城市降雨徑流管理LID—BMPs工程規(guī)劃方案的優(yōu)化

柳敏，邢巧，王晶博

（海南省環(huán)境科學(xué)研究院，海南海口 570206）

摘要：基于SUSTAIN技術(shù)平臺，以揚州市蜀崗匯水區(qū)為例，對以最佳管理措施（BMP）和低影響開發(fā)（LID）技術(shù)為主的生態(tài)排水系統(tǒng)規(guī)劃方案在降雨徑流管理中的資金成本—效益優(yōu)化進行了研究。結(jié)果顯示：集成后的LID—BMPs系統(tǒng)工程對研究區(qū)地表徑流的洪峰流量削減率可達到82.98%~100%（平均為91.27%），對徑流總量削減率可達到91.43%~100%（平均為98.81%）；最小成本投入方案為以129.23萬元的成本投入達到71.53%的徑流削減效益，最大效益方案為以181.46萬元的成本投入達到85.21%的徑流削減效益；而最佳成本—效益方案為以168.40萬元的成本投入達到83.94%的徑流削減效益，其中，生態(tài)水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝的面積分別占原規(guī)劃總面積的65%、28%、7%，去掉了滲透型植草溝與建設(shè)用地各自組團，呈現(xiàn)集中連片的分布形態(tài)，在不加人為建設(shè)的情工程。在LID—BMPs系統(tǒng)工程方案的規(guī)劃和建設(shè)階段，SUSTAIN顯示了強大的優(yōu)化分析功能，可以很好地應(yīng)用到我國城市生態(tài)排水系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)方案的評估和優(yōu)化中。

近年來，我國城市雨洪災(zāi)害頻發(fā)，究其原因，除了降雨增多且時空分布不均等自然因素外，城市化引起的水文過程變化成為主要因素。因此，在對城市雨洪管理中，如何構(gòu)建城市的生態(tài)化排水系統(tǒng)，實現(xiàn)由傳統(tǒng)的市政排水向生態(tài)排水轉(zhuǎn)變顯得愈發(fā)重要。西方發(fā)達國家早在20世紀70年代就開始對城市雨水及其污染問題展開研究，已形成系統(tǒng)的雨洪管理方法和工程技術(shù)，最具代表性的有美國的最佳管理措施（BMP）和低影響開發(fā)（LID）。LID—BMPs管理體系自開發(fā)以來，因其良好的效果、低廉的投入成本、簡易的工程構(gòu)建，在國外城市生態(tài)排水系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在LID—BMPs技術(shù)應(yīng)用過程中，為了更好地預(yù)測、評價工程方案的預(yù)期管理效果，美國環(huán)境保護署（EPA）自2003年起研究開發(fā)了城市暴雨處理及分析集成模型系統(tǒng)(SUSTAIN)。SUSTAIN能有效評估LID—BMPs措施對城市降雨徑流水量的改善效果，并可根據(jù)控制目標(biāo)制定最經(jīng)濟有效的暴雨管理方案。

目前，LID—BMPs技術(shù)在我國的應(yīng)用主要集中在點位試驗、小區(qū)尺度的示范，缺乏系統(tǒng)的和整體的集成應(yīng)用，對城市整體的雨洪管理效果有限。如何借鑒國外先進經(jīng)驗，開發(fā)出適合我國城市應(yīng)用的LID—BMPs系統(tǒng)應(yīng)用模式，成為我國城市生態(tài)排水系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)中亟待解決的問題。筆者以揚州市蜀崗匯水區(qū)的BMP工程集成設(shè)計為例，在SUSTAIN的支持下提出LID—BMPs規(guī)劃方案優(yōu)化，以期為LID—BMPs系統(tǒng)工程在我國城市雨洪管理中的應(yīng)用提供有益探索。

1 研究區(qū)概況

蜀崗排水流域是揚州市西北部的重要匯水流域之一，它位于蜀崗分水嶺的最東端，向北連接揚州市北部山區(qū)，向南與市中心相連。匯水區(qū)內(nèi)的土地利用類型主要包括綠地（79.8%）、居住用地（10.0%）、停車場（1.68%）、各級道路（7.73%）和水體（0.79%），雖然綠地面積比例很大，但是綠地況下，綠地蓄滯建設(shè)區(qū)地表徑流的生態(tài)服務(wù)功能并不能得到很好的發(fā)揮。

該區(qū)年內(nèi)降雨量分布不均衡，汛期的降雨約占全年降雨的47%，再加上蜀崗匯水區(qū)地勢較高，因此在暴雨情況下，蜀崗排水片區(qū)的徑流排放已經(jīng)成為相鄰市區(qū)的雨洪安全隱患。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的道路、停車場和房屋以及相應(yīng)排水邊溝、擋水墻等人工構(gòu)筑物的建設(shè)現(xiàn)狀，將研究區(qū)劃分為8個集水片區(qū)，其中，道路、屋頂這些具有均值特性和單獨雨水收集、排放系統(tǒng)的下墊面被單獨劃分為一個集水片區(qū)。

