高玉琴，陳佳慧，王冬冬，張振興，趙晨程

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校，伊利諾伊州 厄巴納-香檳 IL61801)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速。人們在享受城鎮(zhèn)化紅利的同時，也給城市水資源、環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)帶來了巨大壓力?？焖俪鞘谢瘜?dǎo)致了不透水面顯著增加，破壞了原有的自然水文循環(huán)過程，引起了一系列水文效應(yīng)[1]，導(dǎo)致了城市內(nèi)澇日益嚴(yán)重、降雨徑流污染加重和水資源短缺等諸多城市水問題。我國以低影響開發(fā)(low impact development，LID)為核心理念，提出了海綿城市這一新型城市雨洪管理概念[2-4]。LID是20世紀(jì)90年代末期由美國馬里蘭州、西雅圖和波特蘭市共同提出的一種雨洪管理概念[5]，主張在場地開發(fā)過程中采用分散式、經(jīng)濟(jì)、本土化的源頭控制措施使區(qū)域水文特征趨近開發(fā)前，也稱為低影響設(shè)計。LID技術(shù)的功能主要包括滲透、徑流調(diào)蓄和輸送、過濾、保護(hù)性設(shè)計、低影響景觀等方面，具體采用的有透水鋪裝、雨水花園、植草溝、綠色屋頂、滲渠、生物滯留設(shè)施等各種小型措施[6]。

國內(nèi)外對LID的研究主要集中在徑流削減、洪峰延遲及徑流污染削減幾方面，部分學(xué)者開展了針對LID在環(huán)境生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會等各個方面的綜合效益評價研究。仇士愷[7]建立了一個雨水管理措施優(yōu)化模型，以成本投入最小為目標(biāo)函數(shù)，利用動態(tài)設(shè)計優(yōu)選模式進(jìn)行求解，并以翡翠水庫為例，進(jìn)行了模擬優(yōu)化；鐘沂玻[8]利用AGNPS模型對研究區(qū)域內(nèi)3種不同LID措施的效能進(jìn)行模擬，并分別對其進(jìn)行了徑流削減、面源污染削減以及成本因素3個方面的綜合評價；褚筱文[9]利用DSS模擬了城市雨水管理措施對年均徑流量的削減效能，并進(jìn)行了成本-效益評價；賈海峰等[10]基于SUSTAIN系統(tǒng)對廣東佛山某學(xué)校4個LID BMPs方案的截污減排效果進(jìn)行模擬分析，并綜合成本和效益因素給出了最佳情景方案；王鋒[11]定量識別LID方案的多項效益，采用層次分析法和加權(quán)求和法，構(gòu)建了一種LID方案運行效果評價方法。穆聰[12]通過對環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會指標(biāo)貨幣化后的效益值進(jìn)行加權(quán)求和，獲得綜合效益值，建立了海綿城市LID措施綜合效益評價體系。

上述研究主要關(guān)注LID措施的成本效益比較，對生態(tài)效益、社會效益等綜合評價大多采用定性描述，缺乏一套可以定量評價LID措施效益的理論體系[13]。為此本文提出了一種可量化的LID綜合效益評價方法并應(yīng)用于南京市某住宅小區(qū)LID初步設(shè)計方案量化評價，以期為海綿城市建設(shè)提供參考。

1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建與評價方法

1.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

LID措施的根本設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)區(qū)域開發(fā)后的徑流大小、峰現(xiàn)時間等水文特征與天然狀態(tài)下基本一致。大量研究與實踐證明，LID措施不僅可以有效調(diào)控徑流與污染物，還具有廣泛的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、美學(xué)和社會效益，是一種實現(xiàn)低碳、生態(tài)、可持續(xù)的高效雨水管理理念[14-15]。本文綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會三方面因素，構(gòu)建能綜合反映徑流狀態(tài)且與城市生態(tài)環(huán)境有直接聯(lián)系，同時考慮成本投入等情況的LID綜合效益評價指標(biāo)體系。

