(shè)計(jì)行動(dòng)計(jì)劃(Sustainable SITES Initiative,SITES)等績(jī)效評(píng)價(jià)體系中,雨水資源利用率均被作為雨洪績(jī)效評(píng)估的重點(diǎn)[14-15],而我國(guó)住建部所印發(fā)的《海綿城市建設(shè)績(jī)效評(píng)價(jià)與考核辦法(試行)》中,同樣將雨水資源利用率作為重要考核指標(biāo)。所以,協(xié)同建筑外環(huán)境低影響開(kāi)發(fā)建設(shè)成本控制與間接經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化不僅是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化LID設(shè)施建設(shè)性價(jià)比的重要途徑,更是落實(shí)我國(guó)“海綿城市”建設(shè)理念的關(guān)鍵命題。

綜上,本研究將針對(duì)建筑外環(huán)境,基于LID設(shè)施目標(biāo)收集徑流和功能導(dǎo)向的差異性,細(xì)化建筑外環(huán)境LID設(shè)施規(guī)模的量化和空間分配過(guò)程,構(gòu)建一套滿足徑流控制目標(biāo),同時(shí)有效控制LID設(shè)施建設(shè)成本,且能保證雨水資源利用率的經(jīng)濟(jì)型低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)模式。選擇南陽(yáng)一中校園為試驗(yàn)對(duì)象,運(yùn)用該方法優(yōu)選LID設(shè)施布局方案,以驗(yàn)證方法的可行性,以期為建筑外環(huán)境高績(jī)效低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與我國(guó)“海綿城市”的高質(zhì)量建設(shè)提供范例與參考。

2 建筑外環(huán)境經(jīng)濟(jì)型低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法

2.1 基本流程

LID設(shè)施一般可分為滲透、傳輸、存儲(chǔ)利用、截污凈化等類型[16]。本研究擬通過(guò)最節(jié)約的LID設(shè)施規(guī)模,同步達(dá)到目標(biāo)徑流控制率與最優(yōu)雨水資源利用率,實(shí)現(xiàn)綠地低影響開(kāi)發(fā)的節(jié)約化建設(shè),因此重點(diǎn)選擇滲透型、傳輸型設(shè)施(稱為滲透滯緩型設(shè)施),以及存蓄利用型設(shè)施進(jìn)行研究,截污凈化裝置不在本研究討論范圍內(nèi)。

因存蓄利用設(shè)施同樣可發(fā)揮一定的徑流調(diào)控功能,為避免重復(fù)量化可能產(chǎn)生的干擾,故首先對(duì)存蓄利用設(shè)施進(jìn)行獨(dú)立量化優(yōu)選,之后將確定的存蓄利用設(shè)施規(guī)模作為前置性條件,納入滲透滯緩型設(shè)施的規(guī)模量化流程,以針對(duì)特定徑流控制目標(biāo)優(yōu)選滲透滯緩型設(shè)施的規(guī)模,從而準(zhǔn)確控制LID設(shè)施規(guī)模。

2.2 存蓄利用設(shè)施布局方法

2.2.1設(shè)施規(guī)模量化

因綠地可利用徑流量有限,當(dāng)存蓄利用設(shè)施規(guī)模過(guò)大時(shí),超出可利用徑流量的部分將無(wú)法發(fā)揮設(shè)施功能,從而發(fā)生無(wú)效建設(shè)而產(chǎn)生浪費(fèi);同時(shí),綠地用水需求也并非無(wú)限制的,當(dāng)用水需求滿足時(shí),盡管能夠進(jìn)一步收集徑流,但如果無(wú)法實(shí)質(zhì)性利用,也將產(chǎn)生建設(shè)浪費(fèi)。所以,在布局存蓄利用設(shè)施時(shí),應(yīng)優(yōu)先量化、對(duì)比綠地可利用徑流量與用水需求量,為存蓄利用設(shè)施規(guī)模的確定提供依據(jù)。

