低影响开发成本效益研究内容与方法进展综述

李沐寒唐 爽

低影响开发（Low impact development，LID）是一种新兴的城市雨洪管理技术，能够有效地减少城市径流污染与洪涝灾害发生的风险。当前，国内外LID的研究逐渐综合化和多学科化，并开始向城市规划领域延伸，针对LID成本效益地探讨日益增加。然而，现阶段我国的城市雨洪管理仍处于大规模投入与基础设施建设阶段，相关研究还未成体系[1]。因此，本文通过对近20年相关文献的统计分析，探讨了LID研究热点的转变趋势，从LID措施的成本控制和效益评估两方面对LID成本效益的研究内容进行了系统综述，总结了LID成本效益的研究方法及具体应用，并在此基础上提出未来研究的重点发展方向。研究结果可为我国城市雨洪管理的规划实践提供借鉴。

1 LID概念与研究热点的转变

1.1 LID的起源与概念

全球范围内大规模的城市建设使得许多城市面临着各种各样的“城市病”，洪涝灾害是其中发生比较频繁的一个。过去，以雨水工程为主的灰色基础设施建设是解决城市洪涝问题的首要选择[2]。然而，大量的灰色基础设施建设不仅改变了地表的产汇流条件，增加了雨水径流量，而且造成了水资源的巨大浪费[3]。因此，为应对城市雨洪带来的一系列生态环境问题，反思基于灰色基础设施的传统雨洪管理理念，许多国家提出了“将雨水转化为资源”的新型城市雨洪管理方法。20世纪90年代，在城市用地紧缺问题和“基于自然的解决方案（Nature-based solution，NBS）”理念的影响下，第二代最佳管理措施（Beneficial management practices，BMPs）——低影响开发（或称低影响设计，Low impact design）应运而生[4]。

LID作为近年来国内外应用最广泛的城市雨洪管理措施，可在保障城市建设发展的前提下，通过优化透水面空间格局达到减少不透水面的目的，是实现城市雨洪管理的有效手段[5-6]。迄今为止，美国、新西兰、德国等国家都已经形成了较为完整的城市雨洪管理体系。随着我国海绵城市建设的深入发展，LID也被广泛应用于城市规划实践。包括生物滞留池（Bioretention）、雨水花园（Rain garden）、植草沟（Grass swale）、绿色屋顶（Green roofs）等在内的各种小型绿色基础设施被用来降低地表非渗透面面积，从而达到调蓄雨洪的目的[7-8]。

1.2 LID研究热点的转变

自20世纪90年代末以来，各界对LID的认知不断提升，其研究范围也逐步拓宽。本文基于Web of Science数据库，以“Low Impact Development”为关键词搜索了1998年—2018年的相关文章，最终检索到SCI、SSCI论文共571篇，并利用CiteSpace软件对其进行文献的共被引分析和出现时间线分析。其中，采用LLR（Log-likelihood ratio）算法对文献共被引网络进行聚类分析（图1），发现LID研究的关键词主要为吸附作用、绿色屋顶、透水面、管网溢流、污染物削减、城市规划、成本效益和生命周期评价等方面。

图1 文献共被引分析聚类

此外，由文献共被引分析时间线（图2）可以得出LID研究呈现出多学科交叉、追求综合效益最优的发展趋势：最早从1998年起，有学者开始对绿色屋顶等LID单体的建造技术及原理进行探索[9]；2004年左右，针对LID的研究开始丰富，相继出现了对植被过滤带、透水铺装等LID措施的关注；与此同时，对LID吸附作用、径流和污染物削减的研究成为热点，并着重分析了LID的雨洪调控原理[10]；此后，随着LID建设实践的发展，相关建设技术和径流控制原理的研究逐步完善；2010年左右，城市规划领域展开了对LID建设与空间布局的探讨，特别是针对LID成本效益的研究逐渐增多，并延续至今[11-12]。

