城市降雨径流管理LID—BMPs工程规划方案的优化
城市降雨径流管理LID—BMPs工程规划方案的优化
柳敏，邢巧，王晶博
（海南省环境科学研究院，海南海口 570206）
摘要：基于SUSTAIN技术平台，以扬州市蜀岗汇水区为例，对以最佳管理措施（BMP）和低影响开发（LID）技术为主的生态排水系统规划方案在降雨径流管理中的资金成本—效益优化进行了研究。结果显示：集成后的LID—BMPs系统工程对研究区地表径流的洪峰流量削减率可达到82.98%~100%（平均为91.27%），对径流总量削减率可达到91.43%~100%（平均为98.81%）；最小成本投入方案为以129.23万元的成本投入达到71.53%的径流削减效益，最大效益方案为以181.46万元的成本投入达到85.21%的径流削减效益；而最佳成本—效益方案为以168.40万元的成本投入达到83.94%的径流削减效益，其中，生态水塘、下凹绿地滞留塘、普通植草沟的面积分别占原规划总面积的65%、28%、7%，去掉了渗透型植草沟与建设用地各自组团，呈现集中连片的分布形态，在不加人为建设的情工程。在LID—BMPs系统工程方案的规划和建设阶段，SUSTAIN显示了强大的优化分析功能，可以很好地应用到我国城市生态排水系统规划和建设方案的评估和优化中。
近年来，我国城市雨洪灾害频发，究其原因，除了降雨增多且时空分布不均等自然因素外，城市化引起的水文过程变化成为主要因素。因此，在对城市雨洪管理中，如何构建城市的生态化排水系统，实现由传统的市政排水向生态排水转变显得愈发重要。西方发达国家早在20世纪70年代就开始对城市雨水及其污染问题展开研究，已形成系统的雨洪管理方法和工程技术，最具代表性的有美国的最佳管理措施（BMP）和低影响开发（LID）。LID—BMPs管理体系自开发以来，因其良好的效果、低廉的投入成本、简易的工程构建，在国外城市生态排水系统的规划和建设中得到了广泛的应用。在LID—BMPs技术应用过程中，为了更好地预测、评价工程方案的预期管理效果，美国环境保护署（EPA）自2003年起研究开发了城市暴雨处理及分析集成模型系统(SUSTAIN)。SUSTAIN能有效评估LID—BMPs措施对城市降雨径流水量的改善效果，并可根据控制目标制定最经济有效的暴雨管理方案。
目前，LID—BMPs技术在我国的应用主要集中在点位试验、小区尺度的示范，缺乏系统的和整体的集成应用，对城市整体的雨洪管理效果有限。如何借鉴国外先进经验，开发出适合我国城市应用的LID—BMPs系统应用模式，成为我国城市生态排水系统规划和建设中亟待解决的问题。笔者以扬州市蜀岗汇水区的BMP工程集成设计为例，在SUSTAIN的支持下提出LID—BMPs规划方案优化，以期为LID—BMPs系统工程在我国城市雨洪管理中的应用提供有益探索。
1 研究区概况
蜀岗排水流域是扬州市西北部的重要汇水流域之一，它位于蜀岗分水岭的最东端，向北连接扬州市北部山区，向南与市中心相连。汇水区内的土地利用类型主要包括绿地（79.8%）、居住用地（10.0%）、停车场（1.68%）、各级道路（7.73%）和水体（0.79%），虽然绿地面积比例很大，但是绿地况下，绿地蓄滞建设区地表径流的生态服务功能并不能得到很好的发挥。
该区年内降雨量分布不均衡，汛期的降雨约占全年降雨的47%，再加上蜀岗汇水区地势较高，因此在暴雨情况下，蜀岗排水片区的径流排放已经成为相邻市区的雨洪安全隐患。根据研究区内的道路、停车场和房屋以及相应排水边沟、挡水墙等人工构筑物的建设现状，将研究区划分为8个集水片区，其中，道路、屋顶这些具有均值特性和单独雨水收集、排放系统的下垫面被单独划分为一个集水片区。
2 现状LID—BMPs规划方案及效果模拟
