考虑竖向设计的城市灰绿基础设施优化布局研究
唐文秋1,2，陈磊1,2，吴浩1,2，邵知宇1,2，马海元1,2，柴宏祥1,2
（1. 重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400045 2.重庆大学环境与生态学院，重庆400044）
摘 要：随着极端降雨事件频次与强度的持续上升，城市内涝问题日益严峻。灰绿基础设施作为兼具排涝与生态功能的重要手段，其科学布局已成为提升城市防涝韧性的关键策略。然而，当前优化研究在土地利用约束与竖向设计适应性方面的不足，严重制约了优化方案的优化效果与实用价值。本研究构建SWMM与NSGA-Ⅱ耦合的多目标优化模型，探究用地类型约束下竖向设计策略对灰绿设施布局的影响。结果表明，上、中、下游削减率权重为0.4:0.4:0.2时，蓄水池布设节点最为均衡。竖向设计使最低削减率由44%提升至55%，在60%~80%削减率区间内建设成本增加0.05~0.25亿元。绿色基础设施中仅透水铺装面积增加，凸显其源头控制作用。蓄水池布设数量整体提升，布设位置更趋稳定，形成“集中布设、上游优先”的空间特征。本研究可为城市内涝防治中的灰绿基础设施协同布局提供理论依据与方法参考。
关键词：城市内涝防治；灰绿基础设施；多目标优化；布局优化；竖向设计
近年来，全球气候变化加剧， 2024 年全国平均气温较常年偏高 1.01℃，为 1951 年以来的最高值[1]。IPCC报告指出，全球平均气温每升高 1℃，降雨强度将增加约7%[2]。与此同时，快速城镇化使大量不透水地表取代自然下垫面，破坏原有水文循环，城市内涝问题日益突出[3]。传统灰色基础设施虽能实现雨水快速排放，但单一灰色系统缺乏灵活性，极端降雨条件下性能受限[4]。绿色基础设施如绿色屋顶、雨水花园、透水铺装等，因其生态效益与可持续性被广泛应用，但在应对超标暴雨时径流削减能力仍存在局限[5]。灰绿基础设施耦合（SGGI）通过系统整合与功能互补，显著提升了城市雨洪管理的可靠性、恢复力与可持续性[6]。然而，如何实现SGGI的科学配置，以最大化其雨洪调控效能与综合效益，已成为该领域亟待解决的关键问题。
SGGI的空间布局需权衡多目标效益，且受到气候、土地利用类型、规模等多重因素影响，导致SGGI的耦合难度较高。元启发式优化算法因能处理非线性、多目标、高维度及离散问题的能力，目前已被广泛用于灰绿基础设施的耦合，其中NSGA-II凭借其稳定性能已成为主流方法[7]。然而，当前研究多聚焦于算法性能的提升，在优化问题的实际约束条件与目标导向方面仍存在不足。绿色基础设施多采用统一比例上限约束，缺乏针对不同土地利用类型的精细化限制，影响工程可实施性；此外，“上游治水”理念强调通过竖向规划在上游削减径流，但现有研究较少将竖向设计融入优化，其径流削减潜力尚未充分挖掘。
针对上述问题，本文构建SWMM与NSGA-Ⅱ耦合的多目标优化模型，引入用地类型约束，设置削减率权重体现竖向设计策略，通过对比分析考虑与未考虑竖向设计两种情景的优化结果，系统揭示竖向设计在用地约束下对灰绿基础设施布局的影响机制，为城市内涝防治中的灰绿基础设施协同布局提供理论依据与方法支撑。
