低影響開發成本效益研究內容與方法進展綜述

李沐寒唐 爽

低影響開發（Low impact development，LID）是一種新興的城市雨洪管理技術，能夠有效地減少城市徑流污染與洪澇災害發生的風險。當前，國內外LID的研究逐漸綜合化和多學科化，并開始向城市規劃領域延伸，針對LID成本效益地探討日益增加。然而，現階段我國的城市雨洪管理仍處于大規模投入與基礎設施建設階段，相關研究還未成體系[1]。因此，本文通過對近20年相關文獻的統計分析，探討了LID研究熱點的轉變趨勢，從LID措施的成本控制和效益評估兩方面對LID成本效益的研究內容進行了系統綜述，總結了LID成本效益的研究方法及具體應用，并在此基礎上提出未來研究的重點發展方向。研究結果可為我國城市雨洪管理的規劃實踐提供借鑒。

1 LID概念與研究熱點的轉變

1.1 LID的起源與概念

全球范圍內大規模的城市建設使得許多城市面臨著各種各樣的“城市病”，洪澇災害是其中發生比較頻繁的一個。過去，以雨水工程為主的灰色基礎設施建設是解決城市洪澇問題的首要選擇[2]。然而，大量的灰色基礎設施建設不僅改變了地表的產匯流條件，增加了雨水徑流量，而且造成了水資源的巨大浪費[3]。因此，為應對城市雨洪帶來的一系列生態環境問題，反思基于灰色基礎設施的傳統雨洪管理理念，許多國家提出了“將雨水轉化為資源”的新型城市雨洪管理方法。20世紀90年代，在城市用地緊缺問題和“基于自然的解決方案（Nature-based solution，NBS）”理念的影響下，第二代最佳管理措施（Beneficial management practices，BMPs）——低影響開發（或稱低影響設計，Low impact design）應運而生[4]。

LID作為近年來國內外應用最廣泛的城市雨洪管理措施，可在保障城市建設發展的前提下，通過優化透水面空間格局達到減少不透水面的目的，是實現城市雨洪管理的有效手段[5-6]。迄今為止，美國、新西蘭、德國等國家都已經形成了較為完整的城市雨洪管理體系。隨著我國海綿城市建設的深入發展，LID也被廣泛應用于城市規劃實踐。包括生物滯留池（Bioretention）、雨水花園（Rain garden）、植草溝（Grass swale）、綠色屋頂（Green roofs）等在內的各種小型綠色基礎設施被用來降低地表非滲透面面積，從而達到調蓄雨洪的目的[7-8]。

1.2 LID研究熱點的轉變

自20世紀90年代末以來，各界對LID的認知不斷提升，其研究范圍也逐步拓寬。本文基于Web of Science數據庫，以“Low Impact Development”為關鍵詞搜索了1998年—2018年的相關文章，最終檢索到SCI、SSCI論文共571篇，并利用CiteSpace軟件對其進行文獻的共被引分析和出現時間線分析。其中，采用LLR（Log-likelihood ratio）算法對文獻共被引網絡進行聚類分析（圖1），發現LID研究的關鍵詞主要為吸附作用、綠色屋頂、透水面、管網溢流、污染物削減、城市規劃、成本效益和生命周期評價等方面。

圖1 文獻共被引分析聚類

此外，由文獻共被引分析時間線（圖2）可以得出LID研究呈現出多學科交叉、追求綜合效益最優的發展趨勢：最早從1998年起，有學者開始對綠色屋頂等LID單體的建造技術及原理進行探索[9]；2004年左右，針對LID的研究開始豐富，相繼出現了對植被過濾帶、透水鋪裝等LID措施的關注；與此同時，對LID吸附作用、徑流和污染物削減的研究成為熱點，并著重分析了LID的雨洪調控原理[10]；此后，隨著LID建設實踐的發展，相關建設技術和徑流控制原理的研究逐步完善；2010年左右，城市規劃領域展開了對LID建設與空間布局的探討，特別是針對LID成本效益的研究逐漸增多，并延續至今[11-12]。

