小区低影响开发方案优选研究

胡金辉，庞傲璇，孙颖娜

(黑龙江大学水利电力学院、中俄寒区水文水利工程联合实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

海绵城市的建设可以有效缓解城市内涝，减少点、面源污染，促进雨水资源利用[1-2]。随着低影响开发(LID)概念的引入，雨水管理方法(如源头消纳、就地削减)开始受到关注[3]。中国对LID的研究已有10多年，尚未形成成熟的理论和技术体系[3]，然而，在北京、上海、深圳等一些经济发达城市已经开展了相关研究和工程应用[4]。目前对LID的研究多集中在证明LID对地表径流的削减能力，LID与防洪排涝关系的认识与研究还不够深入[5]。从整体上来看，国内相关研究主要集中在利用管网模型进行模拟，探究LID措施种类、布设面积及空间布局等因素对径流的影响[5-7]。目前国内外针对LID设施面积比例优选的研究和综合效益的研究较少[8-9]。本文利用SWMM模型，通过布设的LID设施模拟了开发区的水文状况，并利用层次分析法(AHP)量化分析了研究区LID方案的水文、经济、社会效益，在此基础上为LID布设的优化提供参考。

项目区属大陆性季风气候。全年四季分明，春季干旱多风，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥。年平均气温12.3℃，1月份平均气温-3.7℃，极端最低气温为-18.5℃，7月份平均气温为26.1℃，最高气温为40.3℃。年平均降水量628.9 mm，夏季的6—8月，降水量为465.1 mm，占全年降水的70%；
冬季的12月至次年2月降水量最少。项目设计收集面积为7.20万m2，其中屋顶面积2.32万m2，道路、绿地、面积4.88万m2。依据项目区域的雨水管网布置图，在SWMM中生成管网概化图，其中包括了66个节点、38个子汇水区、66条管道以及1个排放口(图1)。

图1 研究区域管网概化

2.1 暴雨强度

研究区域的降雨时间过程线是利用北京市暴雨强度公式得出，见式(1)，结合芝加哥暴雨模型生成降雨历时为2 h，降雨重现期为2、5、10、20 a的降雨过程曲线(图2)，该方法在国内得到了广泛的使用[5-7]。

(1)

式中i——降雨强度，mm/h；
P——降雨重现期，a；
t——降雨历时，min。

2.2 参数率定与验证

选取2场降雨，在降雨期间对排放口流量进行测量，计算得到纳什效率系数(NSE)分别为0.732、0.724，均大于0.600(图3)，因此该模型的参数取值是合理的[4]，适合所研究的区域，模型水文参数的率定结果见表1。

a) 0722场次

表1 模型水文参数取值

依据中国海绵城市建设要求，改造区的年径流总量控制率不应小于75%[10]，为了简化LID情景开发中的总径流控制过程并使其在工程实践中可行，从统计的角度来看，年径流总量控制率(Annual Total Runoff Control Rate,ATRCR)通常对应于一定的设计降雨量[10]。根据参考文献[8]，获得北京市ATRCR与降雨量的关系(图4)。在项目区若能有效控制24 mm的设计降雨则年径流总量的控制率可达75%，若能有效控制75 mm的设计降雨则年径流控制率约达90%。

图4 年径流总量控制率和设计降雨量关系

4.1 LID设施的径流控制能力

《海绵城市技术手册》(中国住房和城乡建设部，2014)和《SWMM用户手册》(美国环保署，2015)中提供了低影响开发设施的详细信息[10]。为确定各LID设施的规模和布设面积，可根据实际工程经验参数来设计单个LID设施单位面积的径流控制能力[10]。利用《SWMM用户手册》中提供的各LID信息，单位面积(1 m2)上的生物滞留设施、洼地、下沉绿地和透水路面的蓄水量，分别为0.30、0.15、0.25、0.05 m3。此外，也假定每平方米的储罐可存储1 m3的径流[10]。

4.2 研究区不同LID设施面积计算

根据现有场地资料，未添加LID的场地可控制216.67 m3的径流，则与其对应的降雨深度约为5.1 mm，因此，根据式(2)计算出在设计降雨24 mm的情况下将产生1 019.6 m3总径流，则在控制能力之外的802.93 m3径流再分配给各项LID设施。

W=10hφF

(2)

式中W——设计调蓄容积，m3；
h——设计降雨量，mm(本例中为24 mm)；
φ——综合径流系数(本例中为0.59)；
F——汇水面积，hm2(本例中为7.20 hm2)。

根据研究区域控制径流的目标，以及现有的土地利用资料，共设置了3种不同的LID组合措施，第一种方案更多依赖于下沉式绿地和生物滞留设施，第三种方案更多依赖于储水池和透水路面，第二种方案较为折中，布设面积结果见表2。

