数据匮乏地区灰绿蓝基础设施的多目标分阶段优化框架：用于协同控制径流

《Journal of Environmental Management》：Multi-objective phased optimization framework of gray-green-blue infrastructure for synergistic runoff control in data-scarce regions

针对数据稀缺地区城市内涝问题，提出分阶段多目标优化框架，整合泵站排水与绿色基础设施协同调控，案例研究显示泵站有效控制水位在5.1米以下，建立科学约束条件，提升模型适用性。

　　
灰绿蓝基础设施协同优化研究在邯郸的实践与启示

一、城市内涝治理的范式转型
全球城市化进程加速催生了新型城市水危机，中国作为发展中国家更面临严峻挑战。2021年郑州特大暴雨造成380人遇难，暴露出传统以灰色基础设施（排水管道、泵站）为主导的治水模式存在致命缺陷：在快速城市化区域，既有排水系统难以应对极端降雨，新建管网受限于土地资源又面临巨额投资压力。研究团队通过构建"灰绿蓝"协同治理体系，实现了从单一工程治理向系统生态治理的范式转变。

二、GGBI协同优化理论突破
现有研究多将灰色设施与绿色基础设施割裂处理，存在三大理论瓶颈：
1. 动态协同机制缺失：传统模型将泵站排水量固定为设计参数，忽视其与绿蓝基础设施的动态反馈关系
2. 空间耦合度不足：缺乏对"泵站-河道-绿地"三维协同的量化分析
3. 数据依赖性过强：高精度水文模型需要完整基础数据，难以在快速城市化区域推广

本研究的创新性体现在：
（1）建立泵站排水能力与绿蓝基础设施空间配置的耦合响应模型
（2）开发分阶段优化策略：首阶段确定空间配置参数范围，次阶段进行空间布局优化
（3）构建非参数化拟合关系，突破传统水文模型的数据瓶颈

三、邯郸案例的工程实践验证
研究选取邯郸市作为试验场具有典型意义：
- 地理特征：太行山与华北平原交汇带，河道网络密集但绿地资源稀缺
- 气候特征：年降水503mm，集中于夏季且年际波动大
- 基础设施现状：排水管网密度达1.2km/km2，但泵站覆盖率不足40%

通过建立包含28项决策参数的优化体系，实现三大突破：
1. 泵站效能提升：动态调整排水能力（16.09-37.13m3/s），较传统固定值模式提升效率42%
2. 空间配置优化：确定关键参数阈值——湖泊水域比1%、河道水域比5%、下沉绿地占比31.6%-69%、透水铺装率10%-26.4%
3. 成本效益平衡：在保证河道水位低于5.1m安全阈值的前提下，实现综合成本最优（ATC降低18.7%）

四、技术体系创新解析
（1）分阶段优化架构
- 第一阶段：通过多目标优化确定参数配置空间，建立"水力响应-经济成本"映射关系
- 第二阶段：基于第一阶段参数范围进行空间拓扑优化，重点解决：
- 绿蓝设施布局与地下管网的空间冲突协调
- 水域容量与泵站效能的动态匹配
- 工程投资与生态效益的边际平衡

（2）非参数化建模方法
创新采用机器学习算法建立泵站排水量与GGBI参数的非线性关系：
- 基于历史暴雨事件数据训练BP神经网络
- 输入参数包括：河道断面形态系数、绿地渗透率梯度、泵站地下空间布局
- 输出预测值误差控制在±8%以内

（3）动态协同机制
揭示"泵站排水-河道蓄量-绿地渗透"的反馈调节规律：
- 当河道水位接近5.1m警戒值时，泵站启动频率增加37%
- 绿地渗透率每提升1%，泵站有效排水量减少12%
- 水域比达到5%临界值后，泵站效能衰减曲线出现拐点

五、工程经济性评估
研究建立三维效益评估体系：
1. 水力效益：河道水位控制在安全阈值内（<5.1m）的达标率提升至98.7%
2. 经济效益：综合成本降低18.7%，其中泵站投资占比从62%降至45%
3. 生态效益：单位投资产生的径流削减量达2.3m3/s，较传统方案提升41%

典型案例显示，在邯郸市东部新区，通过优化配置3处泵站（总排水能力提升至75m3/s）和12.6万㎡透水铺装，在维持原有排水管网架构下，成功将百年一遇暴雨的淹没面积从1.2km2缩减至0.3km2，同时降低泵站年运维成本28%。

六、推广价值与实施路径
（1）方法论突破
- 建立数据稀缺环境下的"软硬基础设施"协同优化范式
- 开发可迁移的参数化配置模板（含7类典型城市用地模板）
- 形成包含32项核心指标的评估体系

（2）实施策略
1. 需求识别阶段：
- 建立暴雨风险矩阵（包含重现期、空间分布、峰值流量）
- 开展地下空间利用潜力评估（重点检测人防工程空闲容积）

2. 参数优化阶段：
- 应用空间约束算法确定GGBI配置空间
- 通过数字孪生技术模拟不同泵站布局方案

3. 系统集成阶段：
- 开发"泵站-管网-生态"三位一体的智能控制系统
- 部署基于物联网的水位-流量-降雨实时监测网络

（3）政策建议
- 制定GGBI协同建设标准（建议将泵站排水能力弹性系数纳入规范）
- 建立跨部门数据共享机制（重点整合水利、住建、规划部门数据）
- 设立生态补偿基金（建议按泵站排水量0.5元/m3的标准计提）

七、研究局限与改进方向
当前研究存在三方面局限：
1. 气候变化情景考虑不足：现有模型基于2021-2023年气候数据，需补充RCP4.5和RCP8.5情景模拟
2. 地下空间利用深度不够：建议探索"泵站+地下蓄水"复合型设施模式
3. 多目标协同机制待完善：需加强成本-效益-韧性三维度耦合分析

未来研究将重点开发：
- 基于强化学习的动态优化算法
- 融合北斗高精定位的GGBI监测系统
- 考虑土地财政约束的优化决策支持平台

该研究为我国快速城市化区域的水务治理提供了可复制的技术路径，特别是在 heapq 案例中证明，通过系统化整合30%现有泵站容量（相当于新建3座中型泵站）和15%道路透水改造，可在不新增硬质管网的前提下，将暴雨内涝风险降低76%。这种"泵站效能提升+生态空间优化"的双轮驱动模式，为超大城市水务治理提供了创新范式。