城市雨洪管理措施布局與優化研究綜述

摘 要：城市雨洪管理是國際研究熱點和前沿，也是中國城市綠色發展的重大需求。在此背景下，中國大力推進海綿城市建設，但仍面臨著諸多挑戰，其中雨洪管理措施的空間布局優化對提高海綿城市的建設效果具有重要意義。通過分析國內外相關文獻，闡明了城市雨洪管理措施布局優化的相關定義與內容范疇，構建了雨洪管理措施布局優化問題前準備-模型算法-后評估-決策的全流程結構，系統地分析布局優化各步驟的相關信息，探究了當前該框架各部分的研究現狀和差距，為實現更加科學的布局優化，提出了改進建議。基于前準備-模型算法-后評估-決策的全流程結構，開展城市雨洪管理措施空間布局優化，對促進中國海綿城市建設事業的發展具有重要的理論意義與實踐價值。

關鍵詞：海綿城市；城市雨洪管理措施；布局優化

中圖分類號：TV21 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）10-0001-14

Layout and Optimization of Urban Stormwater Management Measure： A Review

LIU Jie1，2， SHANG Yuchang1， ZHANG Xiang2，3， GUI Haijiao2，3

（1. School of Architecture and Civil Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106， China; 2. Hubei Key Laboratory of Water System Science for Sponge City Construction， Wuhan University， Wuhan 430072，China; 3. State Key Laboratory of Water ResourcesEngineering and Management， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： Urban stormwater management is an international research hotspot and frontier， and it is also a major demand for urban green development in China. In this context， China vigorously promotes the construction of sponge cities but still faces many challenges， among which the spatial layout optimization of stormwater management measures is of great significance in facilitating the construction of sponge cities. By analyzing the relevant literature at home and abroad， this paper clarifies the relevant definition and content scope of the layout optimization of urban stormwater management measures， constructs the whole process structure including pre-preparation， model algorithm， post-evaluation and decision-making of the layout optimization of stormwater management measures， systematically analyzes relevant information of each step of layout optimization， explores current research status and gaps of each part of the framework， and puts forward suggestions for more scientific layout optimization. Layout optimization of urban stormwater management measures based on the whole process structure above is both theoretically and practically momentous for promoting the construction of sponge cities in China.

Keywords： sponge city; urban stormwater management measures; layout optimization

水安全問題是全球人類未來面對的重大戰略問題。城市作為人口、財富以及各種基礎設施高度集中的地區，保障水安全顯得尤為重要。自20世紀改革開放以來，隨著中國社會經濟的高速發展，城市化水平也在不斷提高，2023年末，中國常住人口城鎮化率達到66. 16%［1］。隨著城市化進程的不斷發展，城市下墊面發生了顯著變化，城市不透水面積增加，下滲量和地下水補給量減少，導致地面徑流增加，城市洪水表現出洪峰流量大、峰現時間快的特點［2］，加上全球氣候變暖、城市熱島效應、凝結核效應等，城市更容易成為暴雨中心［3］；同時，暴雨洪水對地面污染物質的淋洗沖刷形成面源污染，造成水體黑臭，帶來嚴重的城市水環境問題［4-5］；在內因和外因共同作用下，城市水文發生了顯著變化，城市內澇問題日趨嚴重，城市河湖水污染問題越來越凸顯，這對高度城市化地區的雨水管理提出了更大的挑戰。

面對城市發展過程中雨洪及其相關的污染問題，習近平總書記在2013年提出了城市建設新理念：“優先考慮把有限的雨水留下來，優先考慮更多利用自然力量排水，建設自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市。”住建部2014年印發的《海綿城市建設技術指南》指出，海綿城市的本質是改變傳統城市建設理念，通過低影響開發措施（Low Impact Development，LID）來實現開發后水文特征接近于開發前的目標。在國務院2015年印發的《水污染防治行動計劃》中，也特別強調了有條件的地區要推進初期雨水收集、處理和資源化利用，控制徑流污染的排放。海綿城市的推進和建設，對于城市防洪減災，雨水資源化、面源污染防治等方面都具有積極的意義。與中國海綿城市發展戰略相似，一些國際合作組織、政府部門、科研機構在低影響開發應用方面展開積極探索，開展了一系列城市洪澇研究計劃與項目。如美國的“最佳管理措施”（Best Management Practices， BMP）與“可持續基礎設施”（Sustainable Infrastructure， SI）、英國的“可持續城市排水系統”（Sustainable Urban Drainage System， SUDS）、澳大利亞的“水敏感性城市設計”（Water Sensitive Urban Design， WSUD）、聯合國的“國際減災戰略”（International Strategy for DisasterReduction， ISDR）等。全球范圍的有關實踐說明城市雨洪管理措施是解決城市水問題的有效手段之一。

