城市降雨徑流管理LID—BMPs工程規(guī)劃方案的優(yōu)化
城市降雨徑流管理LID—BMPs工程規(guī)劃方案的優(yōu)化
柳敏，邢巧，王晶博
（海南省環(huán)境科學(xué)研究院，海南�？� 570206）
摘要：基于SUSTAIN技術(shù)平臺(tái)，以揚(yáng)州市蜀崗匯水區(qū)為例，對(duì)以最佳管理措施（BMP）和低影響開(kāi)發(fā)（LID）技術(shù)為主的生態(tài)排水系統(tǒng)規(guī)劃方案在降雨徑流管理中的資金成本—效益優(yōu)化進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示：集成后的LID—BMPs系統(tǒng)工程對(duì)研究區(qū)地表徑流的洪峰流量削減率可達(dá)到82.98%~100%（平均為91.27%），對(duì)徑流總量削減率可達(dá)到91.43%~100%（平均為98.81%）；最小成本投入方案為以129.23萬(wàn)元的成本投入達(dá)到71.53%的徑流削減效益，最大效益方案為以181.46萬(wàn)元的成本投入達(dá)到85.21%的徑流削減效益；而最佳成本—效益方案為以168.40萬(wàn)元的成本投入達(dá)到83.94%的徑流削減效益，其中，生態(tài)水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝的面積分別占原規(guī)劃總面積的65%、28%、7%，去掉了滲透型植草溝與建設(shè)用地各自組團(tuán)，呈現(xiàn)集中連片的分布形態(tài)，在不加人為建設(shè)的情工程。在LID—BMPs系統(tǒng)工程方案的規(guī)劃和建設(shè)階段，SUSTAIN顯示了強(qiáng)大的優(yōu)化分析功能，可以很好地應(yīng)用到我國(guó)城市生態(tài)排水系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)方案的評(píng)估和優(yōu)化中。
近年來(lái)，我國(guó)城市雨洪災(zāi)害頻發(fā)，究其原因，除了降雨增多且時(shí)空分布不均等自然因素外，城市化引起的水文過(guò)程變化成為主要因素。因此，在對(duì)城市雨洪管理中，如何構(gòu)建城市的生態(tài)化排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的市政排水向生態(tài)排水轉(zhuǎn)變顯得愈發(fā)重要。西方發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始對(duì)城市雨水及其污染問(wèn)題展開(kāi)研究，已形成系統(tǒng)的雨洪管理方法和工程技術(shù)，最具代表性的有美國(guó)的最佳管理措施（BMP）和低影響開(kāi)發(fā)（LID）。LID—BMPs管理體系自開(kāi)發(fā)以來(lái)，因其良好的效果、低廉的投入成本、簡(jiǎn)易的工程構(gòu)建，在國(guó)外城市生態(tài)排水系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在LID—BMPs技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，為了更好地預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)工程方案的預(yù)期管理效果，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）自2003年起研究開(kāi)發(fā)了城市暴雨處理及分析集成模型系統(tǒng)(SUSTAIN)。SUSTAIN能有效評(píng)估LID—BMPs措施對(duì)城市降雨徑流水量的改善效果，并可根據(jù)控制目標(biāo)制定最經(jīng)濟(jì)有效的暴雨管理方案。