綠地用水分為澆灌水,如湖面、水體等非接觸景觀水,如噴泉等可接觸景觀水,以及用于洗地、沖廁的雜用水[17],其中可接觸景觀水、雜用水的水質(zhì)要求相對(duì)其他用水較高,實(shí)際雨水資源化操作中主要依靠收集相對(duì)潔凈的屋頂徑流用以補(bǔ)充,特別是綠色屋頂排放徑流,此外未利用完的高質(zhì)量徑流還可用于補(bǔ)充澆灌水、非接觸景觀水等水質(zhì)要求較低的用水。因此,本研究基于用水需求差異,將存續(xù)利用設(shè)施規(guī)模量化進(jìn)一步分為高質(zhì)量徑流收集設(shè)施規(guī)模、一般水質(zhì)徑流收集設(shè)施規(guī)模。

因雨水資源利用率以年為單位計(jì)算,故本研究以年為一個(gè)完整量化周期,并考慮實(shí)際運(yùn)營(yíng)中對(duì)存蓄利用設(shè)施的周期性使用情況,將一年劃分為若干個(gè)子周期,基于降雨量、蒸發(fā)量等多年平均氣象數(shù)據(jù),對(duì)比各子周期可利用徑流總量、可利用高質(zhì)量徑流量、用水需求總量以及高質(zhì)量用水需求量,分別求得各子周期所對(duì)應(yīng)的一般水質(zhì)徑流最佳收集設(shè)施規(guī)模SLi和高質(zhì)量徑流最佳收集規(guī)模SHi,滿足如下算式:

(1a)

(1b)

式中:SLi為子周期對(duì)應(yīng)最佳一般水質(zhì)徑流收集規(guī)模,m3;Ri為子周期i內(nèi)可利用的徑流總量,m3;NLi為子周期i內(nèi)一般質(zhì)量用水需求量,m3,SHi為子周期i對(duì)應(yīng)最佳高質(zhì)量徑流收集規(guī)模,m3;RHi為子周期i內(nèi)高質(zhì)量用水可補(bǔ)水量,m3;NHi為子周期i內(nèi)高質(zhì)量用水需求量,m3。

一一對(duì)比各子周期的SLi、SHi,進(jìn)而分別求得其最大值SLmax、SHmax,即得到高質(zhì)量徑流收集設(shè)施與一般水質(zhì)徑流收集設(shè)施的最優(yōu)規(guī)模CSL、CSH,以及存蓄利用設(shè)施的總體最優(yōu)規(guī)模。

2.2.2設(shè)施規(guī)模分配

由于高質(zhì)量徑流收集設(shè)施的徑流來(lái)源相對(duì)固定,且徑流存蓄后較少發(fā)生向其他存蓄設(shè)施轉(zhuǎn)移的情況,因此高質(zhì)量徑流收集設(shè)施的規(guī)?？苫诋a(chǎn)生高質(zhì)量徑流的子匯水區(qū)面積進(jìn)行空間上的分配,滿足:

(2)

式中:CSHi為子匯水區(qū)i內(nèi)高質(zhì)量徑流收集設(shè)施規(guī)模,m3;Ai為產(chǎn)生高質(zhì)量徑流的子匯水區(qū)i的面積,m2;Ai為產(chǎn)生高質(zhì)量徑流的子匯水區(qū)總面積,m2。

一般質(zhì)量徑流由景觀水體儲(chǔ)存,徑流收集后應(yīng)優(yōu)先滿足于水體的自平衡,在保證水體水量與基本水景效果后,再向外輸送用作灌溉等其他用途。景觀水體自身用水需求主要取決于水體自身產(chǎn)生的自然蒸發(fā),因此一般景觀徑流收集設(shè)施規(guī)?？苫谟糜诖嫘罾脧搅鞯乃w面積大小進(jìn)行空間上的分配,滿足:

(3)

式中:CSLi為子匯水區(qū)i內(nèi)一般徑流收集設(shè)施規(guī)模,m3;CSLi為子匯水區(qū)i內(nèi)一般徑流收集設(shè)施規(guī)模,m3;Wi為用于存蓄利用徑流的水體i的面積,m2;A為用于存蓄利用徑流的水體總面積,m2。

