SUSTAIN支持下的LID建设成本效益研究——以南京市鼓楼区为例

李沐寒 尹海伟 唐爽

当前，为应对城市发展带来的一系列生态环境问题，反思基于灰色基础设施的传统雨洪管理理念，许多国家提出了“将雨水转化为资源”的新型城市雨洪管理方法。其中低影响开发（Low Impact Development, LID）因能够模仿地表自然状态下的水文机制，实现源头径流控制，改善城市水生态环境并增加水系统的弹性[1]，已成为有效缓解城市雨洪问题的重要策略。

然而LID建设涉及工程、技术、预算、材料等诸多方面，不仅需要评估单个设施的水文和水质调控效果，更重要的是对区域雨洪管理措施建设的投入和产出进行评估[2-3]。近年来，随着计算机技术的快速发展，一系列关于雨洪管理措施建设成本与效益的讨论开始出现，试图探寻环境效益和成本投入的平衡，并针对其优化配置形成了一套较为成熟的分析流程[4]。尤其水文模型与算法结合的方法促进了LID优化分析的系统性和目标方案的适用性，在实践中逐渐得到广泛应用。其中城市降雨径流控制的模拟与分析集成系统（System for Urban Stormwater Treatment and Analysis Integration, SUSTAIN）是美国环境保护署于2009年通过整合暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model, SWMM）和最佳管理措施决策支持系统（Best Management Practice Decision Support System, BMPDSS）研发的一款小型优化集成软件。与其他雨洪模型相比，SUSTAIN中的LID类型更加丰富，土地模拟更加完善，且内置的选址工具能够根据LID适用特征将其精准布局到空间上，强化了可视化功能和对规划设计的指导。此外，SUSTAIN的优化模块中内置分散搜索算法（Scatter Search, SS）和非支配排序遗传算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-II），能够在给定的优化目标下搜索所有可能方案，并在后处理模块中生成成本效益曲线，更好地帮助决策者执行雨水管理目标并节约投资费用[5]。因此，本研究依托ArcGIS与SUSTAIN建立城市雨洪管理评价与优化的方法框架，在此基础上构建南京市鼓楼区水文模型，并进行LID措施的成本效益分析。

表1 模型所需的数据及来源Tab. 1 Data and sources required for the model

以往应用SUSTAIN进行的城市雨洪管理措施成本效益分析通常仅关注不同降雨条件或LID配置方案的影响，忽视了对不同措施内在连接方式的考量。本研究则考虑了径流路径对成本效益的影响，借助SUSTAIN的最佳管理措施（Best Management Practice, BMP）模拟模块构建了3种不同的LID连接方案，并利用SUSTAIN模型优化模块中的NSGA-II算法模拟得到成本效益曲线图，从而选择最优成本效益下的LID配置方案。研究结果对鼓楼区的土地利用规划、绿色基础设施规划和城市控制性详细规划均具有一定的参考价值，同时可为国内其他城市的海绵城市规划与建设提供方法支撑与决策依据。

1 数据来源与预处理

本研究的研究范围为南京市鼓楼区，位于南京市区西北部，总面积54.18 km2。区域内地形复杂、山水环绕，可利用的土地资源十分紧张，不透水面面积（建筑、道路和其他用地）占64.7%[6]。随着气候变化和不透水面面积的持续增加，有研究表明鼓楼区洪涝灾害的发生概率将会同步增加[7]，因此LID设施建设尤为重要。

本研究所需数据主要包括以下几个部分：BMP选址工具所需的土地利用、透水率等基础数据[8]；SUSTAIN水文模型构建中汇水区划分和管网概化所需的机载LiDAR点云数据和南京市鼓楼区总体规划（2013—2030年）中的雨水管网、道路等信息；气象参数（温度、风速）和降雨数据（表1）。

本研究所采用的机载LiDAR数据由南京市测绘勘察研究院于2009年4月通过Optech ALTM Gemini传感器围绕南京市中心城区获取，研究区内部的点密度为4.16个点/m2。机载LiDAR数据的处理在LiDAR360中完成，以生成高精度DEM。为保证气象和降雨数据的真实性，本研究使用在南京市栖霞区金陵小学屋顶自设的Hobo U30微气象观测系统和CR-1000降雨径流观测系统，分别对2016年6月—2017年5月的空气温度（℃）、风速（m/s）、降雨量（mm）等因素进行了连续观测，统计得到南京市气象和降雨数据。最后，基于ArcGIS软件平台，将表1中的相关数据进行配准、格式转换和数字化，建立具有统一坐标系的地理数据库。

