摘 要：城市雨洪管理是國(guó)際研究熱點(diǎn)和前沿，也是中國(guó)城市綠色發(fā)展的重大需求。在此背景下，中國(guó)大力推進(jìn)海綿城市建設(shè)，但仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中雨洪管理措施的空間布局優(yōu)化對(duì)提高海綿城市的建設(shè)效果具有重要意義。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，闡明了城市雨洪管理措施布局優(yōu)化的相關(guān)定義與內(nèi)容范疇，構(gòu)建了雨洪管理措施布局優(yōu)化問(wèn)題前準(zhǔn)備-模型算法-后評(píng)估-決策的全流程結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)地分析布局優(yōu)化各步驟的相關(guān)信息，探究了當(dāng)前該框架各部分的研究現(xiàn)狀和差距，為實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)的布局優(yōu)化，提出了改進(jìn)建議?；谇皽?zhǔn)備-模型算法-后評(píng)估-決策的全流程結(jié)構(gòu)，開展城市雨洪管理措施空間布局優(yōu)化，對(duì)促進(jìn)中國(guó)海綿城市建設(shè)事業(yè)的發(fā)展具有重要的理論意義與實(shí)踐價(jià)值。

關(guān)鍵詞：海綿城市；城市雨洪管理措施；布局優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TV21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-9235（2024）10-0001-14

Layout and Optimization of Urban Stormwater Management Measure： A Review

LIU Jie1，2， SHANG Yuchang1， ZHANG Xiang2，3， GUI Haijiao2，3

（1. School of Architecture and Civil Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106， China; 2. Hubei Key Laboratory of Water System Science for Sponge City Construction， Wuhan University， Wuhan 430072，China; 3. State Key Laboratory of Water ResourcesEngineering and Management， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： Urban stormwater management is an international research hotspot and frontier， and it is also a major demand for urban green development in China. In this context， China vigorously promotes the construction of sponge cities but still faces many challenges， among which the spatial layout optimization of stormwater management measures is of great significance in facilitating the construction of sponge cities. By analyzing the relevant literature at home and abroad， this paper clarifies the relevant definition and content scope of the layout optimization of urban stormwater management measures， constructs the whole process structure including pre-preparation， model algorithm， post-evaluation and decision-making of the layout optimization of stormwater management measures， systematically analyzes relevant information of each step of layout optimization， explores current research status and gaps of each part of the framework， and puts forward suggestions for more scientific layout optimization. Layout optimization of urban stormwater management measures based on the whole process structure above is both theoretically and practically momentous for promoting the construction of sponge cities in China.

Keywords： sponge city; urban stormwater management measures; layout optimization

水安全問(wèn)題是全球人類未來(lái)面對(duì)的重大戰(zhàn)略問(wèn)題。城市作為人口、財(cái)富以及各種基礎(chǔ)設(shè)施高度集中的地區(qū)，保障水安全顯得尤為重要。自20世紀(jì)改革開放以來(lái)，隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化水平也在不斷提高，2023年末，中國(guó)常住人口城鎮(zhèn)化率達(dá)到66. 16%［1］。隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城市下墊面發(fā)生了顯著變化，城市不透水面積增加，下滲量和地下水補(bǔ)給量減少，導(dǎo)致地面徑流增加，城市洪水表現(xiàn)出洪峰流量大、峰現(xiàn)時(shí)間快的特點(diǎn)［2］，加上全球氣候變暖、城市熱島效應(yīng)、凝結(jié)核效應(yīng)等，城市更容易成為暴雨中心［3］；同時(shí)，暴雨洪水對(duì)地面污染物質(zhì)的淋洗沖刷形成面源污染，造成水體黑臭，帶來(lái)嚴(yán)重的城市水環(huán)境問(wèn)題［4-5］；在內(nèi)因和外因共同作用下，城市水文發(fā)生了顯著變化，城市內(nèi)澇問(wèn)題日趨嚴(yán)重，城市河湖水污染問(wèn)題越來(lái)越凸顯，這對(duì)高度城市化地區(qū)的雨水管理提出了更大的挑戰(zhàn)。

面對(duì)城市發(fā)展過(guò)程中雨洪及其相關(guān)的污染問(wèn)題，習(xí)近平總書記在2013年提出了城市建設(shè)新理念：“優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來(lái)，優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市?！弊〗ú?014年印發(fā)的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》指出，海綿城市的本質(zhì)是改變傳統(tǒng)城市建設(shè)理念，通過(guò)低影響開發(fā)措施（Low Impact Development，LID）來(lái)實(shí)現(xiàn)開發(fā)后水文特征接近于開發(fā)前的目標(biāo)。在國(guó)務(wù)院2015年印發(fā)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中，也特別強(qiáng)調(diào)了有條件的地區(qū)要推進(jìn)初期雨水收集、處理和資源化利用，控制徑流污染的排放。海綿城市的推進(jìn)和建設(shè)，對(duì)于城市防洪減災(zāi)，雨水資源化、面源污染防治等方面都具有積極的意義。與中國(guó)海綿城市發(fā)展戰(zhàn)略相似，一些國(guó)際合作組織、政府部門、科研機(jī)構(gòu)在低影響開發(fā)應(yīng)用方面展開積極探索，開展了一系列城市洪澇研究計(jì)劃與項(xiàng)目。如美國(guó)的“最佳管理措施”（Best Management Practices， BMP）與“可持續(xù)基礎(chǔ)設(shè)施”（Sustainable Infrastructure， SI）、英國(guó)的“可持續(xù)城市排水系統(tǒng)”（Sustainable Urban Drainage System， SUDS）、澳大利亞的“水敏感性城市設(shè)計(jì)”（Water Sensitive Urban Design， WSUD）、聯(lián)合國(guó)的“國(guó)際減災(zāi)戰(zhàn)略”（International Strategy for DisasterReduction， ISDR）等。全球范圍的有關(guān)實(shí)踐說(shuō)明城市雨洪管理措施是解決城市水問(wèn)題的有效手段之一。

然而，常見的城市雨洪管理措施種類繁多，不同類型的措施由于其自身的結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)特性及其在不同特征的區(qū)域的適用性不同，在徑流和污染物控制效果上也有不同的側(cè)重［6］。2016年國(guó)際LID大會(huì)專設(shè)城市水基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化與管理主題，主要討論內(nèi)容涉及城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施（GI）與灰色基礎(chǔ)設(shè)施的耦合優(yōu)化、城市水系統(tǒng)優(yōu)化、LID/GI的空間布局等。會(huì)議達(dá)成《北京共識(shí)》，其中強(qiáng)調(diào)城市雨洪管理措施規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要性。因此，如何根據(jù)擬建區(qū)域特征以及徑流、污染物控制目標(biāo)，將多種城市雨洪管理措施有機(jī)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行優(yōu)化布局，最大限度地實(shí)現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的積存、滲透和凈化，促進(jìn)雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，是城市雨洪管理措施規(guī)劃的核心問(wèn)題，也是當(dāng)前研究的重要方向。