2.3 滲透滯緩設(shè)施布局方法

減少?gòu)搅魍馀?、達(dá)到特定徑流控制率是綠地低影響開(kāi)發(fā)的基本目標(biāo),因此滲透滯緩設(shè)施布局時(shí),應(yīng)將補(bǔ)足存蓄利用設(shè)施布置后的綠地LID設(shè)施系統(tǒng)的徑流控制效能作為核心目標(biāo),同時(shí)兼顧設(shè)施建設(shè)成本的最優(yōu)控制。如何構(gòu)建一種高效的多目標(biāo)優(yōu)化方法,平衡綠地低影響開(kāi)發(fā)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)多方面效益已經(jīng)成為了當(dāng)下重要議題,部分學(xué)者將蟻群算法(Ant Colony Optimization)、遺傳算法(Genetic Algorithm)、線性規(guī)劃(Linear Programming)等多種優(yōu)化算法引入相關(guān)研究,以輔助LID設(shè)施的優(yōu)化[18],并已經(jīng)能夠基于一定的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案,從類型數(shù)量層面對(duì)LID設(shè)施的種類、規(guī)模進(jìn)行多目標(biāo)量化優(yōu)選[19-21],其中,NSGA-II算法 (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm) 作為一種帶精英決策的非支配排序遺傳算法,因其極佳的收斂性、魯棒性,以及對(duì)最優(yōu)解的兼容性而被相關(guān)優(yōu)化研究廣泛應(yīng)用[22],證明了NSGA-II算法在解決綠地LID設(shè)施布局的雨洪效能與經(jīng)濟(jì)節(jié)約的協(xié)同平衡問(wèn)題具有良好的可行性、優(yōu)勢(shì)性[23],因此,本研究借助Python編程語(yǔ)言耦合NSGA-II算法與SWMM模型構(gòu)建優(yōu)化算法平臺(tái),以年徑流控制率與滲透滯緩設(shè)施建設(shè)總成本為優(yōu)化目標(biāo),將已布置好存蓄利用設(shè)施的低影響開(kāi)發(fā)方案作為基礎(chǔ)方案,置入優(yōu)化平臺(tái),從而進(jìn)行滲透滯緩設(shè)施規(guī)模與空間位置的同步優(yōu)選。優(yōu)化平臺(tái)構(gòu)建的具體流程包括雨洪效能計(jì)算模塊搭建、經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算模塊搭建以及多目標(biāo)優(yōu)化決策模塊搭建。

2.3.1雨洪效能計(jì)算模塊

雨洪效能計(jì)算模塊以SWMM軟件為載體搭建,承擔(dān)基礎(chǔ)方案模型概化、LID設(shè)施基本參數(shù)設(shè)置、擬布設(shè)滲透滯緩設(shè)施位置選擇以及降雨水文過(guò)程模擬。模塊搭載SWMM的Python端接口,經(jīng)過(guò)決策變量輸入與編輯、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式化等步驟構(gòu)建SWMM的輸入文件(.inp),調(diào)用SWMM內(nèi)Simulation命令完成對(duì)基礎(chǔ)方案的全年降雨模擬,以及年降雨總量、年徑流排放量等數(shù)據(jù)的調(diào)用與輸出,從而計(jì)算年徑流控制率。綠地年徑流控制率計(jì)算滿足如下算式:

(4)

式中:r為年徑流控制率;D為綠地末端出水口的年徑流排放量,m3;P為年降雨徑流總量,m3。

2.3.2經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算模塊

經(jīng)濟(jì)成本主要考慮設(shè)施的建設(shè)成本,通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研獲取各設(shè)施單位成本,依據(jù)當(dāng)量法根據(jù)設(shè)施面積進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算模塊的構(gòu)建。滲透滯緩設(shè)施的經(jīng)濟(jì)成本滿足如下算式:

(5)

式中:MCI為滲透滯緩設(shè)施建設(shè)總成本,元;CIji為子匯水區(qū)j內(nèi)滲透滯緩設(shè)施i的面積,m2;Ui為單位面積滲透滯緩設(shè)施i的建設(shè)成本,元/m2。

