基于海绵城市理念的LID措施优化布局——以济南市黄台桥流域为例

徐宗学，李鹏，程涛

(1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875；2.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室,北京 100875；3.广东省水利水电科学研究院,广州 510635)

近年来，全球气候变化和城市化进程不断加快引发了一系列城市水问题，在水资源供需矛盾、城市暴雨内涝以及水生态环境等方面给城市居民安全造成了极大影响[1-2]。由短历时强降水造成的城市内涝问题尤为突出，造成的灾害损失大、影响范围广[3]。我国是受到城市化与气候变化影响最为严重的国家之一，据《中国水旱灾害防御公报：2019》统计[4]，我国因洪涝共造成4 766.6万人次受灾，658人死亡失踪，直接经济损失达1 922.7亿元。同时，城市暴雨内涝发生频率上升，加之其影响程度大，使得我国经济社会可持续发展面临挑战[5-7]。最近几年，我国“城市看海”现象愈演愈烈，逢雨必涝已逐渐成为我国许多城市的痼疾[8-9]。

在此背景下，我国新一代城市雨洪管理理念——海绵城市应运而生。海绵城市理念的核心是低影响开发(low impact development，LID)[10]，诸多研究人员从不同角度开展了LID建设相关研究，取得了丰硕的研究成果。其中，LID措施的优化布局研究越来越受到研究人员的关注[11]。国外从20世纪末期便已开始LID优化布局方法的探索，至今已涌现出一批有益的成果，如由美国EPA开发的BMPDSS和SUSTAIN模型[12]已被广泛应用于LID-BMP措施优化布局与城市雨洪管理中。国内学者[13]21世纪初才开始注重LID的研究和实践，目前处于探索阶段，仍缺乏一套完整的城市径流控制与LID优化布局的理论体系。另外，目前研究多为小尺度的小区模拟，不能较好满足区域海绵城市规划的要求[14-16]。因此，将LID措施及优化技术应用于大尺度城市流域的海绵城市建设势在必行。

本文在系统梳理海绵城市的内涵、LID措施及其优化布局的基础上，结合案例研究，剖析LID组合措施的雨洪削减效果与其经济成本之间的关系，为完善我国海绵城市建设体系提供一定参考。

1 海绵城市内涵及LID措施

1.1 海绵城市的内涵

近年来，我国城市防洪与雨水资源化利用思想转变，提出了新一代城市雨洪管理理念——海绵城市，北京、济南市等30个试点城市先后开展了海绵城市建设，取得了大量成功经验[17]。海绵城市理念旨在缓解或解决快速城镇化带来的负面水文效应，使城市在应对复杂变化时展现出良好的“韧性”，充分利用自然的蓄存、渗透与净化能力，达到控制径流量、控制峰值流量、控制水环境污染和雨水资源化利用的目标[18]。

在广义层面上，海绵城市是一种与自然环境和谐共生的发展理念，旨在解决城市化建设与自然资源环境间的矛盾。一方面，海绵城市理念以保护原有生态系统为原则，加大对山、水、林、田、湖的保护力度，改变传统城市开发模式;另一方面，改变原有城市集中排水的防洪排涝思路，实践海绵城市六字方针(“渗、滞、蓄、净、用、排”)，大力恢复遭到破坏的水循环系统，在开发建设时要严格遵循生态优先原则，将对原有水生态环境的破坏程度减少到最低限度。在狭义层面上，海绵城市是一套基于源头削减、过程控制、末端处理思想的技术体系，即低影响开发(LID)，以增加填洼与入渗、减少地表径流和地表冲刷污染等[19]。由此可见，海绵城市是“绿水青山就是金山银山”科学论断的具体实践，体现了减轻城市化造成的负面水文效应、人水和谐和可持续发展的战略方针，见图1。

图1 海绵城市内涵Fig.1 The connotation of sponge city

1.2 LID措施

LID措施的宗旨是维持城市开发前的水循环特征，包括控制地表径流量与汇流速度、削减污染物浓度等。随着LID技术的发展，LID措施种类越来越多，常用于海绵城市建设的LID措施有：绿色屋顶、雨水花园、下凹式绿地、生物滞留池、雨水罐、透水铺装、植草沟等。不同的LID措施的主要功能不同，一般分为渗透、存储、截污净化与调节等功能，有些LID措施同时具备多种功能。因此，实际工程规划中，应根据区域的功能分区特点及规划的控制目标选择合适的LID措施。另外，诸多研究[20-21]表明，不同LID措施组合运用的效果更好。表1总结了常用的LID措施的功能与特征。