本文旨在總結(jié)城市雨洪管理措施布局與優(yōu)化的定義與內(nèi)容范疇，構(gòu)建城市雨洪管理措施布局與優(yōu)化的基本框架，系統(tǒng)地分析與雨洪管理措施布局優(yōu)化相關(guān)的信息，探究當(dāng)前該框架各部分的研究現(xiàn)狀和差距，并為實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)的優(yōu)化布局，提出改進(jìn)建議。

1 城市雨洪管理措施及其布局、優(yōu)化

1. 1 城市雨洪管理措施及其優(yōu)化的定義

為應(yīng)對(duì)城市化改造過(guò)程導(dǎo)致的一系列下墊面、區(qū)域氣候、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等諸多方面的變化誘發(fā)的城市水問(wèn)題，許多國(guó)家開展了城市雨洪管理的大量實(shí)踐。盡管不同地區(qū)存在不同的管理實(shí)踐與術(shù)語(yǔ)，但考慮到術(shù)語(yǔ)的不同是由地方和區(qū)域?qū)ζ淅斫馀c文化背景的差異所導(dǎo)致的，但不同術(shù)語(yǔ)所定義的概念是存在一定相似性的［7］，以比較常見的低影響開發(fā)LID、最佳管理措施BMP、綠色基礎(chǔ)設(shè)施GI為例，LID指利用場(chǎng)地設(shè)計(jì)最大限度減少不透水區(qū)域并保留自然區(qū)域，從而恢復(fù)自然水文過(guò)程與開發(fā)前的條件；BMP最初應(yīng)用于污染預(yù)防，后來(lái)的應(yīng)用將其擴(kuò)展到處理雨水引起的水量水質(zhì)壓力的管理實(shí)踐，同時(shí)包括結(jié)構(gòu)性及非結(jié)構(gòu)性措施；GI源于為建立城市-城郊-農(nóng)村的包容性系統(tǒng)而應(yīng)用的多尺度綠色網(wǎng)絡(luò)［8］，內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出城市雨水管理的范疇，如今GI在雨水管理的相關(guān)論文中，幾乎與LID同義。如今，這些類似術(shù)語(yǔ)中統(tǒng)一地包含了一些相同的結(jié)構(gòu)性措施，如生物滯留設(shè)施、植草溝、綠色屋頂、透水鋪裝等，即本文所指的“雨洪管理措施”，下文中，以雨洪管理設(shè)施來(lái)指代具有低影響開發(fā)理念的LID、BMP、GI等城市雨洪管理措施總和。

鑒于雨洪管理設(shè)施的多樣性及城市空間變化的復(fù)雜環(huán)境，如何因地制宜布局雨洪管理設(shè)施使其達(dá)到“最佳”的效果，還面臨許多挑戰(zhàn)。城市化是多主體參與、多因素變化的復(fù)雜過(guò)程，其中典型的變化是土地利用的改造，而雨洪管理設(shè)施的建設(shè)涉及到土地空間的占用，與城市環(huán)境中的建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、交通等方面的用地產(chǎn)生矛盾，這一方面導(dǎo)致空間上物理的限制，另一方面產(chǎn)生一些利益沖突，如某些國(guó)家的雨洪管理設(shè)施建設(shè)會(huì)造成私有土地的占用［9］。眾多利益相關(guān)者的參與帶來(lái)的不僅是用地矛盾的問(wèn)題，Ureta等［10］的研究表明，居民對(duì)于綠色基礎(chǔ)設(shè)施的支付意愿因設(shè)施功能及個(gè)人地區(qū)而異；Jayasooriya等［11］發(fā)現(xiàn)，在為工業(yè)區(qū)選擇綠色基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，專家們對(duì)于績(jī)效指標(biāo)的選擇傾向不同，所達(dá)成的是基于三重基本目標(biāo)（環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)）的折衷最佳方案，專家小組的意見反映出減少雨水量對(duì)于產(chǎn)生大量受污染雨水的工業(yè)區(qū)非常重要；Jiang等［12］指出，中國(guó)海綿城市的建設(shè)需要整體、協(xié)調(diào)的跨部門規(guī)劃，因此地方是否具有協(xié)調(diào)的制度框架也成為雨洪管理設(shè)施建設(shè)空間布局的制約因素。包含上述問(wèn)題在內(nèi)的諸多因素，都可能對(duì)雨洪管理設(shè)施的建設(shè)產(chǎn)生空間分異的地理、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)限制，城市雨洪管理措施的布局與優(yōu)化，即克服這樣的諸多限制，并發(fā)揮不同層面的最大效益（水量和水質(zhì)控制、環(huán)境與生態(tài)效益等）。

1. 2 布局與優(yōu)化的內(nèi)容范疇

城市雨洪管理措施的布局，涉及雨洪管理設(shè)施的類型及其組合、單個(gè)設(shè)施的設(shè)計(jì)（規(guī)模與參數(shù)）、設(shè)施的位置3個(gè)方面的內(nèi)容。

不同類型、設(shè)計(jì)、位置的雨洪管理設(shè)施的水文、水質(zhì)及生態(tài)效應(yīng)各異，此前的研究通常通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及模型模擬2種手段研究不同措施的水文生態(tài)效益。例如，李家科等［13］通過(guò)構(gòu)建生態(tài)濾溝的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，研究其對(duì)城市路面徑流的凈化效果及適宜工況；Zhang等［14］通過(guò)對(duì)北京某校園示范工程降雨、徑流、水質(zhì)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，研究綠色屋頂、過(guò)濾帶、透水路面等措施的降雨徑流和污染負(fù)荷的削減效果；Cipolla等［15］對(duì)博洛尼亞（意大利）全面大面積綠色屋頂?shù)谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，單次降雨衰減量在6. 4%～100%，年均值為51. 9%，并使用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)校準(zhǔn)和驗(yàn)證使用SWMM建立的數(shù)值模型，模擬同一全尺寸大面積綠化屋頂在1 a內(nèi)的長(zhǎng)期水文響應(yīng)，證實(shí)了綠色屋頂通過(guò)減少年徑流量在恢復(fù)自然水狀況方面的作用。