目前，LID—BMPs技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用主要集中在點(diǎn)位試驗(yàn)、小區(qū)尺度的示范，缺乏系統(tǒng)的和整體的集成應(yīng)用，對(duì)城市整體的雨洪管理效果有限。如何借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)城市應(yīng)用的LID—BMPs系統(tǒng)應(yīng)用模式，成為我國(guó)城市生態(tài)排水系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題。筆者以揚(yáng)州市蜀崗匯水區(qū)的BMP工程集成設(shè)計(jì)為例，在SUSTAIN的支持下提出LID—BMPs規(guī)劃方案優(yōu)化，以期為LID—BMPs系統(tǒng)工程在我國(guó)城市雨洪管理中的應(yīng)用提供有益探索。
1 研究區(qū)概況
蜀崗排水流域是揚(yáng)州市西北部的重要匯水流域之一，它位于蜀崗分水嶺的最東端，向北連接揚(yáng)州市北部山區(qū)，向南與市中心相連。匯水區(qū)內(nèi)的土地利用類型主要包括綠地（79.8%）、居住用地（10.0%）、停車場(chǎng)（1.68%）、各級(jí)道路（7.73%）和水體（0.79%），雖然綠地面積比例很大，但是綠地況下，綠地蓄滯建設(shè)區(qū)地表徑流的生態(tài)服務(wù)功能并不能得到很好的發(fā)揮。
該區(qū)年內(nèi)降雨量分布不均衡，汛期的降雨約占全年降雨的47%，再加上蜀崗匯水區(qū)地勢(shì)較高，因此在暴雨情況下，蜀崗排水片區(qū)的徑流排放已經(jīng)成為相鄰市區(qū)的雨洪安全隱患。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的道路、停車場(chǎng)和房屋以及相應(yīng)排水邊溝、擋水墻等人工構(gòu)筑物的建設(shè)現(xiàn)狀，將研究區(qū)劃分為8個(gè)集水片區(qū)，其中，道路、屋頂這些具有均值特性和單獨(dú)雨水收集、排放系統(tǒng)的下墊面被單獨(dú)劃分為一個(gè)集水片區(qū)。
2 現(xiàn)狀LID—BMPs規(guī)劃方案及效果模擬
2.1 現(xiàn)狀工程方案設(shè)計(jì)
研究區(qū)LID—BMPs系統(tǒng)布局如圖1所示，其中，普通植草溝（V1、V2、V3）、滲透型植草溝(I1)、下凹綠地滯留塘(D1、D2)、生態(tài)水塘（W1）的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)。
圖1 研究區(qū)LID—BMPs系統(tǒng)布局
現(xiàn)狀存在的LID—BMPs方案中采用的措施有以下兩大類：①?gòu)搅鱾鬏斶^(guò)程控制措施，通過(guò)控制或改變徑流至受納水體之間的傳輸路徑來(lái)減少?gòu)搅鞯耐馀帕浚捎玫墓こ檀胧┯袧B濾渠和植草溝；②徑流調(diào)蓄控制措施，在徑流的匯集節(jié)點(diǎn)布置徑流的調(diào)蓄空間，通過(guò)下滲等方式把徑流入滲到地下，在綠地開(kāi)敞空間內(nèi)布置的是下凹綠地滯留塘，并依據(jù)現(xiàn)狀用地分布，把濕地、水塘和洼地修復(fù)為生態(tài)水塘。
不同生態(tài)工程采用串聯(lián)的模式，依據(jù)地表徑流產(chǎn)生、傳輸、調(diào)蓄和排放過(guò)程進(jìn)行相適應(yīng)的工程安排，以期實(shí)現(xiàn)研究區(qū)地表徑流由產(chǎn)生到排放的全水文過(guò)程管理，工程之間的空間聯(lián)系選用地下管道或地表植草溝。在地表生態(tài)工程與地下管網(wǎng)連接的垂向布置上采用立體交叉的模式，即生態(tài)工程布置在雨水管網(wǎng)周邊的地表上，在不同的生態(tài)工程旁邊建設(shè)雨水井，通過(guò)在雨水井壁開(kāi)設(shè)進(jìn)水管的方式把地表生態(tài)工程與地下雨水管網(wǎng)連接起來(lái)，因此，在工程運(yùn)行期間，當(dāng)?shù)乇韽搅鳟a(chǎn)生量小于地表生態(tài)工程容納負(fù)荷時(shí)，由地表生態(tài)工程顯示徑流路徑；當(dāng)?shù)乇韽搅鳟a(chǎn)生量大于地表生態(tài)工程容納負(fù)荷時(shí)，超出負(fù)荷部分的地表徑流量通過(guò)預(yù)設(shè)的雨水井通道進(jìn)入地下雨水管網(wǎng)，由地表生態(tài)工程與地下管網(wǎng)共同顯示徑流路徑。
2.2 工程方案效果模擬
2.2.1 地表徑流總量管理效果
