去中心化的蓝绿灰基础设施如何重塑城市排水系统性能：一种成本-可靠性-韧性优化框架

《Journal of Environmental Management》：How decentralized blue-green-grey infrastructure reshapes urban drainage performance: A cost-reliability-resilience optimization framework

　　

摘要

在高密度沿海城市中，城市排水系统面临着由非平稳降雨、土地使用加剧以及基础设施老化所引发的复合型洪水风险。尽管蓝绿灰基础设施已被广泛推崇，但网络分散化在成本、可靠性及韧性之间的权衡中所起的作用仍缺乏足够了解。本研究构建了一个集成型的GA-SWMM优化框架，用以系统分析不同集中程度（DCL = 0–90.9%）对传统灰色基础设施系统以及蓝绿灰一体化基础设施系统的性能影响。该框架被应用于中国深圳的桂湾地区，针对重现期为10年、50年和100年、持续时间为1小时、6小时和24小时的九种设计暴雨情况进行了分析。研究结果表明，网络分散化能够显著降低系统成本，同时提升运营的稳健性。随着DCL从90.9%降至0，仅采用灰色基础设施系统的总生命周期成本下降了30.6%，而蓝绿灰一体化系统的这一数值则为32.9%，其主要原因在于管道深度减小、平均直径缩小（最高可达0.12米），以及运营维护成本降低。在所有分散化水平下，蓝绿灰一体化方案相比仅采用灰色基础设施的方案还能额外节省1800万至2400万美元的成本。从水力性能来看，分散化能在100年一遇、持续24小时的暴雨中将溢流量减少多达23.5×103立方米，同时使技术可靠性提升0.3%至2.7%。在管道随机故障的情况下，蓝绿灰一体化系统在最多15.0%至25.3%的管道故障率下仍能保持良好的服务水平（Oper_Rel ≥ 80%），而仅采用灰色基础设施的系统这一比例仅为4.8%至7.8%。在分散化的蓝绿灰一体化系统中，组件对系统的韧性（Res_II）还会进一步提升5%至8%。研究结果表明，韧性的提升主要源于网络结构的重新配置，而非容量扩张，这表明将蓝绿灰基础设施进行分散式整合是一种兼具成本效益且具备强韧性的新一代城市洪水管理方式。

引言

随着气候变化加剧、土地开发日益频繁以及排水设施不断老化，人口和建筑密度较高的城市区域越来越容易遭受洪水侵袭（Fletcher等，2024；Zhou等，2019）。传统的以管道为基础的排水系统是基于为可预测的峰值流量而设计的集中式主干网络构建的，这类系统已越来越无法满足现代城市环境的水力需求（Liu等，2024；Zhou等，2025）。非平稳降水、不断扩大的不透水表面以及多种故障模式的叠加，常常使得排水系统面临超出原有设计能力的负荷条件（Zhao等，2021）。因此，单一故障点的存在以及高昂的生命周期成本，促使人们开始转向混合式和分散式管理方法，即结合灰色排水系统与蓝绿基础设施，以便在雨水产生的源头就近对其进行滞留、渗透和处理（Lu等，2023；Wang等，2023a）。

作为一种基于自然的城市雨水管理策略，蓝绿基础设施利用建成环境中的生态过程来调节雨水的生成，从而减轻对人工排水系统的压力。通过增强雨水的渗透、临时储存以及蒸发作用，蓝绿基础设施能够削弱峰值径流，同时在雨水进入排水网络之前将其截留，从而弥补以管道为主的灰色排水系统的不足（Wu等，2023；Wu和Willems，2025）。将蓝绿基础设施与传统的管道基础设施相结合，就可以形成蓝绿灰一体化基础设施，这种混合式结构能够重新分配水流和存储空间，减少对大型主干污水管的依赖，同时通过多条浅层排水路径实现冗余设计（Alves等，2019；Yin等，2023）。这样的整合不仅提升了水力性能，还有助于实现成本效益以及生态效益，比如改善水质、缓解城市热岛效应以及恢复生物多样性（Frantzeskaki等，2019）。尽管人们对蓝绿灰一体化基础设施的兴趣日益浓厚，但对其韧性方面的系统性评估仍然有限，这就凸显出需要建立能够同时考虑成本、可靠性及韧性的综合评估框架（Wang等，2023b）。

在面临高度不确定性时，韧性逐渐被视为规划雨水系统的一种重要理念，此处所指的韧性是指在面临各种干扰时仍能维持或迅速恢复核心功能的能力。在城市洪水管理中，韧性通常通过两个相互关联的维度来体现：技术韧性和运营韧性（Butler等，2014）。因此，要对韧性进行准确评估，就需要一个能够同时兼顾这两个维度的分析框架。现有的韧性评估理念往往将“故障安全设计”与“容错设计”区分开来——前者通过过度设计提升系统容量来降低故障概率，而后者则依靠冗余设计、模块化设计以及空间分散布局来限制故障带来的影响（Ahern，2011）。然而，在城市排水系统应用中，这些概念很少以可测量的网络分散化形式得到体现，因此容错设计得以实现的特定结构条件也尚未得到充分量化。此外，这两种韧性维度之间的相互作用也鲜有研究，网络结构对二者共同作用的影响更几乎未被探索（Tran等，2024；Wang等，2024）。