圖2 文獻共被引分析時間線

2 LID成本效益研究內容

2.1 LID措施的成本控制

LID措施的成本控制屬于城市雨洪管理綜合開發利用的前期設計階段，目前多項研究探討了LID建設工程技術進步帶來的成本控制效果，涉及到工程、技術、預算、材料等諸多方面[13]。一般認為，LID建設成本的控制需要平衡自然條件和目標需求，通過改變地表水文特征、提升雨水徑流管理效率等途徑，得到成本低同時效益優的建設方案[14]。城市規劃界對于LID措施的成本控制研究則主要集中于空間優化配置問題，試圖通過設施布局的優化進而控制經濟投入。經過多年的探索和實踐，最新的研究結果表明LID措施的成本控制不僅需要關注單個設施的水文和水質調控效果，更重要的是評估區域雨洪管理設施建設的投入和產出，流域范圍的雨洪管理逐漸成為海綿城市規劃的前沿研究方向[15-16]。

2.2 LID措施的效益評估

LID措施的效益評估存在于城市雨洪管理綜合開發利用的設計、建設和檢測各個階段。最早的效益評估主要通過與傳統雨洪控制設施的對比研究，表明LID的建設成本低于灰色基礎設施，在城市雨洪管理效果上也遠優于傳統雨洪管理模式[17]。在效益評估指標選取方面，研究常采用環境指標，對于經濟指標和社會文化指標的探討則相對較少。總體而言，既有研究多將環境指標分為水文評估和水質評估兩類，其中水文評估指標如徑流量和峰值流量，研究均認為與傳統開發相比LID措施可以降低徑流系數、徑流量和峰值流量，延后峰值時間[18-20]；水質評估指標中應用較多的則有TSS去除率、TP去除率和TN去除率，研究結果表明LID措施對水質凈化同樣具有很好的效果[21-22]。

3 LID成本效益研究方法

隨著對LID成本效益討論的逐漸增多，大量試圖探尋LID的設計和優化布局以期達到環境效益和成本投入平衡的研究開始出現。與此同時，計算機技術的快速發展使得相應研究方法不斷走向全面和科學化。簡要而言，大致經過了建設成本法、生命周期法、費效比分析法和水文模型與算法結合方法四個階段（表1）。

表1 LID成本效益研究方法

3.1 建設成本法

建設成本法通常用來比較LID前期資本投入和建造成本，包括購買土地、建筑、材料和設備的資金，可以方便地得出LID措施與傳統雨洪控制設施的建設成本差異，大多數對LID措施的經濟評估研究局限于此。如有學者通過對一系列LID措施進行成本分析并構建費用模型對小區雨水利用工程進行優化設計，所得結果表明LID措施與傳統雨洪控制設施建設相比具有明顯的成本優勢[28]；美國堪薩斯州公共工程部運用該方法對城市休閑場所中LID措施與傳統雨洪控制設施的經濟性進行對比分析，表明LID措施可以節省數萬美元的場地費用和基礎設施建設費用[29]。

建設成本法簡單易行，可直觀反映出LID措施所需的投資成本。但其應用多局限于單一雨洪管理措施方案，同時由于該方法忽視了管理和維護等其他相關環節的經濟投入，因而難以全面反映LID建設后的運營費用。

3.2 生命周期評價法

生命周期評價（Life cycle assessment，LCA）產生于1969年，是基于最初原料提取到加工制造直至廢棄物最終處理全過程的資源和環境影響進行的定量分析與評估。有學者將其用于建設項目評估中，提出了LID生命周期成本效益評價方法[30]。該方法不僅考慮建設成本，還包括了后期維護、運營以及報廢成本。

由于生命周期評價可以更加全面地描述LID的綜合費用，在國外逐步發展成為政府及企業重要的環境治理手段和預防性的環境保護措施[31]。我國也有學者采用該方法進行了相關研究，如通過LCA方法對雨水花園與滲透鋪裝+滲透管/井系統等LID措施進行生命周期全過程的成本分析[32]；計算LID措施全生命周期的成本凈現值及凈年值，并結合工程實踐對綠色雨水系統的建造成本、運營維護費用、運行期收益等經濟效益進行分析[33]。