1.1.1環(huán)境效益

LID措施通過對雨水的入滲、存儲，削減徑流總量；通過植物根系對雨水的攔截作用，降低徑流流速，延緩徑流峰現(xiàn)時間，從而緩解城市排水系統(tǒng)的壓力，減少管道溢流污染，具有顯著的環(huán)境效益[16]?？紤]LID措施對于徑流量和降雨徑流污染物的控制削減效能，選取徑流總量削減率、徑流峰值削減率、峰現(xiàn)滯后時間、總懸浮物(TSS)削減率、總氮(TN)削減率、總磷(TP)削減率、化學(xué)需氧量(COD)削減率等7項指標(biāo)反映LID措施的環(huán)境效益。

1.1.2經(jīng)濟(jì)效益

LID措施能通過減少大量的管道、道路等高能耗基礎(chǔ)設(shè)施的使用，降低政府對公共基礎(chǔ)設(shè)施的投入和維護(hù)費用。本文主要考慮方案的成本投資和建成后的運行經(jīng)濟(jì)效益。成本投資是LID措施開發(fā)建設(shè)的重要關(guān)注點，主要包括基建費、管理維護(hù)費和運行效果等。建成后的運行效益主要考慮節(jié)水效益和滲透補充地下水[17]產(chǎn)生的效益。

a. 基建費?；ㄙM用是LID措施開發(fā)建設(shè)的一次性投資成本，包括土方填挖、設(shè)施安裝放置和表面植被種植鋪設(shè)等內(nèi)容。

b. 管理維護(hù)費。管理維護(hù)費是確保LID措施在后期運行中正常發(fā)揮功效的投入費用，包括植被修剪、沉積物和垃圾清掃、底部排水設(shè)施維護(hù)等人力和資金的投入。

c. 運行效果。LID措施的運行效果主要由運行穩(wěn)定性和工程影響性反映。運行穩(wěn)定性表示LID措施在正常維護(hù)管理的情況下，出現(xiàn)失效、故障的風(fēng)險；工程影響性用于描述LID措施施工期間對場地的破壞程度以及對公眾出行的影響程度。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)實踐研究，用“優(yōu)、較優(yōu)、良好、較差、差”5個等級進(jìn)行分類評價，見表1。

表1 LID措施運行效果評價

d. 節(jié)水效益。節(jié)水效益主要指雨水桶、蓄水池等蓄水措施收集存儲的雨水置換了城市用水用于綠地灌溉、景觀補水、路面噴灑等而減少的費用。對雨水的收集回用可達(dá)到減少雨水排放和節(jié)約水資源的雙重目標(biāo)，其收益可依照收集水量和城市用水價格計算。

e. 補充地下水效益。補充地下水效益指諸如生物滯留設(shè)施、下凹綠地等部分LID措施具有促進(jìn)雨水入滲、實現(xiàn)地下水回補功效而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。可通過下滲水量與單位體積的集水效益計算：

Y=aHS

(1)

式中：Y為補充地下水效益；a為單位體積集水效益，按水資源影子價格考慮，元/m3；H為單次降雨的雨水入滲量，可通過SWMM模型模擬得出，mm；S為透水地表面積，m2。

1.1.3社會效益

基于LID模式的場所設(shè)計，注重美觀的植物搭配，提升了場地美學(xué)效益，具有豐富的生態(tài)景觀價值；場地設(shè)計串聯(lián)起水系、公園、綠地，增強開放空間的聯(lián)系，為市民提供散步、慢跑等需求的戶外休閑場所，增加了體育鍛煉活動的人數(shù)，也降低了機動交通和燃料的消耗；LID措施對雨水資源通過滲入地下、收集回用和雨水貯留等形式加以利用，在緩解城市用水矛盾的同時，也提供了市民參與管理的機會，提升公眾環(huán)保、惜水、節(jié)水的意識，具有一定的社會效益。本文主要考慮其雨水資源利用、生態(tài)景觀價值及公眾教育宣傳3個方面。

