小區低影響開發方案優選研究

胡金輝，龐傲璇，孫穎娜

(黑龍江大學水利電力學院、中俄寒區水文水利工程聯合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

海綿城市的建設可以有效緩解城市內澇，減少點、面源污染，促進雨水資源利用[1-2]。隨著低影響開發(LID)概念的引入，雨水管理方法(如源頭消納、就地削減)開始受到關注[3]。中國對LID的研究已有10多年，尚未形成成熟的理論和技術體系[3]，然而，在北京、上海、深圳等一些經濟發達城市已經開展了相關研究和工程應用[4]。目前對LID的研究多集中在證明LID對地表徑流的削減能力，LID與防洪排澇關系的認識與研究還不夠深入[5]。從整體上來看，國內相關研究主要集中在利用管網模型進行模擬，探究LID措施種類、布設面積及空間布局等因素對徑流的影響[5-7]。目前國內外針對LID設施面積比例優選的研究和綜合效益的研究較少[8-9]。本文利用SWMM模型，通過布設的LID設施模擬了開發區的水文狀況，并利用層次分析法(AHP)量化分析了研究區LID方案的水文、經濟、社會效益，在此基礎上為LID布設的優化提供參考。

1 研究區概況

項目區屬大陸性季風氣候。全年四季分明，春季干旱多風，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。年平均氣溫12.3℃，1月份平均氣溫-3.7℃，極端最低氣溫為-18.5℃，7月份平均氣溫為26.1℃，最高氣溫為40.3℃。年平均降水量628.9 mm，夏季的6—8月，降水量為465.1 mm，占全年降水的70%；冬季的12月至次年2月降水量最少。項目設計收集面積為7.20萬m2，其中屋頂面積2.32萬m2，道路、綠地、面積4.88萬m2。依據項目區域的雨水管網布置圖，在SWMM中生成管網概化圖，其中包括了66個節點、38個子匯水區、66條管道以及1個排放口(圖1)。

圖1 研究區域管網概化

2 模型條件與參數選取

2.1 暴雨強度

研究區域的降雨時間過程線是利用北京市暴雨強度公式得出，見式(1)，結合芝加哥暴雨模型生成降雨歷時為2 h，降雨重現期為2、5、10、20 a的降雨過程曲線(圖2)，該方法在國內得到了廣泛的使用[5-7]。

(1)

式中i——降雨強度，mm/h；P——降雨重現期，a；t——降雨歷時，min。

2.2 參數率定與驗證

選取2場降雨，在降雨期間對排放口流量進行測量，計算得到納什效率系數(NSE)分別為0.732、0.724，均大于0.600(圖3)，因此該模型的參數取值是合理的[4]，適合所研究的區域，模型水文參數的率定結果見表1。

a) 0722場次

表1 模型水文參數取值

3 LID布設方案目標

依據中國海綿城市建設要求，改造區的年徑流總量控制率不應小于75%[10]，為了簡化LID情景開發中的總徑流控制過程并使其在工程實踐中可行，從統計的角度來看，年徑流總量控制率(Annual Total Runoff Control Rate,ATRCR)通常對應于一定的設計降雨量[10]。根據參考文獻[8]，獲得北京市ATRCR與降雨量的關系(圖4)。在項目區若能有效控制24 mm的設計降雨則年徑流總量的控制率可達75%，若能有效控制75 mm的設計降雨則年徑流控制率約達90%。

圖4 年徑流總量控制率和設計降雨量關系

4 不同LID設施面積比例的確定

4.1 LID設施的徑流控制能力

《海綿城市技術手冊》(中國住房和城鄉建設部，2014)和《SWMM用戶手冊》(美國環保署，2015)中提供了低影響開發設施的詳細信息[10]。為確定各LID設施的規模和布設面積，可根據實際工程經驗參數來設計單個LID設施單位面積的徑流控制能力[10]。利用《SWMM用戶手冊》中提供的各LID信息，單位面積(1 m2)上的生物滯留設施、洼地、下沉綠地和透水路面的蓄水量，分別為0.30、0.15、0.25、0.05 m3。此外，也假定每平方米的儲罐可存儲1 m3的徑流[10]。

4.2 研究區不同LID設施面積計算

根據現有場地資料，未添加LID的場地可控制216.67 m3的徑流，則與其對應的降雨深度約為5.1 mm，因此，根據式(2)計算出在設計降雨24 mm的情況下將產生1 019.6 m3總徑流，則在控制能力之外的802.93 m3徑流再分配給各項LID設施。

W=10hφF

(2)

式中W——設計調蓄容積，m3；h——設計降雨量，mm(本例中為24 mm)；φ——綜合徑流系數(本例中為0.59)；F——匯水面積，hm2(本例中為7.20 hm2)。

根據研究區域控制徑流的目標，以及現有的土地利用資料，共設置了3種不同的LID組合措施，第一種方案更多依賴于下沉式綠地和生物滯留設施，第三種方案更多依賴于儲水池和透水路面，第二種方案較為折中，布設面積結果見表2。