LCA方法豐富了LID的成本內涵，但在實際的運用過程中其對工程費用和價格數據收集的要求較高，計算量大；同時，該方法對LID措施可提供的長期效益關注不足。

3.3 費用—效益比方法

費用—效益比（Return on investment，ROI）方法在國內外研究中較為常見，該方法分別計算LID建設成本和環境效益，然后根據比值評估其成本效益，基本計算公式如下[34]：

ROI=C/B（C代表雨洪管理措施的建設成本，B代表項目的產出效益）。

費用—效益比能夠直觀反映出雨洪管理設施投入與產出的比值，近年來應用逐漸增多。有學者通過構建道路LID的成本費用函數和效益函數，計算了LID的前期成本、施工成本和運營維護成本，以及直接經濟效益、節水收益等10種效益，得到復雜生物滯留設施成本費用和綜合效益的比值（費效比）遠小于1[13]；國外也有學者運用長期水文影響評價模型（Long-term hydrological impact analysis，L-THIA），通過局部重點區域（徑流和污染物超負荷區域）的綠色基礎設施（Green infrastructure，GI）優化，使得費效比最小的同時建設成本最低[35]。雖然該方法原理簡單、實用性強，但在流域尺度的雨水管理措施建設中對所有方案進行費效比計算耗時費力，因而其無法為區域海綿城市建設提供決策支持。

3.4 水文模型與算法結合方法

近年來，隨著計算機技術的快速發展，人們開始關注算法在其他領域的應用，LID成本效益的研究方法也逐漸呈現出與多種算法結合的趨勢。由于城市雨洪管理目標既包括徑流和水質調控，也包括對經濟、社會和文化等的影響，因此單一優化目標函數無法解決現實生活中的LID布局優化問題[36]。為了實現各類目標的總體最優需要對各子目標進行綜合考量，國外學者率先進行了多種優化算法研究，較為常見的有分散搜索算法、遺傳算法等。

（1）分散搜索算法

分散搜索（Scatter search）算法是一種基于種群的全局搜索技術，其可生成多樣性的參考解集合，并運用“分散—收斂集聚”的智能迭代機制，不斷地用新的優化解取代參考集內的解，直到搜索不到更優方案為止，多用于單目標的優化[35]。

城市雨洪管理中運用分散搜索算法能夠搜索符合環境控制目標的最小成本方案，進而可為雨洪管理措施的科學配置方案提供決策支持。有學者嘗試將農業非點源污染模型（Agricultural nonpoint source pollution model）與分散搜索算法相耦合，以成本最低為目標優化流域尺度中的LID布局和配置，結果得出LID成本值對水質改善目標的敏感性較大，同時發現沉積效應影響LID的水質改善作用[37]。

（2）遺傳算法

遺傳算法（Genetic algorithm，GA）是一種通過模擬生物界進化規律進行隨機化搜索的方法，其優點是可以在單一運行中實現多個最優解。該算法適應性強，可用于各種LID類型和尺度的多目標優化研究，也是目前LID成本效益分析中最常用的方法，其中運用最廣泛的是非支配遺傳算法（Nondominated sorted genetic algorithm-II，NSGA-II）。

