陈泓宇 董宇翔 李 雄 刘志成 林辰松
(1.北京林业大学园林学院, 北京 100083; 2.同济大学建筑与城市规划学院, 上海 200092)
建筑是城市主要的下垫面类型之一,同时也是城市径流与雨洪问题主要的“源”空间。建筑外环境指建筑室外一定范围内的道路、绿地、水体等[1],以单位、园区、校园为径流控制单元,通过建筑外环境的低影响开发设计(Low Impact Development, LID),将雨水径流控制在建筑及建筑群周边一定的空间范围内,能够有效地减轻管网运行压力,削减城市径流危害[2],提升雨水资源利用率,是实现“海绵城市”建设与城市可持续发展的重要途径。
自我国开展“海绵城市”建设以来,已经形成了较为普适的低影响开发方法与设计流程[3],并积累了一定的针对建筑外环境低影响开发设计的研究与成果[4-5],然而相关研究在开展建筑外环境LID设施布局时,多套用一般性绿地的设计方法,特别是在量化LID设施规模时多依据水量平衡法,基于下垫面类型与降雨量计算理论地表径流产值并转换为LID设施规模值[6],但由于忽视了下垫面其他属性以及径流汇流过程的水文效应,以此方法得到的LID设施规模往往过大、设施空置率高[7-8],造成建设浪费。为合理量化LID设施规模以实现节约化建设,已有相关研究通过构建数学模型,协同考虑LID设施的生态因素与经济因素,借助计算机辅助设计软件优选LID设施规模[9],如邵明、李沐寒等运用SUSTAIN模型优选了绿地LID设施建设的成本最优方案[10-11],刘家琳等针对山地环境空间提出了水文-成本综合效益的雨洪管理设计方法[12]。然而在研究对象层面,针对建筑外环境的有关研究相对较少。
建筑屋顶径流水量大,水质良好,收集于建筑外环境的雨水径流不仅能够用于绿地日常养护,还可就近回馈建筑用水,且依托于较高的管理精度,雨水资源化的实现度更高,因此建筑外环境相对于其他城市环境具有更广泛的径流利用途径和更强的雨水资源化潜力。然而,目前有关研究大多仅在数学层面考虑了LID设施雨洪效能与建设经济成本的平衡,且未能分类量化LID设施,从而导致如雨水罐等以高质量径流为目标、以存蓄利用为主导功能的设施,因建设成本较高而被排除在优化方案之外[13],且可能导致建设后多类型径流混合收集,径流水质难以满足回用需求而造成LID设施无效建设等问题。因此在研究内容和结果层面,现有节约式低影响开发设计并不能完全匹配建筑外环境雨水利用特征,限制了建筑外环境通过雨水资源化产生长期经济效益的优势与潜力,造成了实际上的浪费,亟待对现有方法进行细化以匹配建筑外环境的低影响开发场景。
此外,在国外景观绩效系列(Landscape Performance Series,LPS)、场地可持续性设计行动计划(Sustainable SITES Initiative,SITES)等绩效评价体系中,雨水资源利用率均被作为雨洪绩效评估的重点[14-15],而我国住建部所印发的《海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)》中,同样将雨水资源利用率作为重要考核指标。所以,协同建筑外环境低影响开发建设成本控制与间接经济效益优化不仅是实现优化LID设施建设性价比的重要途径,更是落实我国“海绵城市”建设理念的关键命题。
综上,本研究将针对建筑外环境,基于LID设施目标收集径流和功能导向的差异性,细化建筑外环境LID设施规模的量化和空间分配过程,构建一套满足径流控制目标,同时有效控制LID设施建设成本,且能保证雨水资源利用率的经济型低影响开发设计模式。选择南阳一中校园为试验对象,运用该方法优选LID设施布局方案,以验证方法的可行性,以期为建筑外环境高绩效低影响开发设计与我国“海绵城市”的高质量建设提供范例与参考。
2.1 基本流程
LID设施一般可分为渗透、传输、存储利用、截污净化等类型[16]。本研究拟通过最节约的LID设施规模,同步达到目标径流控制率与最优雨水资源利用率,实现绿地低影响开发的节约化建设,因此重点选择渗透型、传输型设施(称为渗透滞缓型设施),以及存蓄利用型设施进行研究,截污净化装置不在本研究讨论范围内。
