基于雨洪模型的城市低影响开发设施的优化研究

刘 标，李江云，常 青

(武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072)

0 引 言

由于LID设施的多样性，针对特定区域选取合理的LID设施组合也成为一个关键的问题。利用雨洪模型对 LID设施的类型及实施效果进行评估，并将LID设施在流域内进行合理布局，对LID的规划及实施具有重要的意义[1]。因此，有必要提出一种系统的城市雨洪优化设计方案。

目前国内外对LID设施的雨洪模型优化有过一些研究，贾海峰[2]等人利用BMPDSS和SWMM模型，以北京奥运村区域为例，进行了以径流总量控制率与经济性为目标的优化计算。Zhen[3]基于经济效益对流域暴雨径流管理滞留区的最佳选址和数量进行了评价。陈韬[4]等人对于典型LID设施进行了成本-效益分析，介绍了典型LID设施建设成本的参数估算方法。D.Joksimovic a和Z.Alam[5]以加拿大一小区为例，计算分析并比较了LID设施对径流量控制效果以及LID设施的经济效益。本文基于前人对雨洪模型优化的相关研究，利用SUSTAIN强大的LID设施的成本-效益优化能力，对城市雨洪模型优化方法进行进一步的探索。

1 模型介绍及优化分析方法

1.1 雨洪模型介绍

SWMM是美国环保局(EPA)开发的一套动态降雨-径流模型软件，如今已被广泛应用在城市雨洪管理中[6]。模型中嵌有多种LID设施，可以对一系列的结构性雨水管理设施的径流和污染物传输进行模拟，模拟过程如图1，并允许LID在子汇水区域内进行组合设置。根据LID设施在“滞、蓄、渗、排”等控制径流水量方面的功效，本例选用生物滞留池、绿色屋顶、植草沟、渗渠及渗透铺装等5种LID调控设施，模拟城市LID设施布置及设计方案。

图1 LID设施模拟过程概要图Fig.1 Overview of LID facility simulation process

SUSTAIN是一套建立在ArcGIS平台上的用于在城市或开发区流域内进行LID的选址、布局、模拟、优化的整合决策支持系统[7], 其中内部模拟是运用SWMM5.0的运算法则计算水文和水质的变化过程。

在 SUSTAIN中可以模拟雨水的储存、输送、渗透、蒸发、管渠排水和污染物输送去除过程。LID设施的优化分析是利用SUSTAIN的优化模块进行模拟计算，通过非支配排序遗传算法NSGA-II对一系列可能的方案进行成本-效益最优计算。其中，NSGA-II算法通过随机生成各LID设施初始特征尺寸作为父代种群，通过遗传选择操作产生一系列新的特征尺寸，反复更新子代种群，并不断进行模拟计算及方案比对，最终优选出满足条件的最佳设计方案[8]。

1.2 优化分析方法

基于雨洪模型在城市规划中的应用，笔者通过对不同LID布局方案进行模拟和成本-效益分析，以研究区域的年径流总量控制率为控制目标，确定该区域的最优LID设施布局方案。该方案的具体步骤为：根据流域的基本信息对各LID设施进行初步选址及模拟计算，选出成本较低方案为初筛方案，利用SUSTAIN的优化功能，在满足地区径流控制指标的前提下，以成本-效益最优为目标，进一步优化LID设施的实施参数，确定最终方案[9]。分析及优化计算步骤如图2所示。

图2 优化分析步骤图Fig.2 Steps of optimization analysis

2 研究区域概况

研究区域为湖南省H市某在建LID小区，小区内雨水经雨水管道排至市政管网，管线接入口位于道路另一侧。研究区域属于典型的城市地形，地势平缓，总体坡度较小。研究区域总面积为2.9 hm2，不透水面积约占40.5%。区域南部设置了部分下沉式绿地，作为LID设施。地块的用地分类以及排水管线情况如图3所示。

图3 地块用地分类及现状管线Fig.3 Land use classification and current pipeline

3 LID设施的选址分析

根据本研究区域的特征及各LID设施的水文特性，选取绿色屋顶、渗透铺装、渗渠、植草沟以及生物滞留池作为主要的设施进行研究。上述LID设施在控制径流总量、削减径流峰值以及污染物去除方面都具有较好的效果[10]。由于研究区域本身就设置有一定面积的下沉式绿地，所以，本例不再对下沉式绿地的效果进行单独讨论。