諸多研究表明，不同類型的雨洪管理設(shè)施的性能與適宜建設(shè)環(huán)境不同。從設(shè)施性能角度來(lái)看，大多雨洪管理設(shè)施通過(guò)增加滲透、延長(zhǎng)滯留時(shí)間等原理減少雨水徑流，削減降雨徑流污染，增加地下水補(bǔ)給，但不同雨洪管理設(shè)施的削減性能有所區(qū)別。下沉式綠地削減洪峰的效果優(yōu)于蓄水池和透水磚，而植草溝則幾乎無(wú)滯峰作用［16-17］；不同雨洪管理設(shè)施的水量控制效果隨降雨重現(xiàn)期的變化也因其類型而異［17］，透水路面更適合低重現(xiàn)期的降雨事件［18］；生物滯留設(shè)施在懸浮物、油脂類有機(jī)物和重金屬的去除上表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的運(yùn)行效率，同時(shí)能夠有效地降低雨水中病原微生物的數(shù)量，但傳統(tǒng)的生物滯留設(shè)施對(duì)營(yíng)養(yǎng)物（如N和P）的去除效果不穩(wěn)定［19］；部分雨洪管理設(shè)施兼有其他功能，如植草溝和生物滯留池有助于景觀美化和提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，綠色屋頂有利于減少能源消耗、減少城市熱島效應(yīng)、改善空氣質(zhì)量［20］。從不同設(shè)施的建設(shè)條件來(lái)看，植草溝適用于小區(qū)道路、廣場(chǎng)等不透水路面的周邊；綠色屋頂適用于建筑屋頂，住宅樓多采用粗放型綠化，而商業(yè)建筑多密集型種植［21］；生物滯留設(shè)施適用于小區(qū)公共場(chǎng)地、停車場(chǎng)等，透水鋪裝適用于城市道路、停車場(chǎng)等。總地來(lái)說(shuō)存在兩類不同的建設(shè)思路，一類是對(duì)密集城市化地區(qū)的現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行改造以增加滲透，另一類是將徑流從不透水表面引導(dǎo)到透水表面或滯留設(shè)施［22］。上述不同類型設(shè)施各自的性能與建設(shè)條件等特性導(dǎo)致了在雨洪管理設(shè)施布局優(yōu)化中，需要仔細(xì)考慮這些存在的差別及可能的組合配置，選擇合適的設(shè)施類型對(duì)于實(shí)現(xiàn)特定的雨洪管理目標(biāo)至關(guān)重要。

雨洪管理設(shè)施的規(guī)模和參數(shù)，即單個(gè)設(shè)施的設(shè)計(jì)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕涤晏卣鳌⑼恋乩妙愋偷拳h(huán)境條件及不同目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。以生物滯留設(shè)施這一典型的雨洪管理設(shè)施為例，其面積主要考慮區(qū)域的初期沖刷效應(yīng)，容積設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)施水質(zhì)改善能力考慮較少，因此在初雨沖刷效應(yīng)嚴(yán)重的區(qū)域，生物滯留設(shè)施的面積應(yīng)該更大［23］。另外，由于不同雨洪管理設(shè)施的敏感參數(shù)不同，如王澤陽(yáng)等［24］研究結(jié)果表明，表面粗糙率對(duì)于植草溝設(shè)施而言是高敏感參數(shù)，土壤滲透率對(duì)于綠色屋頂、生物滯留池設(shè)施而言是高敏感參數(shù)，土壤滲透率和表面粗糙率對(duì)于透水鋪裝設(shè)施而言是高敏感參數(shù)，單個(gè)雨洪管理設(shè)施的參數(shù)需要根據(jù)其敏感參數(shù)以及區(qū)域條件謹(jǐn)慎確定。Chui等［25］發(fā)現(xiàn)對(duì)于綠色屋頂，增加土壤深度比擴(kuò)大面積以應(yīng)對(duì)更大的設(shè)計(jì)暴雨更具成本效益，對(duì)于生物滯留設(shè)施來(lái)說(shuō)，應(yīng)對(duì)高重現(xiàn)期暴雨反倒更應(yīng)該擴(kuò)大面積而不是增加土壤深度。

雨洪管理設(shè)施及其組合的位置也是其性能表現(xiàn)出差異性的重要原因。普遍地，雨洪管理設(shè)施會(huì)增加滲透，減少不透水表面，有研究表明，不同位置的不透水表面水力連接特性不同，因此其水文特性不同，改造成雨洪管理設(shè)施后的控制效果也因此而異，可以通過(guò)改變雨洪管理設(shè)施的空間分布來(lái)降低DCIA提高LID的控制效率，Liang等［26］發(fā)現(xiàn)，峰值流量減少對(duì)直接連接不透水區(qū)域（DCIA）的減少最敏感。出于類似的原因，易積水區(qū)也是布設(shè)LID的良好位置［27-28］。地形陡峭和土壤滲透性差的區(qū)域由于徑流速度快、污染物濃度高通常不利于布設(shè)LID［29-30］，但也正出于相同的原因，具有上述不利條件的地區(qū)往往對(duì)雨洪管理具有更高的需求，因此在這些區(qū)域布設(shè)LID的必要性與必要程度成為優(yōu)化問(wèn)題的一部分［31］。另外，從雨洪管理設(shè)施在集水區(qū)相對(duì)位置的視角來(lái)看，一些研究認(rèn)為，通過(guò)在集水區(qū)的上游（即源頭）實(shí)施雨洪管理設(shè)施，可以在降雨初始階段就有效地控制徑流，從而減少下游排水系統(tǒng)的壓力［32-34］；但也有研究發(fā)現(xiàn)，將雨洪管理設(shè)施放置在集水區(qū)的下游，可以在出口處產(chǎn)生更好的削峰效果［35-36］。然而，雨洪管理設(shè)施的效果可能是局部的，如果雨洪管理設(shè)施位于上游地區(qū)，則其對(duì)減少洪水的影響通常相當(dāng)有限，除非雨洪管理設(shè)施覆蓋的區(qū)域（甚至不是完全覆蓋）大于至少50%的集水區(qū)，當(dāng)在靠近集水口的地區(qū)通過(guò)雨洪管理設(shè)施實(shí)施進(jìn)行改造時(shí)，甚至可能加劇洪水風(fēng)險(xiǎn)［37］。雨洪管理設(shè)施組合間的相對(duì)位置一樣重要，Zellner等［38］發(fā)現(xiàn)，空間分散的綠色基礎(chǔ)設(shè)施比集群安排更有效地減少洪水。