2.3.3多目標(biāo)優(yōu)化決策模塊

多目標(biāo)優(yōu)化決策引擎基于NSGA-II算法構(gòu)建,主要基于Pymoo庫(kù)完成對(duì)NSGA-II優(yōu)化算法模塊的編寫,將子匯水區(qū)中滲透滯緩設(shè)施的布置面積作為決策變量,同時(shí)接入前述的雨洪效能計(jì)算模塊、經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算模塊,以實(shí)現(xiàn)決策變量向決策目標(biāo)的轉(zhuǎn)換,并基于非支配排序獲取帕累托最優(yōu)解(Pareto optimal solutions),即權(quán)衡“年徑流控制率-建設(shè)成本”多目標(biāo)的LID設(shè)施優(yōu)化布局,決策過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 多目標(biāo)優(yōu)化決策原理Fig.1 Decision making mechanism of multi-objective optimization

3 南陽(yáng)一中校園經(jīng)濟(jì)型低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)對(duì)象概況

試驗(yàn)對(duì)象位于河南省南陽(yáng)市城鄉(xiāng)一體化示范區(qū),為南陽(yáng)一中新建校區(qū)?？偯娣e38.3 hm2,其中建筑面積7.1 hm2,含綠色屋頂6.6 hm2,綠地面積14.1 hm2,水體面積1.3 hm2,含噴泉等可接觸水體0.4 hm2,道路及場(chǎng)地面積15.8 hm2(圖2)。

圖2 南陽(yáng)一中校園平面Fig.2 Plan of Nanyang No.1 High School

南陽(yáng)市地處我國(guó)半濕潤(rùn)氣候區(qū),年均降雨量為765.2 mm,年均蒸發(fā)量964 mm。當(dāng)?shù)亟邓渑?結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)象內(nèi)建筑數(shù)量多、屋頂規(guī)模大以及下墊面硬化比例高的基址情況,實(shí)驗(yàn)對(duì)象地表產(chǎn)流能力強(qiáng),不僅具有突出的低影響開(kāi)發(fā)以調(diào)節(jié)徑流的需求,同時(shí)還具備較大的雨水資源化潛力。此外,因當(dāng)?shù)卣舭l(fā)量顯著高于年均降雨量,綠地澆灌、景觀補(bǔ)水均需額外調(diào)配、補(bǔ)充,因此實(shí)驗(yàn)對(duì)象開(kāi)展節(jié)約式低影響開(kāi)發(fā),不僅能夠優(yōu)化校園建設(shè)投資配置,同時(shí)也是降低綠地日常維護(hù)管理成本的重要需求。

3.2 存蓄利用設(shè)施量化與布局

3.2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

1)采用2011—2020年南陽(yáng)臥龍站日降雨統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),以7 d為一量化子周期,將全年降雨劃分為53個(gè)子周期(最后一周期為8 d),并計(jì)算得到近十年平均的逐周降雨數(shù)據(jù)。

2)針對(duì)各子周期,通過(guò)各子周期降雨總量、下墊面類型、面積及對(duì)應(yīng)徑流系數(shù)對(duì)子周期可利用徑流量進(jìn)行估算,其中,徑流系數(shù)基于文獻(xiàn)[20]研究取值:一般屋頂1.0,綠色屋頂0.5,綠地0.2,水體1.0,道路廣場(chǎng)0.95,計(jì)算滿足如下算式:

(6a)

(6b)

式中:Ri為子周期i內(nèi)可利用徑流總量,m3;Pi為子周期i內(nèi)的降雨總量,mm;ρj為第j種下墊面的徑流系數(shù);Aj為第j種下墊面的面積,m2;ρfj為第j種屋頂?shù)膹搅飨禂?shù);Afj為第j種屋頂?shù)拿娣e,m2。

