降雨强度递增下城市雨水管网升级的成本–韧性权衡：基于SWMM–NSGA-II的多重现期优化

《Sustainability》：Cost–Resilience Trade-Offs in Urban Stormwater Pipe Network Upgrading Under Increasing Rainfall Severity

　　

研究人员开发了暴雨管理模型–非支配排序遗传算法II（Storm Water Management Model–Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II, SWMM–NSGA-II）耦合框架，以在中国北京高度城市化汇水区的5年、20年、50年和100年一遇设计降雨事件下优化雨水管网。以最大化洪水韧性并最小化生命周期成本（life-cycle cost, LCC）为目标优化管径，并评估帕累托最优解（Pareto-optimal solutions）以识别代表性膝点配置（knee-point configurations）。总节点洪水量在5年至100年事件间从13,325增至46,544 m³，而基尼系数（Gini coefficient）从0.838降至0.742，表明洪水负担在网络中更广泛再分配。平均优化韧性从97.35降至83.00，尽管相对基线条件的改善从16.17%增至21.33%。相比之下，平均LCC在降雨情景间仅变化4.39%。帕累托前沿（Pareto fronts）在高成本区间表现出逐渐减小的韧性增益，膝点解显示选择性而非均匀管道扩径。这些发现突出表明严重降雨下基础设施投资与可达到韧性之间日益增长的不匹配，支持可持续的、基于性能的雨水修复，并具有应用于工业园区和正在经历城市更新的老旧住宅社区排水改造的潜力。