图2 文献共被引分析时间线

2 LID成本效益研究内容

2.1 LID措施的成本控制

LID措施的成本控制属于城市雨洪管理综合开发利用的前期设计阶段，目前多项研究探讨了LID建设工程技术进步带来的成本控制效果，涉及到工程、技术、预算、材料等诸多方面[13]。一般认为，LID建设成本的控制需要平衡自然条件和目标需求，通过改变地表水文特征、提升雨水径流管理效率等途径，得到成本低同时效益优的建设方案[14]。城市规划界对于LID措施的成本控制研究则主要集中于空间优化配置问题，试图通过设施布局的优化进而控制经济投入。经过多年的探索和实践，最新的研究结果表明LID措施的成本控制不仅需要关注单个设施的水文和水质调控效果，更重要的是评估区域雨洪管理设施建设的投入和产出，流域范围的雨洪管理逐渐成为海绵城市规划的前沿研究方向[15-16]。

2.2 LID措施的效益评估

LID措施的效益评估存在于城市雨洪管理综合开发利用的设计、建设和检测各个阶段。最早的效益评估主要通过与传统雨洪控制设施的对比研究，表明LID的建设成本低于灰色基础设施，在城市雨洪管理效果上也远优于传统雨洪管理模式[17]。在效益评估指标选取方面，研究常采用环境指标，对于经济指标和社会文化指标的探讨则相对较少。总体而言，既有研究多将环境指标分为水文评估和水质评估两类，其中水文评估指标如径流量和峰值流量，研究均认为与传统开发相比LID措施可以降低径流系数、径流量和峰值流量，延后峰值时间[18-20]；水质评估指标中应用较多的则有TSS去除率、TP去除率和TN去除率，研究结果表明LID措施对水质净化同样具有很好的效果[21-22]。

3 LID成本效益研究方法

随着对LID成本效益讨论的逐渐增多，大量试图探寻LID的设计和优化布局以期达到环境效益和成本投入平衡的研究开始出现。与此同时，计算机技术的快速发展使得相应研究方法不断走向全面和科学化。简要而言，大致经过了建设成本法、生命周期法、费效比分析法和水文模型与算法结合方法四个阶段（表1）。

表1 LID成本效益研究方法

3.1 建设成本法

建设成本法通常用来比较LID前期资本投入和建造成本，包括购买土地、建筑、材料和设备的资金，可以方便地得出LID措施与传统雨洪控制设施的建设成本差异，大多数对LID措施的经济评估研究局限于此。如有学者通过对一系列LID措施进行成本分析并构建费用模型对小区雨水利用工程进行优化设计，所得结果表明LID措施与传统雨洪控制设施建设相比具有明显的成本优势[28]；美国堪萨斯州公共工程部运用该方法对城市休闲场所中LID措施与传统雨洪控制设施的经济性进行对比分析，表明LID措施可以节省数万美元的场地费用和基础设施建设费用[29]。

建设成本法简单易行，可直观反映出LID措施所需的投资成本。但其应用多局限于单一雨洪管理措施方案，同时由于该方法忽视了管理和维护等其他相关环节的经济投入，因而难以全面反映LID建设后的运营费用。

3.2 生命周期评价法

生命周期评价（Life cycle assessment，LCA）产生于1969年，是基于最初原料提取到加工制造直至废弃物最终处理全过程的资源和环境影响进行的定量分析与评估。有学者将其用于建设项目评估中，提出了LID生命周期成本效益评价方法[30]。该方法不仅考虑建设成本，还包括了后期维护、运营以及报废成本。

由于生命周期评价可以更加全面地描述LID的综合费用，在国外逐步发展成为政府及企业重要的环境治理手段和预防性的环境保护措施[31]。我国也有学者采用该方法进行了相关研究，如通过LCA方法对雨水花园与渗透铺装+渗透管/井系统等LID措施进行生命周期全过程的成本分析[32]；计算LID措施全生命周期的成本净现值及净年值，并结合工程实践对绿色雨水系统的建造成本、运营维护费用、运行期收益等经济效益进行分析[33]。

