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城市低影响开发方案布局优化措施

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[摘要]城市地面的硬质化改变了水文循环的下垫面性质,导致城市地区水文情势变化,内涝和生态环境灾害频发。低影响开发(LID)技术是20世纪90年代末发展起来的雨水管理策略,我国的海绵城市建设就是LID理念的一种实践形式。国内倡导和实现海绵城市建设的时间不长,在LID的技术选择、措施布局、方案优化等方面的研究处于表面阶段。对低影响开发技术进行梳理,总结国内外低影响开发方案的设计和优化经验,并对低影响开发方案优化进行展望,以期为我国海绵城市建设方案优化提供支持。

[关键词]低影响开发;方案设计;布局优化;措施

近年来,为解决城市内涝防治以及雨洪资源利用等当前城市面临的热点问题,具有径流量削减和污染净化双重功效的低影响开发(LID)技术得到有力的应用与推广。LID引入国内的时间不长,目前主要借鉴国外先进理念和经验来研究LID措施,国内城市雨水管理的应用和实践还处于起步阶段,在LID设施规划布局、方案评估等方面尚欠缺深入研究。因此,有必要结合低影响开发技术特点,全面总结和深刻理解国内外低影响开发技术设计和优化经验,以便为我国低影响开发技术方案优化提供支持。

1LID技术理念的提出

城市化进程带来水文循环条件的改变,导致降水入渗量和填洼量减少,径流形成时间缩短,强降雨很快通过城市排水系统排入河道。这就造成汛期的洪峰形成时间缩短,洪水曲线陡峭,往往引发较严重的城市内涝。另外,传统的城市排水系统也忽视了对雨水径流的污染控制,减少了对地下水的补给,增加了径流量并且改变了出流的时间、频率和速度,导致洪水爆发、水质退化、河流冲蚀。低影响开发技术最初于1990年,在美国环境保护署(EPA)的资助下,由马里兰州乔治王子县环境资源部门实施,原先用于暴雨径流管理,之后也被用在污染削减及污染去除策略上。目前,LID除在美国广泛使用外,也已拓展到其他国家。如澳大利亚建设水敏感城市(WSUD),英国提出可持续排水系统(SUDS)以及我国的海绵城市建设等都是基于该理念开发的。

2LID技术体系及方案设计

2.1LID技术体系国外的LID技术通常是通过源头控制来达到保护与维持区域内的自然水文特征不变。但是我国正处于高速发展阶段,城市化程度普遍较高,用地紧张、水资源短缺等问题比较突出,因此对于我国实际情况来说,单从源头处理雨水不足够消除洪涝灾害。综合我国国情和雨洪管理经验,目前我国LID技术可分为源头分散控制、中途径流控制和末端集中控制3个不同尺度的处理方法,实现城市良性水文循环。LID技术包含的措施比较广泛,这些措施有渗透、储存、净化、传输、滞留、回用等一种或多种功能。源头分散的控制措施通常具有渗透功能,包括透水铺装、渗井、绿色屋顶等,通过渗透构筑物和绿地自然渗透,使雨水渗入地下,滋润土壤和补充地下水。渗透构筑物饱和后,地面开始产生雨水径流,具有传输功能的措施进行集水区内的径流汇流,植草沟、渗管、渗渠等线性措施具有传输功能。植草沟同时兼有净化雨水的功能,植草沟中的植物或滤料可截留雨水中悬浮物质。下凹式绿地、生物滞留设施、雨水桶等具有一定调蓄容积,可滞留部分径流,从而削减了径流总量。雨水桶中的雨水经过处理后还可回用。此外,径流污染严重区域需要有净化功能的处理设施,包括植被缓冲带、初雨弃流设施、雨水湿地等。具有储存雨水功能的措施通常出现在末端处理中。集蓄利用雨水的措施有湿塘、蓄水池、人工土壤渗滤等。集中的雨水处理方式多样,通常就地净化,便于回用,也有排入附近污水厂处理或雨后外排入河道等。