LID措施的社會效益難以被直接衡量和定價，按“低、較低、中等、較高和高”5個等級進(jìn)行3項指標(biāo)的定性評價，見表2。

表2 LID措施社會效益評價

綜上，確定LID措施綜合效益評價指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 LID措施綜合效益評價指標(biāo)體系

1.2 指標(biāo)量化

本文選取的16項評價指標(biāo)中，既有定量指標(biāo)又有定性指標(biāo)，需對各定性指標(biāo)進(jìn)行量化以便于綜合評價。建造、維護(hù)成本通過實際的方案規(guī)劃設(shè)計面積和措施單價計算，運行效益指標(biāo)和社會效益的3項指標(biāo)均是定性指標(biāo)，可通過其模糊語氣與模糊標(biāo)度[18]進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.3 指標(biāo)權(quán)重確定

為了得到更為準(zhǔn)確客觀的評價結(jié)果，采用熵權(quán)法計算評價指標(biāo)的客觀權(quán)重。為保證與決策者主觀思維的一致性，綜合考慮主客觀因素，本文結(jié)合層次分析法[19-21]求解主客觀組合權(quán)重[22-23]。

在熵權(quán)法求出客觀權(quán)重wj1的基礎(chǔ)上，利用層次分析法的求取結(jié)果wj2進(jìn)行修正，得到第j個指標(biāo)的組合權(quán)重wj為

(2)

1.4 基于云模型的LID措施綜合效益評價

LID措施評價優(yōu)選涉及經(jīng)濟(jì)成本、防洪除澇、景觀效果、生態(tài)環(huán)境等諸多方面，存在定量、定性指標(biāo)，具有一定的隨機性和模糊性。為做到客觀準(zhǔn)確并解決無法避免的不確定性，本文選擇云模型用于LID措施的量化評價。

基于云模型的評價方法是不確定性評價中的重要方法，可實現(xiàn)定性概念和定量數(shù)值之間的轉(zhuǎn)化[24]。本文在確定系統(tǒng)指標(biāo)值X={x1,x2,…,xn}、指標(biāo)權(quán)重W=(w1,w2,…,wn)T與指標(biāo)評價論域V={v1,v2,…,vm}后，通過給出云的數(shù)字特征和設(shè)定條件x=x0的X條件云發(fā)生器計算各個指標(biāo)在各等級下的隸屬度[25-26]。

綜上，可以得到LID措施方案對于各評價等級的隸屬度C={c1,c2,…,cm}。根據(jù)隸屬度最大原則進(jìn)行等級評判，并選取等級最高的方案為最優(yōu)方案。

2 實例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為南京亞東國際公寓片，位于南京市雨花臺區(qū)，北緯32°0′0″、東經(jīng)118°45′36″，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量豐沛，多年平均降水量為 1 061.3 mm。年內(nèi)降水分布不均，主要集中在6—8月。研究區(qū)整體地勢平坦，平均坡度2.69%，高程在5.26～10.95 m，最大高差5.69 m，總面積約 9.94 hm2，其內(nèi)有44棟住宅樓。研究區(qū)為不透水區(qū)和透水區(qū)混合區(qū)域，主要以住宅建筑群、小區(qū)道路、停車場等不透水硬質(zhì)下墊面為主，不透水面積占總面積的78.9%。研究區(qū)內(nèi)部建設(shè)有比較完備的給水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)和雨水管網(wǎng)，無天然或人工水系發(fā)揮雨水調(diào)蓄作用，遭遇暴雨時仍采用快放快排模式，未有效解決內(nèi)澇問題，也造成了雨水資源的大量流失。

