1. 引言
随着城市化的快速发展，城市不透水面积大幅度增加导致下垫面的渗透能力减小，并且极端暴雨天气频繁出现，使得“城市看海”现象频频发生，给城市居民造成巨大的生命财产损失 [1]。有数据统计，2016年河北省邢台市发生了特大洪涝灾情，21个县区市受灾，死亡35人，失踪12人，直接经济损失68.97亿元 [2] ；2017年陕西省有6个市受到了洪涝灾害的影响，56.8万人受灾，2.6万余间房屋损坏，直接经济损失达90.1亿元 [3] ；2019年受台风“利奇马”的影响，我国浙江、江苏、山东省的多个城市发生了严重的洪涝灾害，大量的交通、通讯、供电、供水设施被严重损坏 [4]。
传统灰色排水的发展理念存在建设成本高、效果有限等不足，已经无法满足现代城市可持续发展的需要。为此，国内外学者致力于寻求更为有效的排水措施来应对城市洪涝问题。1987年，“雨洪最佳管理措施”一词最早出现在美国的《清洁水法》修正案中，指的是通过设置雨水湿地、雨水池塘、渗透设施等来蓄滞雨水以达到管理雨水资源的目的 [5] [6]。1990年，美国环境资源署在雨洪最佳管理措施的基础上提出了低影响开发(LID)，该理念能从源头对降雨径流进行管理，从而综合缓解内涝、水污染等城市水问题。LID措施被认为是比传统排水系统更可持续的城市雨水管理方案，实践证实其在控制污染、充分利用雨水资源以及促进经济效益增长方面效果明显 [7] [8]。英国建立了可持续城市排水系统(SUDS)来减少城市内涝、控制排水造成的水体污染 [9]。澳大利亚为了更好地实现雨水资源利用、雨洪控制及水质控制，提出水敏感性城市设计(WSUD)来改进传统开发措施 [10] [11]。德国、新加波、瑞典等国家的雨洪管理技术也已达到了先进水平 [6]。例如，2015年Baek等 [12] 利用SWMM模型进行仿真，对如何选择生物滞留池、雨水桶、下凹式绿地、透水铺装等LID设施的合适尺寸进行了研究 ；2016年，Daniel等 [13] 人将SWMM与ArcGIS耦合模拟并分析了西班牙多诺斯蒂亚(Donostia)的可持续城市排水系统与传统排水系统在城市防洪中的效果，结果证明了可持续城市排水系统能有效减少径流量。2017年，Kyle等 [14] 对LID的应用和功能进行了综述，详细介绍了绿色屋顶、透水铺装等典型LID设施的结构、费用、缺点等。
然而，我国对雨水的管理相对于国外起步较晚。随着国外低影响开发理念的传播和发展，越来越多的国内学者重视将城市发展与生态建设相结合，以降低暴雨径流并提高雨水利用率。例如，2009年，车伍等 [15] 提出了低影响开发绿色建筑体系来实现城市雨水的高效回收利用并分析了LID理念带来的效益；2015年，牛帅等 [16] 以天津大学新校区为例，分析讨论了LID设施对城市洪水的控制效果；2017年，XIE等 [17] 基于二维模型MIKE URBAN模拟了上海杨浦区不同重现期、不同历时的设计暴雨下排水管道的水力负荷并基于全生命周期成本评价法对LID设计方案进行评价，结果表明在长历时降雨事件中，雨水桶、透水混凝土与绿色屋顶组合的效果最好。我国在2012年4月首次提出了“海绵城市”的概念，即城市在适应环境变化和应对自然灾害时能够像海绵一样具有良好的弹性；2013年12月，习总书记强调要建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市。此后，全国各试点城市在相关部门的指导下陆续开展当地的海绵城市建设，从而达到综合控制、利用水资源的目的 [18]。然而我国关于城市LID改造措施的评估相对较少，尤其是针对LID组合改造方案优选的研究，难以支撑目前国家海绵城市建设需求。因此，开展LID改造措施模拟与评估的研究是有必要的，其对于指导海绵城市建设具有重要的现实意义。
本文以湖南省长沙市的某城市片区为研究对象，基于SWMM构建降雨径流模型，对研究区域50年一遇降雨条件下的排水管网现状以及初选的五种LID改造方案对雨水径流量、洪峰流量等的控制效果进行模拟，并采用层次分析法选择较优的LID组合改造方案。该研究旨在缓解城市内涝灾害，为城区LID设施改造的规划与设计提供参考。
2. 研究区域概况及资料
2.1. 区域概况
长沙市(东经111˚53'~114˚5'，北纬27˚51'~28˚40')位于湖南省东部偏北，处于湘江下游和长浏盆地西缘。2017年，长沙市的城市化率达到77.6%，城市化水平较高。长沙市属亚热带季风湿润区，年均气温17.2℃，年平均降水量1423 mm，降水充沛。本文研究区域位于长沙市东部，总面积为3.76 km2，东邻浏阳河，其位置如图1所示。
2.2. 地形概况
研究区10 m精度的DEM数据及土地利用类型数据如图2所示。研究区域的最高高程为72.8 m，最低为28.6 m，地势由东向西呈升高趋势。土地利用类型主要包括住宅、商业用地、学校、路网等9种。
Figure 2. DEM data and Land use data of the study area
图2. 研究区域DEM数据和土地利用数据
2.3. 降雨资料