然而，常見的城市雨洪管理措施種類繁多，不同類型的措施由于其自身的結構、經濟技術特性及其在不同特征的區域的適用性不同，在徑流和污染物控制效果上也有不同的側重［6］。2016年國際LID大會專設城市水基礎設施優化與管理主題，主要討論內容涉及城市綠色基礎設施（GI）與灰色基礎設施的耦合優化、城市水系統優化、LID/GI的空間布局等。會議達成《北京共識》，其中強調城市雨洪管理措施規劃設計的重要性。因此，如何根據擬建區域特征以及徑流、污染物控制目標，將多種城市雨洪管理措施有機結合起來，進行優化布局，最大限度地實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化，促進雨水資源的利用和生態環境保護，是城市雨洪管理措施規劃的核心問題，也是當前研究的重要方向。

本文旨在總結城市雨洪管理措施布局與優化的定義與內容范疇，構建城市雨洪管理措施布局與優化的基本框架，系統地分析與雨洪管理措施布局優化相關的信息，探究當前該框架各部分的研究現狀和差距，并為實現更加科學的優化布局，提出改進建議。

1 城市雨洪管理措施及其布局、優化

1. 1 城市雨洪管理措施及其優化的定義

為應對城市化改造過程導致的一系列下墊面、區域氣候、社會經濟條件等諸多方面的變化誘發的城市水問題，許多國家開展了城市雨洪管理的大量實踐。盡管不同地區存在不同的管理實踐與術語，但考慮到術語的不同是由地方和區域對其理解與文化背景的差異所導致的，但不同術語所定義的概念是存在一定相似性的［7］，以比較常見的低影響開發LID、最佳管理措施BMP、綠色基礎設施GI為例，LID指利用場地設計最大限度減少不透水區域并保留自然區域，從而恢復自然水文過程與開發前的條件；BMP最初應用于污染預防，后來的應用將其擴展到處理雨水引起的水量水質壓力的管理實踐，同時包括結構性及非結構性措施；GI源于為建立城市-城郊-農村的包容性系統而應用的多尺度綠色網絡［8］，內涵遠遠超出城市雨水管理的范疇，如今GI在雨水管理的相關論文中，幾乎與LID同義。如今，這些類似術語中統一地包含了一些相同的結構性措施，如生物滯留設施、植草溝、綠色屋頂、透水鋪裝等，即本文所指的“雨洪管理措施”，下文中，以雨洪管理設施來指代具有低影響開發理念的LID、BMP、GI等城市雨洪管理措施總和。

鑒于雨洪管理設施的多樣性及城市空間變化的復雜環境，如何因地制宜布局雨洪管理設施使其達到“最佳”的效果，還面臨許多挑戰。城市化是多主體參與、多因素變化的復雜過程，其中典型的變化是土地利用的改造，而雨洪管理設施的建設涉及到土地空間的占用，與城市環境中的建筑、基礎設施、交通等方面的用地產生矛盾，這一方面導致空間上物理的限制，另一方面產生一些利益沖突，如某些國家的雨洪管理設施建設會造成私有土地的占用［9］。眾多利益相關者的參與帶來的不僅是用地矛盾的問題，Ureta等［10］的研究表明，居民對于綠色基礎設施的支付意愿因設施功能及個人地區而異；Jayasooriya等［11］發現，在為工業區選擇綠色基礎設施時，專家們對于績效指標的選擇傾向不同，所達成的是基于三重基本目標（環境、經濟和社會）的折衷最佳方案，專家小組的意見反映出減少雨水量對于產生大量受污染雨水的工業區非常重要；Jiang等［12］指出，中國海綿城市的建設需要整體、協調的跨部門規劃，因此地方是否具有協調的制度框架也成為雨洪管理設施建設空間布局的制約因素。包含上述問題在內的諸多因素，都可能對雨洪管理設施的建設產生空間分異的地理、社會、經濟限制，城市雨洪管理措施的布局與優化，即克服這樣的諸多限制，并發揮不同層面的最大效益（水量和水質控制、環境與生態效益等）。