2 研究方法

2.1 SUSTAIN模型组成

SUSTAIN模型依托ArcGIS9.3空间分析系统作为操作平台，内含七大功能模块：BMP选址工具、框架管理模块、土地模拟模块、传输模拟模块、BMP模拟模块、优化模块和后处理模块[7]。SUSTAIN模型的功能包括前期基础数据整合、BMP措施的选址和空间配置、降雨径流和水质的模拟以及规划方案优化[9]。

2.2 基于多源数据的研究区水文模型构建

本研究基于机载LiDAR数据处理获取了精细尺度（精度为1 m×1 m）的研究区DEM，进而通过ArcGIS水文分析实现城市流域的汇水区划分，并借助SUSTAIN传输模拟模块通过设置节点和管段构建研究区排水系统。为了提高模型的运算效率，在ArcGIS中根据研究区排水管网和汇水区汇流情况对节点和管段进行概化（保留管段起始和汇入节点、流向改变处的节点，其余节点简化）后，再输入SUSTAIN水文模型中。

SUSTAIN水文模拟需要的模型参数可以分为3类：1）气候与降雨参数；2）子汇水区的属性参数，包括子汇水区的面积、不透水面率、坡度、曼宁系数等；3）管段的属性参数，包括长度、曼宁系数等。本研究采用SWMM土地外部模拟方法，汇水区面积和坡度等确定性参数可根据客观数据利用ArcGIS计算得到，而模型中需要主观识别和输入的曼宁系数、下渗速率等水文和水质模拟参数能够影响模型模拟的准确性，因此需要对这类参数进行校核。本研究采用径流系数法进行水文模型主要参数的率定（表2），具体方法为参考经验值预设参数的初始值，然后根据水文模拟结果不断校准参数，直至所得径流系数为0.6（鼓楼区综合径流系数的参考值为 0.5～0.7）。

虽然SUSTAIN模型中含有雨洪管理措施成本数据库（美国国家成本数据库），以满足优化模块搜索符合用户定义成本条件下的LID最佳组合方案，但最新的当地成本可以更加准确地反映实际材料和人工成本[10]。因此，本研究中的LID措施成本采用自设值，根据南京市当地LID建造报价、海绵城市建设技术指南和相关文献，得到各类LID措施的建造成本：绿色屋顶200元/m2，透水铺装150元/m2，生物滞留池500元/m2，植草沟200 元 /m2。

2.3 LID空间配置

相关研究显示，LID占地面积较小、工程量较少，可在大部分城市化区域建设，且其对于重现期小的降雨事件能起到削减径流量和净化径流水质的作用[11]。上述特征适用于城市化率较高且用地复杂的鼓楼区，因而予以重点考虑。根据研究区现状情况和LID实施的难易程度，本文作者选取绿色屋顶、生物滞留池、透水铺装和植草沟4种LID措施进行研究。其中，绿色屋顶作为一种典型的LID措施已经被广泛使用，常见于各类建构筑物屋顶、露台或天台上，可通过植物的叶片、根系和土壤截留、吸收水分从而有效削减雨水；透水铺装是指由人工材料铺设的透水路面，能够有效促进雨水下渗、延长雨水滞留时间、增加渗透；生物滞留池则可以结合景观设计在城市化区域（如商务区、居住小区、道路周边等）建设，其不仅能够吸收来自不透水面或屋面的径流，同时具有一定的景观效果；植草沟是一种表面覆盖植被、用来输送和过滤雨水的明渠，其通常设置在生物滞留池前端，雨水经植草沟预处理后流入管道，可以替代传统的排水沟。

结合文献经验值，本研究运用SUSTAIN系统中的BMP选址工具，根据模型内置约束参数与自定义约束条件确定了LID的空间位置[6]（表3），结果如下：LID适建面积共计8.80 km2，占研究区总面积的16.33%。其中，绿色屋顶2.56 km2，占鼓楼区屋顶总面积的18%；透水铺装2.23 km2；生物滞留池2.98 km2；植草沟 1.03 km2（图 1）。