表1 各LID措施的功能特征Tab.1 Functions and characteristics of each LID measure

注：★★★-作用大；★★-作用一般；★-作用小。

2 LID措施优化布局的方法与目标

近年来，关于LID措施优化方面的研究[11]越来越多，已经成为城市雨洪管理领域的研究前沿领域之一。国内外关于LID措施优化布局方面的研究[22-24]主要集中在LID措施的设计优化(类型、尺寸)以及多种措施的性能评估、LID措施的空间布局优化及成本效益分析[25-26]、参数优化及运用多准则方法[27-29]、不同LID措施的性能试验[30-31]等。本文聚焦LID措施的空间布局优化研究主题，归纳总结该类研究所采用的方法及目标，以期为解决多尺度、多参数的LID措施规划与优化布局问题提供系统性和战略性的指导思路。

当单独或组合LID措施位于不同位置时，它们表现的性能会存在一定差异。在考虑地形特征因素方面：若将LID措施布设在高不透水以及排水管网密集的地方，可以收集与处理大量径流，对该区域的水文状况产生较大影响[32]；若布设于渗透性较好的区域，则有利于植被生长与栖息地的保护[33]；在陡峭的地形和渗透性较差的土层条件下，会导致径流速度过快，通常不利于LID措施的布设，然而这些地方对LID措施的需求较大[34-35]。另一方面，LID措施在集水区内的相对位置(上下游、排水管首末端等)也对最后的控制效果产生一定影响，分散布设与集中布设方式的水文效应也具有很大差异，见图2[36]。一些研究[37-40]认为，在集水区上游(源头)处布设LID措施，可以在降水一开始就起到控制径流的作用，减轻下游排水系统的负荷。然而，部分研究[41-42]认为，位于下游地区或管段末端的LID措施控制效果更好。因此，不同的区域特征以及优化目标会导致不同的“最优”LID措施布局方式[37,43]。

图2 LID措施不同空间分配方式的水文过程[36]Fig.2 Hydrological process of LID facilities with different spatial allocation

针对LID措施优化布局主题，诸多学者从研究方法和优化目标层面开展了大量探索性工作，取得了大量有价值的成果。方法层面上，研究人员在模型工具与启发式算法领域开展了大量实践，常用的模型工具有storm water management model (SWMM)、system for urban stormwater treatment and analysis integration model(SUSTAIN)、the hydrologic engineering center′s-hydrologic modeling system (HEC-HMS)、model for urban stormwater improvement conceptualization(MUSIC)等，应用的启发式算法有genetic algorithm(GA)、non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)、particle swarm optimization(PSO)等。目标层面上，主要分为4类目标：水量控制(削减径流总量、控制溢流量、降低径流峰值)、水质控制(污染物削减率)、时间控制(延长峰现时间)和成本控制(建设成本与维护成本)。表2总结了国内外LID措施优化布局研究涉及的措施类型、模型工具和优化目标。此外，部分研究[44-46]没有采用优化算法，而是通过设置多种比例、位置、类型等情景，分析不同情景LID措施布局方式的效果。

表2 LID措施优化布局研究细节Tab.2 The details of the research on the optimization layout of LID facilities

3 案例研究

针对济南市黄台桥流域开展LID措施优化布局研究。该研究区包含济南市中心城区、西北部郊区和南部山区，总面积约326 km2，济南市海绵城市示范区就位于该研究区内。当暴雨发生时，南部山区形成的径流很容易在北部形成积涝。选取不同LID措施在各功能区的设置比例为参数，在不同目标函数下对LID组合措施进行优化，筛选LID措施布局在经济成本、径流总量削减率、洪峰流量削减率和洪峰推迟时间等约束条件下的最优方案。