2.2 LID措施方案設(shè)置

研究區(qū)用地規(guī)劃都已完成，對空間需求較大的LID措施有所限制，因此本文暫不考慮微型濕地、景觀水體等所需空間較大的LID措施。同時經(jīng)實地勘察，進(jìn)行研究區(qū)場地條件分析，初步選取適用于研究區(qū)的LID措施為綠色屋頂、生物滯留池、雨水花園、植草溝、滲渠、透水鋪裝和雨水桶。

在實際項目中，為了避免雨水管理措施過于單一，往往通過LID措施的組合使用，形成多種規(guī)劃設(shè)計方案。本文利用以上7種措施進(jìn)行組合，并按照模型得到的排水管網(wǎng)運行情況，在管網(wǎng)負(fù)荷較大及節(jié)點發(fā)生溢流的匯水區(qū)加大LID措施布置比例，規(guī)劃了4種情景方案。

a. 方案1：基礎(chǔ)型方案。本方案按照最基本的LID措施布置方式，布置最常見、建設(shè)簡單、成本較低的植草溝、滲渠，以及收集利用雨水的雨水桶。大體設(shè)計方案為：小區(qū)內(nèi)道路兩邊的雨水溝采用植草溝或滲渠來傳輸、調(diào)蓄雨水；適宜的建筑周邊使用雨水桶收集屋面雨水。

b. 方案2：功效最大型方案。功效指的是徑流量和徑流污染控制功效。由于植草溝與滲渠功效較低，本方案考慮采用雨水桶、雨水花園、生物滯留設(shè)施、綠色屋頂、透水鋪裝這5種LID措施。這一方案的布置如下：小區(qū)內(nèi)道路周邊綠地設(shè)置生物滯留設(shè)施；在景觀水體或其他水系以及地勢低洼處可考慮建設(shè)雨水花園或生物滯留設(shè)施；在未設(shè)置雨水桶的住宅建筑的屋面采用綠色屋頂；停車場、人行道等載重負(fù)荷較小的小區(qū)道路布設(shè)透水鋪裝。為提高功效，本方案中的5種措施的比例要適當(dāng)高些。

c. 方案3：示范型方案。這一方案重點突出海綿城市雨水資源利用的示范意義[27]，擴大對公眾的教育影響力度，使LID理念更加深入人心。本方案選用全部7種措施，展示各單項措施的工程做法和效果，為LID措施的大力推廣提供借鑒。其布置如下：小區(qū)內(nèi)道路兩邊的雨水溝采用植草溝來轉(zhuǎn)輸、調(diào)蓄雨水，并搭配滲渠共同發(fā)揮作用；其他幾類LID措施的布置形式與方案2大致相同；同時為了強化教育示范意義，突出景觀生態(tài)價值，適當(dāng)提高雨水花園、生物滯留設(shè)施和綠色屋頂?shù)乃急壤?/p>

d. 方案4：綜合型方案。由于透水鋪裝建造時需要破壞原有道路，給居民通行造成不便。因此，此方案中透水鋪裝不予考慮，選用剩余6種措施。這一方案的布置可大致參照示范型方案，為兼顧成本和效益，各單項措施的布置比例視實際情況而定，不宜過高；同時考慮施工難度，布置適量的綠色屋頂即可。

