城市低影響開發(fā)方案優(yōu)化研究現(xiàn)狀及趨勢

劉 芳，趙進勇，路 明，彭文啟，王 琦，張 晶

(1.河北工程大學，河北 邯鄲 056000； 2.中國水利水電科學研究院 水環(huán)境所，北京 100038)

近年來，為解決城市內(nèi)澇防治以及雨洪資源利用等當前城市面臨的熱點問題，具有徑流量削減和污染凈化雙重功效的低影響開發(fā)(LID)技術得到有力的應用與推廣。LID引入國內(nèi)的時間不長，目前主要借鑒國外先進理念和經(jīng)驗來研究LID措施，國內(nèi)城市雨水管理的應用和實踐還處于起步階段，在LID設施規(guī)劃布局、方案評估等方面尚欠缺深入研究[2]。因此，有必要結合低影響開發(fā)技術特點，全面總結和深刻理解國內(nèi)外低影響開發(fā)技術設計和優(yōu)化經(jīng)驗，以便為我國低影響開發(fā)技術方案優(yōu)化提供支持。

1 LID技術理念的提出

城市化進程帶來水文循環(huán)條件的改變，導致降水入滲量和填洼量減少，徑流形成時間縮短，強降雨很快通過城市排水系統(tǒng)排入河道。這就造成汛期的洪峰形成時間縮短，洪水曲線陡峭[3]，往往引發(fā)較嚴重的城市內(nèi)澇。另外，傳統(tǒng)的城市排水系統(tǒng)也忽視了對雨水徑流的污染控制，減少了對地下水的補給，增加了徑流量并且改變了出流的時間、頻率和速度，導致洪水爆發(fā)、水質(zhì)退化、河流沖蝕。

低影響開發(fā)技術最初于1990年，在美國環(huán)境保護署(EPA)的資助下，由馬里蘭州喬治王子縣環(huán)境資源部門實施，原先用于暴雨徑流管理，之后也被用在污染削減及污染去除策略上。目前，LID除在美國廣泛使用外，也已拓展到其他國家。如澳大利亞建設水敏感城市(WSUD)，英國提出可持續(xù)排水系統(tǒng)(SUDS)以及我國的海綿城市建設等都是基于該理念開發(fā)的。

2 LID技術體系及方案設計

2.1 LID技術體系

國外的LID技術通常是通過源頭控制來達到保護與維持區(qū)域內(nèi)的自然水文特征不變。但是我國正處于高速發(fā)展階段，城市化程度普遍較高，用地緊張、水資源短缺等問題比較突出，因此對于我國實際情況來說，單從源頭處理雨水不足夠消除洪澇災害。綜合我國國情和雨洪管理經(jīng)驗，目前我國LID技術可分為源頭分散控制、中途徑流控制和末端集中控制3個不同尺度的處理方法，實現(xiàn)城市良性水文循環(huán)。

LID技術包含的措施比較廣泛，這些措施有滲透、儲存、凈化、傳輸、滯留、回用等一種或多種功能。源頭分散的控制措施通常具有滲透功能，包括透水鋪裝、滲井、綠色屋頂?shù)龋ㄟ^滲透構筑物和綠地自然滲透，使雨水滲入地下，滋潤土壤和補充地下水。

滲透構筑物飽和后，地面開始產(chǎn)生雨水徑流，具有傳輸功能的措施進行集水區(qū)內(nèi)的徑流匯流，植草溝、滲管、滲渠等線性措施具有傳輸功能。植草溝同時兼有凈化雨水的功能，植草溝中的植物或濾料可截留雨水中懸浮物質(zhì)。下凹式綠地、生物滯留設施、雨水桶等具有一定調(diào)蓄容積，可滯留部分徑流，從而削減了徑流總量。雨水桶中的雨水經(jīng)過處理后還可回用。此外，徑流污染嚴重區(qū)域需要有凈化功能的處理設施，包括植被緩沖帶、初雨棄流設施、雨水濕地等。

具有儲存雨水功能的措施通常出現(xiàn)在末端處理中。集蓄利用雨水的措施有濕塘、蓄水池、人工土壤滲濾等。集中的雨水處理方式多樣，通常就地凈化，便于回用，也有排入附近污水廠處理或雨后外排入河道等。