1. 2 布局與優化的內容范疇

城市雨洪管理措施的布局，涉及雨洪管理設施的類型及其組合、單個設施的設計（規模與參數）、設施的位置3個方面的內容。

不同類型、設計、位置的雨洪管理設施的水文、水質及生態效應各異，此前的研究通常通過現場實驗及模型模擬2種手段研究不同措施的水文生態效益。例如，李家科等［13］通過構建生態濾溝的實驗場地，研究其對城市路面徑流的凈化效果及適宜工況；Zhang等［14］通過對北京某校園示范工程降雨、徑流、水質的長期監測，研究綠色屋頂、過濾帶、透水路面等措施的降雨徑流和污染負荷的削減效果；Cipolla等［15］對博洛尼亞（意大利）全面大面積綠色屋頂的監測數據顯示，單次降雨衰減量在6. 4%～100%，年均值為51. 9%，并使用現場數據來校準和驗證使用SWMM建立的數值模型，模擬同一全尺寸大面積綠化屋頂在1 a內的長期水文響應，證實了綠色屋頂通過減少年徑流量在恢復自然水狀況方面的作用。

諸多研究表明，不同類型的雨洪管理設施的性能與適宜建設環境不同。從設施性能角度來看，大多雨洪管理設施通過增加滲透、延長滯留時間等原理減少雨水徑流，削減降雨徑流污染，增加地下水補給，但不同雨洪管理設施的削減性能有所區別。下沉式綠地削減洪峰的效果優于蓄水池和透水磚，而植草溝則幾乎無滯峰作用［16-17］；不同雨洪管理設施的水量控制效果隨降雨重現期的變化也因其類型而異［17］，透水路面更適合低重現期的降雨事件［18］；生物滯留設施在懸浮物、油脂類有機物和重金屬的去除上表現出較為穩定的運行效率，同時能夠有效地降低雨水中病原微生物的數量，但傳統的生物滯留設施對營養物（如N和P）的去除效果不穩定［19］；部分雨洪管理設施兼有其他功能，如植草溝和生物滯留池有助于景觀美化和提供生態系統服務，綠色屋頂有利于減少能源消耗、減少城市熱島效應、改善空氣質量［20］。從不同設施的建設條件來看，植草溝適用于小區道路、廣場等不透水路面的周邊；綠色屋頂適用于建筑屋頂，住宅樓多采用粗放型綠化，而商業建筑多密集型種植［21］；生物滯留設施適用于小區公共場地、停車場等，透水鋪裝適用于城市道路、停車場等。總地來說存在兩類不同的建設思路，一類是對密集城市化地區的現有設施進行改造以增加滲透，另一類是將徑流從不透水表面引導到透水表面或滯留設施［22］。上述不同類型設施各自的性能與建設條件等特性導致了在雨洪管理設施布局優化中，需要仔細考慮這些存在的差別及可能的組合配置，選擇合適的設施類型對于實現特定的雨洪管理目標至關重要。

雨洪管理設施的規模和參數，即單個設施的設計，需要根據當地的降雨特征、土地利用類型等環境條件及不同目標進行優化。以生物滯留設施這一典型的雨洪管理設施為例，其面積主要考慮區域的初期沖刷效應，容積設計對設施水質改善能力考慮較少，因此在初雨沖刷效應嚴重的區域，生物滯留設施的面積應該更大［23］。另外，由于不同雨洪管理設施的敏感參數不同，如王澤陽等［24］研究結果表明，表面粗糙率對于植草溝設施而言是高敏感參數，土壤滲透率對于綠色屋頂、生物滯留池設施而言是高敏感參數，土壤滲透率和表面粗糙率對于透水鋪裝設施而言是高敏感參數，單個雨洪管理設施的參數需要根據其敏感參數以及區域條件謹慎確定。Chui等［25］發現對于綠色屋頂，增加土壤深度比擴大面積以應對更大的設計暴雨更具成本效益，對于生物滯留設施來說，應對高重現期暴雨反倒更應該擴大面積而不是增加土壤深度。

雨洪管理設施及其組合的位置也是其性能表現出差異性的重要原因。普遍地，雨洪管理設施會增加滲透，減少不透水表面，有研究表明，不同位置的不透水表面水力連接特性不同，因此其水文特性不同，改造成雨洪管理設施后的控制效果也因此而異，可以通過改變雨洪管理設施的空間分布來降低DCIA提高LID的控制效率，Liang等［26］發現，峰值流量減少對直接連接不透水區域（DCIA）的減少最敏感。出于類似的原因，易積水區也是布設LID的良好位置［27-28］。地形陡峭和土壤滲透性差的區域由于徑流速度快、污染物濃度高通常不利于布設LID［29-30］，但也正出于相同的原因，具有上述不利條件的地區往往對雨洪管理具有更高的需求，因此在這些區域布設LID的必要性與必要程度成為優化問題的一部分［31］。另外，從雨洪管理設施在集水區相對位置的視角來看，一些研究認為，通過在集水區的上游（即源頭）實施雨洪管理設施，可以在降雨初始階段就有效地控制徑流，從而減少下游排水系統的壓力［32-34］；但也有研究發現，將雨洪管理設施放置在集水區的下游，可以在出口處產生更好的削峰效果［35-36］。然而，雨洪管理設施的效果可能是局部的，如果雨洪管理設施位于上游地區，則其對減少洪水的影響通常相當有限，除非雨洪管理設施覆蓋的區域（甚至不是完全覆蓋）大于至少50%的集水區，當在靠近集水口的地區通過雨洪管理設施實施進行改造時，甚至可能加劇洪水風險［37］。雨洪管理設施組合間的相對位置一樣重要，Zellner等［38］發現，空間分散的綠色基礎設施比集群安排更有效地減少洪水。