2.1 现状工程方案设计
研究区LID—BMPs系统布局如图1所示，其中，普通植草沟（V1、V2、V3）、渗透型植草沟(I1)、下凹绿地滞留塘(D1、D2)、生态水塘（W1）的设计参数见文献。
图1 研究区LID—BMPs系统布局
现状存在的LID—BMPs方案中采用的措施有以下两大类：①径流传输过程控制措施，通过控制或改变径流至受纳水体之间的传输路径来减少径流的外排量，采用的工程措施有渗滤渠和植草沟；②径流调蓄控制措施，在径流的汇集节点布置径流的调蓄空间，通过下渗等方式把径流入渗到地下，在绿地开敞空间内布置的是下凹绿地滞留塘，并依据现状用地分布，把湿地、水塘和洼地修复为生态水塘。
不同生态工程采用串联的模式，依据地表径流产生、传输、调蓄和排放过程进行相适应的工程安排，以期实现研究区地表径流由产生到排放的全水文过程管理，工程之间的空间联系选用地下管道或地表植草沟。在地表生态工程与地下管网连接的垂向布置上采用立体交叉的模式，即生态工程布置在雨水管网周边的地表上，在不同的生态工程旁边建设雨水井，通过在雨水井壁开设进水管的方式把地表生态工程与地下雨水管网连接起来，因此，在工程运行期间，当地表径流产生量小于地表生态工程容纳负荷时，由地表生态工程显示径流路径；当地表径流产生量大于地表生态工程容纳负荷时，超出负荷部分的地表径流量通过预设的雨水井通道进入地下雨水管网，由地表生态工程与地下管网共同显示径流路径。
2.2 工程方案效果模拟
2.2.1 地表径流总量管理效果
以至少24 h的干期为标准进行降雨场次划分，研究区2011年全年共有33场降雨。选择土地开发建设前（N-CSO）、土地开发建设后（CSO）和加入LID—BMPs后（E-CSO）三种模式作为比较情景对LID—BMPs的雨洪管理效果进行模拟。结果表明，LID—BMPs对研究区径流总量的总削减率为91.43%~100%，平均为98.81%。当场降雨量<34.04 mm时，规划的BMP—LIDs系统能使研究区产生的总径流量达到开发建设前的水平，总径流产生量均为零；当场降雨量>34.04 mm后，研究区在不同管理系统下的径流产生量增加，但是LID—BMPs的加入使研究区仍然保持较低的径流产生量，径流总量呈现出开发后的市政管网排水系统（CSO）模式>自然排水系统（N-CSO）模式>LID—BMPs排水模式。
2.2.2 地表径流洪峰流量管理效果
对逐场降雨带来的洪峰流量进行分析后发现，LID—BMPs系统对研究区洪峰流量的总削减率为82.98%~100%，平均为91.27%。在场降雨量达到34.04 mm之前，地表生态工程的加入使研究区外排径流峰值恢复到开发建设前的状况，洪峰流量为零。LID—BMPs系统的应用可使研究区的洪峰流量维持在一个较低的水平，呈现出LID—BMPs排水模式<自然排水系统（N-CSO）模式<市政管网排水系统（CSO）模式。
3 规划方案优化设置
3.1 优化算法及参数设置
本研究选用非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）并在最佳成本—效益方案的创建中采用以下方式筛选，表达式为：
中，BMPi是i地点的BMP优化变量，EF是优化项目及其指标值。
① 优化目标
根据规划方案的雨洪管理效果模拟结果，以维持LID—BMPs方案优化前后的效果相近为原则,设定优化目标的上限值为95%、下限值为65%。
② 工程成本
由于我国目前并无系统的LID—BMPs工程应用和开发，相关BMP工程的投入成本结合了美国、欧洲的实践数据和扬州市工程建设成本。其中，干式滞留塘、渗滤渠、生态水塘、植草沟的建设成本分别为0.06、0.2、0.05、0.04元/(L·s)。
③ 工程尺寸变量