3)分別計(jì)算子周期內(nèi)高水質(zhì)用水、一般水質(zhì)用水需求量:考慮校園實(shí)際用水情況以及管理便捷程度,高質(zhì)量用水需求量考慮3個(gè)辦公建筑的沖廁用水補(bǔ)充、主要道路沖洗及接觸性水體補(bǔ)水,參考相關(guān)研究及統(tǒng)計(jì)[24],分別取日均建筑沖廁用水量、日均道路沖洗用水量1 m3/(沖洗器·d)、0.003 m3/(m2·d),單周沖廁用水計(jì)算天數(shù)僅計(jì)入5個(gè)工作日,單周道路沖洗天數(shù)以周均非降雨日天數(shù)計(jì)算,接觸性水體補(bǔ)水需水量基于水體面積與當(dāng)?shù)卣舭l(fā)量計(jì)算;一般水質(zhì)用水需求量考慮非接觸性水體補(bǔ)水及綠地澆灌用水,非接觸水體補(bǔ)水基于水體面積及當(dāng)?shù)卣舭l(fā)量計(jì)算,綠地澆灌用水需求量基于邱振存等的研究[25],通過(guò)園林植物灌溉用水估算式,基于實(shí)驗(yàn)對(duì)象綠化方案計(jì)算得到各子周期的澆灌需水量,綠地澆灌用水計(jì)算滿足如下算式:

(7)

式中:NIi為子周期i內(nèi)綠地灌溉需水量,m3;Ag為綠地總面積,m2;Kg為園林系數(shù);ET0為參照作物蓄水量,mm/d;Rei為子周期i內(nèi)的有效降雨量,園林中常取真實(shí)降雨量的50%,mm。

3.2.2設(shè)施規(guī)模量化與分配

在同一“水量-子周期”直角坐標(biāo)系中,繪制可利用徑流量、用水需求量、可利用高水質(zhì)徑流量、高質(zhì)量用水需求量曲線(圖3),基于式(1),求得存蓄設(shè)施總體規(guī)模4 170.8 m3,包括高質(zhì)量徑流收集設(shè)施規(guī)模1 511.3 m3,一般質(zhì)量徑流收集設(shè)施規(guī)模2 659.5 m3,并基于式(2)、(3),分別進(jìn)行空間上的規(guī)模分配,其中高水質(zhì)徑流由雨水罐收集,一般水質(zhì)徑流通過(guò)景觀水體的調(diào)蓄空間收集,雨水罐體積、水體調(diào)蓄體積如表1、表2所示。

表2 水體調(diào)蓄體積分配結(jié)果Table 2 Distribution results of volumeof water body storages

3.3 滲透滯緩設(shè)施量化與布局

3.3.1模型概化與參數(shù)設(shè)置

在SWMM模型中基于下墊面類型將實(shí)驗(yàn)對(duì)象概化為211個(gè)子匯水區(qū)、8個(gè)儲(chǔ)水節(jié)點(diǎn)、1個(gè)末端排水節(jié)點(diǎn)(圖4),匯水區(qū)面積、坡度、不透水比例等依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)方案制定;滲透模型選擇霍頓模型,依據(jù)場(chǎng)地土壤條件及相關(guān)規(guī)范[26],設(shè)置最大入滲速率、最小入滲速率、衰減常數(shù)分別為76.2 mm/h、10 mm/h、4 h-1;LID設(shè)施方面,綠色屋頂依據(jù)實(shí)際綠色屋頂設(shè)計(jì)方案制定其參數(shù),雨水罐基于前述研究分配結(jié)果一一設(shè)定體積并置入相應(yīng)子匯水區(qū)中,水體調(diào)蓄空間由儲(chǔ)水節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)水曲線控制,選擇雨水花園、透水鋪裝、植草溝三類設(shè)施用作本研究的滲透滯緩設(shè)施,依據(jù)典型工程做法設(shè)置其模型參數(shù),LID設(shè)施主要參數(shù)見(jiàn)表3。

圖4 SWMM概化模型Fig.4 Generalized model in SWMM

表3 LID設(shè)施主要參數(shù)Table 3 Main parameters of LID controls

由于南陽(yáng)市尚未出臺(tái)海綿城市規(guī)劃,因此依據(jù)我國(guó)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》對(duì)全國(guó)年徑流控制率分區(qū)劃分,南陽(yáng)市年徑流控制率建議取值75%～85%,從而取年徑流控制率大于等于75%作為本次優(yōu)化的目標(biāo)下限[27]。校園建筑、主要道路及運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等已于前期完成設(shè)計(jì)和建設(shè)的內(nèi)容,故排除于本次優(yōu)化范圍,同時(shí)考慮對(duì)校園日常使用功能與景觀效果的保證,在優(yōu)化算法中對(duì)雨水花園、植草溝、透水鋪裝的可布設(shè)子匯水區(qū)進(jìn)行約束?；谑袌?chǎng)調(diào)研,設(shè)定雨水花園、植草溝、透水鋪裝建設(shè)單價(jià)分別為450,100,220元/m2。