以至少24 h的干期為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行降雨場(chǎng)次劃分，研究區(qū)2011年全年共有33場(chǎng)降雨。選擇土地開(kāi)發(fā)建設(shè)前（N-CSO）、土地開(kāi)發(fā)建設(shè)后（CSO）和加入LID—BMPs后（E-CSO）三種模式作為比較情景對(duì)LID—BMPs的雨洪管理效果進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，LID—BMPs對(duì)研究區(qū)徑流總量的總削減率為91.43%~100%，平均為98.81%。當(dāng)場(chǎng)降雨量<34.04 mm時(shí)，規(guī)劃的BMP—LIDs系統(tǒng)能使研究區(qū)產(chǎn)生的總徑流量達(dá)到開(kāi)發(fā)建設(shè)前的水平，總徑流產(chǎn)生量均為零；當(dāng)場(chǎng)降雨量>34.04 mm后，研究區(qū)在不同管理系統(tǒng)下的徑流產(chǎn)生量增加，但是LID—BMPs的加入使研究區(qū)仍然保持較低的徑流產(chǎn)生量，徑流總量呈現(xiàn)出開(kāi)發(fā)后的市政管網(wǎng)排水系統(tǒng)（CSO）模式>自然排水系統(tǒng)（N-CSO）模式>LID—BMPs排水模式。
2.2.2 地表徑流洪峰流量管理效果
對(duì)逐場(chǎng)降雨帶來(lái)的洪峰流量進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，LID—BMPs系統(tǒng)對(duì)研究區(qū)洪峰流量的總削減率為82.98%~100%，平均為91.27%。在場(chǎng)降雨量達(dá)到34.04 mm之前，地表生態(tài)工程的加入使研究區(qū)外排徑流峰值恢復(fù)到開(kāi)發(fā)建設(shè)前的狀況，洪峰流量為零。LID—BMPs系統(tǒng)的應(yīng)用可使研究區(qū)的洪峰流量維持在一個(gè)較低的水平，呈現(xiàn)出LID—BMPs排水模式<自然排水系統(tǒng)（N-CSO）模式<市政管網(wǎng)排水系統(tǒng)（CSO）模式。
3 規(guī)劃方案優(yōu)化設(shè)置
3.1 優(yōu)化算法及參數(shù)設(shè)置
本研究選用非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）并在最佳成本—效益方案的創(chuàng)建中采用以下方式篩選，表達(dá)式為：
中，BMPi是i地點(diǎn)的BMP優(yōu)化變量，EF是優(yōu)化項(xiàng)目及其指標(biāo)值。
① 優(yōu)化目標(biāo)
根據(jù)規(guī)劃方案的雨洪管理效果模擬結(jié)果，以維持LID—BMPs方案優(yōu)化前后的效果相近為原則,設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)的上限值為95%、下限值為65%。
② 工程成本
由于我國(guó)目前并無(wú)系統(tǒng)的LID—BMPs工程應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，相關(guān)BMP工程的投入成本結(jié)合了美國(guó)、歐洲的實(shí)踐數(shù)據(jù)和揚(yáng)州市工程建設(shè)成本。其中，干式滯留塘、滲濾渠、生態(tài)水塘、植草溝的建設(shè)成本分別為0.06、0.2、0.05、0.04元/(L·s)。
③ 工程尺寸變量
在效益—成本優(yōu)化模塊處理中，選用LID—BMPs工程措施的設(shè)計(jì)參數(shù)為優(yōu)化變量，主要包括長(zhǎng)度和寬度，尺寸均采用“0~最大長(zhǎng)度”為取值范圍，其中最大長(zhǎng)度指工程布置區(qū)邊沿的最大長(zhǎng)度。
3.2 最佳優(yōu)化方案
以ARCGIS9.3為操作平臺(tái)，在SUSTAIN1.2模型中輸入工程設(shè)計(jì)參數(shù)、目標(biāo)成本的優(yōu)化參數(shù)后，得到了現(xiàn)狀規(guī)劃方案在不同資金投入和管理效益情景下的最佳方案曲線。在模擬的80種工程優(yōu)化方案中，具有8個(gè)最優(yōu)的資金投入和管理效益的方案（見(jiàn)表1），其中包括了最小資金投入方案，最大管理效益方案和最佳資金投入—效益方案。