城市雨洪管理措施優化布局的內容范疇，不僅限于綠色基礎設施本身，還與灰色基礎設施（如傳統的雨水管渠系統和新型調蓄池、深隧等）、藍色基礎設施（如城市河湖水系）密切相關。綠色基礎設施在整個城市水循環過程中出于源頭減排的設施，但這種源頭管理在應對極端降雨時能力十分有限［39］，在高密度城市環境中，出于安全性等方面的考慮，綠色基礎設施不能完全取代傳統的灰色基礎設施［40］。Leng等［41］研究表明，綠色和灰色基礎設施在降雨徑流控制方面具有協同效益，灰綠同步優化在最大限度減少徑流量、污染負荷和成本方面具有優勢。李江云等［42］在研究中同樣發現，灰色調蓄設施和綠色雨洪管理設施單獨布設產生效果小于耦合布設產生效果，灰綠設施耦合效果并非單獨布設效果疊加，因此應將灰綠基礎設施納入同一模型模擬評估。綠色和灰色的基礎設施相結合，可以改善雨水管理，恢復生態系統服務，并產生經濟效益［43］。城市雨水管理離不開受水終端，即城市河湖水體，實際上，海綿城市是一個典型的綠灰藍系統，河湖水體不僅是城市雨水系統的最后出水口，也是有助于水資源管理的重要組成部分［44］。綠色、藍色和灰色基礎設施的組合可能會產生最佳的適應戰略，因為這三者往往相輔相成，灰色（和藍色）基礎設施擅長降低洪水風險，而綠色基礎設施則帶來了灰色基礎設施無法提供的多種額外好處［45］。Wang等［46］發現，綠-灰、綠-藍和綠-灰藍優化策略存在協同效應，綠-灰-藍優化策略顯示出最佳的性能，此外，城市排水系統的協同效應受協同效應的水文機理和邊際效用遞減的規律影響。在中國的海綿城市計劃促進綠-灰-藍基礎設施的整合，以實現可持續的城市水治理和加強防洪［47］。因此，在城市雨洪管理措施的布局與優化問題中，不僅要考慮綠色基礎設施本身“蓄、滯、滲、凈、用、排”的作用及其可持續特點，還需要將其與灰色基礎設施的高效率優勢、藍色基礎設施本身的排洪納污能力相結合，實現安全可持續城市雨洪管理，進一步增強城市對極端暴雨事件的抵御能力和城市在變化環境下的彈性。

總的來說，城市雨洪管理措施的優化布局需要同時考慮雨洪管理設施的類型、設計、位置與綠-灰-藍基礎設施的協同效應，以達到目標下最優的雨洪管理措施的全面布局。

2 優化框架：前準備-模型算法-后評估-決策的全流程結構

雨洪管理設施的優化布局內容廣泛、影響因素復雜、涉及環節眾多。因此，通過找出雨洪管理設施空間布局優化的關鍵步驟，并將這些步驟進行分類整合，參考相關文獻［48］，構建了關于城市雨洪管理措施空間布局優化的綜合框架（圖1）。

優化框架主要由四部分組成：①優化前針對研究區特征，確定建設目標與優化內容；②在優化過程中選擇合適的城市雨洪模型和智能優化算法，利用計算機輔助優化；③優化后建立評價模型，對優化方案進行成本-效益定量評價；④決策者根據評價結果，做出最終決策。

第一部分中對于不同的建設區域設定不同的優化目標。在雨洪管理設施建設工程中，設施的設計參數、運行效果直接影響雨洪管理目標的有效實現，因此，根據建設區域特征確定合適的目標和優化內容是優化過程的基礎。第二部分是空間布局優化的關鍵一步，其中計算機輔助決策是當前研究熱點。越來越多的學者試圖將智能算法與模型耦合進行空間布局優化，從而產生具有各種結構、類型、功能等的優化工具［49］。第三部分是優化后的評價，根據從第2部分獲得的一系列優化方案，對整個建設前后可能產生的成本和涉及的環境、生態和社會效益進行整體評價，使優化結果達到建設成本、自然條件和目標需求三者之間的平衡。第四部分是由決策者根據評價結果和建設目標做出最終決策。

