城市降雨徑流管理LID—BMPs工程規劃方案的優化
城市降雨徑流管理LID—BMPs工程規劃方案的優化
柳敏，邢巧，王晶博
（海南省環境科學研究院，海南海口 570206）
摘要：基于SUSTAIN技術平臺，以揚州市蜀崗匯水區為例，對以最佳管理措施（BMP）和低影響開發（LID）技術為主的生態排水系統規劃方案在降雨徑流管理中的資金成本—效益優化進行了研究。結果顯示：集成后的LID—BMPs系統工程對研究區地表徑流的洪峰流量削減率可達到82.98%~100%（平均為91.27%），對徑流總量削減率可達到91.43%~100%（平均為98.81%）；最小成本投入方案為以129.23萬元的成本投入達到71.53%的徑流削減效益，最大效益方案為以181.46萬元的成本投入達到85.21%的徑流削減效益；而最佳成本—效益方案為以168.40萬元的成本投入達到83.94%的徑流削減效益，其中，生態水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝的面積分別占原規劃總面積的65%、28%、7%，去掉了滲透型植草溝與建設用地各自組團，呈現集中連片的分布形態，在不加人為建設的情工程。在LID—BMPs系統工程方案的規劃和建設階段，SUSTAIN顯示了強大的優化分析功能，可以很好地應用到我國城市生態排水系統規劃和建設方案的評估和優化中。
近年來，我國城市雨洪災害頻發，究其原因，除了降雨增多且時空分布不均等自然因素外，城市化引起的水文過程變化成為主要因素。因此，在對城市雨洪管理中，如何構建城市的生態化排水系統，實現由傳統的市政排水向生態排水轉變顯得愈發重要。西方發達國家早在20世紀70年代就開始對城市雨水及其污染問題展開研究，已形成系統的雨洪管理方法和工程技術，最具代表性的有美國的最佳管理措施（BMP）和低影響開發（LID）。LID—BMPs管理體系自開發以來，因其良好的效果、低廉的投入成本、簡易的工程構建，在國外城市生態排水系統的規劃和建設中得到了廣泛的應用。在LID—BMPs技術應用過程中，為了更好地預測、評價工程方案的預期管理效果，美國環境保護署（EPA）自2003年起研究開發了城市暴雨處理及分析集成模型系統(SUSTAIN)。SUSTAIN能有效評估LID—BMPs措施對城市降雨徑流水量的改善效果，并可根據控制目標制定最經濟有效的暴雨管理方案。
目前，LID—BMPs技術在我國的應用主要集中在點位試驗、小區尺度的示范，缺乏系統的和整體的集成應用，對城市整體的雨洪管理效果有限。如何借鑒國外先進經驗，開發出適合我國城市應用的LID—BMPs系統應用模式，成為我國城市生態排水系統規劃和建設中亟待解決的問題。筆者以揚州市蜀崗匯水區的BMP工程集成設計為例，在SUSTAIN的支持下提出LID—BMPs規劃方案優化，以期為LID—BMPs系統工程在我國城市雨洪管理中的應用提供有益探索。
1 研究區概況
蜀崗排水流域是揚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，向北連接揚州市北部山區，向南與市中心相連。匯水區內的土地利用類型主要包括綠地（79.8%）、居住用地（10.0%）、停車場（1.68%）、各級道路（7.73%）和水體（0.79%），雖然綠地面積比例很大，但是綠地況下，綠地蓄滯建設區地表徑流的生態服務功能并不能得到很好的發揮。
該區年內降雨量分布不均衡，汛期的降雨約占全年降雨的47%，再加上蜀崗匯水區地勢較高，因此在暴雨情況下，蜀崗排水片區的徑流排放已經成為相鄰市區的雨洪安全隱患。根據研究區內的道路、停車場和房屋以及相應排水邊溝、擋水墻等人工構筑物的建設現狀，將研究區劃分為8個集水片區，其中，道路、屋頂這些具有均值特性和單獨雨水收集、排放系統的下墊面被單獨劃分為一個集水片區。
2 現狀LID—BMPs規劃方案及效果模擬
2.1 現狀工程方案設計
研究區LID—BMPs系統布局如圖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)、生態水塘（W1）的設計參數見文獻。
圖1 研究區LID—BMPs系統布局
現狀存在的LID—BMPs方案中采用的措施有以下兩大類：①徑流傳輸過程控制措施，通過控制或改變徑流至受納水體之間的傳輸路徑來減少徑流的外排量，采用的工程措施有滲濾渠和植草溝；②徑流調蓄控制措施，在徑流的匯集節點布置徑流的調蓄空間，通過下滲等方式把徑流入滲到地下，在綠地開敞空間內布置的是下凹綠地滯留塘，并依據現狀用地分布，把濕地、水塘和洼地修復為生態水塘。
不同生態工程采用串聯的模式，依據地表徑流產生、傳輸、調蓄和排放過程進行相適應的工程安排，以期實現研究區地表徑流由產生到排放的全水文過程管理，工程之間的空間聯系選用地下管道或地表植草溝。在地表生態工程與地下管網連接的垂向布置上采用立體交叉的模式，即生態工程布置在雨水管網周邊的地表上，在不同的生態工程旁邊建設雨水井，通過在雨水井壁開設進水管的方式把地表生態工程與地下雨水管網連接起來，因此，在工程運行期間，當地表徑流產生量小于地表生態工程容納負荷時，由地表生態工程顯示徑流路徑；當地表徑流產生量大于地表生態工程容納負荷時，超出負荷部分的地表徑流量通過預設的雨水井通道進入地下雨水管網，由地表生態工程與地下管網共同顯示徑流路徑。
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的干期為標準進行降雨場次劃分，研究區2011年全年共有33場降雨。選擇土地開發建設前（N-CSO）、土地開發建設后（CSO）和加入LID—BMPs后（E-CSO）三種模式作為比較情景對LID—BMPs的雨洪管理效果進行模擬。結果表明，LID—BMPs對研究區徑流總量的總削減率為91.43%~100%，平均為98.81%。當場降雨量<34.04 mm時，規劃的BMP—LIDs系統能使研究區產生的總徑流量達到開發建設前的水平，總徑流產生量均為零；當場降雨量>34.04 mm后，研究區在不同管理系統下的徑流產生量增加，但是LID—BMPs的加入使研究區仍然保持較低的徑流產生量，徑流總量呈現出開發后的市政管網排水系統（CSO）模式>自然排水系統（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