3.1 黄台桥流域功能区划分

仅对黄台桥流域主城区LID布设进行优化及效果评估，根据《城市用地分类与规划建设用地标准》[57]，结合研究区下垫面特征将研究区用地类型分为园林区、居住区、公共设施区、教育科研区和其他区域，见图3。居住区包括居住小区及周边配套活动场所等，其建筑物密集、人口流量大、不透水率较大；教育科研区包括初高中及高等院校、研究所等；公共设施区涵盖各大商圈，其建筑物密度大、不透水率极高；园林区包括公园、湿地、生态区等，植被覆盖率较高、不透水率较小；其他区域包括平原区、山区等，不对该类用地进行LID设置。

图3 济南市主城区功能分区Fig.3 Functional zoning of main urban area in Jinan City

3.2 LID措施筛选与布局

大量研究表明，不同种类和规模的LID组合措施有助于实现雨水资源化利用、洪峰流量削减、径流总量控制、生态景观修复等多重目标，从而解决城市水问题。为了解决流域尺度LID研究中面临的数据量大、布设位置较难确定等问题，根据研究区下垫面特征初步筛选出适用的LID，根据各功能区用地类型确定LID的最大设置比例，综合考虑雨洪控制效果、经济成本等约束，对LID组合布置比例进行优化。

在4个功能区布设不同比例的透水铺装和雨水花园，除园林区外均设置相应比例的雨水罐和绿色屋顶。其中:绿色屋顶主要设置于教学楼、写字楼及居民小区等;透水铺装主要设置于公路及人行道、小区道路及面积较大的广场;雨水花园主要设置于草坪、隔离带等公共绿地区域;雨水罐则设置于住宅、教学楼和商场等四周。研究区用地构成及LID最大设置比例见表3，LID相关参数主要参考《雨水控制与利用工程设计规范》[58]，经济成本主要参考《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》[21]及相关实际工程案例概算等资料，主要参数见表4。

表3 黄台桥流域用地构成及LID设置Tab.3 Land use composition and LID setting of Huangtaiqiao catchment

表4 LID措施主要参数及成本设置Tab.4 Main parameters and cost settings of LID measures

3.3 LID优化情景设置

为探求不同LID组合对不同重现期暴雨条件下雨洪的削减效果(径流总量、洪峰流量、峰现时间)，以及相应LID的建设与维护成本对LID措施实施的制约性，根据研究区用地类型及LID布局比例，针对不同重现期降雨在不同目标函数下进行优化设计，见表5。其中：CE为LID的经济成本(建设成本与维护成本)；QW为径流总量削减率;Qmax为洪峰流量削减效果;TQ为洪峰推迟时间。

表5 LID优化情景设置Tab.5 LID optimization scenario settings

3.4 结果分析

以不同LID在各功能区的设置比例为参数，针对不同的情景设置，选用NSGA-Ⅱ算法进行60 000次降雨产流模拟计算。以设计暴雨重现期1 a为例，探究LID组合雨洪削减效果与其经济成本之间的关系，结果见图4，各情景LID设置比例见表6。图4(a)～4(c)中灰色点为LID布设方案，黑色点为具有一定成本-效益的LID布设方案，绿色点为最具成本-效益的LID布设方案(即表5中最经济方案)，红色点为削减效果最好的LID布设方案(即表5中最大削减方案)。图4(d)为具有一定成本-效益的LID布设方案，气泡大小表示洪峰流量削减率。

根据情景1结果可知:CE+QW的LID布设方案中，经济成本随径流总量削减率的增加而持续增加，最具成本-效益的布设方案径流总量削减率为16.20%，所需经济成本为90.67亿元；具有一定成本-效益的LID布设方案中径流总量削减率最大为50.38%，所需经济成本为380.21亿元。由表6可知，居住区和公共设施区的透水铺装对径流总量削减效果最为明显。

图4 重现期为1 a时各情景优化模拟结果Fig.4 Optimization simulation results of each scenario with a recurrence period of 1 year

根据情景2结果可知:CE+TQ的LID布设方案中，经济成本随洪峰延迟时间的增加而呈阶梯性增长。最具成本-效益的布设方案的洪峰延迟时间为0.25 h，所需的经济成本为106.65亿元；具有一定成本-效益的LID布设方案中洪峰延迟时间最大为0.75 h，所需经济成本为138.55亿元。由表6可知，居住区、公共设施区和园林区透水铺装及公共设施区绿色屋顶的组合措施对洪峰延迟时间效果最为明显。