2 現(xiàn)狀LID—BMPs規(guī)劃方案及效果模擬

2.1 現(xiàn)狀工程方案設(shè)計

研究區(qū)LID—BMPs系統(tǒng)布局如圖1所示，其中，普通植草溝（V1、V2、V3）、滲透型植草溝(I1)、下凹綠地滯留塘(D1、D2)、生態(tài)水塘（W1）的設(shè)計參數(shù)見文獻。

圖1 研究區(qū)LID—BMPs系統(tǒng)布局

現(xiàn)狀存在的LID—BMPs方案中采用的措施有以下兩大類：①徑流傳輸過程控制措施，通過控制或改變徑流至受納水體之間的傳輸路徑來減少徑流的外排量，采用的工程措施有滲濾渠和植草溝；②徑流調(diào)蓄控制措施，在徑流的匯集節(jié)點布置徑流的調(diào)蓄空間，通過下滲等方式把徑流入滲到地下，在綠地開敞空間內(nèi)布置的是下凹綠地滯留塘，并依據(jù)現(xiàn)狀用地分布，把濕地、水塘和洼地修復(fù)為生態(tài)水塘。

不同生態(tài)工程采用串聯(lián)的模式，依據(jù)地表徑流產(chǎn)生、傳輸、調(diào)蓄和排放過程進行相適應(yīng)的工程安排，以期實現(xiàn)研究區(qū)地表徑流由產(chǎn)生到排放的全水文過程管理，工程之間的空間聯(lián)系選用地下管道或地表植草溝。在地表生態(tài)工程與地下管網(wǎng)連接的垂向布置上采用立體交叉的模式，即生態(tài)工程布置在雨水管網(wǎng)周邊的地表上，在不同的生態(tài)工程旁邊建設(shè)雨水井，通過在雨水井壁開設(shè)進水管的方式把地表生態(tài)工程與地下雨水管網(wǎng)連接起來，因此，在工程運行期間，當(dāng)?shù)乇韽搅鳟a(chǎn)生量小于地表生態(tài)工程容納負荷時，由地表生態(tài)工程顯示徑流路徑；當(dāng)?shù)乇韽搅鳟a(chǎn)生量大于地表生態(tài)工程容納負荷時，超出負荷部分的地表徑流量通過預(yù)設(shè)的雨水井通道進入地下雨水管網(wǎng)，由地表生態(tài)工程與地下管網(wǎng)共同顯示徑流路徑。

2.2 工程方案效果模擬

2.2.1 地表徑流總量管理效果

以至少24 h的干期為標(biāo)準(zhǔn)進行降雨場次劃分，研究區(qū)2011年全年共有33場降雨。選擇土地開發(fā)建設(shè)前（N-CSO）、土地開發(fā)建設(shè)后（CSO）和加入LID—BMPs后（E-CSO）三種模式作為比較情景對LID—BMPs的雨洪管理效果進行模擬。結(jié)果表明，LID—BMPs對研究區(qū)徑流總量的總削減率為91.43%~100%，平均為98.81%。當(dāng)場降雨量<34.04 mm時，規(guī)劃的BMP—LIDs系統(tǒng)能使研究區(qū)產(chǎn)生的總徑流量達到開發(fā)建設(shè)前的水平，總徑流產(chǎn)生量均為零；當(dāng)場降雨量>34.04 mm后，研究區(qū)在不同管理系統(tǒng)下的徑流產(chǎn)生量增加，但是LID—BMPs的加入使研究區(qū)仍然保持較低的徑流產(chǎn)生量，徑流總量呈現(xiàn)出開發(fā)后的市政管網(wǎng)排水系統(tǒng)（CSO）模式>自然排水系統(tǒng)（N-CSO）模式>LID—BMPs排水模式。

2.2.2 地表徑流洪峰流量管理效果

對逐場降雨帶來的洪峰流量進行分析后發(fā)現(xiàn)，LID—BMPs系統(tǒng)對研究區(qū)洪峰流量的總削減率為82.98%~100%，平均為91.27%。在場降雨量達到34.04 mm之前，地表生態(tài)工程的加入使研究區(qū)外排徑流峰值恢復(fù)到開發(fā)建設(shè)前的狀況，洪峰流量為零。LID—BMPs系統(tǒng)的應(yīng)用可使研究區(qū)的洪峰流量維持在一個較低的水平，呈現(xiàn)出LID—BMPs排水模式<自然排水系統(tǒng)（N-CSO）模式<市政管網(wǎng)排水系統(tǒng)（CSO）模式。

3 規(guī)劃方案優(yōu)化設(shè)置

3.1 優(yōu)化算法及參數(shù)設(shè)置

本研究選用非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）并在最佳成本—效益方案的創(chuàng)建中采用以下方式篩選，表達式為：

中，BMPi是i地點的BMP優(yōu)化變量，EF是優(yōu)化項目及其指標(biāo)值。

① 優(yōu)化目標(biāo)