2.2LID方案设计低影响开发雨水系统构建涉及规划、国土、市政、道路、交通、园林、水务等职能部门,还涉及建筑、道路、园林、排水等多个专业,是一项复杂的系统工程。图1概括了LID方案的设计流程。低影响开发方案的设计按照因地制宜的原则,确定LID设施或者设施组合。完成LID的规模和布局设计后,借助SUSTAIN、SWMM、DigitalWaterDS等各类模型工具对不同降雨情景下场地开发前后的水文过程进行模拟,结合退火算法、NSGA-Ⅱ等优化算法,量化评估成本投资、环境效益、维护管理等指标,根据评估结果调整设施规模和布局直至优化结果达到雨洪管理目标,最终得到LID设施的布局方案。图1LID方案设计流程

3国外LID方案优化研究情况

3.1LID方案评估体系目前,LID技术理念在全球得到普遍认可。各国相继提出符合本国国情的雨洪管理体系,LID方案评估是雨洪管理体系中重要部分,是LID措施实施前必须经历的环节。通过阅读文献,总结各国LID方案评估体系,发现国际上运用较多的评估方法是三重底线法(TripleBottomLine,TBL)———社会底线、经济底线、环境底线。最早三重底线的概念用于衡量企业的可持续发展性,企业若想获得永久发展,必须承担起最基本的社会责任、经济责任、环境责任,在提高利润收入同时,兼顾环境保护、加强公共关系等。同样的,综合社会、经济和环境全方面作用效果来评估LID方案,其评估结果更具有信服力,体现出较大的现实意义。各国对LID方案评估的具体操作方式不尽相同,但评估理念都是从社会、经济、环境3方面考虑LID方案的可行性。其中,澳大利亚提出的水敏感城市设计(WSUD)在采用三重底线评估标准时,根据项目的实际情况,分别列出经济、社会、环境3方面的指标,并给出相应的权重,按照实际情况进行打分,最后得出项目的评估结果,将评估因子量化,科学地对WSUD方案进行评估

3.2LID方案优化技术国际上,低影响开发理念的研究技术已比较成熟,关于LID方案优化的研究主要体现在模型研究、设施比较选择和方案评估框架等方面。为了正确评估和比较区域内的LID方案,国外一些研究机构研发了各种与LID相关的模型。ArashMassoudieh等研发的名为GIFMod的建模工具,具有较高的灵活性,可模拟地方性独特场景,对不同介质(如管道、池塘)考虑各种污染运输过程,还能与现有的SWMM和SWAT模型结合使用。Sang-SooBaek等研究开发了一个模拟软件来模拟和优化给定流域内LID的生物条件。该模型计算了具有水文条件(如不饱和土壤和饱和土壤)和水力设施(如立管和暗沟)的生物滞留过程中的详细土壤渗透过程,并且还使用流量持续时间曲线(FDC)生成优化方案。LID措施种类多样,每种措施的适用范围、设计目标不尽相同。因此对于具体区域,需要评估其水文、地理等现实条件,分析成本效益关系来选择最佳方案和措施尺寸。TingFongMayChui等在中国香港、美国西雅图两地利用MATLAB自动控制的SWMM模拟绿色屋顶、生物滞留池和渗透路面3种LID措施,估算不同设计的水文性能和成本效益以及分析水文性能的敏感性和最优设计的成本,得出绿色屋顶的优化设计趋向于面积较大但较薄,而生物滞留池和渗透路面的优化设计倾向于面积较小等结论。LID措施的实施需要考虑社会、环境和经济等多方面效益,国外一些学者对此提出许多LID方案评估决策框架,并用于实际案例。SeyedHamedGhodsi等提出城市径流管理综合框架,利用SWMM、NSGA-II算法等工具,同时提出并应用一种新的社会选择程序———成对投票方法来选择最优的管理方案。拟议的框架适用于伊朗德黑兰北部城市的城市水质和数量管理。NiveditaG等探讨发展中国家人口稠密地区选择最可持续雨水管理方案的决策框架。该框架中有4项主要标准(技术、经济、环境和社会)包括3个定量和8个定性指标,评估程序包括评估量化分数,然后使用专家意见来量化定性标准,各标准权重取决于专家的意见。