城市雨洪管理措施優(yōu)化布局的內(nèi)容范疇，不僅限于綠色基礎(chǔ)設(shè)施本身，還與灰色基礎(chǔ)設(shè)施（如傳統(tǒng)的雨水管渠系統(tǒng)和新型調(diào)蓄池、深隧等）、藍(lán)色基礎(chǔ)設(shè)施（如城市河湖水系）密切相關(guān)。綠色基礎(chǔ)設(shè)施在整個(gè)城市水循環(huán)過(guò)程中出于源頭減排的設(shè)施，但這種源頭管理在應(yīng)對(duì)極端降雨時(shí)能力十分有限［39］，在高密度城市環(huán)境中，出于安全性等方面的考慮，綠色基礎(chǔ)設(shè)施不能完全取代傳統(tǒng)的灰色基礎(chǔ)設(shè)施［40］。Leng等［41］研究表明，綠色和灰色基礎(chǔ)設(shè)施在降雨徑流控制方面具有協(xié)同效益，灰綠同步優(yōu)化在最大限度減少?gòu)搅髁?、污染?fù)荷和成本方面具有優(yōu)勢(shì)。李江云等［42］在研究中同樣發(fā)現(xiàn)，灰色調(diào)蓄設(shè)施和綠色雨洪管理設(shè)施單獨(dú)布設(shè)產(chǎn)生效果小于耦合布設(shè)產(chǎn)生效果，灰綠設(shè)施耦合效果并非單獨(dú)布設(shè)效果疊加，因此應(yīng)將灰綠基礎(chǔ)設(shè)施納入同一模型模擬評(píng)估。綠色和灰色的基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，可以改善雨水管理，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益［43］。城市雨水管理離不開受水終端，即城市河湖水體，實(shí)際上，海綿城市是一個(gè)典型的綠灰藍(lán)系統(tǒng)，河湖水體不僅是城市雨水系統(tǒng)的最后出水口，也是有助于水資源管理的重要組成部分［44］。綠色、藍(lán)色和灰色基礎(chǔ)設(shè)施的組合可能會(huì)產(chǎn)生最佳的適應(yīng)戰(zhàn)略，因?yàn)檫@三者往往相輔相成，灰色（和藍(lán)色）基礎(chǔ)設(shè)施擅長(zhǎng)降低洪水風(fēng)險(xiǎn)，而綠色基礎(chǔ)設(shè)施則帶來(lái)了灰色基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)法提供的多種額外好處［45］。Wang等［46］發(fā)現(xiàn)，綠-灰、綠-藍(lán)和綠-灰藍(lán)優(yōu)化策略存在協(xié)同效應(yīng)，綠-灰-藍(lán)優(yōu)化策略顯示出最佳的性能，此外，城市排水系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)受協(xié)同效應(yīng)的水文機(jī)理和邊際效用遞減的規(guī)律影響。在中國(guó)的海綿城市計(jì)劃促進(jìn)綠-灰-藍(lán)基礎(chǔ)設(shè)施的整合，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的城市水治理和加強(qiáng)防洪［47］。因此，在城市雨洪管理措施的布局與優(yōu)化問(wèn)題中，不僅要考慮綠色基礎(chǔ)設(shè)施本身“蓄、滯、滲、凈、用、排”的作用及其可持續(xù)特點(diǎn)，還需要將其與灰色基礎(chǔ)設(shè)施的高效率優(yōu)勢(shì)、藍(lán)色基礎(chǔ)設(shè)施本身的排洪納污能力相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)安全可持續(xù)城市雨洪管理，進(jìn)一步增強(qiáng)城市對(duì)極端暴雨事件的抵御能力和城市在變化環(huán)境下的彈性。

總的來(lái)說(shuō)，城市雨洪管理措施的優(yōu)化布局需要同時(shí)考慮雨洪管理設(shè)施的類型、設(shè)計(jì)、位置與綠-灰-藍(lán)基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同效應(yīng)，以達(dá)到目標(biāo)下最優(yōu)的雨洪管理措施的全面布局。

2 優(yōu)化框架：前準(zhǔn)備-模型算法-后評(píng)估-決策的全流程結(jié)構(gòu)

雨洪管理設(shè)施的優(yōu)化布局內(nèi)容廣泛、影響因素復(fù)雜、涉及環(huán)節(jié)眾多。因此，通過(guò)找出雨洪管理設(shè)施空間布局優(yōu)化的關(guān)鍵步驟，并將這些步驟進(jìn)行分類整合，參考相關(guān)文獻(xiàn)［48］，構(gòu)建了關(guān)于城市雨洪管理措施空間布局優(yōu)化的綜合框架（圖1）。

優(yōu)化框架主要由四部分組成：①優(yōu)化前針對(duì)研究區(qū)特征，確定建設(shè)目標(biāo)與優(yōu)化內(nèi)容；②在優(yōu)化過(guò)程中選擇合適的城市雨洪模型和智能優(yōu)化算法，利用計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化；③優(yōu)化后建立評(píng)價(jià)模型，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行成本-效益定量評(píng)價(jià)；④決策者根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，做出最終決策。

第一部分中對(duì)于不同的建設(shè)區(qū)域設(shè)定不同的優(yōu)化目標(biāo)。在雨洪管理設(shè)施建設(shè)工程中，設(shè)施的設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行效果直接影響雨洪管理目標(biāo)的有效實(shí)現(xiàn)，因此，根據(jù)建設(shè)區(qū)域特征確定合適的目標(biāo)和優(yōu)化內(nèi)容是優(yōu)化過(guò)程的基礎(chǔ)。第二部分是空間布局優(yōu)化的關(guān)鍵一步，其中計(jì)算機(jī)輔助決策是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。越來(lái)越多的學(xué)者試圖將智能算法與模型耦合進(jìn)行空間布局優(yōu)化，從而產(chǎn)生具有各種結(jié)構(gòu)、類型、功能等的優(yōu)化工具［49］。第三部分是優(yōu)化后的評(píng)價(jià)，根據(jù)從第2部分獲得的一系列優(yōu)化方案，對(duì)整個(gè)建設(shè)前后可能產(chǎn)生的成本和涉及的環(huán)境、生態(tài)和社會(huì)效益進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，使優(yōu)化結(jié)果達(dá)到建設(shè)成本、自然條件和目標(biāo)需求三者之間的平衡。第四部分是由決策者根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果和建設(shè)目標(biāo)做出最終決策。

2. 1 建設(shè)區(qū)域與建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)區(qū)域主要分為兩類，一類是新建規(guī)劃區(qū)域，另一類是老城改造區(qū)域，不同的建設(shè)區(qū)域應(yīng)制定不同的建設(shè)目標(biāo)。新建城區(qū)應(yīng)結(jié)合區(qū)域水文、地質(zhì)條件等確定海綿城市建設(shè)規(guī)劃目標(biāo)；老城區(qū)海綿改造需要識(shí)別改造區(qū)域的水敏感因子，減少城市的徑流污染與水災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)［50］。

