融合生命周期碳效益的低影响开发（LID）综合适宜性评估框架——以中国武汉为例

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：A comprehensive suitability assessment framework for low impact development (LID) incorporating life-cycle carbon benefits: A case study in Wuhan, China

　　

摘要专业翻译 低影响开发（LID）适宜性评估框架纳入了生命周期碳效益。LID部署面积与碳减排之间呈现显著正相关关系。以植被为主的生物滞留池（bioretention cell）展现出巨大的碳汇潜力。生物滞留池占比与碳效益之间呈正向非线性关系。主客观组合赋权塑造了最优LID部署规模与组成结构。

论文解读

一、研究背景与问题

城市作为社会经济发展的核心枢纽，既是碳排放的重要来源，也承受着气候变化与快速城镇化带来的日益严峻的城市内涝风险。排水管网、泵站、调蓄池及低影响开发（low impact development, LID）等基础设施建设在缓解城市洪涝风险、保障水安全方面发挥着关键作用。与此同时，在中国“双碳”战略背景下，基础设施的综合性能尤其是碳减排潜力受到越来越多的关注。LID措施被广泛认为是缓解城市开发对水文过程和生态系统负面影响的有效途径，其性能在很大程度上受设施类型选择、结构设计和空间配置的影响。

然而，现有LID适宜性评估研究存在明显不足。首先，多数研究以径流调控为核心关注点，主要采用总径流削减率、洪峰流量削减率、洪峰延迟时间等指标进行评估；部分研究虽纳入污染物削减和水质改善维度，也有研究考虑经济成本以平衡环境效益与资金投入，但面对日益复杂的城市环境，需要纳入更广泛的环境效益维度，现有评估框架对此覆盖不足。其次，关于LID碳效益的研究大多聚焦于运行阶段的碳减排，而LID措施在建设、运行和拆除阶段均会产生碳排放，从全生命周期视角看，这些前期及过程性排放可能显著影响LID系统的整体碳平衡。尽管已有研究探索了碳减排、水文调控与经济成本之间的权衡与协同关系，但生命周期碳效益尚未被系统纳入LID适宜性评估框架，这主要受限于碳核算的复杂性与不确定性，以及各研究之间系统边界不一致、生命周期阶段覆盖不全等问题导致的成果可比性较差。

因此，将生命周期碳排放与碳汇同水文及其他多维性能指标整合到一个统一的LID适宜性评估框架中，具有重要的学术价值和实践意义，而目前此类综合评价仍然十分有限。

二、研究内容与结论

本研究开发了一个明确纳入碳减排效益的LID综合适宜性评估框架。研究人员基于文献综合和场地条件，系统刻画了LID设施全生命周期的碳排放与碳汇路径，建立了统一的核算方法及参数框架，并以中国武汉为案例验证了该框架的适用性和有效性。研究目标包括两方面：一是建立将生命周期碳效益与多维性能指标相结合的LID综合适宜性评估框架；二是评估考虑径流调控、碳减排和经济成本的多目标优化LID方案的适宜性，并考察纳入碳效益对方案选择的影响。

研究得出以下主要结论：LID部署面积与碳减排之间存在显著正相关关系；以植被为主的生物滞留池展现出巨大的碳汇潜力；生物滞留池占比与碳效益之间呈正向非线性关系；主客观组合赋权能够塑造最优的LID部署规模与组成结构。

三、主要技术方法

研究人员采用的核心技术方法包括以下四个方面。第一，基于SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）构建研究区水文模型，研究区位于武汉市青山区中部，总面积389.1公顷，属湿润亚热带季风气候，年均气温16.7°C，年均降水量1303.5毫米，被划分为38个子汇水区，模型关键参数直接来源于土地覆盖数据集和场地实测数据，曼宁粗糙度系数、地表洼蓄量等参数采用Zhou等（2022）已通过实测淹没深度和淹没格局验证的参数取值。第二，采用NSGA-II（非支配排序遗传算法II）多目标优化算法，以生物滞留池和透水铺装两种代表性LID措施在各子汇水区的部署面积为优化变量，以最大化径流调控能力（RCF）、最小化净碳排放（CE）和最小化建设与维护成本（CI*）为三个优化目标，其中碳和成本目标在全生命周期内评估，共获得60个位于Pareto前沿的非支配解作为后续适宜性评估的基础方案。第三，建立全生命周期碳核算方法，系统表征LID设施在建设、运行和拆除各阶段的碳排放与碳汇路径。第四，采用主客观组合赋权方法进行适宜性评估，将碳相关指标作为显式评价准则嵌入评估框架，兼顾决策偏好与数据驱动信息。

四、研究结果

LID部署面积与碳减排的正相关关系。 通过多目标优化获得60个Pareto最优方案，对各方案的碳效益进行量化分析后发现，LID部署面积越大，碳减排效果越显著，表明扩大LID建设规模是提升碳效益的有效途径。

植被主导型生物滞留池的碳汇潜力。 对比生物滞留池与透水铺装两种LID措施的碳性能，生物滞留池因植被覆盖而具有显著的碳汇能力，其植被固碳可部分抵消建设相关的碳排放，是LID碳减排的重要路径。

生物滞留池占比与碳效益的非线性关系。 分析LID方案组成结构对碳效益的影响发现，生物滞留池占比与碳效益之间存在正向非线性关系，即随着生物滞留池占比增加，碳效益的提升幅度呈现非线性增长特征，表明方案组成结构对碳效益具有重要影响。

主客观组合赋权对最优方案的影响。 采用主客观组合赋权方法进行适宜性评估，发现赋权方式显著影响最优LID部署规模和组成结构的确定，将碳效益纳入评估体系后，方案优选结果发生变化，表明碳效益的纳入对LID方案选择具有实质性影响。

五、讨论与结论

讨论部分指出，现有LID适宜性评估框架多聚焦于径流调控和污染物削减，对碳效益的考虑不足，且碳核算的系统边界不一致导致研究间可比性差。本研究通过将生命周期碳效益纳入统一评估框架，弥补了这一不足。研究同时揭示了碳减排与径流调控、经济成本之间存在权衡关系，主客观组合赋权为平衡多维目标提供了有效手段。

研究结论为：本研究开发了将生命周期碳效益纳入LID适宜性评估的综合框架，通过武汉案例验证了其适用性。LID部署面积与碳减排显著正相关，植被主导型生物滞留池具有巨大碳汇潜力，生物滞留池占比与碳效益呈正向非线性关系，主客观组合赋权塑造了最优LID部署规模与组成结构。该框架为城市LID规划决策提供了兼顾碳减排、径流调控和经济成本的综合评价工具，对推动城市绿色转型和可持续发展具有重要意义。