對逐場降雨帶來的洪峰流量進行分析后發現，LID—BMPs系統對研究區洪峰流量的總削減率為82.98%~100%，平均為91.27%。在場降雨量達到34.04 mm之前，地表生態工程的加入使研究區外排徑流峰值恢復到開發建設前的狀況，洪峰流量為零。LID—BMPs系統的應用可使研究區的洪峰流量維持在一個較低的水平，呈現出LID—BMPs排水模式<自然排水系統（N-CSO）模式<市政管網排水系統（CSO）模式。
3 規劃方案優化設置
3.1 優化算法及參數設置
本研究選用非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）并在最佳成本—效益方案的創建中采用以下方式篩選，表達式為：
中，BMPi是i地點的BMP優化變量，EF是優化項目及其指標值。
① 優化目標
根據規劃方案的雨洪管理效果模擬結果，以維持LID—BMPs方案優化前后的效果相近為原則,設定優化目標的上限值為95%、下限值為65%。
② 工程成本
由于我國目前并無系統的LID—BMPs工程應用和開發，相關BMP工程的投入成本結合了美國、歐洲的實踐數據和揚州市工程建設成本。其中，干式滯留塘、滲濾渠、生態水塘、植草溝的建設成本分別為0.06、0.2、0.05、0.04元/(L·s)。
③ 工程尺寸變量
在效益—成本優化模塊處理中，選用LID—BMPs工程措施的設計參數為優化變量，主要包括長度和寬度，尺寸均采用“0~最大長度”為取值范圍，其中最大長度指工程布置區邊沿的最大長度。
3.2 最佳優化方案
以ARCGIS9.3為操作平臺，在SUSTAIN1.2模型中輸入工程設計參數、目標成本的優化參數后，得到了現狀規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種工程優化方案中，具有8個最優的資金投入和管理效益的方案（見表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 最優方案
3.2.1 最小成本投入優化方案
以最小的成本投入作為優化條件對成本—效益方案進行優化分析后發現，最小投入下的最優方案為以129.23萬元的成本投入達到71.53%的徑流削減效益，工程資金投入分配如下：生態水塘為107.71萬元，下凹綠地滯留塘為8.70萬元，滲透型植草溝為0.76萬元，普通植草溝為12.06萬元。優化后，LID—BMPs工程中生態水塘、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劃總面積的83%、7%、9%、1%。在最小成本投入方案下的工程優化方案中，原規劃的工程種類及位置保持不變，僅在面積上做出相應比例的縮減。
3.2.2 最大效益優化方案
在最優方案中，最大效益方案為以181.46萬元的成本投入達到85.21%的徑流削減效益，工程資金投入分配如下：生態水塘為107.71萬元，下凹綠地滯留塘為61.69萬元，普通植草溝為12.06萬元，不建滲透型植草溝。優化后，LID—BMPs系統工程中生態水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝的面積分別占原規劃總面積的59%、34%、7%，去掉了滲透型植草溝工程的應用。在最大效益方案下的工程優化方案中，原規劃的工程位置保持不變，僅在面積上做出相應比例的縮減。
3.2.3 最佳成本—效益方案優化
在最優的8個方案中，根據效益遞減拐點確定了最佳成本—效益方案，在該方案情景下，以168.40萬元的成本投入可以達到83.94%的徑流削減效益，工程資金投入分配如下：生態水塘為107.71萬元，下凹綠地滯留塘為48.63萬元，普通植草溝為12.06萬元，不建滲透型植草溝。優化后，LID—BMPs系統工程中生態水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝的面積分別占原規劃總面積的65%、28%、7%，去掉了滲透型植草溝工程的應用。在最佳成本—效益優化方案中，原規劃的工程位置保持不變，僅在面積上做出相應比例的縮減。
4 結論
① LID—BMPs系統工程對研究區地表徑流的洪峰流量和總流量均有良好的削減效果，對洪峰流量的削減率可以達到82.98%~100%（平均為91.27%），對徑流總量的削減率可達到91.43%~100%（平均為98.81%）。
② 最小成本投入優化方案為以129.23萬元的成本達到71.53%的徑流削減效益，最大效益優化方案是以181.46萬元的成本投入達到85.21%的徑流削減效益；而根據效益遞減拐點確定的最佳成本—效益方案是以168.40萬元的成本投入達到83.94%的徑流削減效益，其中，生態水塘、下凹綠地滯留塘、普通植草溝的面積分別占原規劃總面積的65%、28%、7%，去掉了滲透型植草溝工程。
③ 在LID—BMPs系統工程方案的規劃和建設階段，SUSTAIN顯示了強大的優化分析功能，但是在實際運用中，該模型也有一定的局限性，比如SUSTAIN不能提供LID—BMPs系統中單一工程在空間分布上的優化分析。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第5期“城市雨水管理”欄目）
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