城市雨洪SWMM構建與灰綠組合設施綜合效能評價研究

摘"要：隨著城市化進程的加快，城市雨洪問題日益嚴重，導致水資源短缺、水環境污染等一系列生態環境問題。傳統的雨水管理方式難以有效應對暴雨帶來的排水壓力，灰綠結合的雨水管理設施逐漸成為解決城市雨水問題的重要途徑。灰色基礎設施和綠色基礎設施的優化組合不僅能有效減少徑流，還能提高城市的生態環境質量，具有顯著的應用價值，這也是城市建設的重要研究方向。本文基于SWMM模型，探索灰綠雨水設施在城市中的優化布置，以期為城市雨水管理提供科學的決策依據。

關鍵詞：SWMM；灰綠雨水組合設施；降雨強度；滲透率

近年來，隨著城市化進程的加快，城市水環境問題日益嚴峻，傳統雨水管理模式已無法滿足可持續發展的需求。海綿城市理念作為應對城市洪澇及水環境問題的重要措施，得到了廣泛關注。灰綠組合設施通過結合灰色基礎設施（如排水管道）與綠色基礎設施（如滲透設施、植草溝等），有效地提升了雨水管理效果。SWMM（暴雨水管理模型）作為一種用于模擬城市雨洪過程的工具，被廣泛應用于灰綠設施優化布局的研究中。此外，結合全壽命周期成本（LCC）分析和TOPSIS評價法，可對不同設施組合的經濟性及綜合效益進行科學評估，為海綿城市的建設提供決策支持。

1"理論基礎

1.1"灰色基礎設施和綠色基礎設施概念

灰色基礎設施主要指城市中用于雨水排放和處理的傳統工程設施，如排水管道、泵站和污水處理廠。這類設施以“集中處理”為核心，依賴管網系統快速將城市降雨徑流排出，以減少城市內澇風險。這類設施具有“高效排放”的特點，適用于應對短時間內的大量降水，但其維護成本高，且對于水質的改善效果有限，無法解決水資源循環利用等問題。綠色基礎設施則不同，它強調“自然過程”和“生態恢復”的理念，與自然系統相結合，以實現可持續的雨水管理。常見的綠色基礎設施包括雨水花園、透水鋪裝、綠屋頂和生物滯留設施等。這些設施不僅能夠有效削減徑流量、降低洪澇風險，減少污染物的排放，改善水質。綠色基礎設施還能提高城市的生態環境質量，增加綠地覆蓋率，從而增強城市的氣候適應能力。因此，灰綠設施的結合逐漸被認為是最優的雨水管理方案，在提升雨水控制效果的同時，也能提高生態系統和社會效益。

1.2"SWMM原理

SWMM是一種廣泛應用于城市雨水管理的水文—水力模型。它能模擬降雨過程中城市地表徑流的產生、匯流以及排放過程，幫助決策者分析不同設施組合在城市雨水管理中的效益。首先，SWMM基于“水文循環過程”來模擬不同降雨情景下的徑流量變化。它對降雨、蒸發、土壤滲透、地表徑流等多個環節進行系統模擬，能精確預測城市不同區域的洪澇風險及水文變化，決策者能評估在不同降雨強度下灰綠設施的效能，從而優化其布置，達到最大效益。SWMM可以為城市規劃者提供科學依據，以確定哪些區域需要更多的雨水控制措施。其次，SWMM還能分析不同雨水管理設施的污染削減效果。在雨水流經城市地表的過程中，可能攜帶大量污染物，如懸浮物、重金屬和有機物。SWMM對不同污染物的輸移和轉化進行模擬，準確預測各種管理設施（如生物滯留池和雨水花園）在減少污染物濃度方面的效能，有助于實現城市雨水管理的多重目標，包括減洪、改善水質和生態修復等。

2"SWMM在城市雨水管理與灰綠設施優化中的應用

2.1"SWMM在城市雨水徑流模擬中的應用

SWMM是廣泛應用于城市雨水管理的動態水文模型，其主要功能是模擬城市區域內的降雨徑流過程，預測不同條件下的徑流量、峰值流量和水質變化情況。通過SWMM，城市規劃者和工程師能夠對不同降雨情景下的雨水排放系統進行精準的模擬，進而評估潛在的內澇風險和排水系統的承載能力。城市雨水徑流具有高度的時空異質性，SWMM能夠細化城市區域的地表特征，涵蓋不同類型的地表鋪裝、地形坡度、土壤滲透性等因素，從而實現對復雜水文過程的“精細化管理”。在城市雨水管理中，SWMM尤其擅長模擬短時強降雨引發的洪澇災害。輸入不同的降雨強度、持續時間及頻率參數，SWMM可以生成不同時間尺度的水文過程曲線，幫助規劃者提前識別城市中排水系統的薄弱環節。這種精細化的模擬不僅能夠有效預測內澇高發區，還為優化排水管網、增設雨水調蓄池、改善排水泵站布局等工程措施提供了定量依據。隨著氣候變化導致的極端天氣事件頻發，SWMM作為“敏感度分析”的重要工具，可以對不同氣候情景下城市排水系統的適應性進行評估，從而為城市防洪能力的提升提供科學依據。