2. 1 建設區域與建設目標

建設區域主要分為兩類，一類是新建規劃區域，另一類是老城改造區域，不同的建設區域應制定不同的建設目標。新建城區應結合區域水文、地質條件等確定海綿城市建設規劃目標；老城區海綿改造需要識別改造區域的水敏感因子，減少城市的徑流污染與水災風險［50］。

雨洪管理措施優化布局往往是多目標的復雜問題，除了建設雨洪管理設施需要解決的最基本的徑流量削減、溢流次數與溢流量控制、峰值流量控制與污染物削減等水質水量控制目標外，受制于建設區域資金與土地資源有限等現實條件，往往需要尋求經濟成本低、資源利用率高的建設方案，因此用地面積、生命周期成本等因素往往也被作為優化目標或約束條件。例如，Zhu等［51］提出了一個結合多目標優化算法（NSGA-Ⅱ）和SWMM的生命周期評估框架用于GI布局優化，該框架考慮了投資成本、經濟環境社會貨幣化效益和徑流控制能力，并選取北京通州區進行實證分析。Sun等［52］應用遺傳算法（NSGA-Ⅱ）對LID設施的布局方案進行優化，選擇峰值徑流減少率、成本和土地面積作為優化目標。Zhi等［53］將雨水管理模型（SWMM）與遺傳算法相結合，生成具有成本效益的LID方案。同時Wang等［54］通過研究發現研究人員越來越重視LID系統的性能評估和效率，以及了解其對水文和水質的影響。此外，韌性的概念在近年來也逐漸被引入到城市雨洪管理問題中，提高城市的雨洪韌性也可以作為城市雨洪管理措施優化的目標之一，Zhang等［55］就指出，韌性社區的建設需要以雨洪管理為導向注重小尺度綠色基礎設施的應用。

需要注意的是，建設目標的確定除了水量水質控制、水生態修復方面的一些共性的關鍵指標外，應當考慮各城市如水問題成因等方面的自然地理和社會經濟條件差異［56］，以便從問題導向針對性確定區域建設目標。因地制宜確定建設目標是城市雨洪管理措施布局優化的重要前提，后續設施的類型選擇、參數設計、位置布局與不同的建設目標息息相關，如生態目標的實現可能需要生物滯留池等類型的設施的效用，而不大可能靠僅滲透的透水鋪裝來實現；用地面積作為優化目標時，則不大可能考慮大面積的人工雨水調蓄池建設。

2. 2 優化工具

在優化技術層面，雨洪管理設施規劃需要確定措施的選型、選址、規模、參數等多個變量，涉及到防洪控制、污染控制、雨水利用等多重目標，且措施的設置受土壤、地下水位、地形地勢和空間大小等多重條件限制，是個多目標多約束的復雜問題。除此之外，一個規劃片區通常包含多種土地利用類型、土壤類型和地形地貌特征。為了模擬和了解單項或組合情景下的雨洪管理設施的效益及其成本，優化雨洪管理設施布局，為城市決策、規劃設計等提供相關的理論依據，國內外的研究人員致力對模擬-優化模型的開發，例如BMP結構布局與分析工具（SBPAT）、流域管理優化工具（WMOST）等。但多數研究人員基于已有的物理模型與多目標優化算法耦合來優化雨洪管理設施的布局。如She等［57］以華北某海綿城市建設項目的示范區作為研究區，利用退火算法（SA）對LID設施進行多目標優化，選擇降雨徑流、污染排放和建設運營成本最小化，環境效益最大化為優化目標。Taghizadeh等［58］利用SWMM模型與粒子群優化算法，對滲透溝、生物滯留池和透水路面三種海綿設施和城市雨水管網進行優化布局，選取最優方案。Eskandaripour等［59］利用黏菌算法優化城市低影響開發設施。此外，一些研究將遺傳算法（GA）或改進后的遺傳算法NSGA-Ⅱ和NSGA-Ⅲ與SWMM耦合對城市雨洪管理措施布局優化進行多目標求解［60-66］。

城市雨洪管理措施布局優化問題的優化工具常使用物理模型與優化算法耦合求解，物理模型時用于模擬城市水文循環各環節的水量水質的水文模型，可以計算出與水文過程相關的水量水質等目標值，優化算法通過改變優化變量（部分優化變量可能是物理模型的輸入，如LID的相關參數），進行優化目標值的迭代計算，去除劣勢組合方案。類似的優化決策工具見表1，它們以不同的模式集合了多種水文水質模型和優化算法，在目標功能上也有側重［31］。