雨洪管理措施優(yōu)化布局往往是多目標(biāo)的復(fù)雜問(wèn)題，除了建設(shè)雨洪管理設(shè)施需要解決的最基本的徑流量削減、溢流次數(shù)與溢流量控制、峰值流量控制與污染物削減等水質(zhì)水量控制目標(biāo)外，受制于建設(shè)區(qū)域資金與土地資源有限等現(xiàn)實(shí)條件，往往需要尋求經(jīng)濟(jì)成本低、資源利用率高的建設(shè)方案，因此用地面積、生命周期成本等因素往往也被作為優(yōu)化目標(biāo)或約束條件。例如，Zhu等［51］提出了一個(gè)結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化算法（NSGA-Ⅱ）和SWMM的生命周期評(píng)估框架用于GI布局優(yōu)化，該框架考慮了投資成本、經(jīng)濟(jì)環(huán)境社會(huì)貨幣化效益和徑流控制能力，并選取北京通州區(qū)進(jìn)行實(shí)證分析。Sun等［52］應(yīng)用遺傳算法（NSGA-Ⅱ）對(duì)LID設(shè)施的布局方案進(jìn)行優(yōu)化，選擇峰值徑流減少率、成本和土地面積作為優(yōu)化目標(biāo)。Zhi等［53］將雨水管理模型（SWMM）與遺傳算法相結(jié)合，生成具有成本效益的LID方案。同時(shí)Wang等［54］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)研究人員越來(lái)越重視LID系統(tǒng)的性能評(píng)估和效率，以及了解其對(duì)水文和水質(zhì)的影響。此外，韌性的概念在近年來(lái)也逐漸被引入到城市雨洪管理問(wèn)題中，提高城市的雨洪韌性也可以作為城市雨洪管理措施優(yōu)化的目標(biāo)之一，Zhang等［55］就指出，韌性社區(qū)的建設(shè)需要以雨洪管理為導(dǎo)向注重小尺度綠色基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用。

需要注意的是，建設(shè)目標(biāo)的確定除了水量水質(zhì)控制、水生態(tài)修復(fù)方面的一些共性的關(guān)鍵指標(biāo)外，應(yīng)當(dāng)考慮各城市如水問(wèn)題成因等方面的自然地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件差異［56］，以便從問(wèn)題導(dǎo)向針對(duì)性確定區(qū)域建設(shè)目標(biāo)。因地制宜確定建設(shè)目標(biāo)是城市雨洪管理措施布局優(yōu)化的重要前提，后續(xù)設(shè)施的類型選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)、位置布局與不同的建設(shè)目標(biāo)息息相關(guān)，如生態(tài)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可能需要生物滯留池等類型的設(shè)施的效用，而不大可能靠?jī)H滲透的透水鋪裝來(lái)實(shí)現(xiàn)；用地面積作為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，則不大可能考慮大面積的人工雨水調(diào)蓄池建設(shè)。

2. 2 優(yōu)化工具

在優(yōu)化技術(shù)層面，雨洪管理設(shè)施規(guī)劃需要確定措施的選型、選址、規(guī)模、參數(shù)等多個(gè)變量，涉及到防洪控制、污染控制、雨水利用等多重目標(biāo)，且措施的設(shè)置受土壤、地下水位、地形地勢(shì)和空間大小等多重條件限制，是個(gè)多目標(biāo)多約束的復(fù)雜問(wèn)題。除此之外，一個(gè)規(guī)劃片區(qū)通常包含多種土地利用類型、土壤類型和地形地貌特征。為了模擬和了解單項(xiàng)或組合情景下的雨洪管理設(shè)施的效益及其成本，優(yōu)化雨洪管理設(shè)施布局，為城市決策、規(guī)劃設(shè)計(jì)等提供相關(guān)的理論依據(jù)，國(guó)內(nèi)外的研究人員致力對(duì)模擬-優(yōu)化模型的開發(fā)，例如BMP結(jié)構(gòu)布局與分析工具（SBPAT）、流域管理優(yōu)化工具（WMOST）等。但多數(shù)研究人員基于已有的物理模型與多目標(biāo)優(yōu)化算法耦合來(lái)優(yōu)化雨洪管理設(shè)施的布局。如She等［57］以華北某海綿城市建設(shè)項(xiàng)目的示范區(qū)作為研究區(qū)，利用退火算法（SA）對(duì)LID設(shè)施進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，選擇降雨徑流、污染排放和建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本最小化，環(huán)境效益最大化為優(yōu)化目標(biāo)。Taghizadeh等［58］利用SWMM模型與粒子群優(yōu)化算法，對(duì)滲透溝、生物滯留池和透水路面三種海綿設(shè)施和城市雨水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化布局，選取最優(yōu)方案。Eskandaripour等［59］利用黏菌算法優(yōu)化城市低影響開發(fā)設(shè)施。此外，一些研究將遺傳算法（GA）或改進(jìn)后的遺傳算法NSGA-Ⅱ和NSGA-Ⅲ與SWMM耦合對(duì)城市雨洪管理措施布局優(yōu)化進(jìn)行多目標(biāo)求解［60-66］。

城市雨洪管理措施布局優(yōu)化問(wèn)題的優(yōu)化工具常使用物理模型與優(yōu)化算法耦合求解，物理模型時(shí)用于模擬城市水文循環(huán)各環(huán)節(jié)的水量水質(zhì)的水文模型，可以計(jì)算出與水文過(guò)程相關(guān)的水量水質(zhì)等目標(biāo)值，優(yōu)化算法通過(guò)改變優(yōu)化變量（部分優(yōu)化變量可能是物理模型的輸入，如LID的相關(guān)參數(shù)），進(jìn)行優(yōu)化目標(biāo)值的迭代計(jì)算，去除劣勢(shì)組合方案。類似的優(yōu)化決策工具見表1，它們以不同的模式集合了多種水文水質(zhì)模型和優(yōu)化算法，在目標(biāo)功能上也有側(cè)重［31］。