4我国LID方案优化研究

4.1LID发展现状近年来,我国大力推广低影响开发理念,颁布了许多相关LID规范,确定了海绵城市建设试点城市。但是我国LID设计者没有统一完善的技术标准,部分政府官员对低影响开发理念的理解还不够全面,普通群众也不能理解熟知低影响开发理念,因此我国需要建立完善的LID规划、开发、评估等设计体系,对相关政府官员进行低影响开发理念的培训学习,同时政府加大低影响开发理念的宣传力度,让普通群众也加入到LID设计过程中。由于我国没有完整的低影响开发理论和技术体系,大部分研究停留在LID理论方面以及小地区的试验实践。LID的理论研究包括引入国外理论、国内技术探索、纲领性指导策略等。在项目实践方面,我国LID工程处于试验阶段,因此建设规模较小,且大都集中在南方地区,对于北方寒冷地区的LID研究较少。此外,模型工具可以有效指导设计、评估LID措施,我国LID方案的设计评估普遍应用国外模型工具。国内开发的相关模型应用范围小,并且没有经过大量工程实践的验证,运行过程存在不确定因素。

4.2LID方案优化方法随着海绵城市在我国的大力推进,国内相关学者在LID方案优化方面也进行了一些探索,主要集中在框架性指导策略和模型工具运用两方面的研究。目前,评估LID效果的模型工具有很多,我国建设行业工作者会引用国外一些研究技术或者自主开发模型工具来评估LID方案的可行性。刘标等结合湖南某独立排水小区,利用SWMM研究5种典型LID设施径流控制效果,选定LID设施的初筛方案,再运用SUSTAIN优化模块对初选方案进行实施参数的优化,得到成本-效益最优的LID设施最终方案。宋奔奔等借助SWMM模型研究生物滞留池按照不同位置和不同规模布设下的水文时空效应。模型工具不仅可以评估LID措施的运行效果,还能分析多个措施组合情景,选出最佳组合方案。黄国如等构建区域PCSWMM模型,分析下凹式绿地、绿色屋顶和透水铺装3种LID措施的不同组合方案对径流量和污染物的削减能力。国内一些学者对LID方案的评估流程也提出了想法,并在实践中进行验证。谢家强等对城市防洪减灾方案进行综合评价,综合评估框架由遥感和地理信息系统数据以及二维水文模拟和生命周期成本等组成。该评估框架已经应用到上海一个发达地区。王明明等提出一种利用SWMM模型求解蓄水池优化方案的两阶段优化框架。该框架包括分析、迭代两个模块,分析模块是使用两个指标(洪水深度和洪水持续时间)对淹没节点进行评估和排序,迭代模块即采用广义模式搜索(GPS)方法获得最优方案。

5展望

低影响开发雨水排水系统在全球范围得到越来越多的推广应用,同时LID方案的优化研究也越来越受到重视。对于LID方案优化还需要深入研究以下几个问题:第一,低影响开发措施的方案研究大多运用在新开发区,但往往老城区才是城市内涝灾害的发生地,故未来对于老城区的LID改造需得到重视。第二,评估LID方案经济效益的工具很多,但是计算过程复杂,没有公认的、有代表性的计算工具。若能研发出简便计算工具,有效分析LID成本与效益关系,将能很大程度上提高设计效率。第三,LID措施实施后,需要建立实施效果评价体系,检测相关数据,为今后方案设计提供适用的设计参数。

[参考文献]

[1]董哲仁.城市河流的渠道化园林化问题与自然化要求[J].中国水利,2008(22):12-15.

[2]陈秉楠.新开发区低影响开发设施布置优化研究[D].深圳:深圳大学,2015.

[3]董哲仁.河流生态修复[M].北京:中国水利水电出版社,2016:100-102.

[4]王建龙,王明宇,车伍,等.低影响开发雨水系统构建关键问题探讨[J].中国给水排水,2015,31(22):6-12.

[5]冀紫钰.澳大利亚水敏感城市设计及启示研究[D].邯郸:河北工程大学,2014.

作者:刘芳 赵进勇 路明 彭文启 王琦 张晶 单位:河北工程大学

中国科技财富杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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