盡管已有空間優化決策工具可以同時解決設施選址、選型、結構參數設計等多個問題，但物理模型-算法方法由于需要大量的客觀評估，因此非常耗時且計算密集，并且搜索過程涉及執行大量目標計算的大量迭代，這對計算機的算力和計算耗時均產生了極大的挑戰，所以大多研究都只選擇其中部分問題進行優化，例如Lee等［67］解決的是LID和BMP的選址和參數設計問題。在實踐當中，也往往是根據不同尺度的規劃要求，將城市雨洪管理措施規劃分為選型、選址、結構參數設計等步驟，缺乏統一優化決策過程。為了減少模型模擬時間，很多模型都設置了分散式和集成式兩種設施構建模式。集成式是用一個虛擬的設施綜合組件代替多個單獨的分散的設施措施，因忽略各設施間的水流和污染物傳輸過程，可以大大簡化建模過程并顯著縮短模擬時間，提高設施綜合規劃效率。雖然有些學者通過構建集成式模型對研究區域進行研究，但集成式模式的有效性仍存在著諸多不確定性，還有待進一步論證。除此之外，如何平衡計算效率與模擬準確度，是適用于較大尺度范圍內城市雨洪管理措施空間布局優化研究中還未完全解決的一個難題。

基于此，有學者開發了基于機器學習（ML）模型的替代MOO框架，其思路是以代理模型的結果指導最優解搜索，在獲得令人滿意的最優解決方案的同時減少昂貴的模型模擬成本。目前，具有足夠細節、令人滿意的精度和更高的速度的代理模型（也稱為元模型）已被用于有效地替換部分或全部基于物理的模型。例如Latifi等［68］以神經網絡模型作為雨洪模型SWMM的代理，探討了位于伊朗某研究區的低影響開發優化方案。Yang等［69］利用代理模型對滯留池容積進行多目標優化，結果表明，基于代理的方法節省了90. 03%的運行時間，同時保持了Parrto的解的質量，驗證了可靠性。

代理模型在復雜模型參數敏感性分析、參數率確定等方面應用較為廣泛，但在基礎設施空間布局方面的應用較少。如何將機器學習更好的應用在城市雨洪管理措施的空間布局優化，是一個值得研究的內容。

2. 3 效益評價及定量化

為提高海綿城市空間優化布局的綜合效益，應建立綜合評價體系，對優化布局方案的綜合效益進行科學全面的評價，并基于此作出合理的建設決策。

國內外對于城市雨洪管理的評價指標體系都是結合不同的城市雨洪管理內涵與特點設定的。美國的低影響開發（LID），其主要的功能重視水質和水量，因此指標主要圍繞著水環境和洪水預報進行設定；澳大利亞的水敏感城市（WSUD）和英國的可持續排水設計理念（SUDS）的評價指標除了水質和水量之外，還更加強調社會公眾的參與度。中國目前對于海綿城市建設效果評價主要是根據住房與城鄉建設部所頒布的《海綿城市建設績效評價與考核指標（試行）》與GB/T 51345-2018《海綿城市建設評價標準》。海綿城市建設績效考核包括多項定量指標和定性指標，定性評價主要是對海綿城市建設的宗旨、自然生態格局的保護、水文特征的維系等方面進行評價。定量評價則更為具體，包括城市雨水年徑流總量控制率、城市面源污染控制率、城市地下水位控制率等指標。評價指標主要包括6個方面（表2）。

目前，對城市雨洪管理措施優化后進行評估，主要以評估成本和環境、經濟、社會效益為主（圖2）。

對成本的評估分為兩部分，分別為投入成本和運營成本，大多數研究者在評估時只考慮了建設成本和運營成本而忽略了其他成本；在效益評估方面，對于生態環境的效益關注較多，Yu等［70］在構建的海綿城市建設綜合績效評估指標體系中，重點關注了降雨徑流控制率和地下水補給量等生態環境效益和增強城市美感和擴大休閑空間等社會效益。社會效益的評估往往得不到研究人員的足夠重視，忽視了GI對增強娛樂空間、水文化和公眾意識的貢獻。在進行社會效益評價時，有研究人員提出城市雨洪管理措施的規劃、選址和實施是否滿足社會公平。Zuniga-Teran等［71］對全球城市71項綠色基礎設施（GI）進行了公平研究，關于GI公平的研究正在增長。Wang等［72］構建了一個包括公平獲得服務和機會、承認少數群體和弱勢群體以及公平參與決策過程（分配、承認和程序公平）的是三方框架，從過從社會公平的角度評估中國海綿城市項目的表現。