表2 不同LID方案的面積分配 單位：m2

5 LID結果分析

從圖5可以看出，不同的LID方案都有一定的削峰減流作用，而且每種LID方案都能延遲峰值流量出現的時間。其中，方案三的雨水控制效果最好，其次是方案二和方案一。相較方案一，方案二、三利用了較大比例的滲水路面和蓄水池，所以提升了雨水控制效果。滲透鋪裝成本較低，總面積大，分散更廣，可增加入滲量，從而減少徑流。由圖5可知，雨洪控制效果隨著降水重現期的增加而降低。

a)2年一遇降雨

6 綜合效益評估

在對LID 3種方案的綜合效益進行評估之前，需要設置一個分別對水文、經濟和社會效益進行評價的單項效益評估體系，形成的評價指標的層次結構由多個級別的指標和相應的子指標組成，見圖6。

圖6 綜合效益評價指標層次結構

6.1 綜合指標權重計算

AHP是美國運籌學家薩蒂[3]于20世紀70年代初提出的。該方法為一種將定量和定性結合的多準則評估決策分析方法，適用于需將經驗判斷定量化的情況[10]。

通過查閱文獻獲得對水文、經濟、社會效益的原始評分構造階層3的判斷矩陣，使用式(3)計算得出子指標的權重，結果見表3。對水文效益指標中的峰值削減、徑流總量削減、峰值延后時間子指標進行評分，對經濟效益中建造成本和維護成本重要程度評分，對社會效益中的水資源利用率、景觀效益和生態效益進行評分，結果見表4—6，權重綜合結果見表7。

表3 綜合判斷矩陣權重計算

表4 水文效益權重計算

表5 經濟效益權重計算

表6 社會效益權重計算

表7 權重綜合評價結果

(3)

式中λmax——判斷矩陣的最大特征值；A——判斷矩陣；ω——權重列向量；n——判斷矩陣的階數；CI——一致性指標，CI 越小，說明一致性越大；RI——隨機一致性指標，可根據矩陣的階數通過查表獲得(本例為 0.52)。

為確保層次分析法的可靠性，計算了一致性系數(CR)以檢驗對指標得分的一致程度，如果CR小于0.1，則矩陣被認為是可靠的，獲得的權重可用于進一步評估。

6.2 水文效益分析

通過SWMM模型模擬0725場次降雨情況下的各方案徑流總量削減率、徑流峰值削減率、峰值延遲時間，結果見表8。

表8 各方案徑流控制情況分析

6.3 經濟效益分析

建造費用采用文獻[11-15]數據(表9)，維修費用采用年金現值，通過3種方案的LID設施布設面積得出各個方案的建造費用和維修費用，見表10。

表9 各項LID設施費用參考值 單位：元/m2

表10 各方案的各項費用 單位：元

6.4 社會效益分析

根據《海綿城市建設技術指南———低影響開發雨水系統構建》(試行)中低影響開發設施比選一覽表和參考文獻[16]，將各LID設施的指標按不同等級進行評價，見表11。

表11 LID措施評價

按表11將 LID 設施各指標量化，其中效果強的評價等級賦值5，效果一般的評價等級賦值3，效果較弱的評價等級賦值1，最終得到5種LID設施的綜合比選得分，結果見表12。

表12 LID設施比選綜合得分

結合LID設施比選綜合得分和各方案對應的LID設施面積求乘積，得各方案社會效益分析，見表13。

表13 各方案社會效益分析

6.5 結果分析

利用式(4)對3個方案分別進行歸一化處理。其中分值越高，代表該指標越能取得滿意的結果。因為建造的成本越高則評分越低，所以初步歸一化后建造成本和維護成本需取反比作為計算，最終結果見表14。

表14 各方案的歸一化效益指標值

(4)

式中IM——M指標歸一化后的值；WM——M指標在不同方案下的評分；M——方案的序數。

各個方案的水文、經濟、社會效益值分別通過表14中的歸一值與表7中相應子指標的權重值相乘求和得到；3個方案的綜合效益通過水文、經濟、社會效益值與表7中的權重相乘求和得到，見表15。可以看出，方案三與方案一、二相比，水文效益最大為0.38且綜合效益最大，為0.36；方案一的社會效益也比其他方案大，但經濟效益更低，綜合效益為0.32。

表15 各方案的單項和綜合效益

通過層次分析法得出各方案之間的數值差異較小，但在實際應用中差異顯著[16]。總體而言，方案三是最適用于該小區的LID方案。

7 結論

a)3種LID措施通過雨水的攔截、吸收等過程，發揮海綿城市自然蓄積和自然滲透的功能，從而緩解市政管網的排水壓力。方案三的綜合效益為0.36，方案一、二都為0.32，方案三更多地利用蓄水池，實現了最佳的雨洪控制效果。

b)當暴雨重現期較小時，LID的雨水控制效果最為顯著。但隨著暴雨重現期的不斷增加，LID的徑流控制效果不斷降低。

c)通過層次分析法對3種LID方案進行分析，可定量評價出各方案的效益。結果表明，方案三在水文、經濟效益方面表現較好，方案一在社會效益方面表現最好。總體而言，方案三在該小區具有最佳的綜合效益，更適合在該研究區采用。