海绵城市低影响开发措施综合效益评价体系及应用

高玉琴，陈佳慧，王冬冬，张振兴，赵晨程

(1.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098;2.美国伊利诺伊大学香槟分校，伊利诺伊州 厄巴纳-香槟 IL61801)

随着我国经济的发展，城镇化发展迅速。人们在享受城镇化红利的同时，也给城市水资源、环境与生态系统带来了巨大压力。快速城市化导致了不透水面显著增加，破坏了原有的自然水文循环过程，引起了一系列水文效应[1]，导致了城市内涝日益严重、降雨径流污染加重和水资源短缺等诸多城市水问题。我国以低影响开发(low impact development，LID)为核心理念，提出了海绵城市这一新型城市雨洪管理概念[2-4]。LID是20世纪90年代末期由美国马里兰州、西雅图和波特兰市共同提出的一种雨洪管理概念[5]，主张在场地开发过程中采用分散式、经济、本土化的源头控制措施使区域水文特征趋近开发前，也称为低影响设计。LID技术的功能主要包括渗透、径流调蓄和输送、过滤、保护性设计、低影响景观等方面，具体采用的有透水铺装、雨水花园、植草沟、绿色屋顶、渗渠、生物滞留设施等各种小型措施[6]。

国内外对LID的研究主要集中在径流削减、洪峰延迟及径流污染削减几方面，部分学者开展了针对LID在环境生态、经济、社会等各个方面的综合效益评价研究。仇士恺[7]建立了一个雨水管理措施优化模型，以成本投入最小为目标函数，利用动态设计优选模式进行求解，并以翡翠水库为例，进行了模拟优化；钟沂玻[8]利用AGNPS模型对研究区域内3种不同LID措施的效能进行模拟，并分别对其进行了径流削减、面源污染削减以及成本因素3个方面的综合评价；褚筱文[9]利用DSS模拟了城市雨水管理措施对年均径流量的削减效能，并进行了成本-效益评价；贾海峰等[10]基于SUSTAIN系统对广东佛山某学校4个LID BMPs方案的截污减排效果进行模拟分析，并综合成本和效益因素给出了最佳情景方案；王锋[11]定量识别LID方案的多项效益，采用层次分析法和加权求和法，构建了一种LID方案运行效果评价方法。穆聪[12]通过对环境、经济和社会指标货币化后的效益值进行加权求和，获得综合效益值，建立了海绵城市LID措施综合效益评价体系。

上述研究主要关注LID措施的成本效益比较，对生态效益、社会效益等综合评价大多采用定性描述，缺乏一套可以定量评价LID措施效益的理论体系[13]。为此本文提出了一种可量化的LID综合效益评价方法并应用于南京市某住宅小区LID初步设计方案量化评价，以期为海绵城市建设提供参考。

1 评价指标体系构建与评价方法

1.1 评价指标体系构建

LID措施的根本设计目标是实现区域开发后的径流大小、峰现时间等水文特征与天然状态下基本一致。大量研究与实践证明，LID措施不仅可以有效调控径流与污染物，还具有广泛的环境、经济、美学和社会效益，是一种实现低碳、生态、可持续的高效雨水管理理念[14-15]。本文综合考虑环境、经济和社会三方面因素，构建能综合反映径流状态且与城市生态环境有直接联系，同时考虑成本投入等情况的LID综合效益评价指标体系。

1.1.1环境效益

LID措施通过对雨水的入渗、存储，削减径流总量；通过植物根系对雨水的拦截作用，降低径流流速，延缓径流峰现时间，从而缓解城市排水系统的压力，减少管道溢流污染，具有显著的环境效益[16]。考虑LID措施对于径流量和降雨径流污染物的控制削减效能，选取径流总量削减率、径流峰值削减率、峰现滞后时间、总悬浮物(TSS)削减率、总氮(TN)削减率、总磷(TP)削减率、化学需氧量(COD)削减率等7项指标反映LID措施的环境效益。

1.1.2经济效益

LID措施能通过减少大量的管道、道路等高能耗基础设施的使用，降低政府对公共基础设施的投入和维护费用。本文主要考虑方案的成本投资和建成后的运行经济效益。成本投资是LID措施开发建设的重要关注点，主要包括基建费、管理维护费和运行效果等。建成后的运行效益主要考虑节水效益和渗透补充地下水[17]产生的效益。

a. 基建费。基建费用是LID措施开发建设的一次性投资成本，包括土方填挖、设施安装放置和表面植被种植铺设等内容。

b. 管理维护费。管理维护费是确保LID措施在后期运行中正常发挥功效的投入费用，包括植被修剪、沉积物和垃圾清扫、底部排水设施维护等人力和资金的投入。

c. 运行效果。LID措施的运行效果主要由运行稳定性和工程影响性反映。运行稳定性表示LID措施在正常维护管理的情况下，出现失效、故障的风险；工程影响性用于描述LID措施施工期间对场地的破坏程度以及对公众出行的影响程度。根据国内外相关实践研究，用“优、较优、良好、较差、差”5个等级进行分类评价，见表1。

