评估用作地下雨水管理系统改良的纤维收集模块：来自不同城市环境背景的水文、生命周期环境、经济及决策分析方面的证据

《Journal of Cleaner Production》：Evaluating fiber harvesting modules as subsurface stormwater retrofits: Hydrologic, life-cycle environmental, economic, and decision-analytic evidence from contrasting urban contexts

　　

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  FHM是一种基于证据的模块化地下雨水改造技术。
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  采用FHM进行的改造措施在两个不同的集水区将径流减少了高达93%。
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  与传统的城市排水系统（CUDS）相比，FHM将生命周期评估（LCA）的影响降低了89-90%，这得益于其使用的紧凑型、可重复利用的纤维材料。
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  BCFHM同时减少了径流、LCA负担和生命周期成本（LCC），相较于单独使用BC（生物滞留措施）效果更佳。
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  在偏好不确定的情况下，FHM可以采取独立或混合使用的方式。

引言

随着气候变化和城市化进程的加速，降雨强度的增加以及不透水表面的扩大，城市径流情况已经超出了传统城市排水系统（CUDS）的设计预期（Wang et al., 2026; Yang et al., 2026）。CUDS主要设计用于快速排放雨水，其在现场滞留和渗透的能力有限，从而增加了污水溢出、地表洪水和下游水流峰值放大的风险（Chen et al., 2026）。这些风险可能导致基础设施中断、公共健康问题、水体富营养化以及巨大的经济损失（Perry et al., 2024）。同时，《巴黎协定》中的碳排放减排承诺使得雨水管理从纯粹的工程问题转变为需要考虑生命周期环境责任的问题（UNFCCC, 2015）。

低影响开发（LID）已成为一种核心策略，它通过促进分布式滞留、渗透和蒸腾作用来改进雨水管理，而不仅仅是依赖管道输送（Holman-Dodds, 2007）。诸如生物滞留池（BC）和绿色屋顶（GR）等措施可以在源头减少径流，并带来环境和社交效益（Oluk et al., 2026）。然而，这些措施的功效受到物理容量和城市形态的限制。在强降雨期间，介质层可能迅速饱和，储存空间可能被耗尽，特别是在可渗透土地稀缺的密集集水区，径流减少效果也会显著下降（Davis et al., 2022）。长期来看，由于堵塞、维护需求增加以及更新或扩展空间的有限性，其有效性可能会进一步降低（Lisenbee et al., 2022）。这在密集的城市地区形成了结构性矛盾：随着径流调节需求的增加，基于表面的LID扩展的空间可行性却在减小。

纤维收集模块（FHM）提供了一种地下模块化解决方案来应对这一挑战。该模块由高孔隙率的矿物纤维基质构成（有效孔隙率超过93%），外层包裹着耐酸碱的透气材料。相关技术规范要求进行冻融测试和化学稳定性测试，并规定了至少25年的设计使用寿命（中国工程建设标准化协会，2023年）。与主要依赖于有限介质储存和表面空间的表面LID不同，FHM结合了埋设的纤维模块、雨水净化分流系统和通风系统。前者促进雨水进入，后者则释放被挤出的空气并促进内部水分重新分布。通过毛细作用、临时滞留以及逐步释放到周围土壤中，FHM被设计成一个动态的渗透-储存-释放单元，而不仅仅是一个固定体积的滞留结构。补充材料中的现场实验验证了这一机制，表明FHM在反复进水的情况下仍能保持有效的储存能力，并在两周内持续补充局部土壤水分。

然而，实际应用的速度超过了科学评估的进度。中国技术标准规定FHM可以独立使用，也可以作为现有LID系统（如BC和GR）的附加组件，从而在不增加地表面积的情况下提升系统容量（CECS, 2023；辽宁省住房和城乡建设厅，2023）。上海复兴路、深圳会展中心和北京市政府办公楼等工程案例表明，FHM已从实验室开发阶段进入了标准指导下的实际应用阶段（图S1）。类似的地下纤维系统，如荷兰的矿物羊毛模块，也标志着向模块化雨水管理方式转变的趋势（ROCKWOOL Rainwater Systems, 2025）。不过，工程应用并不等同于可转移的实证支持。对于一项快速推广的技术，关键问题不再是是否能够安装FHM，而是其水文效益、生命周期负担、经济后果和决策稳健性是否能够与现有的排水和LID方案进行对比。