2.2 LID方案設計

低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建涉及規(guī)劃、國土、市政、道路、交通、園林、水務等職能部門，還涉及建筑、道路、園林、排水等多個專業(yè)，是一項復雜的系統(tǒng)工程[4]。圖1概括了LID方案的設計流程。低影響開發(fā)方案的設計按照因地制宜的原則，確定LID設施或者設施組合。完成LID的規(guī)模和布局設計后，借助SUSTAIN、SWMM、Digital Water DS等各類模型工具對不同降雨情景下場地開發(fā)前后的水文過程進行模擬，結合退火算法、NSGA-Ⅱ等優(yōu)化算法，量化評估成本投資、環(huán)境效益、維護管理等指標，根據(jù)評估結果調(diào)整設施規(guī)模和布局直至優(yōu)化結果達到雨洪管理目標，最終得到LID設施的布局方案。

圖1 LID方案設計流程

3 國外LID方案優(yōu)化研究情況

3.1 LID方案評估體系

目前，LID技術理念在全球得到普遍認可。各國相繼提出符合本國國情的雨洪管理體系，LID方案評估是雨洪管理體系中重要部分，是LID措施實施前必須經(jīng)歷的環(huán)節(jié)。

通過閱讀文獻，總結各國LID方案評估體系，發(fā)現(xiàn)國際上運用較多的評估方法是三重底線法(Triple Bottom Line，TBL)——社會底線、經(jīng)濟底線、環(huán)境底線。最早三重底線的概念用于衡量企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展性，企業(yè)若想獲得永久發(fā)展，必須承擔起最基本的社會責任、經(jīng)濟責任、環(huán)境責任，在提高利潤收入同時，兼顧環(huán)境保護、加強公共關系等。同樣的，綜合社會、經(jīng)濟和環(huán)境全方面作用效果來評估LID方案，其評估結果更具有信服力，體現(xiàn)出較大的現(xiàn)實意義。

各國對LID方案評估的具體操作方式不盡相同，但評估理念都是從社會、經(jīng)濟、環(huán)境3方面考慮LID方案的可行性。其中，澳大利亞提出的水敏感城市設計(WSUD)在采用三重底線評估標準時，根據(jù)項目的實際情況，分別列出經(jīng)濟、社會、環(huán)境3方面的指標，并給出相應的權重，按照實際情況進行打分，最后得出項目的評估結果，將評估因子量化，科學地對 WSUD方案進行評估[5]。表1為3個類別評估標準和相關指標的權重[5]。

表1 3個類別評估標準和相關指標的權重[5]

3.2 LID方案優(yōu)化技術

國際上，低影響開發(fā)理念的研究技術已比較成熟，關于LID方案優(yōu)化的研究主要體現(xiàn)在模型研究、設施比較選擇和方案評估框架等方面。為了正確評估和比較區(qū)域內(nèi)的LID方案，國外一些研究機構研發(fā)了各種與LID相關的模型。Arash Massoudieh等研發(fā)的名為GIFMod的建模工具，具有較高的靈活性，可模擬地方性獨特場景，對不同介質(zhì)(如管道、池塘)考慮各種污染運輸過程，還能與現(xiàn)有的SWMM和SWAT模型結合使用[6]。Sang-Soo Baek等研究開發(fā)了一個模擬軟件來模擬和優(yōu)化給定流域內(nèi)LID的生物條件。該模型計算了具有水文條件(如不飽和土壤和飽和土壤)和水力設施(如立管和暗溝)的生物滯留過程中的詳細土壤滲透過程，并且還使用流量持續(xù)時間曲線(FDC)生成優(yōu)化方案[7]。

LID措施種類多樣，每種措施的適用范圍、設計目標不盡相同。因此對于具體區(qū)域，需要評估其水文、地理等現(xiàn)實條件，分析成本效益關系來選擇最佳方案和措施尺寸。Ting Fong May Chui等在中國香港、美國西雅圖兩地利用MATLAB自動控制的SWMM模擬綠色屋頂、生物滯留池和滲透路面3種LID措施，估算不同設計的水文性能和成本效益以及分析水文性能的敏感性和最優(yōu)設計的成本，得出綠色屋頂?shù)膬?yōu)化設計趨向于面積較大但較薄，而生物滯留池和滲透路面的優(yōu)化設計傾向于面積較小等結論[8]。

LID措施的實施需要考慮社會、環(huán)境和經(jīng)濟等多方面效益，國外一些學者對此提出許多LID方案評估決策框架，并用于實際案例。Seyed Hamed Ghodsi等提出城市徑流管理綜合框架，利用SWMM、NSGA-II算法等工具，同時提出并應用一種新的社會選擇程序——成對投票方法來選擇最優(yōu)的管理方案。擬議的框架適用于伊朗德黑蘭北部城市的城市水質(zhì)和數(shù)量管理[9]。Nivedita G等探討發(fā)展中國家人口稠密地區(qū)選擇最可持續(xù)雨水管理方案的決策框架。該框架中有4項主要標準(技術、經(jīng)濟、環(huán)境和社會)包括3個定量和8個定性指標，評估程序包括評估量化分數(shù)，然后使用專家意見來量化定性標準，各標準權重取決于專家的意見[10]。