不同的LID设施的特性不同，适应性标准也有很大差别，其位置的选定参考了美国环保局的BMP设计指南[11]，指南中对于各个低影响开发设施的实施条件做了较为具体的限定，例如对于生物滞留池的限定条件为“道路缓冲距离<30 m；河流缓冲距离>30 m；建筑物缓冲距离>3 m；地下水位距设施底部>0.61 m；土壤类型为A～D；汇流坡度<15%；不透水率为0～80%”，同样，其他LID设施的布置也有相应的限定条件。

根据本研究区域的特点以及参考各LID设施的限定条件，可以从拟建范围内计算得出符合条件的区域，图4表示了5种LID设施的可实施区域，表1总结了各LID设施在小区内的最大可实施面积。

图4 各LID设施可实施区域Fig.4 Areas can be implemented with LID facilities

设施名称最大可实施面积/m2绿色屋顶(GR)3089．6渗透铺装(PP)3411．2生物滞留池(BRC)1934．5渗渠(IT)728．4植草沟(VS)813．5

4 LID组合设施比选及分析

分别对单一LID设施控制效果进行模拟计算分析，由计算结果可知，渗渠具有最大的年径流总量控制率79.63%，其次依次为渗透铺装、生物滞留池、植草沟以及绿色屋顶。可以看出，单一LID设施能够对年径流总量有一定的控制效果，但当单一LID设施实施比例较大时，脱离了LID设施曲线的性能高效区域，高比率的单一设施工程及经济可行性较差，因此需探讨组合LID设施的功效。

4.1 LID组合设施的效果计算

上述中共选用5种LID设施作为研究对象，分别为绿色屋顶(Green Roof, GR)，渗透铺装(Permeable Pavement, PP)，渗渠(Infiltration Trench, IT)，植草沟(Vegetative Swale, VS)以及生物滞留池(Bio-retention Cell, BRC)。本节将在上述单一设施效果分析的基础上，分析LID组合设施的功效。共有5种LID设施，考虑到研究区域的大小以及设施在区域内的适用性，拟选取3种作为组合设施，总共能够产生10种组合方案。对于组合方案中各个设施的实施比例，参考海绵城市建设指南[12]中LID设施的实施比例取值范围，并结合案例实际的布置，控制在40%～60%之间。对每种组合方案进行模拟计算，计算工况与单一LID设施的计算工况相同，选取2015年每日每小时的降雨数据，降雨量图如图5，在运动波模型条件下进行模拟计算。忽略地下水对排水系统的影响。组合方案的计算结果见表2。

图5 2015年每日每小时降雨量图Fig.5 The daily hourly rainfall chart in 2015

组合方案年径流总量控制率/%GR+PP+IT83．46GR+PP+VS79．18GR+PP+BRC80．34GR+IT+VS77．99GR+IT+BRC76．71GR+VS+BRC76．38PP+IT+VS85．91PP+IT+BRC85．96PP+VS+BRC83．73IT+VS+BRC78．23

将LID组合设施与LID单一设施的模拟结果相比较，可以发现相比于单一设施，组合设施普遍具有较好的控制功效。

4.2 LID设施的经济性及适用性评价

低影响开发设施可以有效降低径流峰值、削减径流总量。但是在保证低影响开发技术功能要求的前提下，应尽可能使其成本费用最低，有效实现其环境、经济和社会效益。本例的成本主要考虑LID设施的建造成本以及运营维护成本，其中的雨水管理设施的造价参考国内已建设施造价、国内外相关文献以及各BMP数据库[11,12]中的设施造价，并且结合实地调查相关建设与维护成本确定。维护期限设定为20 a。研究区域内的LID设施单位造价如表3所示。

表3 LID设施单位成本Tab.3 The unit cost of LID facilities

确定了LID设施的单位成本之后，即可根据实施程度，求得各单一和组合LID方案的成本，各LID方案的实施成本与径流总量控制率之间的关系如图6所示。按特定径流量削减率，选择经济成本较低的方案，或者在经济成本相同的条件下，确定径流量削减效果较好的方案。