先前的雨水管理研究表明，单一的LID控制措施可以将径流减少16-65%，而混合系统则可减少25-87%（Ahiablame和Shakya, 2016；Ellis和Viavattene, 2013；Jackisch和Weiler, 2015；Yang et al., 2020）。然而，仅从水文效果来评估改造价值是不充分的。环境负担和成本可能贯穿材料生产、施工、运营维护（O&M）及生命周期结束阶段。生命周期评估（LCA）和生命周期成本（LCC）为量化这些环境和经济后果提供了互补的工具（Finkbeiner et al., 2006；Rebitzer和Hunkeler, 2003）。尽管最近的研究结合了LCA和LCC来评估雨水管理系统中的环境成本权衡，但这些研究主要集中在传统的排水和已建立的LID方案上（Abdeljaber et al., 2022；Ishaq et al., 2023；Wang et al., 2023）。对于基于FHM的系统来说，一个未解决的问题是：在不同城市背景下，地下径流调节的收益是否能够转化为真正的环境和经济优势。

即使量化了水文、环境和经济结果，改造方案的选择仍然受偏好影响。多标准决策分析（MCDA）为跨多个标准比较不同方案提供了结构化的基础，并已在LID评估中得到广泛应用（Gulshad et al., 2024；Venter et al., 2021）。然而，当利益相关者的优先事项不确定或存在争议时，固定权重的MCDA可能会掩盖而非揭示决策的不确定性（Aykut-Senel et al., 2026）。随机多标准可接受性分析（SMAA）通过采样可行的权重空间并估计排名可接受性，从而在偏好不确定的情况下评估决策的稳健性，而不仅仅依赖于单一的假设权重方案（Lahdelma和Salminen, 2010）。

基于此背景，我们对两种不同城市环境下的FHM基雨水管理系统进行了跨维度评估。具体目标包括：（i）在多种设计条件下比较FHM基系统与CUDS和LID方案；（ii）检验水文效益是否伴随着更低的生命周期环境和经济负担；（iii）分析场地条件和利益相关者偏好如何影响相对排名、稳健性和成本效益。通过这些研究，我们将快速推广的工程实践转化为适应性强、空间利用高效且基于生命周期信息的城市雨水管理改造决策依据。

章节片段

概述

本研究旨在验证FHM能否从工程应用转变为一种可推广的雨水改造方案。为此，我们将FHM基策略与传统排水系统（CUDS）和既定的LID控制措施进行了对比。CUDS代表基于管道的排水系统，而BC和GR代表基于表面的LID方案，它们具有不同的空间约束：地面生物滞留和屋顶滞留。FHM被评估为一种独立的地下控制措施。

水文评估

在整个研究过程中，FHM基系统在两个集水区的径流控制效果均优于传统和基于表面的方案（图3）。在平均降水量为103.93毫米的情况下，与CUDS相比，FHM在工厂集水区的径流减少了31.3%至81.5%，在公园集水区减少了7.5%至93.2%（图3a–c）。BCFHM和FHM的表现始终排在最佳方案之列，而GR的表现最弱且变化最大。

结论

本研究采用综合水文、生命周期环境、经济和决策分析方法，评估了两种不同城市环境下的FHM基雨水改造措施。共比较了六种方案：CUDS、BC、GR、FHM、BCFHM和GRFHM。主要结论如下：

首先，在15次设计降雨条件下，FHM和BCFHM的径流减少效果最为显著，相对于CUDS减少了75-93%。随着降雨回归期的增加，它们的性能略有下降。

作者贡献声明

杨天哲：撰写——初稿、方法论、调研、概念构思。董启瑜：撰写——修订与编辑、形式分析。刘海静：验证。李磊：软件开发。徐一鸣：数据可视化。杨洪旭：项目管理和数据整理。杨璐：资源协调。任楠旗：监督。白顺文：资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国生态环境部“京津冀区域生态环境综合改善国家科技重大专项”（项目编号：2025ZD1200800）和“城乡水资源与环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学）”（项目编号：2024TS16）的财政支持。

Tianzhe Yang|Qiyu Dong|Haijing Lyu|Lei Li|Yiming Xu|Hongxu Yang|Lu Yang|Nanqi Ren|Shunwen Bai