盡管已有空間優(yōu)化決策工具可以同時(shí)解決設(shè)施選址、選型、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)等多個(gè)問(wèn)題，但物理模型-算法方法由于需要大量的客觀評(píng)估，因此非常耗時(shí)且計(jì)算密集，并且搜索過(guò)程涉及執(zhí)行大量目標(biāo)計(jì)算的大量迭代，這對(duì)計(jì)算機(jī)的算力和計(jì)算耗時(shí)均產(chǎn)生了極大的挑戰(zhàn)，所以大多研究都只選擇其中部分問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，例如Lee等［67］解決的是LID和BMP的選址和參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題。在實(shí)踐當(dāng)中，也往往是根據(jù)不同尺度的規(guī)劃要求，將城市雨洪管理措施規(guī)劃分為選型、選址、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)等步驟，缺乏統(tǒng)一優(yōu)化決策過(guò)程。為了減少模型模擬時(shí)間，很多模型都設(shè)置了分散式和集成式兩種設(shè)施構(gòu)建模式。集成式是用一個(gè)虛擬的設(shè)施綜合組件代替多個(gè)單獨(dú)的分散的設(shè)施措施，因忽略各設(shè)施間的水流和污染物傳輸過(guò)程，可以大大簡(jiǎn)化建模過(guò)程并顯著縮短模擬時(shí)間，提高設(shè)施綜合規(guī)劃效率。雖然有些學(xué)者通過(guò)構(gòu)建集成式模型對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行研究，但集成式模式的有效性仍存在著諸多不確定性，還有待進(jìn)一步論證。除此之外，如何平衡計(jì)算效率與模擬準(zhǔn)確度，是適用于較大尺度范圍內(nèi)城市雨洪管理措施空間布局優(yōu)化研究中還未完全解決的一個(gè)難題。

基于此，有學(xué)者開發(fā)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）模型的替代MOO框架，其思路是以代理模型的結(jié)果指導(dǎo)最優(yōu)解搜索，在獲得令人滿意的最優(yōu)解決方案的同時(shí)減少昂貴的模型模擬成本。目前，具有足夠細(xì)節(jié)、令人滿意的精度和更高的速度的代理模型（也稱為元模型）已被用于有效地替換部分或全部基于物理的模型。例如Latifi等［68］以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為雨洪模型SWMM的代理，探討了位于伊朗某研究區(qū)的低影響開發(fā)優(yōu)化方案。Yang等［69］利用代理模型對(duì)滯留池容積進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，結(jié)果表明，基于代理的方法節(jié)省了90. 03%的運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)保持了Parrto的解的質(zhì)量，驗(yàn)證了可靠性。

代理模型在復(fù)雜模型參數(shù)敏感性分析、參數(shù)率確定等方面應(yīng)用較為廣泛，但在基礎(chǔ)設(shè)施空間布局方面的應(yīng)用較少。如何將機(jī)器學(xué)習(xí)更好的應(yīng)用在城市雨洪管理措施的空間布局優(yōu)化，是一個(gè)值得研究的內(nèi)容。

2. 3 效益評(píng)價(jià)及定量化

為提高海綿城市空間優(yōu)化布局的綜合效益，應(yīng)建立綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)優(yōu)化布局方案的綜合效益進(jìn)行科學(xué)全面的評(píng)價(jià)，并基于此作出合理的建設(shè)決策。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于城市雨洪管理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系都是結(jié)合不同的城市雨洪管理內(nèi)涵與特點(diǎn)設(shè)定的。美國(guó)的低影響開發(fā)（LID），其主要的功能重視水質(zhì)和水量，因此指標(biāo)主要圍繞著水環(huán)境和洪水預(yù)報(bào)進(jìn)行設(shè)定；澳大利亞的水敏感城市（WSUD）和英國(guó)的可持續(xù)排水設(shè)計(jì)理念（SUDS）的評(píng)價(jià)指標(biāo)除了水質(zhì)和水量之外，還更加強(qiáng)調(diào)社會(huì)公眾的參與度。中國(guó)目前對(duì)于海綿城市建設(shè)效果評(píng)價(jià)主要是根據(jù)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部所頒布的《海綿城市建設(shè)績(jī)效評(píng)價(jià)與考核指標(biāo)（試行）》與GB/T 51345-2018《海綿城市建設(shè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。海綿城市建設(shè)績(jī)效考核包括多項(xiàng)定量指標(biāo)和定性指標(biāo)，定性評(píng)價(jià)主要是對(duì)海綿城市建設(shè)的宗旨、自然生態(tài)格局的保護(hù)、水文特征的維系等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。定量評(píng)價(jià)則更為具體，包括城市雨水年徑流總量控制率、城市面源污染控制率、城市地下水位控制率等指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括6個(gè)方面（表2）。

目前，對(duì)城市雨洪管理措施優(yōu)化后進(jìn)行評(píng)估，主要以評(píng)估成本和環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益為主（圖2）。

對(duì)成本的評(píng)估分為兩部分，分別為投入成本和運(yùn)營(yíng)成本，大多數(shù)研究者在評(píng)估時(shí)只考慮了建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本而忽略了其他成本；在效益評(píng)估方面，對(duì)于生態(tài)環(huán)境的效益關(guān)注較多，Yu等［70］在構(gòu)建的海綿城市建設(shè)綜合績(jī)效評(píng)估指標(biāo)體系中，重點(diǎn)關(guān)注了降雨徑流控制率和地下水補(bǔ)給量等生態(tài)環(huán)境效益和增強(qiáng)城市美感和擴(kuò)大休閑空間等社會(huì)效益。社會(huì)效益的評(píng)估往往得不到研究人員的足夠重視，忽視了GI對(duì)增強(qiáng)娛樂(lè)空間、水文化和公眾意識(shí)的貢獻(xiàn)。在進(jìn)行社會(huì)效益評(píng)價(jià)時(shí)，有研究人員提出城市雨洪管理措施的規(guī)劃、選址和實(shí)施是否滿足社會(huì)公平。Zuniga-Teran等［71］對(duì)全球城市71項(xiàng)綠色基礎(chǔ)設(shè)施（GI）進(jìn)行了公平研究，關(guān)于GI公平的研究正在增長(zhǎng)。Wang等［72］構(gòu)建了一個(gè)包括公平獲得服務(wù)和機(jī)會(huì)、承認(rèn)少數(shù)群體和弱勢(shì)群體以及公平參與決策過(guò)程（分配、承認(rèn)和程序公平）的是三方框架，從過(guò)從社會(huì)公平的角度評(píng)估中國(guó)海綿城市項(xiàng)目的表現(xiàn)。