2.2"SWMM在灰綠設施優化布置中的應用

在灰綠設施的優化布局中，SWMM起到了不可替代的作用。灰綠設施的作用不僅限于削減徑流量，還包括延緩峰值流量，促進雨水入滲和改善水質等功能。通過SWMM模擬不同設施的組合方式及其對城市雨水系統的影響，能夠幫助工程師和城市規劃者找到最優的灰綠設施配置方案。例如，通過SWMM模擬雨水花園、透水鋪裝、植草溝等綠色設施的分布，可以精確預測這些設施對水文過程的影響，分析其在不同降雨強度下的徑流削減效果。同時，灰色設施如雨水管網、泵站和蓄水池的布置也可以把SWMM與綠色設施結合，進一步提升整個系統的運行效率。SWMM的優勢在于其多維度的模擬能力，既能評估不同設施對徑流削減的貢獻，也能量化設施對水質改善的效果。例如，對綠色設施的優化布局，可以提高雨水的滲透率，減少地表徑流，從而有效削減污染物排放。此外，SWMM還能模擬不同場景下的水文動態，如干旱期與暴雨期的交替影響，以實現設施布局的“彈性優化”。這為城市雨水管理提供了全方位的決策支持，確保灰綠設施在不同氣候和環境條件下都能發揮最大效益。

2.3"SWMM在全壽命周期成本分析中的應用

SWMM不僅可以用于城市水文過程的模擬，還可以與全壽命周期成本（Life"Cycle"Cost，LCC）分析相結合，評估不同雨水管理設施在其全生命周期中的經濟效益。全壽命周期成本分析包括設施的初始建設成本、運營維護成本、使用壽命以及廢棄處理成本等多個維度。而利用SWMM的模擬，可以量化不同設施的運行效能，從而為LCC分析提供科學依據。例如，通過模擬不同規模的雨水調蓄池、排水管網或雨水花園，可以準確預測這些設施的運行頻率和維護需求，進而對其全生命周期的成本效益進行量化。SWMM的“動態模擬能力”在LCC分析中尤為重要，傳統的LCC分析往往局限于靜態的成本計算，而SWMM模擬不同時間段、不同降雨條件下設施的性能表現，可以為LCC分析注入時間維度的動態信息。例如，對于灰綠設施組合，通過SWMM可以模擬不同雨水負荷下設施的削峰填谷效應，預測其在長期運行中的維護成本和更新需求。這樣一來，SWMM與LCC的結合不僅能夠為設施的建設和優化提供短期效益評估，也能為長期的運營和維護策略制定提供量化數據支持。隨著城市管理者對“經濟可持續性”的關注日益增加，SWMM作為輔助LCC分析的關鍵工具，將在未來的設施規劃中扮演更加重要的角色。

3"TOPSIS評價法在綜合效益評估中的應用

3.1"TOPSIS評價法的基本原理

TOPSIS是一種常用的多屬性決策分析方法，其核心思想是通過計算候選方案與“理想解”和“負理想解”的距離來進行排序，選擇距離理想解最近、距離負理想解最遠的方案作為最優解。具體而言，首先，TOPSIS構建評價指標體系，將不同方案的效益指標歸一化；其次，通過加權計算各指標的權重值；最后，計算每個方案與理想解和負理想解的歐幾里得距離。理想解指的是各項指標都達到最優水平的假設方案，而負理想解則是各項指標都處于最差狀態的方案。TOPSIS的計算過程包括五個主要步驟：一是構建評價矩陣，收集各方案在不同指標上的數據；二是對評價矩陣進行標準化處理，以消除不同指標間量綱不一致的問題；三是賦權，依據各指標的重要性設置權重；四是計算各方案與理想解、負理想解的距離；五是根據距離計算得出各方案的相對接近度，并根據接近度進行排序。在城市雨水管理和灰綠設施優化中，TOPSIS通過這種“精確的量化評價”方法，幫助決策者在多維度的評價標準下做出科學、客觀的選擇，特別是在多個目標相互沖突時，能夠實現效益的綜合評估。