表2 模型参数率定过程Tab. 2 The process of model parameter calibration

表3 LID空间配置特征参数Tab. 3 LID spatial configuration feature parameters

2.4 基于SUSTAIN的LID成本效益分析

本研究首先根据不同的径流传输路径设置了3个模拟场景，并参照《海绵城市建设技术指南》与当地建设标准，确定了60%～85%的年径流总量控制目标[12]。其次，基于SUSTAIN优化模块中的NSGA-II算法，通过设定的决策变量数值范围，对所有情景方案的成本和径流削减效率进行了评估模拟，进而得到不同场景下的成本效益曲线和最优方案，并对比了不同LID连接方式对成本效益的影响。最后，结合4个汇水分区的计算结果，对鼓楼区LID措施规划布局和海绵城市建设提出建议。

2.4.1 模拟场景设定

本文作者将研究区简化为4个相对独立的汇水分区（图2），其中S1片区面积15.5 km2，自然环境良好，西侧与长江相邻，北部有幕府山，南部建筑密度较高，整体不透水面率达60%，与鼓楼区建设环境最为相似（图3）。由于SUSTAIN的优化模拟针对单一独立的汇水区运行，4个子汇水区方法和操作流程一致，故本研究以S1片区作为案例实验区进行LID措施的成本效益分析方法介绍，并以相同方法计算得出其余汇水区优化结果。

由于LID措施之间的连接顺序直接影响雨水径流路径和径流时长，进而导致雨水管理效果的差异，因此本研究考虑LID措施的串、并联衔接关系并设置了3个模拟场景（图4）。

1）场景一：生物滞留池与植草沟串联，并与其余LID措施并联（图4-1）。

1 LID的空间配置LID saptial configuration

2 实验区划定Delineation of experimental area

3 实验区下垫面现状图Status of underlying surface in the experimental area

4 实验区LID布置The LID layout in the experimental area

降雨发生后分为屋面雨水与路面雨水。其中，降落至屋顶的雨水一部分通过普通屋顶直接从落水管排出至雨水口，另一部分则经绿色屋顶截留、下渗后再从落水管排至雨水口。而降落至路面的雨水一部分通过透水铺装下渗进入土壤，超出吸纳能力的雨水可沿不透水面排至雨水口；另一部分则漫流至植草沟，在长距离传输和下渗过后进入生物滞留池，继续削减和过滤；其余超出LID削减能力的雨水则汇流后直接排入雨水系统中。

2）场景二：透水铺装、生物滞留池与植草沟串联，并与绿色屋顶并联（图4-2）。

将透水铺装与生物滞留池和植草沟串联，降落到地面的雨水经透水路面滞留后，超出下渗能力的径流可汇流至生物滞留池和植草沟，从而达到二次削减的目的；而降落至屋顶的雨水则经绿色屋顶截留、下渗后直接汇流至雨水口。

3）场景三：4种LID设施全部串联（图 4-3）。

在场景二的基础上，超出绿色屋顶削减能力的雨水经落水管汇流至地表后，将流入下渗型的植草沟和生物滞留池进行再次滞留，而超出削减能力的雨水最终进入雨水口，进一步延长了径流路径和时长。

2.4.2 决策变量与优化目标设置

已有研究表明，将雨洪管理措施放置在不同的位置会影响雨洪控制系统的整体成本效益[13]，因此LID措施的空间位置代表了优化系统的一个重要决策变量。此外，LID措施的规模数量是另一个重要的决策变量。SUSTAIN中的BMP模拟模块可在对应汇水区放置LID措施并设置规模参数。本研究通过浮动设定每个子汇水区LID措施单元数量的最小值、最大值和间隔值来定义搜索范围，为优化模拟提供了上万种可能性的组合方案。

根据《海绵城市建设技术指南》[14]，城市尺度的海绵城市规划设计通常以年径流总量为控制标准。而SUSTAIN优化模块中提供了3种径流总量控制目标设定：径流总量、径流总量削减百分比、雨洪管理措施设置后与设置前的径流总量比值。由于本研究重点在于评价LID措施的雨洪调控能力，因此选用相对于现状情景的径流总量削减百分比作为优化控制目标。参考2018年《南京市海绵城市规划建设指南》[12]，本研究将鼓楼区年径流总量控制目标设定在60%～85%，即模拟场景的环境优化控制目标上限为85%，下限为60%。