在遺傳規(guī)則方面,采樣方式為隨機(jī)采樣,選擇算子采用錦標(biāo)賽選擇機(jī)制,交叉算子和變異算子均采用Pymoo默認(rèn)方式,即模擬二進(jìn)制交叉和多項(xiàng)式變異[28],交叉概率為0.9,變異概率為0.1,算法初始種群規(guī)模為50,迭代次數(shù)為50,單次降雨情景完成2 500次模擬。

3.3.2設(shè)施規(guī)模量化與分配

選擇近十年內(nèi)年降雨量與南陽(yáng)市年均降雨量765.2 mm相對(duì)接近的2013、2016、2017年降雨數(shù)據(jù),分別在優(yōu)化平臺(tái)內(nèi)置入其逐日降雨數(shù)據(jù)并運(yùn)行模擬,得到各年模擬情景中滿足優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)解集(圖5),發(fā)現(xiàn)最優(yōu)解的年徑流控制率與設(shè)施建設(shè)成本呈顯著正相關(guān)?？紤]項(xiàng)目實(shí)施與設(shè)計(jì)方案可能存在的差異,為預(yù)留容錯(cuò)空間,將年徑流控制率優(yōu)選上限設(shè)為85%,同時(shí)相關(guān)研究表明設(shè)施建設(shè)成本與徑流控制效果間存在“性價(jià)比最優(yōu)點(diǎn)”[29],即在該點(diǎn)徑流控制率曲線隨設(shè)施成本增加而開(kāi)始趨于平緩,因此,為最優(yōu)化LID設(shè)施的建設(shè)投資,本研究通過(guò)“Utopia point”法在不同年份降雨情景的各優(yōu)化解集中選取徑流控制率75%～85%區(qū)間內(nèi)的“性價(jià)比最優(yōu)點(diǎn)”[30],并求得成本及年徑流控制率平均值,見(jiàn)表4。

表4 各模擬情景“性價(jià)比最優(yōu)點(diǎn)”Table 4 “Best cost performance point” ofeach simulation scenario

查驗(yàn)各年降雨情景模擬優(yōu)化解,一一對(duì)比發(fā)現(xiàn)在2016年模擬情景中,當(dāng)最優(yōu)解徑流控制率為80.6%時(shí),其對(duì)應(yīng)建設(shè)成本為709.4萬(wàn)元,與多年份模擬的平均值最為接近,故選擇2016年模擬情景所得徑流控制率80.6%時(shí)的優(yōu)化布局結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象滲透滯緩設(shè)施的布局方案,具體布局方案為雨水花園3 905.93 m2,植草溝11 413.74 m2,透水鋪裝18 032.01 m2,各設(shè)施具體空間布置位置可直接由SWMM模型中子匯水區(qū)LID布設(shè)情況得到。

3.4 效益模擬與分析

3.4.1雨洪調(diào)控效能模擬分析

為進(jìn)一步量化優(yōu)化方案的暴雨應(yīng)對(duì)能力,本研究基于暴雨計(jì)算公式,得到當(dāng)?shù)刂噩F(xiàn)期為2,5,10 a的2 h降雨量(78.2,104.0,123.6 mm,芝加哥雨型,峰現(xiàn)0.4),并在SWMM模型中對(duì)試驗(yàn)對(duì)象在上述3種降雨情景的末端徑流排放情況進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)在重現(xiàn)期為2,5 a的2 h降雨情景中,試驗(yàn)對(duì)象均不產(chǎn)生徑流外排,表明優(yōu)化布局方案能夠有效應(yīng)對(duì)至少5 a重現(xiàn)期內(nèi)的暴雨。