表1 LID措施运行效果评价

d. 节水效益。节水效益主要指雨水桶、蓄水池等蓄水措施收集存储的雨水置换了城市用水用于绿地灌溉、景观补水、路面喷洒等而减少的费用。对雨水的收集回用可达到减少雨水排放和节约水资源的双重目标，其收益可依照收集水量和城市用水价格计算。

e. 补充地下水效益。补充地下水效益指诸如生物滞留设施、下凹绿地等部分LID措施具有促进雨水入渗、实现地下水回补功效而产生的经济效益。可通过下渗水量与单位体积的集水效益计算：

Y=aHS

(1)

式中：Y为补充地下水效益；a为单位体积集水效益，按水资源影子价格考虑，元/m3；H为单次降雨的雨水入渗量，可通过SWMM模型模拟得出，mm；S为透水地表面积，m2。

1.1.3社会效益

基于LID模式的场所设计，注重美观的植物搭配，提升了场地美学效益，具有丰富的生态景观价值；场地设计串联起水系、公园、绿地，增强开放空间的联系，为市民提供散步、慢跑等需求的户外休闲场所，增加了体育锻炼活动的人数，也降低了机动交通和燃料的消耗；LID措施对雨水资源通过渗入地下、收集回用和雨水贮留等形式加以利用，在缓解城市用水矛盾的同时，也提供了市民参与管理的机会，提升公众环保、惜水、节水的意识，具有一定的社会效益。本文主要考虑其雨水资源利用、生态景观价值及公众教育宣传3个方面。

LID措施的社会效益难以被直接衡量和定价，按“低、较低、中等、较高和高”5个等级进行3项指标的定性评价，见表2。

表2 LID措施社会效益评价

综上，确定LID措施综合效益评价指标体系如图1所示。

图1 LID措施综合效益评价指标体系

1.2 指标量化

本文选取的16项评价指标中，既有定量指标又有定性指标，需对各定性指标进行量化以便于综合评价。建造、维护成本通过实际的方案规划设计面积和措施单价计算，运行效益指标和社会效益的3项指标均是定性指标，可通过其模糊语气与模糊标度[18]进行转换。

1.3 指标权重确定

为了得到更为准确客观的评价结果，采用熵权法计算评价指标的客观权重。为保证与决策者主观思维的一致性，综合考虑主客观因素，本文结合层次分析法[19-21]求解主客观组合权重[22-23]。

在熵权法求出客观权重wj1的基础上，利用层次分析法的求取结果wj2进行修正，得到第j个指标的组合权重wj为

(2)

1.4 基于云模型的LID措施综合效益评价

LID措施评价优选涉及经济成本、防洪除涝、景观效果、生态环境等诸多方面，存在定量、定性指标，具有一定的随机性和模糊性。为做到客观准确并解决无法避免的不确定性，本文选择云模型用于LID措施的量化评价。

基于云模型的评价方法是不确定性评价中的重要方法，可实现定性概念和定量数值之间的转化[24]。本文在确定系统指标值X={x1,x2,…,xn}、指标权重W=(w1,w2,…,wn)T与指标评价论域V={v1,v2,…,vm}后，通过给出云的数字特征和设定条件x=x0的X条件云发生器计算各个指标在各等级下的隶属度[25-26]。

综上，可以得到LID措施方案对于各评价等级的隶属度C={c1,c2,…,cm}。根据隶属度最大原则进行等级评判，并选取等级最高的方案为最优方案。

2 实例应用

2.1 研究区概况

研究区为南京亚东国际公寓片，位于南京市雨花台区，北纬32°0′0″、东经118°45′36″，属亚热带季风气候，四季分明，雨量丰沛，多年平均降水量为 1 061.3 mm。年内降水分布不均，主要集中在6—8月。研究区整体地势平坦，平均坡度2.69%，高程在5.26～10.95 m，最大高差5.69 m，总面积约 9.94 hm2，其内有44栋住宅楼。研究区为不透水区和透水区混合区域，主要以住宅建筑群、小区道路、停车场等不透水硬质下垫面为主，不透水面积占总面积的78.9%。研究区内部建设有比较完备的给水管网、污水管网和雨水管网，无天然或人工水系发挥雨水调蓄作用，遭遇暴雨时仍采用快放快排模式，未有效解决内涝问题，也造成了雨水资源的大量流失。