4 我國LID方案優(yōu)化研究

4.1 LID發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，我國大力推廣低影響開發(fā)理念，頒布了許多相關LID規(guī)范，確定了海綿城市建設試點城市。但是我國LID設計者沒有統(tǒng)一完善的技術標準，部分政府官員對低影響開發(fā)理念的理解還不夠全面，普通群眾也不能理解熟知低影響開發(fā)理念，因此我國需要建立完善的LID 規(guī)劃、開發(fā)、評估等設計體系，對相關政府官員進行低影響開發(fā)理念的培訓學習，同時政府加大低影響開發(fā)理念的宣傳力度，讓普通群眾也加入到LID設計過程中。

由于我國沒有完整的低影響開發(fā)理論和技術體系，大部分研究停留在LID理論方面以及小地區(qū)的試驗實踐。LID的理論研究包括引入國外理論、國內(nèi)技術探索、綱領性指導策略等。在項目實踐方面，我國LID工程處于試驗階段，因此建設規(guī)模較小，且大都集中在南方地區(qū)，對于北方寒冷地區(qū)的LID研究較少。此外，模型工具可以有效指導設計、評估LID措施，我國LID方案的設計評估普遍應用國外模型工具。國內(nèi)開發(fā)的相關模型應用范圍小，并且沒有經(jīng)過大量工程實踐的驗證，運行過程存在不確定因素。

4.2 LID方案優(yōu)化方法

隨著海綿城市在我國的大力推進，國內(nèi)相關學者在LID方案優(yōu)化方面也進行了一些探索，主要集中在框架性指導策略和模型工具運用兩方面的研究。

目前，評估LID效果的模型工具有很多，我國建設行業(yè)工作者會引用國外一些研究技術或者自主開發(fā)模型工具來評估LID方案的可行性。劉標等結合湖南某獨立排水小區(qū)，利用SWMM研究5種典型LID設施徑流控制效果，選定LID設施的初篩方案，再運用SUSTAIN優(yōu)化模塊對初選方案進行實施參數(shù)的優(yōu)化，得到成本-效益最優(yōu)的LID設施最終方案[11]。宋奔奔等借助SWMM模型研究生物滯留池按照不同位置和不同規(guī)模布設下的水文時空效應[12]。模型工具不僅可以評估LID措施的運行效果，還能分析多個措施組合情景，選出最佳組合方案。黃國如等構建區(qū)域PCSWMM模型，分析下凹式綠地、綠色屋頂和透水鋪裝3種LID措施的不同組合方案對徑流量和污染物的削減能力[13]。

國內(nèi)一些學者對LID方案的評估流程也提出了想法，并在實踐中進行驗證。謝家強等對城市防洪減災方案進行綜合評價，綜合評估框架由遙感和地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及二維水文模擬和生命周期成本等組成。該評估框架已經(jīng)應用到上海一個發(fā)達地區(qū)[14]。王明明等提出一種利用SWMM模型求解蓄水池優(yōu)化方案的兩階段優(yōu)化框架。該框架包括分析、迭代兩個模塊，分析模塊是使用兩個指標(洪水深度和洪水持續(xù)時間)對淹沒節(jié)點進行評估和排序，迭代模塊即采用廣義模式搜索(GPS)方法獲得最優(yōu)方案[15]。

5 展 望

低影響開發(fā)雨水排水系統(tǒng)在全球范圍得到越來越多的推廣應用，同時LID方案的優(yōu)化研究也越來越受到重視。對于LID方案優(yōu)化還需要深入研究以下幾個問題：第一，低影響開發(fā)措施的方案研究大多運用在新開發(fā)區(qū)，但往往老城區(qū)才是城市內(nèi)澇災害的發(fā)生地，故未來對于老城區(qū)的LID改造需得到重視。第二，評估LID方案經(jīng)濟效益的工具很多，但是計算過程復雜，沒有公認的、有代表性的計算工具。若能研發(fā)出簡便計算工具，有效分析LID成本與效益關系，將能很大程度上提高設計效率。第三，LID措施實施后，需要建立實施效果評價體系，檢測相關數(shù)據(jù)，為今后方案設計提供適用的設計參數(shù)。