表1 最優(yōu)方案
3.2.1 最小成本投入優(yōu)化方案
以最小的成本投入作為優(yōu)化條件對(duì)成本—效益方案進(jìn)行優(yōu)化分析后發(fā)現(xiàn)，最小投入下的最優(yōu)方案為以129.23萬(wàn)元的成本投入達(dá)到71.53%的徑流削減效益，工程資金投入分配如下：生態(tài)水塘為107.71萬(wàn)元，下凹綠地滯留塘為8.70萬(wàn)元，滲透型植草溝為0.76萬(wàn)元，普通植草溝為12.06萬(wàn)元。優(yōu)化后，LID—BMPs工程中生態(tài)水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝、滲透型植草溝的面積分別占原規(guī)劃總面積的83%、7%、9%、1%。在最小成本投入方案下的工程優(yōu)化方案中，原規(guī)劃的工程種類及位置保持不變，僅在面積上做出相應(yīng)比例的縮減。
3.2.2 最大效益優(yōu)化方案
在最優(yōu)方案中，最大效益方案為以181.46萬(wàn)元的成本投入達(dá)到85.21%的徑流削減效益，工程資金投入分配如下：生態(tài)水塘為107.71萬(wàn)元，下凹綠地滯留塘為61.69萬(wàn)元，普通植草溝為12.06萬(wàn)元，不建滲透型植草溝。優(yōu)化后，LID—BMPs系統(tǒng)工程中生態(tài)水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝的面積分別占原規(guī)劃總面積的59%、34%、7%，去掉了滲透型植草溝工程的應(yīng)用。在最大效益方案下的工程優(yōu)化方案中，原規(guī)劃的工程位置保持不變，僅在面積上做出相應(yīng)比例的縮減。
3.2.3 最佳成本—效益方案優(yōu)化
在最優(yōu)的8個(gè)方案中，根據(jù)效益遞減拐點(diǎn)確定了最佳成本—效益方案，在該方案情景下，以168.40萬(wàn)元的成本投入可以達(dá)到83.94%的徑流削減效益，工程資金投入分配如下：生態(tài)水塘為107.71萬(wàn)元，下凹綠地滯留塘為48.63萬(wàn)元，普通植草溝為12.06萬(wàn)元，不建滲透型植草溝。優(yōu)化后，LID—BMPs系統(tǒng)工程中生態(tài)水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝的面積分別占原規(guī)劃總面積的65%、28%、7%，去掉了滲透型植草溝工程的應(yīng)用。在最佳成本—效益優(yōu)化方案中，原規(guī)劃的工程位置保持不變，僅在面積上做出相應(yīng)比例的縮減。
4 結(jié)論
① LID—BMPs系統(tǒng)工程對(duì)研究區(qū)地表徑流的洪峰流量和總流量均有良好的削減效果，對(duì)洪峰流量的削減率可以達(dá)到82.98%~100%（平均為91.27%），對(duì)徑流總量的削減率可達(dá)到91.43%~100%（平均為98.81%）。
② 最小成本投入優(yōu)化方案為以129.23萬(wàn)元的成本達(dá)到71.53%的徑流削減效益，最大效益優(yōu)化方案是以181.46萬(wàn)元的成本投入達(dá)到85.21%的徑流削減效益；而根據(jù)效益遞減拐點(diǎn)確定的最佳成本—效益方案是以168.40萬(wàn)元的成本投入達(dá)到83.94%的徑流削減效益，其中，生態(tài)水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝的面積分別占原規(guī)劃總面積的65%、28%、7%，去掉了滲透型植草溝工程。
③ 在LID—BMPs系統(tǒng)工程方案的規(guī)劃和建設(shè)階段，SUSTAIN顯示了強(qiáng)大的優(yōu)化分析功能，但是在實(shí)際運(yùn)用中，該模型也有一定的局限性，比如SUSTAIN不能提供LID—BMPs系統(tǒng)中單一工程在空間分布上的優(yōu)化分析。
（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第5期“城市雨水管理”欄目）
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