2.2 LID措施方案设置

研究区用地规划都已完成，对空间需求较大的LID措施有所限制，因此本文暂不考虑微型湿地、景观水体等所需空间较大的LID措施。同时经实地勘察，进行研究区场地条件分析，初步选取适用于研究区的LID措施为绿色屋顶、生物滞留池、雨水花园、植草沟、渗渠、透水铺装和雨水桶。

在实际项目中，为了避免雨水管理措施过于单一，往往通过LID措施的组合使用，形成多种规划设计方案。本文利用以上7种措施进行组合，并按照模型得到的排水管网运行情况，在管网负荷较大及节点发生溢流的汇水区加大LID措施布置比例，规划了4种情景方案。

a. 方案1：基础型方案。本方案按照最基本的LID措施布置方式，布置最常见、建设简单、成本较低的植草沟、渗渠，以及收集利用雨水的雨水桶。大体设计方案为：小区内道路两边的雨水沟采用植草沟或渗渠来传输、调蓄雨水；适宜的建筑周边使用雨水桶收集屋面雨水。

b. 方案2：功效最大型方案。功效指的是径流量和径流污染控制功效。由于植草沟与渗渠功效较低，本方案考虑采用雨水桶、雨水花园、生物滞留设施、绿色屋顶、透水铺装这5种LID措施。这一方案的布置如下：小区内道路周边绿地设置生物滞留设施；在景观水体或其他水系以及地势低洼处可考虑建设雨水花园或生物滞留设施；在未设置雨水桶的住宅建筑的屋面采用绿色屋顶；停车场、人行道等载重负荷较小的小区道路布设透水铺装。为提高功效，本方案中的5种措施的比例要适当高些。

c. 方案3：示范型方案。这一方案重点突出海绵城市雨水资源利用的示范意义[27]，扩大对公众的教育影响力度，使LID理念更加深入人心。本方案选用全部7种措施，展示各单项措施的工程做法和效果，为LID措施的大力推广提供借鉴。其布置如下：小区内道路两边的雨水沟采用植草沟来转输、调蓄雨水，并搭配渗渠共同发挥作用；其他几类LID措施的布置形式与方案2大致相同；同时为了强化教育示范意义，突出景观生态价值，适当提高雨水花园、生物滞留设施和绿色屋顶的所占比例。

d. 方案4：综合型方案。由于透水铺装建造时需要破坏原有道路，给居民通行造成不便。因此，此方案中透水铺装不予考虑，选用剩余6种措施。这一方案的布置可大致参照示范型方案，为兼顾成本和效益，各单项措施的布置比例视实际情况而定，不宜过高；同时考虑施工难度，布置适量的绿色屋顶即可。

结合研究区场地条件，上述4个LID措施设计方案建造面积如表3所示。

表3 研究区LID措施设计面积

2.3 评价结果与分析

2.3.1设计方案的环境效益

在各设计方案的截污减排效益分析中，基于模型构建步骤，建立研究区SWMM雨洪模型，利用已有的两场降雨径流实测水量水质资料，进行参数率定和验证，建立适用于研究区域的SWMM模型[14]。选取5年一遇的暴雨作为降雨输入，得到研究区在4种情景方案下的径流及各污染物排放情况如表4所示。研究区模型模拟结果显示，应用LID措施能有效减少径流总量和峰值流量，滞后峰值出现时间。其中，方案2对于径流削减效能最为明显，可将5年一遇降雨径流总量减少3 012 m3，相比未使用LID措施情景削减径流54.92%；单场降雨最大峰值流量减少为1.848 m3/s，削减了49.72%。可见，LID措施可减少降雨径流外排流量，削减洪峰，延迟洪峰出现时间，提高区域防洪能力，避免或减轻本区域居民的水灾损失。

表4 LID措施设计方案径流与污染控制效果模拟

同时模拟结果显示，应用LID措施也能有效减少污染物含量，使径流水质得到改善。方案2对于污染物削减最为显著。

2.3.2设计方案的经济效益

a. 建造和维护成本。结合研究区LID措施方案设置与LID措施的成本投资和管理维护费用计算4种方案的成本总值，结果见表5(维护成本按1年的成本计算)。其中方案2的绿色屋顶、生物滞留设施、雨水花园等复杂的LID措施面积占比较大，故建造成本及维护成本也相对较高。

