基于雨洪模型的城市低影響開發設施的優化研究

劉 標，李江云，常 青

(武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072)

0 引 言

由于LID設施的多樣性，針對特定區域選取合理的LID設施組合也成為一個關鍵的問題。利用雨洪模型對 LID設施的類型及實施效果進行評估，并將LID設施在流域內進行合理布局，對LID的規劃及實施具有重要的意義[1]。因此，有必要提出一種系統的城市雨洪優化設計方案。

目前國內外對LID設施的雨洪模型優化有過一些研究，賈海峰[2]等人利用BMPDSS和SWMM模型，以北京奧運村區域為例，進行了以徑流總量控制率與經濟性為目標的優化計算。Zhen[3]基于經濟效益對流域暴雨徑流管理滯留區的最佳選址和數量進行了評價。陳韜[4]等人對于典型LID設施進行了成本-效益分析，介紹了典型LID設施建設成本的參數估算方法。D.Joksimovic a和Z.Alam[5]以加拿大一小區為例，計算分析并比較了LID設施對徑流量控制效果以及LID設施的經濟效益。本文基于前人對雨洪模型優化的相關研究，利用SUSTAIN強大的LID設施的成本-效益優化能力，對城市雨洪模型優化方法進行進一步的探索。

1 模型介紹及優化分析方法

1.1 雨洪模型介紹

SWMM是美國環保局(EPA)開發的一套動態降雨-徑流模型軟件，如今已被廣泛應用在城市雨洪管理中[6]。模型中嵌有多種LID設施，可以對一系列的結構性雨水管理設施的徑流和污染物傳輸進行模擬，模擬過程如圖1，并允許LID在子匯水區域內進行組合設置。根據LID設施在“滯、蓄、滲、排”等控制徑流水量方面的功效，本例選用生物滯留池、綠色屋頂、植草溝、滲渠及滲透鋪裝等5種LID調控設施，模擬城市LID設施布置及設計方案。

圖1 LID設施模擬過程概要圖Fig.1 Overview of LID facility simulation process

SUSTAIN是一套建立在ArcGIS平臺上的用于在城市或開發區流域內進行LID的選址、布局、模擬、優化的整合決策支持系統[7], 其中內部模擬是運用SWMM5.0的運算法則計算水文和水質的變化過程。

在 SUSTAIN中可以模擬雨水的儲存、輸送、滲透、蒸發、管渠排水和污染物輸送去除過程。LID設施的優化分析是利用SUSTAIN的優化模塊進行模擬計算，通過非支配排序遺傳算法NSGA-II對一系列可能的方案進行成本-效益最優計算。其中，NSGA-II算法通過隨機生成各LID設施初始特征尺寸作為父代種群，通過遺傳選擇操作產生一系列新的特征尺寸，反復更新子代種群，并不斷進行模擬計算及方案比對，最終優選出滿足條件的最佳設計方案[8]。

1.2 優化分析方法

基于雨洪模型在城市規劃中的應用，筆者通過對不同LID布局方案進行模擬和成本-效益分析，以研究區域的年徑流總量控制率為控制目標，確定該區域的最優LID設施布局方案。該方案的具體步驟為：根據流域的基本信息對各LID設施進行初步選址及模擬計算，選出成本較低方案為初篩方案，利用SUSTAIN的優化功能，在滿足地區徑流控制指標的前提下，以成本-效益最優為目標，進一步優化LID設施的實施參數，確定最終方案[9]。分析及優化計算步驟如圖2所示。

圖2 優化分析步驟圖Fig.2 Steps of optimization analysis

2 研究區域概況

研究區域為湖南省H市某在建LID小區，小區內雨水經雨水管道排至市政管網，管線接入口位于道路另一側。研究區域屬于典型的城市地形，地勢平緩，總體坡度較小。研究區域總面積為2.9 hm2，不透水面積約占40.5%。區域南部設置了部分下沉式綠地，作為LID設施。地塊的用地分類以及排水管線情況如圖3所示。

圖3 地塊用地分類及現狀管線Fig.3 Land use classification and current pipeline

3 LID設施的選址分析

根據本研究區域的特征及各LID設施的水文特性，選取綠色屋頂、滲透鋪裝、滲渠、植草溝以及生物滯留池作為主要的設施進行研究。上述LID設施在控制徑流總量、削減徑流峰值以及污染物去除方面都具有較好的效果[10]。由于研究區域本身就設置有一定面積的下沉式綠地，所以，本例不再對下沉式綠地的效果進行單獨討論。

不同的LID設施的特性不同，適應性標準也有很大差別，其位置的選定參考了美國環保局的BMP設計指南[11]，指南中對于各個低影響開發設施的實施條件做了較為具體的限定，例如對于生物滯留池的限定條件為“道路緩沖距離<30 m；河流緩沖距離>30 m；建筑物緩沖距離>3 m；地下水位距設施底部>0.61 m；土壤類型為A～D；匯流坡度<15%；不透水率為0～80%”，同樣，其他LID設施的布置也有相應的限定條件。