3 结果分析

3.1 不同LID连接方案的成本效益评价

SUSTAIN优化模块中，搜索矩阵是用户指定的决策变量所决定的方案集合，最终可计算出所有类型、配置和成本的LID措施组合方案。本研究采用优化模块中的NSGA-II算法，分别对S1片区的3个LID规划场景的成本效益进行模拟计算，得到成本效益曲线结果（图 5～7）。

5 LID规划场景一的成本效益分析模拟结果Simulation results of cost-effectiveness analysis of LID planning scenario 1

6 LID规划场景二的成本效益分析模拟结果Simulation results of cost-effectiveness analysis of LID planning scenario 2

7 LID规划场景三的成本效益分析模拟结果Simulation results of cost-effectiveness analysis of LID planning scenario 3

8 不同场景的成本效益曲线对比Cost-effectiveness curves for different scenarios

成本效益分析模拟结果图中的横坐标为不同LID配置方案所需的建造成本；纵坐标为相对于现状情景的年径流总量削减百分比（%），即方案能达到的环境控制效果。图中的点表示LID措施建设配置的所有方案，点的纵坐标与横坐标的比值（即效益与成本比值）越大代表方案的成本效益越高。结果中的灰色点由于相对不具备成本效益因而无法被选择；红色点代表具有一定成本效益的配置方案；绿色高亮的点则为在本次模拟中选定的最具成本效益的方案，后处理模块可同步给出该方案LID措施的配建比例。由图5～7可知同一径流削减目标下存在多种LID配置方案，各方案建造成本也具有差异，因而从中选择最具成本效益的方案既可以节约前期投资成本，又能达到相对理想的环境控制目标，可以实现雨洪管理经济和环境效益的双赢。

对比3个LID规划场景的模拟结果可以看出，不同规划方案的年径流总量削减效率的变化幅度均在70%～80%，达到了60%的最低削减目标，成本则在1.34亿～3.35亿元。本研究将3个场景模拟结果中不同效益下成本最低的方案点进行连接，得到了成本效益的变化曲线（图8）。

9 场景一LID的最优配置方案The optimal configuration scheme of LID in scenario 1

10 场景二LID的最优配置方案The optimal configuration scheme of LID in scenario 2

11 场景三LID的最优配置方案The optimal configuration scheme of LID in scenario 3

不同LID措施模拟场景（并联模式、串并联结合模式、串联模式）所得成本效益结果具有显著差异，且并联模式成本效益低于串联模式。由图8可见，在总成本相近的情况下场景三的整体效益最高，可达72%～77%（比场景一高出约4%）；其次为场景二，当年径流控制效率在72%～75%且1.68亿元的初始成本下与场景三的效益相近，但随着成本不断增加，所得效益差异逐渐显著，其差值在成本达到2.68亿元后趋于稳定；并联模式的场景一成本效益曲线显著低于其他2个场景，相同成本下的径流削减效果最差。由此可见，LID连接方式对径流传输路径的改变能够造成成本效益的差异。这一方面是由于串联模式增加了雨水径流传输路径，延长了径流下渗的时间；另一方面，处于上游位置的LID措施在滞蓄功能达到上限后，多余的雨水径流可进入下游LID措施（如植草沟和生物滞留池）继续下渗后进入雨水口，避免了直接排入管网系统。因此，LID措施具有一定的累积效应，相同径流控制效果下串联模式相较并联模式可以节省上千万元的投资成本，是组合式LID措施方案的优选。

另外，图8中3条成本效益曲线走势相似，均在成本增加至一定值后效益达到最高，并随即趋于平稳。场景一、二、三分别在2.35亿元、2.68亿元和3.02亿元成本下达到最大效益，并在其后保持稳定，可见超出阈值后LID措施成本增加所带来的径流削减边际效益减少并逐渐趋于零。因此为了避免资源和投资浪费，应在雨洪管理规划前期对方案进行评估比较。