因存蓄利用设施同样可发挥一定的径流调控功能,为避免重复量化可能产生的干扰,故首先对存蓄利用设施进行独立量化优选,之后将确定的存蓄利用设施规模作为前置性条件,纳入渗透滞缓型设施的规模量化流程,以针对特定径流控制目标优选渗透滞缓型设施的规模,从而准确控制LID设施规模。
2.2 存蓄利用设施布局方法
2.2.1设施规模量化
因绿地可利用径流量有限,当存蓄利用设施规模过大时,超出可利用径流量的部分将无法发挥设施功能,从而发生无效建设而产生浪费;同时,绿地用水需求也并非无限制的,当用水需求满足时,尽管能够进一步收集径流,但如果无法实质性利用,也将产生建设浪费。所以,在布局存蓄利用设施时,应优先量化、对比绿地可利用径流量与用水需求量,为存蓄利用设施规模的确定提供依据。
绿地用水分为浇灌水,如湖面、水体等非接触景观水,如喷泉等可接触景观水,以及用于洗地、冲厕的杂用水[17],其中可接触景观水、杂用水的水质要求相对其他用水较高,实际雨水资源化操作中主要依靠收集相对洁净的屋顶径流用以补充,特别是绿色屋顶排放径流,此外未利用完的高质量径流还可用于补充浇灌水、非接触景观水等水质要求较低的用水。因此,本研究基于用水需求差异,将存续利用设施规模量化进一步分为高质量径流收集设施规模、一般水质径流收集设施规模。
因雨水资源利用率以年为单位计算,故本研究以年为一个完整量化周期,并考虑实际运营中对存蓄利用设施的周期性使用情况,将一年划分为若干个子周期,基于降雨量、蒸发量等多年平均气象数据,对比各子周期可利用径流总量、可利用高质量径流量、用水需求总量以及高质量用水需求量,分别求得各子周期所对应的一般水质径流最佳收集设施规模SLi和高质量径流最佳收集规模SHi,满足如下算式:
(1a)
(1b)
式中:SLi为子周期对应最佳一般水质径流收集规模,m3;Ri为子周期i内可利用的径流总量,m3;NLi为子周期i内一般质量用水需求量,m3,SHi为子周期i对应最佳高质量径流收集规模,m3;RHi为子周期i内高质量用水可补水量,m3;NHi为子周期i内高质量用水需求量,m3。
一一对比各子周期的SLi、SHi,进而分别求得其最大值SLmax、SHmax,即得到高质量径流收集设施与一般水质径流收集设施的最优规模CSL、CSH,以及存蓄利用设施的总体最优规模。
2.2.2设施规模分配
由于高质量径流收集设施的径流来源相对固定,且径流存蓄后较少发生向其他存蓄设施转移的情况,因此高质量径流收集设施的规模可基于产生高质量径流的子汇水区面积进行空间上的分配,满足:
(2)
式中:CSHi为子汇水区i内高质量径流收集设施规模,m3;Ai为产生高质量径流的子汇水区i的面积,m2;Ai为产生高质量径流的子汇水区总面积,m2。
一般质量径流由景观水体储存,径流收集后应优先满足于水体的自平衡,在保证水体水量与基本水景效果后,再向外输送用作灌溉等其他用途。景观水体自身用水需求主要取决于水体自身产生的自然蒸发,因此一般景观径流收集设施规模可基于用于存蓄利用径流的水体面积大小进行空间上的分配,满足:
(3)
式中:CSLi为子汇水区i内一般径流收集设施规模,m3;CSLi为子汇水区i内一般径流收集设施规模,m3;Wi为用于存蓄利用径流的水体i的面积,m2;A为用于存蓄利用径流的水体总面积,m2。
2.3 渗透滞缓设施布局方法
减少径流外排、达到特定径流控制率是绿地低影响开发的基本目标,因此渗透滞缓设施布局时,应将补足存蓄利用设施布置后的绿地LID设施系统的径流控制效能作为核心目标,同时兼顾设施建设成本的最优控制。如何构建一种高效的多目标优化方法,平衡绿地低影响开发生态、经济与社会多方面效益已经成为了当下重要议题,部分学者将蚁群算法(Ant Colony Optimization)、遗传算法(Genetic Algorithm)、线性规划(Linear Programming)等多种优化算法引入相关研究,以辅助LID设施的优化[18],并已经能够基于一定的基础设计方案,从类型数量层面对LID设施的种类、规模进行多目标量化优选[19-21],其中,NSGA-II算法 (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm) 作为一种带精英决策的非支配排序遗传算法,因其极佳的收敛性、鲁棒性,以及对最优解的兼容性而被相关优化研究广泛应用[22],证明了NSGA-II算法在解决绿地LID设施布局的雨洪效能与经济节约的协同平衡问题具有良好的可行性、优势性[23],因此,本研究借助Python编程语言耦合NSGA-II算法与SWMM模型构建优化算法平台,以年径流控制率与渗透滞缓设施建设总成本为优化目标,将已布置好存蓄利用设施的低影响开发方案作为基础方案,置入优化平台,从而进行渗透滞缓设施规模与空间位置的同步优选。优化平台构建的具体流程包括雨洪效能计算模块搭建、经济成本计算模块搭建以及多目标优化决策模块搭建。