在效益—成本优化模块处理中，选用LID—BMPs工程措施的设计参数为优化变量，主要包括长度和宽度，尺寸均采用“0~最大长度”为取值范围，其中最大长度指工程布置区边沿的最大长度。
3.2 最佳优化方案
以ARCGIS9.3为操作平台，在SUSTAIN1.2模型中输入工程设计参数、目标成本的优化参数后，得到了现状规划方案在不同资金投入和管理效益情景下的最佳方案曲线。在模拟的80种工程优化方案中，具有8个最优的资金投入和管理效益的方案（见表1），其中包括了最小资金投入方案，最大管理效益方案和最佳资金投入—效益方案。
表1 最优方案
3.2.1 最小成本投入优化方案
以最小的成本投入作为优化条件对成本—效益方案进行优化分析后发现，最小投入下的最优方案为以129.23万元的成本投入达到71.53%的径流削减效益，工程资金投入分配如下：生态水塘为107.71万元，下凹绿地滞留塘为8.70万元，渗透型植草沟为0.76万元，普通植草沟为12.06万元。优化后，LID—BMPs工程中生态水塘、下凹绿地滞留塘、普通植草沟、渗透型植草沟的面积分别占原规划总面积的83%、7%、9%、1%。在最小成本投入方案下的工程优化方案中，原规划的工程种类及位置保持不变，仅在面积上做出相应比例的缩减。
3.2.2 最大效益优化方案
在最优方案中，最大效益方案为以181.46万元的成本投入达到85.21%的径流削减效益，工程资金投入分配如下：生态水塘为107.71万元，下凹绿地滞留塘为61.69万元，普通植草沟为12.06万元，不建渗透型植草沟。优化后，LID—BMPs系统工程中生态水塘、下凹绿地滞留塘、普通植草沟的面积分别占原规划总面积的59%、34%、7%，去掉了渗透型植草沟工程的应用。在最大效益方案下的工程优化方案中，原规划的工程位置保持不变，仅在面积上做出相应比例的缩减。
3.2.3 最佳成本—效益方案优化
在最优的8个方案中，根据效益递减拐点确定了最佳成本—效益方案，在该方案情景下，以168.40万元的成本投入可以达到83.94%的径流削减效益，工程资金投入分配如下：生态水塘为107.71万元，下凹绿地滞留塘为48.63万元，普通植草沟为12.06万元，不建渗透型植草沟。优化后，LID—BMPs系统工程中生态水塘、下凹绿地滞留塘、普通植草沟的面积分别占原规划总面积的65%、28%、7%，去掉了渗透型植草沟工程的应用。在最佳成本—效益优化方案中，原规划的工程位置保持不变，仅在面积上做出相应比例的缩减。
4 结论
① LID—BMPs系统工程对研究区地表径流的洪峰流量和总流量均有良好的削减效果，对洪峰流量的削减率可以达到82.98%~100%（平均为91.27%），对径流总量的削减率可达到91.43%~100%（平均为98.81%）。
② 最小成本投入优化方案为以129.23万元的成本达到71.53%的径流削减效益，最大效益优化方案是以181.46万元的成本投入达到85.21%的径流削减效益；而根据效益递减拐点确定的最佳成本—效益方案是以168.40万元的成本投入达到83.94%的径流削减效益，其中，生态水塘、下凹绿地滞留塘、普通植草沟的面积分别占原规划总面积的65%、28%、7%，去掉了渗透型植草沟工程。
③ 在LID—BMPs系统工程方案的规划和建设阶段，SUSTAIN显示了强大的优化分析功能，但是在实际运用中，该模型也有一定的局限性，比如SUSTAIN不能提供LID—BMPs系统中单一工程在空间分布上的优化分析。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第5期“城市雨水管理”栏目）
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