為了對(duì)城市雨洪管理措施進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，研究人員構(gòu)建了多種多效益評(píng)價(jià)模型，如Minsu等［73］利用收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立雨水質(zhì)量評(píng)估模型，通過(guò)層次分析法（analytic hierarchy process， AHP）開發(fā)綜合評(píng)估工具，對(duì)雨水管理設(shè)施進(jìn)行有效和高效評(píng)估。Wang等［74］使用生命周期評(píng)估（life cycle assessment， LCA）和生命周期成本核算（LCC）方法評(píng)估，集中式和分散式LID-GREI UDS對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)影響的研究有限。全生命周期評(píng)價(jià)方法可以全面地描述海綿城市建設(shè)的綜合費(fèi)用［75］，但在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中其對(duì)工程費(fèi)用和價(jià)格數(shù)據(jù)收集的要求較高，較難保證研究的準(zhǔn)確性［76］；Nguyen等［77］利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法以評(píng)估氣候變化下藍(lán)-綠基礎(chǔ)設(shè)施的水凈化能力。Yang等［78］通過(guò)多標(biāo)準(zhǔn)決策（MCDM）分析和數(shù)學(xué)量化相結(jié)合，平衡可持續(xù)城市排水系統(tǒng)（SUDS）開發(fā)績(jī)效評(píng)估的全面性和客觀性。

但相較于技術(shù)研究，雨洪管理設(shè)施建設(shè)效益評(píng)價(jià)及其指標(biāo)的定量化研究相對(duì)較少?，F(xiàn)有研究側(cè)重于單體雨洪管理設(shè)施的成本效益，忽略對(duì)綜合效益的研究，對(duì)一些定量/定性指標(biāo)缺乏綜合效益的定量化、貨幣化方法。

綜上所述，許多發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)自身城市雨洪管理體系，提出了不同的建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在中國(guó)，海綿城市的研究和建設(shè)還處于起步階段。盡管已經(jīng)對(duì)雨洪管理設(shè)施進(jìn)行了許多模擬，但對(duì)不同區(qū)域布局計(jì)劃的綜合效益和貨幣化的研究卻很少。因此，研究方法和雨洪管理設(shè)施布局優(yōu)化指標(biāo)體系顯得尤為重要［79］。為了能夠推動(dòng)海綿城市建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)從海綿城市的特點(diǎn)和內(nèi)涵來(lái)設(shè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)一步明確指標(biāo)的定義和計(jì)算方法，為決策提供更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)依據(jù)。

3 討論：不足與展望

3. 1 綜合雨洪管理設(shè)施類型、參數(shù)與位置的全面優(yōu)化

雨洪管理措施問(wèn)題的全面布局優(yōu)化涉及雨洪管理設(shè)施的類型、設(shè)計(jì)、位置及其與灰色、藍(lán)色基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同效應(yīng)，在這里先就雨洪管理設(shè)施的類型本身的優(yōu)化布局進(jìn)行探討，綠-灰-藍(lán)耦合優(yōu)化的內(nèi)容將在后文提及。大多數(shù)研究由于問(wèn)題的復(fù)雜性與計(jì)算成本，通常根據(jù)建設(shè)區(qū)域的特點(diǎn)與建設(shè)目標(biāo)，選擇其一或一部分進(jìn)行優(yōu)化，忽略了其他組成部分［67，80-82］。但上述3個(gè)部分都非常重要，并且它們的選擇密切相關(guān)，例如，一些研究事先確定了設(shè)施的優(yōu)先位置，僅考慮地形特征，但確定的位置可能不是真正的“最佳”位置，因?yàn)闆](méi)有考慮設(shè)施的可變性，因此此后獲得的類型和設(shè)計(jì)可能只是該特定位置場(chǎng)景的局部最優(yōu)［31］。特別地，雨洪管理設(shè)施的位置這一方面包含很多要素，但多數(shù)研究只關(guān)注到了雨洪管理設(shè)施在某一范圍內(nèi)的百分比［83-86］，然而其有效性取決于幾個(gè)要素的組合，包括雨洪管理設(shè)施覆蓋的分?jǐn)?shù)面積、它們?cè)诩畢^(qū)內(nèi)的分布以及它們的水力特性［37］。

基于此，建議優(yōu)化過(guò)程中以雨洪管理設(shè)施的全面布局優(yōu)化為視角，綜合考慮其類型、參數(shù)與位置，將三者統(tǒng)一規(guī)劃，仔細(xì)斟酌3個(gè)方面包含的完整要素。

3. 2 考慮受納水體的綠-灰-藍(lán)耦合優(yōu)化

在宏觀規(guī)劃層面，可以依據(jù)城市水循環(huán)在不同空間范圍內(nèi)產(chǎn)生的效應(yīng)，可將其劃分為3個(gè)尺度，流域/城市大尺度、城市區(qū)域/片區(qū)中尺度、場(chǎng)地小尺度，相應(yīng)地，城市的雨水管理措施也對(duì)應(yīng)存在大、中、小3個(gè)尺度的管理對(duì)象與方式（圖3）。

城市水循環(huán)調(diào)控從不同尺度進(jìn)行，遵循“源頭減排、過(guò)程控制、系統(tǒng)治理”的統(tǒng)籌調(diào)控方法。國(guó)內(nèi)海綿城市的規(guī)劃多以小尺度為主，缺少宏觀尺度的雨洪管理規(guī)劃。如在武漢植物園內(nèi)進(jìn)行的雨水還原在海綿城市小尺度的應(yīng)用［87］；基于城市雨洪模型的住宅區(qū)或校園片區(qū)的LID/BMPs規(guī)劃［88-89］。然而，研究證明，小尺度的雨洪管理設(shè)施對(duì)初期雨水，小降雨事件控制效果較好，而對(duì)于降雨強(qiáng)的大到暴雨，僅采用源頭的雨洪管理設(shè)施還不足以解決洪澇、面源污染等城市水問(wèn)題［90-91］。對(duì)于大型流域，雨洪管理設(shè)施在降低峰值流量方面的效率遠(yuǎn)低于小型流域，這主要是因?yàn)榧畢^(qū)規(guī)模的擴(kuò)散與雨洪管理設(shè)施施加的分散之間的競(jìng)爭(zhēng)，以及雨洪管理設(shè)施覆蓋的區(qū)域部分之間的競(jìng)爭(zhēng)，而雨洪管理設(shè)施覆蓋的區(qū)域部分通常對(duì)于大型流域較?。?7］。還需要在此基礎(chǔ)上，增加具有輸送功能的過(guò)程措施，以及具有凈化功能的區(qū)域存措施，同時(shí)利用管網(wǎng)的輸送調(diào)蓄功能，和管網(wǎng)末端的污水處理廠的調(diào)蓄功能，對(duì)城市區(qū)域進(jìn)行徑流調(diào)控，并將多余的雨水輸送到河湖收納水體，接受下一尺度的調(diào)控［4］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)城市雨洪管理措施的布局優(yōu)化研究主要集中在灰-綠設(shè)施耦合優(yōu)化，而對(duì)灰-綠-藍(lán)設(shè)施三者結(jié)合的優(yōu)化研究較少，大部分研究人員受限于技術(shù)條件，模擬的情景大多為街區(qū)小尺度和城市區(qū)域中尺度，對(duì)于流域大尺度下的布局優(yōu)化研究較少。因此將藍(lán)色基礎(chǔ)設(shè)施納入優(yōu)化過(guò)程，構(gòu)建灰綠藍(lán)三者融合的優(yōu)化布局方案是未來(lái)需要深入研究的方向。