收集研究区域1970~2017年的降雨数据并进行频率分析，采用同频率分析法得到重现期为50年一遇的设计降雨，如图3所示。该设计降雨的降雨量为260 mm，降雨强度峰值为132 mm/h。
3. 研究方法
3.1. SWMM模型
目前国内外主要有几十种城市排涝系统模拟模型，其中SWMM、InfoWorks、MOUSE三个模型因集水文模块、水力模块与水质模块于一身并对场次序列与长序列均能够执行模拟而被广泛应用 [19]。SWMM模型不仅具备LID模块，而且供用户免费使用，可对模型进行二次开发，操作简便。因此本文采用该模型来完成排水管网现状和LID效果的模拟研究工作。
SWMM (Storm Water Management Model)是由美国环保署(Environmental Protection Agency)于20世纪70年代开发的城市降雨径流模型，主要应用于城市排水、防涝工程的规划、设计与管理 [20]。
Figure 3. Design rainfall of 50-year return period
图3. 50年一遇设计降雨
3.1.1. 模型原理
1) 产流原理
产流是降雨扣除下渗、植物截留等的损失后形成径流的过程。SWMM模型提供了Horton、Green-Ampt、SCS-CN (曲线数)三种方法来计算下渗损失。本研究采用在城市小流域降雨径流模拟中常用的Horton法。
2) 汇流原理
汇流是净雨汇入河网并通过河网汇集到出口断面的过程，可分为坡面汇流、管网汇流与河网汇流过程。SWMM模型对于模拟管道汇流过程提供了恒定流模式、运动波与动力波三种方法。由于动力波模拟法可以进行准确有效的模拟计算，故本研究选择动力波法。
3.1.2. 管网概化结果
根据管网资料和下垫面的构成情况，将研究区域概化成85个子汇水单元，85个汇水节点，89段排水管道、2个排放口和2座泵站。如图4所示。
Figure 4. Drainage pipe network diagram for the study area
图4. 研究区域排水管网概化图
分析SWMM模型各参数的敏感性，发现N-imperv、Max.infil.Rate、Min.infil.Rate和Decay constant这四个参数对模型模拟结果的影响较为明显。基于董欣等 [21] 人的研究，参数N-imperv的值分布在区间0.012~0.025内的频率最高。为了减小参数选取对模型不确定性的影响，N-imperv取0.012~0.025区间的均值0.018。根据参考文献 [22]，Max. infil. Rate、Min. infil. Rate和Decay constant的值分别取为76.2、3.81和2.5。由于研究区域无实测径流资料，本文根据刘兴坡 [23] 在《基于径流系数的城市降雨径流模型参数校准方法》一文中提出的方法来验证模型，结果表明本文构建的模型的参数设定是合理的。
3.2. LID场景设定
选择低影响开发设施应因地制宜，充分考虑城市下垫面条件、空间因素以及其他特殊因素。经过多个指标的筛选，初步选择透水铺装、绿色屋顶、下沉式绿地、生态草沟、生物滞留设施及雨水储存设施共6种LID设施作为研究区的LID设施。结合研究区域的实际情况设计五种LID组合方案，具体如表1所示。
3.3. 层次分析模型构建
层次分析法(Analytic Hierarchy Process)是20世纪70年代初由美国运筹学家T. L. Saaty教授提出的，简称AHP [24]。其优点是使复杂问题层次化、条理化并且计算简便，因而在设计管理与风险投资等多个领域得到了广泛的应用 [25] [26]。
构建AHP模型评价五种LID组合方案。将最优方案作为目标层要素，其评价指标作为中间层要素，五种LID方案作为最底层要素。确定各层次的两两判断矩阵，采用归一化方法给矩阵赋值。
综合评价分析的AHP模型见图5。选取径流峰值、溢流节点数、排放量、径流系数、总溢流量评价方案防洪排涝效果，基于生态环境和社会公众效益评价方案的社会效益，并根据全寿命周期成本分析成本效益。其中，基于生态环境效益、社会公众效益的优选参考《海绵城市建设技术指南》等相关文献。全寿命周期成本包括年均建设成本及年均维护成本，参考相关文献 [27]，并假设LID改造方案的使用年限为30年。计算得到的建设和维护成本价格见表2。
Table 2. Average annual cost price of construction and maintenance for LID schemes
表2. 各LID方案年均建设与维护成本价格
Figure 5. Analytic hierarchy process model for comprehensive evaluation analysis
图5. 综合评价分析的AHP模型
4. 结果分析
4.1. 现状评估
在50年一遇设计降雨情境下，研究区域现状模拟结果见表3。研究区域的溢流节点数量占总结点个数的比例为59%，溢流总量达到了1.26 × 105 m3。节点大面积、长时间的溢流会形成大量积水，会严重威胁城市行人、车辆等的安全。
