雨洪利用措施生态效益的评价指标研究

2018-11-06崔万晶李丹雄

中国水土保持 2018年11期

崔万晶，李丹雄

(北京林丰源生态环境规划设计院有限公司，北京 100083)

近年来，全国掀起了“海绵城市”热，针对雨洪利用措施的研究越来越多[1-2]，例如下凹绿地、下沉花园、透水铺装结构等雨洪利用形式在奥林匹克公园的应用[3]等。有研究表明，当绿地下凹5～10 cm时，能够消纳自身和相同面积不透水地面流入的雨水，使5年一遇日降雨无径流外排[4]。雨水资源利用产生的效益是一个涉及经济、环境、生态等多层次、多方位、多约束和多功能的“自然-社会-经济”复合系统[5]。但是针对各项措施效益评价的研究还较少，雨洪利用效益多被换算为经济价值，例如：秦皇岛市“在水一方”住宅小区雨洪利用工程的综合效益为4.88万元/a[2]；陕西省杨凌城区采用雨洪利用措施，将住宅区、商业区和教育科研区收集到的雨水全部用于居民生活中的非饮用水，一年可为居民节省开支823.40万元[6]；北京市2011年“6·23”降雨，雨洪利用工程收集雨水量达113万m3，带来的间接经济效益为0.51亿元[5]。目前评价指标的选取尚未有一个通用的标准，多是根据专家经验对评价指标进行选择，效益评价的指标也尚未构建一套科学合理、普遍适用的理论体系[1]。

此外，因雨洪利用措施的效益体现在多个方面[7]，且有很多的外部性效益，很难具体量化，包括提升区域景观效果、改善区域小气候、消除区域内涝、增加区域地下水补给等[8]，因此雨洪利用措施的效益评价显得比较复杂。

目前，雨洪利用措施的生态效益评价主要停留在某些指标方面且不够全面，尚未对各个指标之间的相互关系对效益的影响进行研究。本研究通过对目前采用较多的评价指标进行分析，研究其相互作用关系，最后采用相互作用关系矩阵法对定性的评价指标进行赋值，旨在建立定量与定性分析方法为一体的评价指标体系。

1 评价指标的选取原则

目前采用较多的指标有硬化地面透水率、绿地下凹率、径流系数的控制、外排径流量的控制、消除内涝的效益、实用性、经济性、景观性等。指标的选取应遵循全面性原则、代表性原则和实用性原则。

首先，指标的选取应全面，应将所有可能的生态效益评价指标综合考虑，全面分析各因素的内在联系和对效益分析的影响。

其次，指标的选取应有代表性，效益评价的指标众多，应选取对效益评价起重要作用的指标，影响较小的指标可以不做选取。

最后，评价指标还应实用，在具体的效益分析中，指标应可以量化，指标数据可以在实践中获取。生态效益评价的指标众多，包括定量和定性的指标，应从中尽可能选出可定量的指标，进而使得效益评价可以量化。

2 评价指标

硬化地面透水率、绿地下凹率、径流系数、外排径流量、内涝等指标，在北京市多个文件及地方标准《雨水控制与利用工程设计规范》(DB 11/685—2013)中均有相应的规定：其中硬化地面透水率规定“具备透水地质要求的新建(含改、扩建)人行步道、城市广场、步行街、自行车道应采用透水铺装路面，且透水铺装率不应小于70%”；下凹式绿地率规定“不宜低于50%”；径流系数规定“已建成城区的外排雨水流量径流系数不大于0.5，新开发区域外排雨水流量径流系数不大于0.4”；外排径流量规定“建设区域的外排水量不大于开发前的水平”。

2.1 硬化地面透水率

硬化地面透水率是指硬化地面透水铺装的面积占所有硬化地面面积的比例。硬化地面透水率与径流系数、入渗速率息息相关。多数情况下，硬化地面透水率增大，则地表的径流系数减小，渗入到土壤层的降水增多，利于雨洪利用[9]。

2.2 绿地下凹率

绿地下凹率是指采取了下凹式整地的绿地面积占所有绿地面积的比例。下凹式绿地具有渗透雨水、削减洪峰流量、减轻地表径流污染等效果[10-11]。研究表明，在降雨频率较大的地区，采用下凹式绿地能够有效削减洪峰流量[12]，明显减小径流系数，增加雨洪的利用量。可见，绿地下凹率直接关系到雨洪利用的效果。