3. 3 更先進(jìn)的優(yōu)化工具

雨洪管理設(shè)施被關(guān)注最多的是水量水質(zhì)控制作用，但現(xiàn)有的物理模型是對(duì)城市水循環(huán)過(guò)程的簡(jiǎn)化甚至概念化描述，一些物理與生物化學(xué)的描述需要進(jìn)一步改進(jìn)。以常用的SWMM為例，雨洪管理設(shè)施在水質(zhì)模擬方面過(guò)于簡(jiǎn)單化，只考慮了雨洪管理設(shè)施中降雨的稀釋效應(yīng)，污染物的衰減、分解及其附著基本過(guò)程與生化反應(yīng)也需要得到表征［92］。因此，為了更好地評(píng)價(jià)雨洪管理設(shè)施的水量水質(zhì)控制效果，需要全面理解物理模型在城市水文環(huán)境過(guò)程方面的表現(xiàn)與不足，在綜合不同的雨洪管理尺度的前提下，于現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上擴(kuò)展相關(guān)模塊或開發(fā)新模塊。

人工智能（AI）作為一種管理方法，具有自主性、適應(yīng)性和強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力［93］。人工智能在解決各種優(yōu)化問(wèn)題方面越來(lái)越受歡迎，并已在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［94］。目前，逐漸有研究人員探索將機(jī)器學(xué)習(xí)與城市雨洪管理措施的空間布局優(yōu)化相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)目標(biāo)。但是，海綿城市建設(shè)涉及多個(gè)領(lǐng)域和復(fù)雜的城市系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的獲取和整合存在困難。而機(jī)器學(xué)習(xí)算法需要大量的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化，數(shù)據(jù)不足會(huì)影響算法的準(zhǔn)確性和可靠性。

目前的機(jī)器學(xué)習(xí)模型難以完全建模復(fù)雜的城市系統(tǒng)，導(dǎo)致模型的復(fù)雜度和泛化能力不足。并且機(jī)器學(xué)習(xí)模型的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)管理能力有限，難以滿足海綿城市建設(shè)中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的有效管理和預(yù)測(cè)需求。因此，盡管機(jī)器學(xué)習(xí)在城市雨洪管理措施空間優(yōu)化布局具有潛在的應(yīng)用前景，但目前仍然存在一些不足之處，需要進(jìn)一步的研究和技術(shù)創(chuàng)新來(lái)解決。

3. 4 基于多要素的優(yōu)化效果評(píng)價(jià)

城市雨洪管理措施的布局與優(yōu)化不僅在水量水質(zhì)控制方面發(fā)揮作用，Wang等［95］根據(jù)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的功能與效益，提出了一個(gè)涵蓋水文、能源、氣候、環(huán)境、生態(tài)和人文科學(xué)的地理標(biāo)志多功能概念框架，綠色基礎(chǔ)設(shè)施的功能包括雨水的滲透、滯留、儲(chǔ)存和利用、凈化、植被和土壤層的隔熱、調(diào)節(jié)蒸散和吸熱、植被固碳以及提供和改善生境和綠地；通過(guò)其功能，綠色基礎(chǔ)設(shè)施可提供直接效益和共同效益，這些效益通常根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)框架進(jìn)行分類，包括提供、調(diào)節(jié)、支持和文化服務(wù)四大類，涉及為水文、能源、氣候、環(huán)境、生態(tài)和人文。盡管海綿城市的建設(shè)能帶來(lái)諸多方面的好處，但目前海綿城市效益指標(biāo)體系建設(shè)方面尚沒(méi)有公認(rèn)和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，部分定性指標(biāo)多采用定性描述而缺乏定量化的方法［50］，因此，需要一個(gè)綜合的框架標(biāo)準(zhǔn)化雨洪管理措施的相關(guān)效益，基于多要素全面評(píng)價(jià)優(yōu)化效果。

盡管是優(yōu)化效果評(píng)估范疇的內(nèi)容，但相關(guān)影響需要在比其更早的環(huán)節(jié)就納入考慮，因此離不開其他環(huán)節(jié)的改進(jìn)與優(yōu)化。如城市水體環(huán)境質(zhì)量效果評(píng)價(jià)就需要在建模環(huán)節(jié)將終端水體納入考慮，并且以合適的尺度與詳細(xì)程度描述污染物的遷移轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)論

本文在闡述城市雨洪管理布局優(yōu)化地相關(guān)定義與內(nèi)容范疇的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了城市雨洪管理措施布局優(yōu)化問(wèn)題前準(zhǔn)備-模型算法-后評(píng)估-決策的全流程結(jié)構(gòu)，總結(jié)了優(yōu)化過(guò)程各環(huán)節(jié)的研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題。

理論上，一個(gè)全面的雨洪管理措施布局優(yōu)化應(yīng)當(dāng)涵蓋雨洪管理設(shè)施的類型、設(shè)計(jì)、位置3個(gè)方面的優(yōu)化，并將其與灰色、藍(lán)色基礎(chǔ)設(shè)施共同納入優(yōu)化過(guò)程，考慮流域尺度下的城市水管理。當(dāng)雨洪管理措施布局的問(wèn)題由于納入更多內(nèi)容范疇與環(huán)節(jié)而更加復(fù)雜化時(shí)，更能描述城市水文環(huán)境過(guò)程準(zhǔn)確的物理模型、更高效率的算法和更全面多要素的優(yōu)化效果評(píng)價(jià)成為必需，需要注意的是，城市雨洪管理措施優(yōu)化布局問(wèn)題中不同環(huán)節(jié)是相互影響的，因此盡管多要素優(yōu)化效果評(píng)價(jià)是后評(píng)估環(huán)節(jié)，但相關(guān)因素需要更早地在優(yōu)化問(wèn)題全流程中被考慮。

最終，通過(guò)科學(xué)合理地規(guī)劃和設(shè)計(jì)城市排水系統(tǒng)，可以有效地減少雨洪對(duì)城市的負(fù)面影響，提高城市的防災(zāi)減災(zāi)能力，保障城市的生態(tài)安全和社會(huì)穩(wěn)定。

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