LCA方法丰富了LID的成本内涵，但在实际的运用过程中其对工程费用和价格数据收集的要求较高，计算量大；同时，该方法对LID措施可提供的长期效益关注不足。

3.3 费用—效益比方法

费用—效益比（Return on investment，ROI）方法在国内外研究中较为常见，该方法分别计算LID建设成本和环境效益，然后根据比值评估其成本效益，基本计算公式如下[34]：

ROI=C/B（C代表雨洪管理措施的建设成本，B代表项目的产出效益）。

费用—效益比能够直观反映出雨洪管理设施投入与产出的比值，近年来应用逐渐增多。有学者通过构建道路LID的成本费用函数和效益函数，计算了LID的前期成本、施工成本和运营维护成本，以及直接经济效益、节水收益等10种效益，得到复杂生物滞留设施成本费用和综合效益的比值（费效比）远小于1[13]；国外也有学者运用长期水文影响评价模型（Long-term hydrological impact analysis，L-THIA），通过局部重点区域（径流和污染物超负荷区域）的绿色基础设施（Green infrastructure，GI）优化，使得费效比最小的同时建设成本最低[35]。虽然该方法原理简单、实用性强，但在流域尺度的雨水管理措施建设中对所有方案进行费效比计算耗时费力，因而其无法为区域海绵城市建设提供决策支持。

3.4 水文模型与算法结合方法

近年来，随着计算机技术的快速发展，人们开始关注算法在其他领域的应用，LID成本效益的研究方法也逐渐呈现出与多种算法结合的趋势。由于城市雨洪管理目标既包括径流和水质调控，也包括对经济、社会和文化等的影响，因此单一优化目标函数无法解决现实生活中的LID布局优化问题[36]。为了实现各类目标的总体最优需要对各子目标进行综合考量，国外学者率先进行了多种优化算法研究，较为常见的有分散搜索算法、遗传算法等。

（1）分散搜索算法

分散搜索（Scatter search）算法是一种基于种群的全局搜索技术，其可生成多样性的参考解集合，并运用“分散—收敛集聚”的智能迭代机制，不断地用新的优化解取代参考集内的解，直到搜索不到更优方案为止，多用于单目标的优化[35]。

城市雨洪管理中运用分散搜索算法能够搜索符合环境控制目标的最小成本方案，进而可为雨洪管理措施的科学配置方案提供决策支持。有学者尝试将农业非点源污染模型（Agricultural nonpoint source pollution model）与分散搜索算法相耦合，以成本最低为目标优化流域尺度中的LID布局和配置，结果得出LID成本值对水质改善目标的敏感性较大，同时发现沉积效应影响LID的水质改善作用[37]。

（2）遗传算法

遗传算法（Genetic algorithm，GA）是一种通过模拟生物界进化规律进行随机化搜索的方法，其优点是可以在单一运行中实现多个最优解。该算法适应性强，可用于各种LID类型和尺度的多目标优化研究，也是目前LID成本效益分析中最常用的方法，其中运用最广泛的是非支配遗传算法（Nondominated sorted genetic algorithm-II，NSGA-II）。