根據本研究區域的特點以及參考各LID設施的限定條件，可以從擬建范圍內計算得出符合條件的區域，圖4表示了5種LID設施的可實施區域，表1總結了各LID設施在小區內的最大可實施面積。

圖4 各LID設施可實施區域Fig.4 Areas can be implemented with LID facilities

設施名稱最大可實施面積/m2綠色屋頂(GR)3089．6滲透鋪裝(PP)3411．2生物滯留池(BRC)1934．5滲渠(IT)728．4植草溝(VS)813．5

4 LID組合設施比選及分析

分別對單一LID設施控制效果進行模擬計算分析，由計算結果可知，滲渠具有最大的年徑流總量控制率79.63%，其次依次為滲透鋪裝、生物滯留池、植草溝以及綠色屋頂。可以看出，單一LID設施能夠對年徑流總量有一定的控制效果，但當單一LID設施實施比例較大時，脫離了LID設施曲線的性能高效區域，高比率的單一設施工程及經濟可行性較差，因此需探討組合LID設施的功效。

4.1 LID組合設施的效果計算

上述中共選用5種LID設施作為研究對象，分別為綠色屋頂(Green Roof, GR)，滲透鋪裝(Permeable Pavement, PP)，滲渠(Infiltration Trench, IT)，植草溝(Vegetative Swale, VS)以及生物滯留池(Bio-retention Cell, BRC)。本節將在上述單一設施效果分析的基礎上，分析LID組合設施的功效。共有5種LID設施，考慮到研究區域的大小以及設施在區域內的適用性，擬選取3種作為組合設施，總共能夠產生10種組合方案。對于組合方案中各個設施的實施比例，參考海綿城市建設指南[12]中LID設施的實施比例取值范圍，并結合案例實際的布置，控制在40%～60%之間。對每種組合方案進行模擬計算，計算工況與單一LID設施的計算工況相同，選取2015年每日每小時的降雨數據，降雨量圖如圖5，在運動波模型條件下進行模擬計算。忽略地下水對排水系統的影響。組合方案的計算結果見表2。

圖5 2015年每日每小時降雨量圖Fig.5 The daily hourly rainfall chart in 2015

組合方案年徑流總量控制率/%GR+PP+IT83．46GR+PP+VS79．18GR+PP+BRC80．34GR+IT+VS77．99GR+IT+BRC76．71GR+VS+BRC76．38PP+IT+VS85．91PP+IT+BRC85．96PP+VS+BRC83．73IT+VS+BRC78．23

將LID組合設施與LID單一設施的模擬結果相比較，可以發現相比于單一設施，組合設施普遍具有較好的控制功效。

4.2 LID設施的經濟性及適用性評價

低影響開發設施可以有效降低徑流峰值、削減徑流總量。但是在保證低影響開發技術功能要求的前提下，應盡可能使其成本費用最低，有效實現其環境、經濟和社會效益。本例的成本主要考慮LID設施的建造成本以及運營維護成本，其中的雨水管理設施的造價參考國內已建設施造價、國內外相關文獻以及各BMP數據庫[11,12]中的設施造價，并且結合實地調查相關建設與維護成本確定。維護期限設定為20 a。研究區域內的LID設施單位造價如表3所示。

表3 LID設施單位成本Tab.3 The unit cost of LID facilities

確定了LID設施的單位成本之后，即可根據實施程度，求得各單一和組合LID方案的成本，各LID方案的實施成本與徑流總量控制率之間的關系如圖6所示。按特定徑流量削減率，選擇經濟成本較低的方案，或者在經濟成本相同的條件下，確定徑流量削減效果較好的方案。

圖6 各LID方案成本與徑流總量控制率的關系Fig.6 Cost and capture ratio of total runoff of each LID scheme

根據海綿城市建設指南中對我國大陸地區的年徑流總量控制目標的相關規定[7]，選取80%作為H市的年徑流總量控制目標，如圖6，共有5種方案滿足要求，其中方案“PP+IT+VS”具有較高的年徑流總量控制率，達到85.91%，并且該方案的造價相對較低，為175.5萬元。通過幾種達標方案的綜合比較，將方案“透水鋪裝+滲渠+植草溝”作為該區域實施LID設施的優選方案，并對該方案進行進一步的優化計算。

5 情景方案的優化分析

對于研究區域LID設施的初選方案“透水鋪裝+滲渠+植草溝”，對各LID設施的實施比例進行進一步的優化調整，以得到更優的成本-效益方案。利用SUSTAIN軟件的優化模塊，對初選方案進行進一步優化計算，在優化模塊中選用徑流總量控制率作為方案的最優化目標，選取“cost-effective curve”選項作為模型的優化方法。在指定的目標范圍內求解，生成成本-效益優化曲線并計算出該區間內的成本-效益最優點。成本-效益曲線的優化方法的目標函數可以表示如下：

(1)