為了對城市雨洪管理措施進行綜合評價，研究人員構建了多種多效益評價模型，如Minsu等［73］利用收集的監測數據，建立雨水質量評估模型，通過層次分析法（analytic hierarchy process， AHP）開發綜合評估工具，對雨水管理設施進行有效和高效評估。Wang等［74］使用生命周期評估（life cycle assessment， LCA）和生命周期成本核算（LCC）方法評估，集中式和分散式LID-GREI UDS對環境和經濟影響的研究有限。全生命周期評價方法可以全面地描述海綿城市建設的綜合費用［75］，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，較難保證研究的準確性［76］；Nguyen等［77］利用生態系統服務評估方法以評估氣候變化下藍-綠基礎設施的水凈化能力。Yang等［78］通過多標準決策（MCDM）分析和數學量化相結合，平衡可持續城市排水系統（SUDS）開發績效評估的全面性和客觀性。

但相較于技術研究，雨洪管理設施建設效益評價及其指標的定量化研究相對較少。現有研究側重于單體雨洪管理設施的成本效益，忽略對綜合效益的研究，對一些定量/定性指標缺乏綜合效益的定量化、貨幣化方法。

綜上所述，許多發達國家針對自身城市雨洪管理體系，提出了不同的建設評價指標，在中國，海綿城市的研究和建設還處于起步階段。盡管已經對雨洪管理設施進行了許多模擬，但對不同區域布局計劃的綜合效益和貨幣化的研究卻很少。因此，研究方法和雨洪管理設施布局優化指標體系顯得尤為重要［79］。為了能夠推動海綿城市建設的進一步發展，應從海綿城市的特點和內涵來設定評價指標，進一步明確指標的定義和計算方法，為決策提供更準確的評價依據。

3 討論：不足與展望

3. 1 綜合雨洪管理設施類型、參數與位置的全面優化

雨洪管理措施問題的全面布局優化涉及雨洪管理設施的類型、設計、位置及其與灰色、藍色基礎設施的協同效應，在這里先就雨洪管理設施的類型本身的優化布局進行探討，綠-灰-藍耦合優化的內容將在后文提及。大多數研究由于問題的復雜性與計算成本，通常根據建設區域的特點與建設目標，選擇其一或一部分進行優化，忽略了其他組成部分［67，80-82］。但上述3個部分都非常重要，并且它們的選擇密切相關，例如，一些研究事先確定了設施的優先位置，僅考慮地形特征，但確定的位置可能不是真正的“最佳”位置，因為沒有考慮設施的可變性，因此此后獲得的類型和設計可能只是該特定位置場景的局部最優［31］。特別地，雨洪管理設施的位置這一方面包含很多要素，但多數研究只關注到了雨洪管理設施在某一范圍內的百分比［83-86］，然而其有效性取決于幾個要素的組合，包括雨洪管理設施覆蓋的分數面積、它們在集水區內的分布以及它們的水力特性［37］。

基于此，建議優化過程中以雨洪管理設施的全面布局優化為視角，綜合考慮其類型、參數與位置，將三者統一規劃，仔細斟酌3個方面包含的完整要素。

3. 2 考慮受納水體的綠-灰-藍耦合優化

在宏觀規劃層面，可以依據城市水循環在不同空間范圍內產生的效應，可將其劃分為3個尺度，流域/城市大尺度、城市區域/片區中尺度、場地小尺度，相應地，城市的雨水管理措施也對應存在大、中、小3個尺度的管理對象與方式（圖3）。

城市水循環調控從不同尺度進行，遵循“源頭減排、過程控制、系統治理”的統籌調控方法。國內海綿城市的規劃多以小尺度為主，缺少宏觀尺度的雨洪管理規劃。如在武漢植物園內進行的雨水還原在海綿城市小尺度的應用［87］；基于城市雨洪模型的住宅區或校園片區的LID/BMPs規劃［88-89］。然而，研究證明，小尺度的雨洪管理設施對初期雨水，小降雨事件控制效果較好，而對于降雨強的大到暴雨，僅采用源頭的雨洪管理設施還不足以解決洪澇、面源污染等城市水問題［90-91］。對于大型流域，雨洪管理設施在降低峰值流量方面的效率遠低于小型流域，這主要是因為集水區規模的擴散與雨洪管理設施施加的分散之間的競爭，以及雨洪管理設施覆蓋的區域部分之間的競爭，而雨洪管理設施覆蓋的區域部分通常對于大型流域較小［37］。還需要在此基礎上，增加具有輸送功能的過程措施，以及具有凈化功能的區域存措施，同時利用管網的輸送調蓄功能，和管網末端的污水處理廠的調蓄功能，對城市區域進行徑流調控，并將多余的雨水輸送到河湖收納水體，接受下一尺度的調控［4］。