表6 重现期为1 a时各情景优化方案LID设置比例Tab.6 The LID setting ratio of each scenario with a recurrence period of 1 year %

根据情景3结果可知，CE+Qmax的LID布设方案中，经济成本随洪峰流量削减率的增加而持续增加。最具成本-效益的布设方案的洪峰流量削减率为13.29%，此时布设LID所需的经济成本为118.86亿元；具有一定成本-效益的LID布设方案中洪峰流量削减率最大为38.52%，所需经济成本为342.12亿元。根据表6中两种方案在不同功能区LID设置比例可知，公共设施区的透水铺装和绿色屋顶组合措施对洪峰流量削减效果最为明显。

根据情景4结果可知:CE+QW+Qmax的LID布设方案中，经济成本随径流总量和洪峰流量削减率的增加而持续增加；由于目标函数较多，考虑到计算时间和效率，不对该情景进行最具成本-效益的布设方案的确定。具有一定成本-效益的LID布设方案中经济成本为397.17亿元时，径流总量削减率最大可为51.79%，洪峰流量削减率为42.96%。根据表6中最大削减方案中不同功能区LID设置比例可知，各LID比例均已接近其最大设置比，这也与经验相吻合。

由图4可以看出:当目标函数分别为CE+QW和CE+Qmax(情景1和情景3)时，其成本-效益呈线性函数关系，各情景的LID布设方案中其经济成本随LID对雨洪的削减效益的增加而增加，可对实际情况中的LID布设起到一定的指导作用；当目标函数为CE+TQ(情景2)时，具有一定成本-效益的LID布设方案较少，可根据实际情况进行选取；当目标函数为CE+QW+Qmax(情景4)时，由于目标函数较多，其最优LID布设方案还需通过较为复杂的计算方法确定。

分析情景4～16模拟结果发现:当目标函数为CE+QW时，具有一定成本-效益的LID布设方案中，经济成本随径流总量削减率的增加而持续增加，但随着设计暴雨重现期的增加，其径流总量最大削减率呈现出降低趋势，最优布设方案所需的经济成本随之降低；当目标函数为CE+Qmax时，具有一定成本-效益的LID布设方案中，经济成本随洪峰流量削减率的增加而持续增加，但随着设计暴雨重现期的增加，其洪峰流量最大削减率呈现出不断降低趋势，最优布设方案所需的经济成本也随之降低。这表明LID措施对重现期较低的暴雨控制效果较好，但对重现期较高的暴雨控制效果较差。

参考济南市雨洪现状[55]，根据模拟结果:当济南市相关部门拟投入100亿元进行海绵城市LID工程建设时，对于1 a一遇的降雨(图4)，此时最具成本-效益的LID布置方案约可控制17%的径流总量；若其想控制其降水径流总量的40%，则需相关部门投入275亿元左右用于LID工程建设，同时相应方案的LID设置比例均可通过本研究的计算方法获取。由此可见，该研究结果对济南市海绵城市建设具有较好的指导作用。

4 结 论

梳理了海绵城市理念的内涵,总结了常见LID措施的功能特征，并系统总结了LID措施优化布局方面的研究进展。以济南市黄台桥流域为研究区，基于不同功能区进行LID措施及建设比例设置，选用NSGA-Ⅱ算法对各功能区LID布局进行了多目标优化模拟，初步得出以下结论。

选用不同的目标函数时，NSGA-Ⅱ算法能较为准确地给出具有一定成本-效益的LID布局方案，从而进一步确定出相应情景下的最经济方案和最大削减方案，并能给出相应的LID布设比例，表现出较良好的适用性，表明NSGA-Ⅱ算法适用于流域尺度的城市区域LID优化布局。对径流总量削减效果最显著的是居住区和公共设施区的透水铺装，居住区、公共设施区和园林区的透水铺装及公共设施区的绿色屋顶组合方式对洪峰延迟时间效果最显著，对洪峰流量削减效果最显著的是公共设施区的透水铺装和绿色屋顶组合方式。本研究是对大尺度城市流域海绵规划的初步探讨，以期为该方面的研究、工程建设等提供一定参考。