2.3 径流系数

径流系数是指在一定的汇水面积内某一时间段的地表径流深度与同一区域同一时间段内相应的降水量之比。地表径流系数受地表下垫面情况及土壤的入渗速率影响很大[13]。一般来说，在同一降水条件下，地表径流系数越大，则入渗进入土壤层的水分就会越少，即可以用于后期雨水调蓄的水资源量减少，雨洪利用率变低；反之，则雨洪利用率增大。这说明径流系数对雨洪利用措施效益有重要影响。

2.4 外排径流量

径流量是指一定时段内通过某一断面的总水量。径流量受降水量、气温、蒸发量等因素影响较大。通常外排径流量并不直接影响雨洪利用的效果，而需要借助集水措施如蓄水池、下凹绿地等实现。

2.5 内涝

内涝是指城市当中由于强降水天气或连续降水超过城市排水能力，以致于城市内产生积水灾害的现象[14]。要消除内涝，一方面要增加区域排水能力[15]，另一方面需要增强雨水调蓄能力，提高区域的雨洪利用效率。可见，内涝情况能直接反映雨洪利用措施的实施效果。

3 评价指标的筛选及相互关系分析

3.1 评价指标相互作用关系矩阵

2.1至2.5所述评价指标相互作用，常用于开发建设项目中的雨洪利用评价。这5个指标相互关联、相互作用，综合影响了雨洪利用措施的整体效益。借鉴李坤等[16]关于多因素相互作用关系矩阵的场址评价方法，我们采用John Hudson相互作用关系矩阵法，定性与定量相结合评价各个评价指标对雨洪利用措施生态效益的影响程度，以确定评价指标的权重。

通过构建矩阵，将各评价指标放置在对角线位置，水平方向表示原因值，代表在该主对角线上评价指标作用于其他评价指标对雨洪利用措施效益产生的影响，竖直方向表示结果值，代表在该主对角线上评价指标受到其他评价指标作用而对雨洪利用措施效益产生的影响。

→原因值R

↓

结果值F

(1)

式中：Xi,i表示雨洪利用措施效益评价指标中的第i个评价指标；Xi,j表示第i个评价指标对其他评价指标的影响(即原因值R)；Xj,i表示第j个评价指标受到其他评价指标的影响(即结果值F)。

(2)

(3)

在雨洪利用措施效益评价分析中，通过计算各指标的活动性指数分析单个指标对雨洪利用措施效益的贡献。指标的活动性指数越高，说明其对雨洪利用措施效益的贡献越大。活动性指数计算公式为

(4)

3.2 构建相互作用关系矩阵

本研究采用硬化地面透水率(P1)、绿地下凹率(P2)、径流系数(P3)、径流量(P4)和内涝(P5)这5个指标构建相互作用关系矩阵，采用半定量专家取值编码法对各评价指标相互作用强度(0～4)进行分级赋值，见表1、2。对雨洪利用措施效益各评价指标赋值后，构建的矩阵见表3。

将评价指标相互作用关系矩阵中的数值根据式(2)、(3)计算，得到各评价指标的因果值见表4。

表1 评价指标相互作用关系矩阵

表2 半定量专家取值法

表3 评价指标相互作用关系矩阵编码取值

根据雨洪利用措施效益评价指标的原因值和结果值，绘制评价指标因果关系图，不同的值分布在不同位置，反映了不同的措施效益评价指标之间相互作用的强度，评价指标因果关系见图1。

表4 评价指标因果值

图1 评价指标因果关系

由图1可见，评价指标均分布在主对角线附近，说明在雨洪利用措施效益评价中，所选评价指标之间有明显的相互作用，并以此对雨洪利用效益产生影响。图中评价指标的R+F值越大，说明该雨洪利用评价指标与其他指标之间的相互作用对雨洪利用措施效益评价的影响越显著；图中左上角远离对角线方向评价指标的R-F值越大，则说明该评价指标受雨洪利用措施效益评价的影响程度越大；图中右下角远离主对角线方向评价指标的R-F值越小，则说明该评价指标对雨洪利用措施效益评价的影响程度越大。评价指标的活动性指数反映了各指标对雨洪利用措施效益影响的权重值，即代表了各指标在雨洪利用措施效益评价中的重要性。根据公式(4)可计算得到各评价指标的活动性指数。

各评价指标的R+F值、R-F值及活动性指数K值见表5。由表5可知，评价指标通过相互作用关系对雨洪利用效益影响程度最强的是内涝，最弱的是径流量，由强到弱的排列顺序为内涝(P5)→绿地下凹率(P2)→径流系数(P3)→硬化地面透水率(P1)→径流量(P4)。