基于2021年南陽(yáng)臥龍站逐日降雨統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),在SWMM模型中對(duì)LID設(shè)施的優(yōu)化布局方案進(jìn)行全年的降雨模擬,輸出末端排水口的排放徑流總量,計(jì)算得到試驗(yàn)對(duì)象在2021年降雨總量834.1 mm的模擬情景中,年徑流控制率為82.0%,介于75%～85%區(qū)間,符合目標(biāo)要求。查驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雖然2021年降雨總量、連續(xù)降雨天數(shù)均大于2016年,但由于2016年南陽(yáng)市單日降雨極值顯著大于2021年單日降雨極值,造成了2016年模擬情景徑流排放量顯著上升,致使年徑流控制率略低于2021年。說(shuō)明優(yōu)化方案對(duì)于高降雨總量、一定規(guī)模的連續(xù)降雨均有較好適應(yīng)性,但對(duì)于集中式高強(qiáng)度暴雨的應(yīng)對(duì)能力有待提升。

3.4.2節(jié)水效益模擬分析

基于2021年逐日降雨數(shù)據(jù)量化2021年試驗(yàn)對(duì)象的各類用水需求量,并結(jié)合SWMM模擬結(jié)果,得到試驗(yàn)對(duì)象年用水需求總量136 663.69 m3,年收集徑流總量35 212.85 m3(高質(zhì)量徑流4 496.59 m3,一般質(zhì)量徑流30 716.26 m3),通過(guò)有效利用徑流而實(shí)際節(jié)約用水總量17 274.38 m3(高質(zhì)量徑流4 496.59 m3,一般質(zhì)量徑流12 777.79 m3),雨水資源有效利用率49.1%,其中27個(gè)子周期有效利用率達(dá)100%。依據(jù)自來(lái)水價(jià)格5.3元/t計(jì)算高質(zhì)量徑流節(jié)水費(fèi)用,中水價(jià)格2.2元/t計(jì)算一般質(zhì)量徑流節(jié)水費(fèi)用,2021年實(shí)驗(yàn)對(duì)象通過(guò)雨水資源化利用有效節(jié)約用水成本5.19萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)本研究基于建筑外環(huán)境徑流調(diào)控需求與雨水資源化潛力,以LID設(shè)施的功能導(dǎo)向?yàn)橐罁?jù),細(xì)化了LID設(shè)施布局的設(shè)計(jì)流程,分別構(gòu)建了存蓄利用設(shè)施、滲透滯緩設(shè)施的規(guī)模量化與空間分配方法,提出了兼顧徑流控制率、雨水資源利用率以及設(shè)施建設(shè)成本節(jié)約的經(jīng)濟(jì)型低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)模式,為解決低影響開(kāi)發(fā)中存在的設(shè)施浪費(fèi)以及雨水資源利用低效的問(wèn)題提供了新的途徑。

2)本研究以南陽(yáng)一中校園為試驗(yàn)對(duì)象,運(yùn)用研究所得方法得到了其LID設(shè)施的優(yōu)化布局結(jié)果,并基于2021年實(shí)際降雨數(shù)據(jù)、多年重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù),模擬了布局方案的效益,證明了方法的可行性和合理性。優(yōu)化布局方案為:雨水罐1 511.3 m3,調(diào)蓄水體2 659.5 m3,雨水花園3 905.93 m2,植草11 413.74 m2,透水鋪裝18 032.01 m2。該方案可至少應(yīng)對(duì)重現(xiàn)期5 a的2 h降雨,在2021年降雨模擬情景中,年徑流控制率達(dá)82.0%,并可有效節(jié)約用水成本約5.19萬(wàn)元。

3)研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn),LID設(shè)施優(yōu)化布局方案能夠在一定規(guī)模的連續(xù)降雨中仍表現(xiàn)良好,但單日極端暴雨情況將顯著影響LID設(shè)施效能致使綠地年徑流控制率降低。隨著全球氣候變化,極端暴雨事件的偶然性上升,未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步考慮將氣候變化因素納入現(xiàn)有LID設(shè)施規(guī)模量化體系之中,以提升LID設(shè)施布局方案對(duì)于暴雨的適應(yīng)能力。