研究背景与问题。城市雨洪内涝已成为高密度建成区持续挑战，高不透水性、快速产流和受限排水能力放大强降雨的水文响应。中国受季风气候、降水变率和快速城市化影响，洪涝风险暴露较高；原文指出2024年全国平均降水697.7 mm，较1991–2020年气候平均约高9.0%，洪涝及相关地质灾害影响5345万人，直接经济损失约2630亿元；293个主要城市中约70%城市洪水危险性增加，城市化在90%以上城市中正向贡献；1977–2018年全国城市洪水调节能力下降13.39%。绿色基础设施、调蓄设施、地表输运系统及基于自然的解决方案等被采用，但雨水管网仍是城市排水系统的基础输运设施，其水力能力决定强降雨下雨水能否有效输送或形成超载与地表洪水。SWMM等物理模型与进化优化已推进排水系统设计与修复，但既有研究多强调最优基础设施配置或Pareto解集，较少关注随降雨胁迫递增的成本–性能关系如何演变；评价范式虽已从洪量削减扩展至韧性、生命周期性能和不确定性适应，但仍不清楚追加管网投资在更极端降雨下是否产生可比韧性增益，以及容量扩张的边际效益是否下降。为此，研究人员开展本项研究。
研究人员构建SWMM–NSGA-II耦合框架，在北京西城区高度城市化汇水区（约1.15 km²，约80%不透水）的5、20、50和100年一遇设计降雨下优化管径，最大化洪水韧性并最小化LCC，评估Pareto最优解和膝点配置。结论表明，降雨强度增加不仅加剧网络洪水，也降低仅靠管道扩径可达到的绝对水力性能；管道升级持续提高韧性，但可达韧性随降雨严重度增加而下降，而LCC仍处于大体可比范围；Pareto前沿在高成本端逐渐变平，边际韧性效率下降；膝点解表现为选择性而非均匀扩径。其意义在于揭示基础设施投资与可达韧性在严重降雨下的匹配恶化，支持基于性能、投资感知和选择性修复的可持续雨水基础设施规划，并可为工业园区及城市更新中老旧住宅社区排水改造提供参考。
关键技术方法（≤250字）：建立SWMM（Storm Water Management Model，暴雨管理模型）模型，研究区为北京西城区高度城市化汇水区（约1.15 km²，约80%不透水；159个子汇水区、154节点、5排放口、管道约6.9 km），用2022年8月4日40.2 mm/120 min事件校准、8月21日22.6 mm/300 min事件验证（监测节点J79、J148；NSE（Nash–Sutcliffe efficiency coefficient，纳什–萨特克利夫效率系数）=0.890/0.842、0.825/0.836）。设5、20、50、100年一遇3 h设计降雨（Chicago雨型，r=0.4），以139根圆管直径为决策变量，耦合NSGA-II（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II，非支配排序遗传算法II；种群100、100代、5次独立运行，HV/IGD评估），目标为最小LCC（life-cycle cost，生命周期成本）和最大化事件水力韧性；约束管径不小于现状、下游不小于上游、峰值流速0.75–10 m/s及最小坡度；进行膝点、MRE（marginal resilience efficiency，边际韧性效率）和Lorenz/Gini分析。
研究结果。3.1 基线排水性能随降雨强度增加（Baseline Drainage Performance Under Increasing Rainfall Severity）：通过5–100年设计降雨SWMM模拟，洪水节点由89增至98（约+10.1%），总节点溢流由13,325增至46,544 m³，100年事件溢流约为50年的1.23倍、20年的1.71倍；最大单节点溢流由2,944增至5,896 m³，其对总溢流贡献由约22%降至约12%；基线韧性由83.80降至68.41，Gini由0.838降至0.742，Lorenz曲线趋近平等线。结论是降雨增强主要放大已受影响节点的溢流，洪水负担由局部集中转向更广泛网络再分配。
3.2 生命周期成本–韧性权衡（Life Cycle Cost–Resilience Trade Offs）：通过四情景多目标优化获得Pareto前沿，韧性提高与LCC增加持续权衡且呈非线性，高成本端韧性增量逐渐减小；更高重现期下前沿整体下移且上部变平。结论是成本–韧性冲突稳健，严重降雨下同等投资可达水力性能降低，持续扩容边际效率下降。
3.3 管网升级的优化性能（Optimization Performance of Pipe-Network Upgrading）：通过比较基线与优化网络并计算MRE，优化网络相对基线韧性提高16.17%–21.33%，平均优化韧性由97.35降至83.00；结果部分报告平均LCC差异仅4.24%（摘要和讨论为4.39%），100年事件平均LCC仅比5年高0.60%而优化韧性低14.35个百分点；MRE在3.20–3.40×10⁸ CNY区间为5.38、6.88、5.29、5.56百分点/10⁸ CNY，在3.40–3.60×10⁸ CNY区间降至3.51、3.95、4.68、3.50，降幅11.4%–42.6%；MRE不随重现期单调变化，降雨强度主要压低同投资下绝对韧性。
3.4 膝点解处的管径重构（Pipe-Diameter Reconfiguration at the Knee-Point Solutions）：通过Pareto膝点识别及管径分布和转移矩阵分析，膝点LCC为3.30×10⁸、3.34×10⁸、3.27×10⁸、3.28×10⁸ CNY（5、20、50、100年），对应韧性97.52、90.35、85.59、82.84；139根圆管平均扩径约556–592 mm、中位数400–500 mm、上尾1500–1700 mm；P73全情景需1400–1600 mm，P115为1100 mm，P142为1000–1200 mm，P35、P56、P52呈明显情景依赖；多数调整集中于原300–900 mm管道，少数增至1800–2000 mm。结论是膝点解通过选择性再分配输水能力实现，而非随降雨增强均匀扩径。
讨论部分总结：4.1 降雨驱动洪水负担重组，5年至100年总洪水量增约249%而洪水节点仅增约10%，系统由局部超载转向更分布式网络压力；热点干预仍需，但应配合空间监测、预警和应急资源灵活配置。4.2 成本–韧性边际收益递减，MRE量化了前沿非线性；初始升级优先缓解强输水瓶颈，后续性能更多受下游容量、连通性、地形和径流再分配影响；Bakhshipour et al.在Ahvaz的研究、广州高密度城市汇水区相关研究及强化降雨下改造优化研究均与本文结果一致；LCC相对稳定而韧性下降，说明成本效益取决于网络配置与水力胁迫。4.3 膝点解通过广泛适度扩径与选定管道大幅扩径相结合实现；1800–2000 mm目标受地下空间、既有管线、开挖和施工可达性约束；不同降雨情景下管径调整非单调。4.4 可持续规划应从容量导向转向基于性能和投资感知的修复，识别额外扩容难以由长期性能合理化的投资水平；选择性更新水力关键组件优于全网扩径；并探索灰绿混合，将NBS（Nature-Based Solutions，基于自然的解决方案）/GI（Green Infrastructure，绿色基础设施）用于源头控制和峰值削减，与优化管网灰色骨干互补，符合海绵城市分布式径流管理原则。4.5 局限包括单一北京高度城市化汇水区、外推受限；观测事件小于5–100年设计暴雨，极端事件属外推；采用平稳设计事件，未显式表达未来气候非平稳降雨；校准验证仅两场事件和两个监测节点；LCC和水力模拟为确定性；韧性为事件体积指标，不含洪水历时、扰动后恢复、节点功能或空间关键性差异；LCC采用15年运维期、2019价格水平、无折现和残值。未来需多汇水区验证、气候预估或概率降雨、成本与水力不确定性、实施约束及NBS/GI纳入优化。
研究结论（翻译）：本研究开发了耦合SWMM–NSGA-II框架，评估设计降雨强度递增下雨水管网升级的成本–韧性权衡。结果表明，降雨负荷增加不仅加剧网络洪水，也降低仅靠管道扩径可达到的绝对水力性能。尽管管道升级持续提高系统韧性，可达韧性随降雨强度增加而下降，而相应生命周期投资仍处于大体可比范围。Pareto分析进一步揭示持续容量扩张的边际效率明显下降。额外支出在高成本区产生逐渐减小的韧性增益，表明严重降雨条件下均匀或广泛管道扩径不太可能提供成比例水力效益。相反，优化结果支持关键管道的选择性重构，表明针对性修复可在不要求全网均匀扩径的情况下实现显著性能改善。这些发现强调将雨水基础设施规划从容量导向升级转向基于性能和投资感知的修复。对于老化城市排水系统，管道升级应依据水力瓶颈、可达韧性增益和生命周期支出排序，而非仅依据管径。在日益严重降雨下，更可持续的适应可能要求针对性灰色基础设施修复与灵活、多样化雨水管理措施相结合，以避免持续管道容量扩张带来的边际收益递减。