根據(jù)規(guī)劃方案的雨洪管理效果模擬結(jié)果，以維持LID—BMPs方案優(yōu)化前后的效果相近為原則,設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)的上限值為95%、下限值為65%。

② 工程成本

由于我國目前并無系統(tǒng)的LID—BMPs工程應(yīng)用和開發(fā)，相關(guān)BMP工程的投入成本結(jié)合了美國、歐洲的實踐數(shù)據(jù)和揚州市工程建設(shè)成本。其中，干式滯留塘、滲濾渠、生態(tài)水塘、植草溝的建設(shè)成本分別為0.06、0.2、0.05、0.04元/(L·s)。

③ 工程尺寸變量

在效益—成本優(yōu)化模塊處理中，選用LID—BMPs工程措施的設(shè)計參數(shù)為優(yōu)化變量，主要包括長度和寬度，尺寸均采用“0~最大長度”為取值范圍，其中最大長度指工程布置區(qū)邊沿的最大長度。

3.2 最佳優(yōu)化方案

以ARCGIS9.3為操作平臺，在SUSTAIN1.2模型中輸入工程設(shè)計參數(shù)、目標(biāo)成本的優(yōu)化參數(shù)后，得到了現(xiàn)狀規(guī)劃方案在不同資金投入和管理效益情景下的最佳方案曲線。在模擬的80種工程優(yōu)化方案中，具有8個最優(yōu)的資金投入和管理效益的方案（見表1），其中包括了最小資金投入方案，最大管理效益方案和最佳資金投入—效益方案。

表1 最優(yōu)方案

3.2.1 最小成本投入優(yōu)化方案

以最小的成本投入作為優(yōu)化條件對成本—效益方案進行優(yōu)化分析后發(fā)現(xiàn)，最小投入下的最優(yōu)方案為以129.23萬元的成本投入達到71.53%的徑流削減效益，工程資金投入分配如下：生態(tài)水塘為107.71萬元，下凹綠地滯留塘為8.70萬元，滲透型植草溝為0.76萬元，普通植草溝為12.06萬元。優(yōu)化后，LID—BMPs工程中生態(tài)水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝、滲透型植草溝的面積分別占原規(guī)劃總面積的83%、7%、9%、1%。在最小成本投入方案下的工程優(yōu)化方案中，原規(guī)劃的工程種類及位置保持不變，僅在面積上做出相應(yīng)比例的縮減。

3.2.2 最大效益優(yōu)化方案

在最優(yōu)方案中，最大效益方案為以181.46萬元的成本投入達到85.21%的徑流削減效益，工程資金投入分配如下：生態(tài)水塘為107.71萬元，下凹綠地滯留塘為61.69萬元，普通植草溝為12.06萬元，不建滲透型植草溝。優(yōu)化后，LID—BMPs系統(tǒng)工程中生態(tài)水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝的面積分別占原規(guī)劃總面積的59%、34%、7%，去掉了滲透型植草溝工程的應(yīng)用。在最大效益方案下的工程優(yōu)化方案中，原規(guī)劃的工程位置保持不變，僅在面積上做出相應(yīng)比例的縮減。

3.2.3 最佳成本—效益方案優(yōu)化

在最優(yōu)的8個方案中，根據(jù)效益遞減拐點確定了最佳成本—效益方案，在該方案情景下，以168.40萬元的成本投入可以達到83.94%的徑流削減效益，工程資金投入分配如下：生態(tài)水塘為107.71萬元，下凹綠地滯留塘為48.63萬元，普通植草溝為12.06萬元，不建滲透型植草溝。優(yōu)化后，LID—BMPs系統(tǒng)工程中生態(tài)水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝的面積分別占原規(guī)劃總面積的65%、28%、7%，去掉了滲透型植草溝工程的應(yīng)用。在最佳成本—效益優(yōu)化方案中，原規(guī)劃的工程位置保持不變，僅在面積上做出相應(yīng)比例的縮減。

4 結(jié)論

① LID—BMPs系統(tǒng)工程對研究區(qū)地表徑流的洪峰流量和總流量均有良好的削減效果，對洪峰流量的削減率可以達到82.98%~100%（平均為91.27%），對徑流總量的削減率可達到91.43%~100%（平均為98.81%）。

② 最小成本投入優(yōu)化方案為以129.23萬元的成本達到71.53%的徑流削減效益，最大效益優(yōu)化方案是以181.46萬元的成本投入達到85.21%的徑流削減效益；而根據(jù)效益遞減拐點確定的最佳成本—效益方案是以168.40萬元的成本投入達到83.94%的徑流削減效益，其中，生態(tài)水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝的面積分別占原規(guī)劃總面積的65%、28%、7%，去掉了滲透型植草溝工程。

③ 在LID—BMPs系統(tǒng)工程方案的規(guī)劃和建設(shè)階段，SUSTAIN顯示了強大的優(yōu)化分析功能，但是在實際運用中，該模型也有一定的局限性，比如SUSTAIN不能提供LID—BMPs系統(tǒng)中單一工程在空間分布上的優(yōu)化分析。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第5期“城市雨水管理”欄目）

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