3.2"TOPSIS在灰綠設施效益評估中的應用

灰綠設施作為集生態、經濟和社會效益于一體的復雜系統，在評估其效益時需要考慮多個維度，如雨水徑流削減效果、成本效益、水質改善、生態環境影響等。因此，單一的評價標準無法全面反映灰綠設施的綜合效益，而TOPSIS作為一種“多目標決策工具”，能夠有效解決這一問題。首先，TOPSIS可以將灰綠設施的不同效益指標整合為一個綜合評價指標。例如，在評估一種設施組合時，可以將其雨水削減率、水質凈化效果、全壽命周期成本、景觀效益等指標納入評價體系，通過權重分配實現對各指標的合理量化。TOPSIS的評價過程能夠幫助決策者在面對多個方案時，快速評估哪些設施組合在各項效益中表現最好，從而做出最優選擇，“多維度評價”方式確保了評估結果的全面性和準確性。其次，TOPSIS在灰綠設施的“成本效益分析”中表現尤為突出。將設施的全壽命周期成本與其環境效益相結合，TOPSIS能夠幫助決策者衡量每種設施的長期投資回報率。例如，透水鋪裝和雨水花園可能在初期建設成本上有所差異，但在長期運行中，由于維護成本和環境效益的不同，二者的全壽命周期效益會產生顯著差異。通過TOPSIS的綜合評價，能夠識別出“性價比最高”的設施組合，為項目的經濟決策提供量化支持。最后，TOPSIS還能在不同情景下對灰綠設施的效益進行動態評估。例如，城市雨水管理中需要同時應對正常降雨和極端降雨情景，TOPSIS可以將這些不同情景下的效益指標納入評估體系，幫助規劃者識別在不同氣候條件下表現最佳的設施組合。這種“情景分析”的功能使得TOPSIS在氣候變化應對、生態城市規劃中具有更廣泛的應用潛力。

4"灰綠設施優化布置的未來研究方向

4.1"多目標優化算法與灰綠設施的集成應用

未來灰綠設施優化布置的一個重要研究方向是將多目標優化算法與灰綠設施的設計相結合。當前的灰綠設施優化往往局限于單一目標，如削減徑流或降低建設成本，然而在實際應用中，灰綠設施需要同時滿足多個目標，如水文效益、生態效益、經濟成本等。通過引入多目標優化算法，如遺傳算法、粒子群優化算法等，能夠實現對復雜系統的“全局優化”，同時權衡不同目標之間的沖突與協同效應。未來的研究應進一步探索如何將這些優化算法與雨水管理的實際需求結合起來，并開發出適用于大規模城市區域的優化模型，以更高效地指導灰綠設施的布局設計。

4.2"灰綠設施與智能監控技術的深度融合

隨著智慧城市概念的興起，灰綠設施的優化布局將不可避免地與智能監控技術深度融合。通過部署傳感器網絡和物聯網技術，實時監測設施的運行狀態與水文數據，可以為設施的維護與調度提供精確依據。此外，未來研究應探索如何利用大數據和人工智能技術對這些實時數據進行分析，以實現對灰綠設施的“自適應管理”。例如，基于實時數據的動態調整能夠優化雨水調蓄池的運行策略，從而提升整個系統的運行效率。這樣的智能監控和管理技術不僅能提高設施的長期效益，還能為城市管理者提供更多的決策支持。

4.3"氣候變化背景下的灰綠設施彈性設計

氣候變化帶來的極端天氣頻發對城市雨水管理提出了更高的要求，未來研究需要關注灰綠設施的“彈性設計”以適應氣候變化的不確定性。傳統設計方法多針對歷史氣候數據進行設施設計，難以應對未來氣候條件的變化。因此，未來的灰綠設施優化需要引入“情景分析”和“氣候適應性評估”工具，通過模擬不同的氣候變化情景，設計出能夠應對多種極端氣候條件的設施組合。同時，彈性設計還應考慮設施在極端降雨、干旱和高溫等不同氣候條件下的長期效益表現，以確保設施在不確定的未來氣候中依然能夠穩定運行并提供多重生態服務。

結語

綜上所述，灰綠設施的優化布局在城市雨水管理中具有重要的現實意義。通過結合SWMM、多目標優化算法和TOPSIS評價法，能夠實現對灰綠設施的全方位效益評估，并為設施的合理布局提供科學依據。未來研究應更加關注智能技術與灰綠設施的融合，以及應對氣候變化的彈性設計，以提升設施的長期效能和適應性。海綿城市建設作為應對城市水環境問題的關鍵路徑，灰綠設施的優化將繼續在推動城市可持續發展中發揮重要作用，助力實現生態、經濟與社會效益的有機統一。

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課題：2023年度河北省水利科研與推廣計劃項目《基于SWMM的灰綠雨水組合設施優化布置及綜合效益評價分析》（202352）；2022年滄州市科技計劃自籌經費項目《海綿城市中“灰綠”設施協調優化及評價研究》（222109007）

作者簡介：趙軍（1986—"），男，漢族，河北滄州人，碩士研究生，講師，研究方向：城市給水排水工程、工程管理；王雷（1986—"），男，漢族，河北滄州人，碩士研究生，副教授，研究方向：海綿城市及低影響開發技術；李春曉（1988—"），女，漢族，河北滄州人，碩士研究生，講師，研究方向：工程管理；秦美娜（1991—"），女，漢族，河北滄州人，碩士研究生，助教，研究方向：工程管理。