2.3.1雨洪效能计算模块
雨洪效能计算模块以SWMM软件为载体搭建,承担基础方案模型概化、LID设施基本参数设置、拟布设渗透滞缓设施位置选择以及降雨水文过程模拟。模块搭载SWMM的Python端接口,经过决策变量输入与编辑、数据标准格式化等步骤构建SWMM的输入文件(.inp),调用SWMM内Simulation命令完成对基础方案的全年降雨模拟,以及年降雨总量、年径流排放量等数据的调用与输出,从而计算年径流控制率。绿地年径流控制率计算满足如下算式:
(4)
式中:r为年径流控制率;D为绿地末端出水口的年径流排放量,m3;P为年降雨径流总量,m3。
2.3.2经济成本计算模块
经济成本主要考虑设施的建设成本,通过市场调研获取各设施单位成本,依据当量法根据设施面积进行经济成本计算模块的构建。渗透滞缓设施的经济成本满足如下算式:
(5)
式中:MCI为渗透滞缓设施建设总成本,元;CIji为子汇水区j内渗透滞缓设施i的面积,m2;Ui为单位面积渗透滞缓设施i的建设成本,元/m2。
2.3.3多目标优化决策模块
多目标优化决策引擎基于NSGA-II算法构建,主要基于Pymoo库完成对NSGA-II优化算法模块的编写,将子汇水区中渗透滞缓设施的布置面积作为决策变量,同时接入前述的雨洪效能计算模块、经济成本计算模块,以实现决策变量向决策目标的转换,并基于非支配排序获取帕累托最优解(Pareto optimal solutions),即权衡“年径流控制率-建设成本”多目标的LID设施优化布局,决策过程见图1。
图1 多目标优化决策原理Fig.1 Decision making mechanism of multi-objective optimization
3.1 试验对象概况
试验对象位于河南省南阳市城乡一体化示范区,为南阳一中新建校区。总面积38.3 hm2,其中建筑面积7.1 hm2,含绿色屋顶6.6 hm2,绿地面积14.1 hm2,水体面积1.3 hm2,含喷泉等可接触水体0.4 hm2,道路及场地面积15.8 hm2(图2)。
图2 南阳一中校园平面Fig.2 Plan of Nanyang No.1 High School
南阳市地处我国半湿润气候区,年均降雨量为765.2 mm,年均蒸发量964 mm。当地降水充沛,结合实验对象内建筑数量多、屋顶规模大以及下垫面硬化比例高的基址情况,实验对象地表产流能力强,不仅具有突出的低影响开发以调节径流的需求,同时还具备较大的雨水资源化潜力。此外,因当地蒸发量显著高于年均降雨量,绿地浇灌、景观补水均需额外调配、补充,因此实验对象开展节约式低影响开发,不仅能够优化校园建设投资配置,同时也是降低绿地日常维护管理成本的重要需求。
3.2 存蓄利用设施量化与布局
3.2.1数据预处理
1)采用2011—2020年南阳卧龙站日降雨统计数据,以7 d为一量化子周期,将全年降雨划分为53个子周期(最后一周期为8 d),并计算得到近十年平均的逐周降雨数据。
2)针对各子周期,通过各子周期降雨总量、下垫面类型、面积及对应径流系数对子周期可利用径流量进行估算,其中,径流系数基于文献[20]研究取值:一般屋顶1.0,绿色屋顶0.5,绿地0.2,水体1.0,道路广场0.95,计算满足如下算式:
(6a)
(6b)
式中:Ri为子周期i内可利用径流总量,m3;Pi为子周期i内的降雨总量,mm;ρj为第j种下垫面的径流系数;Aj为第j种下垫面的面积,m2;ρfj为第j种屋顶的径流系数;Afj为第j种屋顶的面积,m2。