作為一種基于帕累托最優的先進遺傳算法，非支配遺傳算法與分散搜索算法集中于單目標的最優求解不同，該算法最終得到的不是某個特定的解，而是所有具有成本效益的方案集合，因而多用于多目標的優化問題[38]。2005年，Cristina Perez-Pedini等人構建了一種基于電子表格的分布式水文模型，嘗試應用遺傳算法開發城市雨洪管理優化模型，描述了滲透式措施數量與徑流量之間的權衡關系，并確定了城市雨洪管理措施的最優位置，研究結果表明最優位置和數量是流域網絡、徑流時間、土地利用、排水時間等結合的復雜函數[39]。此后，許多學者將SWMM模型與NSGA-II算法耦合，結果表明雨水桶和透水鋪裝削減徑流量和污染物的能力相似，生物滯留池削減徑流量和污染物的功能相對更好，且與雨水桶相比生物滯留池和透水鋪裝對成本增加的敏感度較小[40]；也有學者利用MATLAB集成遺傳算法和SWMM模型對比分析了在香港和西雅圖建設綠色屋頂、生物滯留設施和透水鋪裝三種LID設施的效果、成本和各類設施的敏感參數，結果發現透水鋪裝的成本效益最高，而綠色屋頂由于只能滲透落入其中的雨水，成本效益最低[41]。而后，為了排除結果中最后成本效益方案外的其他可能性方案，有學者在NSGA-II算法基礎上進一步優化，運用了博格多目標進化算法（Borg multiobjective evolutionary algorithm，Borg MOEA）等更為先進的精英遺傳算法。該算法不斷將新的成本效益方案代替舊的方案，最終生成只有最優目標解的一條成本效益曲線，結果更加直觀[42]。也有學者將SWMM模型與博格多目標進化算法相耦合，模擬了最小總徑流量、峰值流量和最小成本目標下LID的最佳組合方案[43]。

當前，國內應用算法進行的LID成本效益研究相對較少，既有研究多直接運用集成式軟件模型，如基于SUSTAIN、BMPDSS等模型針對具體地區進行的LID成本效益實踐研究[44-46]。在這些集成式軟件模型中，SUSTAIN模型優化模塊可提供NSGA-II算法，使得成本效益的分析更加方便，現已越來越多地應用于城市雨洪管理規劃決策中[47]。如有學者運用SUSTAIN模型以污染物凈化為目標探討了LID的優化方案[48]；也有學者利用SUSTAIN模型得出LID措施對徑流的削減量隨著總成本的增加存在一定閾值，超過閾值后邊際效益會遞減[49]。

4 結論與展望

在生態文明建設背景下，LID是緩解城市洪澇和水污染問題的重要手段。梳理并總結該領域的進展，可以發現，LID的成本效益已經成為研究熱點，研究對象從單一雨洪管理措施的評估擴展到流域范圍的整體評估與優化分析，計算方法從較簡單的人工計算發展為基于算法的復雜模型。為了解決城市雨洪管理措施的社會、經濟和環境效益之間的權衡問題，研究往往需要在徑流削減、污染物控制和節約成本等多目標下對方案進行優化。相較于國外，我國當前針對LID成本效益的研究明顯不足，未來應重點關注以下幾個方面的研究。

①完善綜合性的城市雨洪管理效益評估體系。我國海綿城市建設指南中對徑流總量等水文效應指標作出了明確規定，為各地LID效益評估提供了參考。但由于LID的經濟效益和社會文化效益難以量化，目前的效益評估仍以環境效益指標為主。因此，未來研究應完善效益評估體系，構建綜合性的城市雨洪管理效益評估體系。

②構建城市雨洪管理優化布局方法框架。LID的空間配置對海綿城市建設的整體效益有著決定性作用，前瞻性的定量研究和模型開發有利于完善城市雨洪管理系統的建設。為了構建城市雨洪管理優化布局方法框架，各地應提倡并引導數據開放，建立相關數據庫。同時，應學習西方國家先進的算法應用思路，在計算機大數據處理技術發展的背景下構建適用于我國實情的方法框架。

③實踐中重視城市雨洪管理的動態評估檢測。監測系統是城市雨洪管理體系的重要組成部分，目前多地嘗試建設了海綿城市監測信息化平臺，通過對“源頭—過程—末端”重要節點進行檢測來反映建設效果。未來應建立全過程的動態跟蹤評估體系，實現對建設維護過程中問題和風險的在線管控，為城市水資源的綜合管理和海綿城市建設效益的評定提供數據支撐。

資料來源：

文中圖表均為作者繪制。