图6 各LID方案成本与径流总量控制率的关系Fig.6 Cost and capture ratio of total runoff of each LID scheme

根据海绵城市建设指南中对我国大陆地区的年径流总量控制目标的相关规定[7]，选取80%作为H市的年径流总量控制目标，如图6，共有5种方案满足要求，其中方案“PP+IT+VS”具有较高的年径流总量控制率，达到85.91%，并且该方案的造价相对较低，为175.5万元。通过几种达标方案的综合比较，将方案“透水铺装+渗渠+植草沟”作为该区域实施LID设施的优选方案，并对该方案进行进一步的优化计算。

5 情景方案的优化分析

对于研究区域LID设施的初选方案“透水铺装+渗渠+植草沟”，对各LID设施的实施比例进行进一步的优化调整，以得到更优的成本-效益方案。利用SUSTAIN软件的优化模块，对初选方案进行进一步优化计算，在优化模块中选用径流总量控制率作为方案的最优化目标，选取“cost-effective curve”选项作为模型的优化方法。在指定的目标范围内求解，生成成本-效益优化曲线并计算出该区间内的成本-效益最优点。成本-效益曲线的优化方法的目标函数可以表示如下：

(1)

式中：Q代表年径流总量控制率；Q1及Q2分别为优化的上下区间；BMPi表示不同编号的LID设施。计算可得到年径流总量控制率在Q1，Q2区间内的成本-效益曲线。

在SUSTAIN软件中建立“渗透铺装+渗渠+植草沟”方案的设施规划模型，如图7所示。

图7 LID设施规划图Fig.7 LID facilities layout plan

优选方案的最优化目标是在优选方案的径流总量控制能力的基础上确定的，根据初选方案的年径流总量控制率及该地区年径流总量的控制目标，设定径流控制率的范围为82%～88%。根据现有LID设施布局规划方案，在研究区域内选取LID设施的特征尺寸作为实施程度的决策变量，在表4所示的最大最小值范围内，进一步的进行方案组合的优化模拟计算。方案的决策变量范围如表4。

表4 LID设施优化决策变量Tab.4 Optimization decision variables of LID facilities

注：IT(i)、VS(i)、PP(i)分别对应图7中的不同编号的渗渠，植草沟，渗透铺装。

使用图5的降雨数据，以年径流总量控制率作为评价目标进行比较分析。选择优化模块中的非支配排序遗传算法NSGA-II，针对研究区域在不同LID规划情景下，对各LID设施选择不同的实施比例时所得到的不同方案的成本-效益进行上万次模拟计算，结果见图8。

图8 成本-效益分析图Fig.8 Cost-efficient analysis curve

图8中横坐标为不同方案的成本(万元)，纵坐标为方案的效益(年径流总量控制率)。灰色点为所有可能的LID规划布置方案，深灰色点为其中成本-效益较好的规划方案，黑色高亮的点则为本例中成本-效益最优的规划情景方案。

从图8可以看到，根据所识别的成本-效益最优的规划情景方案，优化后的方案径流总量控制率为86.66%，较原方案提升了0.75%。优化方案的成本为173.4万元，原方案成本为175.5万元，减少了2.1万元。在减少投资成本的前提下，提高了年径流总量控制率。优化方案与原方案的成本及面积构成比例如表5所示。

表5 方案成本与面积构成比较Tab.5 Cost and area comparison of different schemes

6 结 语

通过对几种不同LID设施的单一及组合布置进行模拟计算，组合设施不仅具有较好的径流削减效果，而且在成本投入上也具有一定的优势。经计算分析和比较，本研究选用了效果和成本都较优的“渗透铺装+渗渠+植草沟”的LID组合设施。在SUSTAIN软件中对各设施的面积比例进行微调，优化后的方案的年径流总量控制率较原方案提高了0.75%，且投入成本也较原方案减少了2.1万元。就市政建设而言，在紧缩的预算和严格的约束之下，如何充分利用有限资金来建设高效益的城市雨洪控制设施成为一大问题，本例的雨洪模型的优化计算方法给城市LID设施的规划建设有很好的参考价值。

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