3)分别计算子周期内高水质用水、一般水质用水需求量:考虑校园实际用水情况以及管理便捷程度,高质量用水需求量考虑3个办公建筑的冲厕用水补充、主要道路冲洗及接触性水体补水,参考相关研究及统计[24],分别取日均建筑冲厕用水量、日均道路冲洗用水量1 m3/(冲洗器·d)、0.003 m3/(m2·d),单周冲厕用水计算天数仅计入5个工作日,单周道路冲洗天数以周均非降雨日天数计算,接触性水体补水需水量基于水体面积与当地蒸发量计算;一般水质用水需求量考虑非接触性水体补水及绿地浇灌用水,非接触水体补水基于水体面积及当地蒸发量计算,绿地浇灌用水需求量基于邱振存等的研究[25],通过园林植物灌溉用水估算式,基于实验对象绿化方案计算得到各子周期的浇灌需水量,绿地浇灌用水计算满足如下算式:
(7)
式中:NIi为子周期i内绿地灌溉需水量,m3;Ag为绿地总面积,m2;Kg为园林系数;ET0为参照作物蓄水量,mm/d;Rei为子周期i内的有效降雨量,园林中常取真实降雨量的50%,mm。
3.2.2设施规模量化与分配
在同一“水量-子周期”直角坐标系中,绘制可利用径流量、用水需求量、可利用高水质径流量、高质量用水需求量曲线(图3),基于式(1),求得存蓄设施总体规模4 170.8 m3,包括高质量径流收集设施规模1 511.3 m3,一般质量径流收集设施规模2 659.5 m3,并基于式(2)、(3),分别进行空间上的规模分配,其中高水质径流由雨水罐收集,一般水质径流通过景观水体的调蓄空间收集,雨水罐体积、水体调蓄体积如表1、表2所示。
表2 水体调蓄体积分配结果Table 2 Distribution results of volumeof water body storages
3.3 渗透滞缓设施量化与布局
3.3.1模型概化与参数设置
在SWMM模型中基于下垫面类型将实验对象概化为211个子汇水区、8个储水节点、1个末端排水节点(图4),汇水区面积、坡度、不透水比例等依据实际设计方案制定;渗透模型选择霍顿模型,依据场地土壤条件及相关规范[26],设置最大入渗速率、最小入渗速率、衰减常数分别为76.2 mm/h、10 mm/h、4 h-1;LID设施方面,绿色屋顶依据实际绿色屋顶设计方案制定其参数,雨水罐基于前述研究分配结果一一设定体积并置入相应子汇水区中,水体调蓄空间由储水节点的储水曲线控制,选择雨水花园、透水铺装、植草沟三类设施用作本研究的渗透滞缓设施,依据典型工程做法设置其模型参数,LID设施主要参数见表3。
图4 SWMM概化模型Fig.4 Generalized model in SWMM
表3 LID设施主要参数Table 3 Main parameters of LID controls
由于南阳市尚未出台海绵城市规划,因此依据我国《海绵城市建设技术指南》对全国年径流控制率分区划分,南阳市年径流控制率建议取值75%～85%,从而取年径流控制率大于等于75%作为本次优化的目标下限[27]。校园建筑、主要道路及运动场等已于前期完成设计和建设的内容,故排除于本次优化范围,同时考虑对校园日常使用功能与景观效果的保证,在优化算法中对雨水花园、植草沟、透水铺装的可布设子汇水区进行约束。基于市场调研,设定雨水花园、植草沟、透水铺装建设单价分别为450,100,220元/m2。
在遗传规则方面,采样方式为随机采样,选择算子采用锦标赛选择机制,交叉算子和变异算子均采用Pymoo默认方式,即模拟二进制交叉和多项式变异[28],交叉概率为0.9,变异概率为0.1,算法初始种群规模为50,迭代次数为50,单次降雨情景完成2 500次模拟。
3.3.2设施规模量化与分配
选择近十年内年降雨量与南阳市年均降雨量765.2 mm相对接近的2013、2016、2017年降雨数据,分别在优化平台内置入其逐日降雨数据并运行模拟,得到各年模拟情景中满足优化目标的最优解集(图5),发现最优解的年径流控制率与设施建设成本呈显著正相关。考虑项目实施与设计方案可能存在的差异,为预留容错空间,将年径流控制率优选上限设为85%,同时相关研究表明设施建设成本与径流控制效果间存在“性价比最优点”[29],即在该点径流控制率曲线随设施成本增加而开始趋于平缓,因此,为最优化LID设施的建设投资,本研究通过“Utopia point”法在不同年份降雨情景的各优化解集中选取径流控制率75%～85%区间内的“性价比最优点”[30],并求得成本及年径流控制率平均值,见表4。