表5 LID措施设计方案成本总值

b. 运行效果。根据表3将LID措施运行效果评价表(表1)中各措施运行稳定性和工程影响性的模糊语气转化为模糊标度，并且将LID措施运行稳定性按不同方案各项LID措施面积占比进行分配，求和推算各设计方案运行稳定性的量化值，结果见表6。由于雨水桶及植草沟运行稳定性较佳，且方案1、4中这两项措施面积占比较大，故得出方案1、4的运行稳定性较另两个方案更优的结论。同时，由于方案2、3设置了透水铺装，对居民出行造成不便，工程影响性较大。

表6 LID措施设计方案运行稳定性量化值

c. 节水效益。节水效益主要考虑雨水桶存蓄的雨水代替自来水产生的效益，同样采用5年一遇降雨，由研究区SWMM模型运行结果可得各方案下雨水桶存蓄的雨量。由自来水价格和各方案存蓄雨量，可计算出各LID措施方案的节水效益如表7所示。由计算结果可知，单场降雨就可产生上百元的节水效益，每年小区雨水资源利用替代的城市供水将相当可观，有利于减轻城市供水压力。

表7 LID措施设计方案效益

d. 补充地下水效益。由土地利用图及LID措施布设情况得出研究区各子汇水区应用LID措施后的透水地表面积，模型导入5年一遇降雨，求得研究区入渗体积量。研究区位于长江流域，渗透补充的地下水以生态环境用水的形式存在。根据生态环境用水的影子价格，各LID措施设计方案补充地下水产生的效益如表7所示。由于方案3采用的LID措施种类最多，占地面积也最大，故其降雨入渗量也相对最大，补充地下水的效益也十分可观。

2.3.3设计方案的社会效益

根据表2得出各LID措施社会效益的量化值，将LID措施社会效益量化值按不同方案各项LID措施面积占比进行分配，求和推算出各设计方案社会效益的量化值，结果见表8。

表8 LID措施设计方案社会效益量化值

方案1虽设置的雨水桶最多，但面积占比较小，且未设计生物滞留池、雨水花园等雨水资源化利用较优的LID措施，故其综合雨水资源化利用情况相对较差；方案3虽设置了全部7种LID措施，但由于其生物滞留池、雨水花园及绿色屋顶等生态价值较高的设施面积占比不及方案2，故4种方案中，综合生态景观价值最高的仍是方案2；方案3设置了最多种类的LID措施，公众宣传教育示范作用最强。

2.3.4LID措施设计方案综合评价

基于熵权法和层次分析法分别进行计算，得到各项指标的客观和主观权重，然后根据式(2)得到指标的组合权重。

确定指标评价等级为V={优，较优，中等，较差，差}，取超熵为0.005，云滴数为1 000，基于X条件云发生器进行Matlab编程，计算得到4个LID措施设计方案的各指标隶属度矩阵，并通过组合权重向量与隶属度矩阵进行模糊变换，得到4个LID措施设计方案在5个等级下的隶属度，从而对方案进行综合评价，结果见表9。

表9 设计方案综合评价结果

由表9可知，方案1(基础型方案)在4个方案中综合效益最低，评价结果为“较差”，其余3种方案评价结果均为“较优”。

同时方案2(功效最大型方案)对于“较优”的隶属度最大，选取该方案作为研究区LID措施的最终方案。方案2截污减排效益最优，社会效益良好，虽成本投资相对较大，但由于截污减排效益占比权重较高，方案2仍表现出最佳的综合效能。方案4综合效能排名第二，且投资仅为方案2的一半，可作为研究区建设或改造的备选方案。若研究区全面规划实施方案2，径流量较现状情景将减小约55%，污染物排放总量减少约60%。由于方案2下模拟区规划LID措施面积只占模拟区域总面积的18.1%，故仍有巨大的实施空间与径流、污染削减潜力。

3 结 语

在借鉴和调研国内外典型雨水管理工程实践、发展研究及雨洪模型应用的基础上，结合我国城市发展的具体情况，基于生态、经济及社会效益构建了LID措施综合效益评价指标体系。在量化评价中，利用AHP-熵权法赋予指标组合权重，并基于云模型求解隶属度，综合考虑主客观因素对LID措施设计方案综合效益进行评价，降低了使用单一方法进行评价的主观性。将研究结果应用于南京市一住宅小区，对4个LID措施设计方案进行综合评价，其中功效最大型方案截污减排效益最优，社会效益良好，对于“较优”的隶属度最大，表现出最佳的综合效能。

本文从理论研究和工程实践两方面加强对LID措施在环境、经济、社会等多方面效益的理解，以期为国家海绵城市建设和雨洪管理提供借鉴，具有一定的参考价值。LID措施的综合效益评价是一个复杂的过程，在以后的研究中可考虑LID措施促进土地升值、降低机动和交通燃料的消耗等因素深入探究。