式中：Q代表年徑流總量控制率；Q1及Q2分別為優化的上下區間；BMPi表示不同編號的LID設施。計算可得到年徑流總量控制率在Q1，Q2區間內的成本-效益曲線。

在SUSTAIN軟件中建立“滲透鋪裝+滲渠+植草溝”方案的設施規劃模型，如圖7所示。

圖7 LID設施規劃圖Fig.7 LID facilities layout plan

優選方案的最優化目標是在優選方案的徑流總量控制能力的基礎上確定的，根據初選方案的年徑流總量控制率及該地區年徑流總量的控制目標，設定徑流控制率的范圍為82%～88%。根據現有LID設施布局規劃方案，在研究區域內選取LID設施的特征尺寸作為實施程度的決策變量，在表4所示的最大最小值范圍內，進一步的進行方案組合的優化模擬計算。方案的決策變量范圍如表4。

表4 LID設施優化決策變量Tab.4 Optimization decision variables of LID facilities

注：IT(i)、VS(i)、PP(i)分別對應圖7中的不同編號的滲渠，植草溝，滲透鋪裝。

使用圖5的降雨數據，以年徑流總量控制率作為評價目標進行比較分析。選擇優化模塊中的非支配排序遺傳算法NSGA-II，針對研究區域在不同LID規劃情景下，對各LID設施選擇不同的實施比例時所得到的不同方案的成本-效益進行上萬次模擬計算，結果見圖8。

圖8 成本-效益分析圖Fig.8 Cost-efficient analysis curve

圖8中橫坐標為不同方案的成本(萬元)，縱坐標為方案的效益(年徑流總量控制率)。灰色點為所有可能的LID規劃布置方案，深灰色點為其中成本-效益較好的規劃方案，黑色高亮的點則為本例中成本-效益最優的規劃情景方案。

從圖8可以看到，根據所識別的成本-效益最優的規劃情景方案，優化后的方案徑流總量控制率為86.66%，較原方案提升了0.75%。優化方案的成本為173.4萬元，原方案成本為175.5萬元，減少了2.1萬元。在減少投資成本的前提下，提高了年徑流總量控制率。優化方案與原方案的成本及面積構成比例如表5所示。

表5 方案成本與面積構成比較Tab.5 Cost and area comparison of different schemes

6 結 語

通過對幾種不同LID設施的單一及組合布置進行模擬計算，組合設施不僅具有較好的徑流削減效果，而且在成本投入上也具有一定的優勢。經計算分析和比較，本研究選用了效果和成本都較優的“滲透鋪裝+滲渠+植草溝”的LID組合設施。在SUSTAIN軟件中對各設施的面積比例進行微調，優化后的方案的年徑流總量控制率較原方案提高了0.75%，且投入成本也較原方案減少了2.1萬元。就市政建設而言，在緊縮的預算和嚴格的約束之下，如何充分利用有限資金來建設高效益的城市雨洪控制設施成為一大問題，本例的雨洪模型的優化計算方法給城市LID設施的規劃建設有很好的參考價值。

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[1] 王 虹, 李昌志, 程曉陶. 流域城市化進程中雨洪綜合管理量化關系分析[J]. 水利學報, 2015,46(3):271-279.

[2] Jia H, Lu Y, Yu S L, et al. Planning of LID-BMPs for urban runoff control: The case of Beijing Olympic Village[J]. Separation & Purification Technology, 2012,84(2):112-119.

[3] Xiao-Yue “Jenny” Zhen, Yu S L, Lin J Y. Optimal Location and Sizing of Stormwater Basins at Watershed Scale[J]. Journal of Water Resources Planning & Management, 2004,130(4):339-347.

[4] Wolfe M L, Veith T L, Heatwole C D. Cost-effective BMP placement: optimization versus targeting[J]. Transactions of the Asae, 2004,47(5):1 585-1 594.

[5] Joksimovic D, Alam Z. Cost Efficiency of Low Impact Development (LID) Stormwater Management Practices[J]. Procedia Engineering, 2014,89:734-741.

[6] 黃國如，馮 杰，劉寧寧，等．城市雨洪模型及應用[M]．北京：中國水利水電出版社，2013.

[7] 邢 薇，王浩正，趙冬泉，等．城市暴雨處理及分析集成模型系統(SUSTAIN) 介紹[J]．中國給水排水，2012，28(2):29-33．

[8] 賈海峰, 姚海蓉, 唐穎,等. 城市降雨徑流控制LID BMPs規劃方法及案例[J]. 水科學進展, 2014, 25(2):260-267.

[9] 唐 穎. SUSTAIN支持下的城市降雨徑流最佳管理BMP規劃研究[D]. 北京：清華大學, 2010.

[10] 宮永偉，戚海軍，李俊奇，等．城市道路低影響開發設計的雨洪滯蓄效果分析[J]．中國給水排水，2014，30(9):151-154．

[11] US EPA. Stormwater Best Management Practice Design Guide[M]. Washington, D.C.: U.S. Environmental Protection Agency, Office of Research and Development,2004.

[12] 中華人民共和國住房和城鄉建設部組織編制. 海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)[M]. 北京：中國建筑工業出版社, 2015.