結(jié)合研究區(qū)場地條件，上述4個LID措施設(shè)計方案建造面積如表3所示。

表3 研究區(qū)LID措施設(shè)計面積

2.3 評價結(jié)果與分析

2.3.1設(shè)計方案的環(huán)境效益

在各設(shè)計方案的截污減排效益分析中，基于模型構(gòu)建步驟，建立研究區(qū)SWMM雨洪模型，利用已有的兩場降雨徑流實測水量水質(zhì)資料，進(jìn)行參數(shù)率定和驗證，建立適用于研究區(qū)域的SWMM模型[14]。選取5年一遇的暴雨作為降雨輸入，得到研究區(qū)在4種情景方案下的徑流及各污染物排放情況如表4所示。研究區(qū)模型模擬結(jié)果顯示，應(yīng)用LID措施能有效減少徑流總量和峰值流量，滯后峰值出現(xiàn)時間。其中，方案2對于徑流削減效能最為明顯，可將5年一遇降雨徑流總量減少3 012 m3，相比未使用LID措施情景削減徑流54.92%；單場降雨最大峰值流量減少為1.848 m3/s，削減了49.72%?？梢?，LID措施可減少降雨徑流外排流量，削減洪峰，延遲洪峰出現(xiàn)時間，提高區(qū)域防洪能力，避免或減輕本區(qū)域居民的水災(zāi)損失。

表4 LID措施設(shè)計方案徑流與污染控制效果模擬

同時模擬結(jié)果顯示，應(yīng)用LID措施也能有效減少污染物含量，使徑流水質(zhì)得到改善。方案2對于污染物削減最為顯著。

2.3.2設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)效益

a. 建造和維護(hù)成本。結(jié)合研究區(qū)LID措施方案設(shè)置與LID措施的成本投資和管理維護(hù)費用計算4種方案的成本總值，結(jié)果見表5(維護(hù)成本按1年的成本計算)。其中方案2的綠色屋頂、生物滯留設(shè)施、雨水花園等復(fù)雜的LID措施面積占比較大，故建造成本及維護(hù)成本也相對較高。

表5 LID措施設(shè)計方案成本總值

b. 運行效果。根據(jù)表3將LID措施運行效果評價表(表1)中各措施運行穩(wěn)定性和工程影響性的模糊語氣轉(zhuǎn)化為模糊標(biāo)度，并且將LID措施運行穩(wěn)定性按不同方案各項LID措施面積占比進(jìn)行分配，求和推算各設(shè)計方案運行穩(wěn)定性的量化值，結(jié)果見表6。由于雨水桶及植草溝運行穩(wěn)定性較佳，且方案1、4中這兩項措施面積占比較大，故得出方案1、4的運行穩(wěn)定性較另兩個方案更優(yōu)的結(jié)論。同時，由于方案2、3設(shè)置了透水鋪裝，對居民出行造成不便，工程影響性較大。

表6 LID措施設(shè)計方案運行穩(wěn)定性量化值

c. 節(jié)水效益。節(jié)水效益主要考慮雨水桶存蓄的雨水代替自來水產(chǎn)生的效益，同樣采用5年一遇降雨，由研究區(qū)SWMM模型運行結(jié)果可得各方案下雨水桶存蓄的雨量。由自來水價格和各方案存蓄雨量，可計算出各LID措施方案的節(jié)水效益如表7所示。由計算結(jié)果可知，單場降雨就可產(chǎn)生上百元的節(jié)水效益，每年小區(qū)雨水資源利用替代的城市供水將相當(dāng)可觀，有利于減輕城市供水壓力。

表7 LID措施設(shè)計方案效益

d. 補充地下水效益。由土地利用圖及LID措施布設(shè)情況得出研究區(qū)各子匯水區(qū)應(yīng)用LID措施后的透水地表面積，模型導(dǎo)入5年一遇降雨，求得研究區(qū)入滲體積量。研究區(qū)位于長江流域，滲透補充的地下水以生態(tài)環(huán)境用水的形式存在。根據(jù)生態(tài)環(huán)境用水的影子價格，各LID措施設(shè)計方案補充地下水產(chǎn)生的效益如表7所示。由于方案3采用的LID措施種類最多，占地面積也最大，故其降雨入滲量也相對最大，補充地下水的效益也十分可觀。

2.3.3設(shè)計方案的社會效益

根據(jù)表2得出各LID措施社會效益的量化值，將LID措施社會效益量化值按不同方案各項LID措施面積占比進(jìn)行分配，求和推算出各設(shè)計方案社會效益的量化值，結(jié)果見表8。