3.2 鼓楼区LID成本效益与最优方案分析

根据模拟结果，可对应识别出3个场景中最具成本效益的LID配置方案（即图5～7中绿色点），得到最优LID配置方案结果（图9～11）。图中横坐标为削减效益，纵坐标为所需成本，不同色块代表不同LID措施的成本占比。可以看到，随着横坐标的增加，LID配置方案的总成本也在不断增加，故选择成本最低时为最优方案。

由图9可知，场景一中，最优方案为总投入1.88亿元时年径流总量削减71%；由图10可知，场景二中，最优方案为总投入1.81亿元时年径流总量削减74%；由图11可知，场景三中，最优方案的年径流总量消减率为76%，此时所需总成本投入为2.08亿元，其中屋顶绿化造价占总成本的28%，透水铺装造价占总成本的13%，生物滞留池造价占总成本的42%，植草沟造价占总成本的17%。

参照上述思路，本研究针对鼓楼区其他3个汇水区，同样采用串联模式构建LID连接网络，并利用SUSTAIN优化模块对LID措施进行了成本效益模拟分析，选取最优配置方案。

通过成本效益分析可得鼓楼区LID建设的最优方案（表4），其中S1、S2、S3、S4汇水区在最优配置方案下的年径流总量削减率分别为76%、81%、66%和74%。此种情景下，当总投资成本为7.4亿元时，鼓楼区整体年径流总量削减率可达75%。其中绿色屋顶造价总计2.14亿元，占总成本的28.7%，建设面积1.06 km2；透水铺装造价总计1.19亿元，占总成本的15.9%，建设面积0.79 km2；生物滞留池造价总计2.86亿元，占总成本38.4%，建设面积0.57 km2；植草沟造价总计1.26亿元，占总成本的17%，建设面积0.63 km2。

3.3 鼓楼区LID措施规划布局建议

利用雨洪管理措施进行城市更新和局部改造是缓解城市洪涝灾害的重要选择，笔者结合鼓楼区建设现状与SUSTAIN成本效益分析结果对LID措施提出以下规划布局建议。

1）在LID规划布局过程中，除用地条件外，对于LID措施的上下游连接功能也应予以考虑。根据实验结果，串联模式的LID布置在相同年径流削减率下相较并联模式可以节约上千万元的成本投入，因此鼓楼区LID建设布局可考虑串联设置顺序。

表4 各汇水区LID最优方案Tab. 4 The optimal scheme of LID for each catchment area

2）海绵城市前期规划须考虑投资成本与收益之间的平衡，争取以最小成本达到环境控制目标。本研究选取的最优成本效益方案的年径流总量削减率可达75%，符合《南京市海绵城市建设指南》的要求。根据研究结果，鼓楼区最优LID措施配置方案的总成本投入为7.4亿元。可据此为鼓楼区海绵城市规划建设提供决策与建议，以避免投资与资源浪费。

4 结论与讨论

在海绵城市LID建设过程中，SUSTAIN模型所提供的成本效益模拟结果不仅可以对方案的径流削减作用、水质控制效果做出评估，同时可以在整体投资成本控制和LID方案配置上辅助决策者做出规划决策。本研究构建了LID的优化配置框架，针对城市建成区LID措施建设方案的优化问题，对研究区进行了雨洪管理措施的成本效益分析并提出规划布局建议。具体结论如下：

1）LID的连接方式会影响其开发建设的成本效益，串联模式下LID的成本效益优于并联模式，证明了LID的成本效益存在一定的累积效应。本研究以60%～85%的年径流总量削减百分比作为研究区LID建设的优化目标，得到相同径流控制效果下串联模式相较并联模式可以节省上千万元的投资成本。但需要注意的是，本研究探讨的是理想状态下LID的空间布局模式，由于实际工程中区域层面LID的串并联建设较难实现，因此其可行性还有待未来进行更加深入的研究。

2）成本效益曲线表明，随着LID投资成本和建设规模的增加，径流削减效率在一定成本投入下达到最高值后即趋于平稳，超出阈值后LID措施成本增加所带来的边际效益减少并逐渐趋于零。

3）成本效益曲线能够很好地指导LID最优配置方案的选取，利用SUSTAIN的LID优化布局模拟结果可为海绵城市建设、土地利用规划、绿色基础设施规划和城市控制性详细规划提供参考。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1～4、8由作者绘制；图5～7、9～11为SUSTAIN模型后处理模块出图；表1～4由作者绘制。