表2 不同LID方案的面积分配 单位：m2

从图5可以看出，不同的LID方案都有一定的削峰减流作用，而且每种LID方案都能延迟峰值流量出现的时间。其中，方案三的雨水控制效果最好，其次是方案二和方案一。相较方案一，方案二、三利用了较大比例的渗水路面和蓄水池，所以提升了雨水控制效果。渗透铺装成本较低，总面积大，分散更广，可增加入渗量，从而减少径流。由图5可知，雨洪控制效果随着降水重现期的增加而降低。

a)2年一遇降雨

在对LID 3种方案的综合效益进行评估之前，需要设置一个分别对水文、经济和社会效益进行评价的单项效益评估体系，形成的评价指标的层次结构由多个级别的指标和相应的子指标组成，见图6。

图6 综合效益评价指标层次结构

6.1 综合指标权重计算

AHP是美国运筹学家萨蒂[3]于20世纪70年代初提出的。该方法为一种将定量和定性结合的多准则评估决策分析方法，适用于需将经验判断定量化的情况[10]。

通过查阅文献获得对水文、经济、社会效益的原始评分构造阶层3的判断矩阵，使用式(3)计算得出子指标的权重，结果见表3。对水文效益指标中的峰值削减、径流总量削减、峰值延后时间子指标进行评分，对经济效益中建造成本和维护成本重要程度评分，对社会效益中的水资源利用率、景观效益和生态效益进行评分，结果见表4—6，权重综合结果见表7。

表3 综合判断矩阵权重计算

表4 水文效益权重计算

表5 经济效益权重计算

表6 社会效益权重计算

表7 权重综合评价结果

(3)

式中λmax——判断矩阵的最大特征值；
A——判断矩阵；
ω——权重列向量；
n——判断矩阵的阶数；
CI——一致性指标，CI 越小，说明一致性越大；
RI——随机一致性指标，可根据矩阵的阶数通过查表获得(本例为 0.52)。

为确保层次分析法的可靠性，计算了一致性系数(CR)以检验对指标得分的一致程度，如果CR小于0.1，则矩阵被认为是可靠的，获得的权重可用于进一步评估。

6.2 水文效益分析

通过SWMM模型模拟0725场次降雨情况下的各方案径流总量削减率、径流峰值削减率、峰值延迟时间，结果见表8。

表8 各方案径流控制情况分析

6.3 经济效益分析

建造费用采用文献[11-15]数据(表9)，维修费用采用年金现值，通过3种方案的LID设施布设面积得出各个方案的建造费用和维修费用，见表10。

表9 各项LID设施费用参考值 单位：元/m2

表10 各方案的各项费用 单位：元

6.4 社会效益分析

根据《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建》(试行)中低影响开发设施比选一览表和参考文献[16]，将各LID设施的指标按不同等级进行评价，见表11。

表11 LID措施评价

按表11将 LID 设施各指标量化，其中效果强的评价等级赋值5，效果一般的评价等级赋值3，效果较弱的评价等级赋值1，最终得到5种LID设施的综合比选得分，结果见表12。

表12 LID设施比选综合得分

结合LID设施比选综合得分和各方案对应的LID设施面积求乘积，得各方案社会效益分析，见表13。

表13 各方案社会效益分析

6.5 结果分析

利用式(4)对3个方案分别进行归一化处理。其中分值越高，代表该指标越能取得满意的结果。因为建造的成本越高则评分越低，所以初步归一化后建造成本和维护成本需取反比作为计算，最终结果见表14。

表14 各方案的归一化效益指标值

(4)

式中IM——M指标归一化后的值；
WM——M指标在不同方案下的评分；
M——方案的序数。

各个方案的水文、经济、社会效益值分别通过表14中的归一值与表7中相应子指标的权重值相乘求和得到；
3个方案的综合效益通过水文、经济、社会效益值与表7中的权重相乘求和得到，见表15。可以看出，方案三与方案一、二相比，水文效益最大为0.38且综合效益最大，为0.36；
方案一的社会效益也比其他方案大，但经济效益更低，综合效益为0.32。

表15 各方案的单项和综合效益

通过层次分析法得出各方案之间的数值差异较小，但在实际应用中差异显著[16]。总体而言，方案三是最适用于该小区的LID方案。

a)3种LID措施通过雨水的拦截、吸收等过程，发挥海绵城市自然蓄积和自然渗透的功能，从而缓解市政管网的排水压力。方案三的综合效益为0.36，方案一、二都为0.32，方案三更多地利用蓄水池，实现了最佳的雨洪控制效果。

b)当暴雨重现期较小时，LID的雨水控制效果最为显著。但随着暴雨重现期的不断增加，LID的径流控制效果不断降低。

c)通过层次分析法对3种LID方案进行分析，可定量评价出各方案的效益。结果表明，方案三在水文、经济效益方面表现较好，方案一在社会效益方面表现最好。总体而言，方案三在该小区具有最佳的综合效益，更适合在该研究区采用。

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