表8 LID措施設(shè)計方案社會效益量化值

方案1雖設(shè)置的雨水桶最多，但面積占比較小，且未設(shè)計生物滯留池、雨水花園等雨水資源化利用較優(yōu)的LID措施，故其綜合雨水資源化利用情況相對較差；方案3雖設(shè)置了全部7種LID措施，但由于其生物滯留池、雨水花園及綠色屋頂?shù)壬鷳B(tài)價值較高的設(shè)施面積占比不及方案2，故4種方案中，綜合生態(tài)景觀價值最高的仍是方案2；方案3設(shè)置了最多種類的LID措施，公眾宣傳教育示范作用最強。

2.3.4LID措施設(shè)計方案綜合評價

基于熵權(quán)法和層次分析法分別進(jìn)行計算，得到各項指標(biāo)的客觀和主觀權(quán)重，然后根據(jù)式(2)得到指標(biāo)的組合權(quán)重。

確定指標(biāo)評價等級為V={優(yōu)，較優(yōu)，中等，較差，差}，取超熵為0.005，云滴數(shù)為1 000，基于X條件云發(fā)生器進(jìn)行Matlab編程，計算得到4個LID措施設(shè)計方案的各指標(biāo)隸屬度矩陣，并通過組合權(quán)重向量與隸屬度矩陣進(jìn)行模糊變換，得到4個LID措施設(shè)計方案在5個等級下的隸屬度，從而對方案進(jìn)行綜合評價，結(jié)果見表9。

表9 設(shè)計方案綜合評價結(jié)果

由表9可知，方案1(基礎(chǔ)型方案)在4個方案中綜合效益最低，評價結(jié)果為“較差”，其余3種方案評價結(jié)果均為“較優(yōu)”。

同時方案2(功效最大型方案)對于“較優(yōu)”的隸屬度最大，選取該方案作為研究區(qū)LID措施的最終方案。方案2截污減排效益最優(yōu)，社會效益良好，雖成本投資相對較大，但由于截污減排效益占比權(quán)重較高，方案2仍表現(xiàn)出最佳的綜合效能。方案4綜合效能排名第二，且投資僅為方案2的一半，可作為研究區(qū)建設(shè)或改造的備選方案。若研究區(qū)全面規(guī)劃實施方案2，徑流量較現(xiàn)狀情景將減小約55%，污染物排放總量減少約60%。由于方案2下模擬區(qū)規(guī)劃LID措施面積只占模擬區(qū)域總面積的18.1%，故仍有巨大的實施空間與徑流、污染削減潛力。

3 結(jié) 語

在借鑒和調(diào)研國內(nèi)外典型雨水管理工程實踐、發(fā)展研究及雨洪模型應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國城市發(fā)展的具體情況，基于生態(tài)、經(jīng)濟(jì)及社會效益構(gòu)建了LID措施綜合效益評價指標(biāo)體系。在量化評價中，利用AHP-熵權(quán)法賦予指標(biāo)組合權(quán)重，并基于云模型求解隸屬度，綜合考慮主客觀因素對LID措施設(shè)計方案綜合效益進(jìn)行評價，降低了使用單一方法進(jìn)行評價的主觀性。將研究結(jié)果應(yīng)用于南京市一住宅小區(qū)，對4個LID措施設(shè)計方案進(jìn)行綜合評價，其中功效最大型方案截污減排效益最優(yōu)，社會效益良好，對于“較優(yōu)”的隸屬度最大，表現(xiàn)出最佳的綜合效能。

本文從理論研究和工程實踐兩方面加強對LID措施在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會等多方面效益的理解，以期為國家海綿城市建設(shè)和雨洪管理提供借鑒，具有一定的參考價值。LID措施的綜合效益評價是一個復(fù)雜的過程，在以后的研究中可考慮LID措施促進(jìn)土地升值、降低機動和交通燃料的消耗等因素深入探究。