50年一遇设计降雨情境下管网的排水能力变化过程如图6所示。其中图6(a)、图6(b)、图6(c)和图6(d)分别代表了第0 h、第8 h、第12 h与第24 h的管道状态，用深蓝色到红色的变化表示管道超载程度和节点溢流程度的递增变化过程。图6(a)为模拟的初始时刻，结果显示排水系统尚未发生节点溢流和管道超载；图6(b)显示几乎所有管道超载，呈现红色；图6(c)显示管道超载减弱，个别管道发生超载；图6(d)为降雨过程的结束时刻，前期的溢流也已经排出，所有管段颜色恢复至蓝色。
Table 3. Simulation results of the current situation
表3. 现状模拟结果
Figure 6. Overflow of pipes and nodes at different times
图6. 不同时刻管道超载、节点溢流情况
4.2. LID方案效果评估
利用SWMM模型中的LID模块模拟五种LID组合设计方案的效果。模拟结果见表4。
Table 4. Simulation results of different schemes
表4. 不同方案模拟结果
从各个方案对系统排放总量削减效果的角度来看，方案一 > 方案三 > 方案二 > 方案五 > 方案四。方案一对研究区域排放总量的优化效果优于方案三是因为方案一中的雨水储存设施对雨水蓄滞能力的上限大于生物滞留设施。即当降水量达到生物滞留设施的滞蓄上限时，方案一中的雨水储存设施仍能继续收集雨水，缩减总排放量；从径流系数削减的角度分析，方案优越性的大小顺序依次为方案一 > 方案三 > 方案二 > 方案四 = 方案五；在削峰效果方面以及下渗量的增加率方面，方案三均要优于其他四种方案。
可以看出，五种方案都能有效地减少超载管道的数量并缩短管道的超载时间。所有LID方案均可有效地将管道的超载时间控制在2 h之内。在节点溢流削减方面，五种LID方案的效果要更加明显。相比于改造前，五种LID方案的溢流节点均可减少50%以上；对于溢流总量，五种LID方案均将节点溢流总量缩减至88 m3之内，与之前126,041 m3的溢流水量相比，LID方案效果明显。综上所述，低影响开发理念在缓解城市洪涝问题上效果良好。
4.3. 方案优选评估
基于层次分析法分别构建防洪排涝效果、成本效益、社会效益以及综合评价模型。
1) 基于防洪排涝效果的LID方案优选
根据SWMM的模拟结果构造水文防洪作用的判断矩阵。计算并分析得出，五种LID方案的防洪排涝效果优劣次序依次为方案一 > 方案三 > 方案五 > 方案四 > 方案二。
2) 基于成本效益的LID方案优选
根据LID设施的年均建设成本与年均维护成本进行计算，结果显示五种LID方案成本效益的优劣次序依次为方案二 > 方案三 > 方案一 > 方案五 > 方案四。
3) 基于社会效益的LID方案优选
本文将节水效益、LID运行稳定性效益与除污效益作为生态环境效益的评价指标，将LID景观效果带来的示范性效益作为社会公众效益的评价指标。计算结果显示五种LID方案的社会效益优劣次序依次为方案三 > 方案五 > 方案一 > 方案四 > 方案二。
参考相关文献 [27] [28] 的研究成果得到五个方案的防洪效果权重系数、成本效益权重系数及社会效益权重系数分别为0.4、0.2、0.4。根据权重系数进行加权计算，可得到五种LID方案的综合能效权重值。
五种LID方案分别在防洪排涝效果、成本效益、社会效益三个不同侧重点下的优劣性如图7的(a)、(b)、(c)所示。从综合效益来看，方案三为兼顾防洪排涝效果、成本效益及社会效益的最优方案，并且由成本效益可以看出方案三的整体投资也是比较小的，因此在进行研究区域实际低影响改造时选择方案三具有一定的合理性。
Figure 7. Comprehensive weight values of various schemes
图7. 各方案综合权重值
5. 结论
本文基于SWMM模型对长沙市某城市片区进行排水管网现状模拟，遵循因地适宜的原则设计了五种LID组合方案，模拟其实施效果并利用层次分析法进行方案优选。主要结论如下：
1) 采用SWMM模型对长沙市的某城市片区进行排水管网现状模拟，发现在50年一遇的降雨条件下有59%的节点发生了不同程度的溢流现象，节点溢流总量达1.26 × 105 m3，故基础设施的排水能力不足。
2) 综合排涝效益、成本效益、社会效益三个方面对五种LID组合方案进行评价，得出方案三为较优方案，即透水铺装、绿色屋顶、生物滞留设施和下沉式绿地四种LID设施组合。方案三可以使管道超载个数降低为原来的67%，超载时长控制在2 h以内，节点溢流个数降低为原来的50%，并且降低节点溢流总量至60 m3。本文的研究框架同样适用于其他城市区域的LID改造，研究结果可为城市防灾减灾及可持续发展提供更加准确、科学的参考依据。
基金项目
该研究是在国家重点研发计划课题(2016YFC0402203)、国家自然科学基金青年项目(51708086)、中央高校基本科研业务费(DUT18RC(3)072)的资助下完成的。
参考文献