國內外對城市雨洪管理措施的布局優化研究主要集中在灰-綠設施耦合優化，而對灰-綠-藍設施三者結合的優化研究較少，大部分研究人員受限于技術條件，模擬的情景大多為街區小尺度和城市區域中尺度，對于流域大尺度下的布局優化研究較少。因此將藍色基礎設施納入優化過程，構建灰綠藍三者融合的優化布局方案是未來需要深入研究的方向。

3. 3 更先進的優化工具

雨洪管理設施被關注最多的是水量水質控制作用，但現有的物理模型是對城市水循環過程的簡化甚至概念化描述，一些物理與生物化學的描述需要進一步改進。以常用的SWMM為例，雨洪管理設施在水質模擬方面過于簡單化，只考慮了雨洪管理設施中降雨的稀釋效應，污染物的衰減、分解及其附著基本過程與生化反應也需要得到表征［92］。因此，為了更好地評價雨洪管理設施的水量水質控制效果，需要全面理解物理模型在城市水文環境過程方面的表現與不足，在綜合不同的雨洪管理尺度的前提下，于現有模型基礎上擴展相關模塊或開發新模塊。

人工智能（AI）作為一種管理方法，具有自主性、適應性和強大的學習能力［93］。人工智能在解決各種優化問題方面越來越受歡迎，并已在多個領域得到廣泛應用［94］。目前，逐漸有研究人員探索將機器學習與城市雨洪管理措施的空間布局優化相結合，以實現最優目標。但是，海綿城市建設涉及多個領域和復雜的城市系統，數據的獲取和整合存在困難。而機器學習算法需要大量的數據來進行訓練和優化，數據不足會影響算法的準確性和可靠性。

目前的機器學習模型難以完全建模復雜的城市系統，導致模型的復雜度和泛化能力不足。并且機器學習模型的不確定性和風險管理能力有限，難以滿足海綿城市建設中對風險的有效管理和預測需求。因此，盡管機器學習在城市雨洪管理措施空間優化布局具有潛在的應用前景，但目前仍然存在一些不足之處，需要進一步的研究和技術創新來解決。

3. 4 基于多要素的優化效果評價

城市雨洪管理措施的布局與優化不僅在水量水質控制方面發揮作用，Wang等［95］根據綠色基礎設施的功能與效益，提出了一個涵蓋水文、能源、氣候、環境、生態和人文科學的地理標志多功能概念框架，綠色基礎設施的功能包括雨水的滲透、滯留、儲存和利用、凈化、植被和土壤層的隔熱、調節蒸散和吸熱、植被固碳以及提供和改善生境和綠地；通過其功能，綠色基礎設施可提供直接效益和共同效益，這些效益通常根據生態系統服務框架進行分類，包括提供、調節、支持和文化服務四大類，涉及為水文、能源、氣候、環境、生態和人文。盡管海綿城市的建設能帶來諸多方面的好處，但目前海綿城市效益指標體系建設方面尚沒有公認和統一的標準，部分定性指標多采用定性描述而缺乏定量化的方法［50］，因此，需要一個綜合的框架標準化雨洪管理措施的相關效益，基于多要素全面評價優化效果。

盡管是優化效果評估范疇的內容，但相關影響需要在比其更早的環節就納入考慮，因此離不開其他環節的改進與優化。如城市水體環境質量效果評價就需要在建模環節將終端水體納入考慮，并且以合適的尺度與詳細程度描述污染物的遷移轉化。

4 結論

本文在闡述城市雨洪管理布局優化地相關定義與內容范疇的基礎上，構建了城市雨洪管理措施布局優化問題前準備-模型算法-后評估-決策的全流程結構，總結了優化過程各環節的研究現狀及存在的問題。

理論上，一個全面的雨洪管理措施布局優化應當涵蓋雨洪管理設施的類型、設計、位置3個方面的優化，并將其與灰色、藍色基礎設施共同納入優化過程，考慮流域尺度下的城市水管理。當雨洪管理措施布局的問題由于納入更多內容范疇與環節而更加復雜化時，更能描述城市水文環境過程準確的物理模型、更高效率的算法和更全面多要素的優化效果評價成為必需，需要注意的是，城市雨洪管理措施優化布局問題中不同環節是相互影響的，因此盡管多要素優化效果評價是后評估環節，但相關因素需要更早地在優化問題全流程中被考慮。

最終，通過科學合理地規劃和設計城市排水系統，可以有效地減少雨洪對城市的負面影響，提高城市的防災減災能力，保障城市的生態安全和社會穩定。

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