作为一种基于帕累托最优的先进遗传算法，非支配遗传算法与分散搜索算法集中于单目标的最优求解不同，该算法最终得到的不是某个特定的解，而是所有具有成本效益的方案集合，因而多用于多目标的优化问题[38]。2005年，Cristina Perez-Pedini等人构建了一种基于电子表格的分布式水文模型，尝试应用遗传算法开发城市雨洪管理优化模型，描述了渗透式措施数量与径流量之间的权衡关系，并确定了城市雨洪管理措施的最优位置，研究结果表明最优位置和数量是流域网络、径流时间、土地利用、排水时间等结合的复杂函数[39]。此后，许多学者将SWMM模型与NSGA-II算法耦合，结果表明雨水桶和透水铺装削减径流量和污染物的能力相似，生物滞留池削减径流量和污染物的功能相对更好，且与雨水桶相比生物滞留池和透水铺装对成本增加的敏感度较小[40]；也有学者利用MATLAB集成遗传算法和SWMM模型对比分析了在香港和西雅图建设绿色屋顶、生物滞留设施和透水铺装三种LID设施的效果、成本和各类设施的敏感参数，结果发现透水铺装的成本效益最高，而绿色屋顶由于只能渗透落入其中的雨水，成本效益最低[41]。而后，为了排除结果中最后成本效益方案外的其他可能性方案，有学者在NSGA-II算法基础上进一步优化，运用了博格多目标进化算法（Borg multiobjective evolutionary algorithm，Borg MOEA）等更为先进的精英遗传算法。该算法不断将新的成本效益方案代替旧的方案，最终生成只有最优目标解的一条成本效益曲线，结果更加直观[42]。也有学者将SWMM模型与博格多目标进化算法相耦合，模拟了最小总径流量、峰值流量和最小成本目标下LID的最佳组合方案[43]。

当前，国内应用算法进行的LID成本效益研究相对较少，既有研究多直接运用集成式软件模型，如基于SUSTAIN、BMPDSS等模型针对具体地区进行的LID成本效益实践研究[44-46]。在这些集成式软件模型中，SUSTAIN模型优化模块可提供NSGA-II算法，使得成本效益的分析更加方便，现已越来越多地应用于城市雨洪管理规划决策中[47]。如有学者运用SUSTAIN模型以污染物净化为目标探讨了LID的优化方案[48]；也有学者利用SUSTAIN模型得出LID措施对径流的削减量随着总成本的增加存在一定阈值，超过阈值后边际效益会递减[49]。

4 结论与展望

在生态文明建设背景下，LID是缓解城市洪涝和水污染问题的重要手段。梳理并总结该领域的进展，可以发现，LID的成本效益已经成为研究热点，研究对象从单一雨洪管理措施的评估扩展到流域范围的整体评估与优化分析，计算方法从较简单的人工计算发展为基于算法的复杂模型。为了解决城市雨洪管理措施的社会、经济和环境效益之间的权衡问题，研究往往需要在径流削减、污染物控制和节约成本等多目标下对方案进行优化。相较于国外，我国当前针对LID成本效益的研究明显不足，未来应重点关注以下几个方面的研究。

①完善综合性的城市雨洪管理效益评估体系。我国海绵城市建设指南中对径流总量等水文效应指标作出了明确规定，为各地LID效益评估提供了参考。但由于LID的经济效益和社会文化效益难以量化，目前的效益评估仍以环境效益指标为主。因此，未来研究应完善效益评估体系，构建综合性的城市雨洪管理效益评估体系。

②构建城市雨洪管理优化布局方法框架。LID的空间配置对海绵城市建设的整体效益有着决定性作用，前瞻性的定量研究和模型开发有利于完善城市雨洪管理系统的建设。为了构建城市雨洪管理优化布局方法框架，各地应提倡并引导数据开放，建立相关数据库。同时，应学习西方国家先进的算法应用思路，在计算机大数据处理技术发展的背景下构建适用于我国实情的方法框架。

③实践中重视城市雨洪管理的动态评估检测。监测系统是城市雨洪管理体系的重要组成部分，目前多地尝试建设了海绵城市监测信息化平台，通过对“源头—过程—末端”重要节点进行检测来反映建设效果。未来应建立全过程的动态跟踪评估体系，实现对建设维护过程中问题和风险的在线管控，为城市水资源的综合管理和海绵城市建设效益的评定提供数据支撑。

资料来源：

文中图表均为作者绘制。