表4 各模拟情景“性价比最优点”Table 4 “Best cost performance point” ofeach simulation scenario
查验各年降雨情景模拟优化解,一一对比发现在2016年模拟情景中,当最优解径流控制率为80.6%时,其对应建设成本为709.4万元,与多年份模拟的平均值最为接近,故选择2016年模拟情景所得径流控制率80.6%时的优化布局结果作为实验对象渗透滞缓设施的布局方案,具体布局方案为雨水花园3 905.93 m2,植草沟11 413.74 m2,透水铺装18 032.01 m2,各设施具体空间布置位置可直接由SWMM模型中子汇水区LID布设情况得到。
3.4 效益模拟与分析
3.4.1雨洪调控效能模拟分析
为进一步量化优化方案的暴雨应对能力,本研究基于暴雨计算公式,得到当地重现期为2,5,10 a的2 h降雨量(78.2,104.0,123.6 mm,芝加哥雨型,峰现0.4),并在SWMM模型中对试验对象在上述3种降雨情景的末端径流排放情况进行模拟,发现在重现期为2,5 a的2 h降雨情景中,试验对象均不产生径流外排,表明优化布局方案能够有效应对至少5 a重现期内的暴雨。
基于2021年南阳卧龙站逐日降雨统计数据,在SWMM模型中对LID设施的优化布局方案进行全年的降雨模拟,输出末端排水口的排放径流总量,计算得到试验对象在2021年降雨总量834.1 mm的模拟情景中,年径流控制率为82.0%,介于75%～85%区间,符合目标要求。查验发现虽然2021年降雨总量、连续降雨天数均大于2016年,但由于2016年南阳市单日降雨极值显著大于2021年单日降雨极值,造成了2016年模拟情景径流排放量显著上升,致使年径流控制率略低于2021年。说明优化方案对于高降雨总量、一定规模的连续降雨均有较好适应性,但对于集中式高强度暴雨的应对能力有待提升。
3.4.2节水效益模拟分析
基于2021年逐日降雨数据量化2021年试验对象的各类用水需求量,并结合SWMM模拟结果,得到试验对象年用水需求总量136 663.69 m3,年收集径流总量35 212.85 m3(高质量径流4 496.59 m3,一般质量径流30 716.26 m3),通过有效利用径流而实际节约用水总量17 274.38 m3(高质量径流4 496.59 m3,一般质量径流12 777.79 m3),雨水资源有效利用率49.1%,其中27个子周期有效利用率达100%。依据自来水价格5.3元/t计算高质量径流节水费用,中水价格2.2元/t计算一般质量径流节水费用,2021年实验对象通过雨水资源化利用有效节约用水成本5.19万元。
1)本研究基于建筑外环境径流调控需求与雨水资源化潜力,以LID设施的功能导向为依据,细化了LID设施布局的设计流程,分别构建了存蓄利用设施、渗透滞缓设施的规模量化与空间分配方法,提出了兼顾径流控制率、雨水资源利用率以及设施建设成本节约的经济型低影响开发设计模式,为解决低影响开发中存在的设施浪费以及雨水资源利用低效的问题提供了新的途径。
2)本研究以南阳一中校园为试验对象,运用研究所得方法得到了其LID设施的优化布局结果,并基于2021年实际降雨数据、多年重现期设计降雨数据,模拟了布局方案的效益,证明了方法的可行性和合理性。优化布局方案为:雨水罐1 511.3 m3,调蓄水体2 659.5 m3,雨水花园3 905.93 m2,植草11 413.74 m2,透水铺装18 032.01 m2。该方案可至少应对重现期5 a的2 h降雨,在2021年降雨模拟情景中,年径流控制率达82.0%,并可有效节约用水成本约5.19万元。
3)研究过程中发现,LID设施优化布局方案能够在一定规模的连续降雨中仍表现良好,但单日极端暴雨情况将显著影响LID设施效能致使绿地年径流控制率降低。随着全球气候变化,极端暴雨事件的偶然性上升,未来应进一步考虑将气候变化因素纳入现有LID设施规模量化体系之中,以提升LID设施布局方案对于暴雨的适应能力。
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