另一个影响排水系统性能但尚未得到充分研究的因素就是网络的分散程度。在集中式结构中，雨水会通过少数几条大型主干污水管汇集，再通过有限的出口排出，这就使得水力负荷和故障风险都高度集中（Hesarkazzazi等，2022）。相反，分散式布局则通过较短的收集管道将雨水引导至多个出口，从而减小管道的平均尺寸、挖掘深度，同时也降低了局部故障的影响（Bakhshipour等，2021）。因此，网络的分散程度不仅会影响水力效率，还会对资本投入、维护成本以及故障在系统中的传播范围产生影响（Zahediasl等，2021）。虽然从概念上来说，网络分散化既能降低成本，又能提升系统的韧性，但其在不同类型的基础设施以及不同韧性维度上的实际影响仍缺乏足够的量化研究（Asghari等，2023；Xie等，2025）。因此，了解分散程度如何影响成本、可靠性及韧性之间的平衡，对于设计出能够在高密度城市环境中保持强大适应能力的排水系统至关重要。

本研究构建了一个集成化的优化与评估框架，用于系统分析在不同网络分散程度下城市排水系统的水力性能、生命周期成本以及韧性表现。该框架被应用于中国深圳的桂湾地区，通过将优化模块与水力模拟相结合，分析了不同分散程度下的排水系统布局。本研究的具体目标包括：（1）提出一种可量化的分散程度指标，并通过多场景模拟分析其对网络结构特征的影响；（2）比较传统灰色基础设施系统与蓝绿灰一体化基础设施系统在水力、经济以及韧性方面的表现，从而揭示蓝绿基础设施在分散式布局中的替代效应与协同效应；（3）建立一种成本-可靠性-韧性权衡框架，为海绵城市及可持续城市发展中的分布式排水系统规划与政策制定提供依据。城市排水基础设施处于环境可持续性、资源管理以及气候适应性这三个领域的交汇点上，而这些领域都被视为实现联合国可持续发展目标，尤其是可持续发展目标6（清洁饮水）和可持续发展目标11（可持续城市）的关键所在（联合国，2015；Fletcher等，2024）。该框架并非旨在指定某种最优设计，而是通过对比不同分散化程度以及蓝绿灰一体化布局在预算和风险条件下的表现，为环境管理部门、公用事业机构以及城市规划者提供透明的决策支持，帮助他们选择适合高密度沿海城市的排水系统升级方案。

章节节选

研究区域与数据

本案例研究的是深圳前海合作区的桂湾地区（见图1）。桂湾是典型的密集型沿海城市区域，也是一个功能完备的金融与商业中心。从水文角度来看，该地区被前海湾以及多条河流环绕，形成了一个与城市建成环境紧密相连的复杂水系网络。正是由于城市的高密度特征与复杂的排水边界之间的相互作用，使得桂湾成为评估相关问题的理想场所。

管道直径、检查井深度以及拓扑结构的影响

网络分散化会缩短收集管道的长度，使雨水向多个出口分散排出，从而减少对深埋且容量较大的主干管道的依赖。经过优化的布局显示，随着分散程度的提高，管道的平均直径和平均深度呈单调递减趋势，而最大直径则保持不变，因为其大小受到极端降雨事件设计要求的限制（见图3）。

在完全分散化的布局中，管道的平均直径比最集中的布局减少了0.09米，最大减少幅度可达0.12米。

结论

本研究构建了一个集成框架，用于评估在不同集中程度以及蓝绿灰一体化布局下城市排水系统的成本、可靠性及韧性表现。将该框架应用于深圳桂湾地区后发现，该地区属于高密度、地势平坦的沿海重建区域，其排水管道距离潮汐通道较近。研究结果表明，网络分散化能够缩短水流路径，减少对深埋主干管道的依赖，同时降低系统的生命周期成本，还能保持良好的水力性能。

关于写作过程中使用生成式人工智能及AI辅助技术的声明

在撰写本论文的过程中，作者们使用了Claude（Anthropic公司产品）和ChatGPT（OpenAI公司产品）来帮助提升文本的语法水平及句子表达的清晰度。在使用这些工具之后，作者们对内容进行了必要的审阅和修改，并对论文内容的真实性负全责。

CRediT作者贡献说明

莫旺：正式分析、资金获取、研究实施、方法设计、项目管理、结果验证、初稿撰写。张艺佳：数据整理、研究实施、方法设计、软件应用、结果验证。孙传豪：研究实施、资源协调、软件应用、结果验证、结果可视化。拉纳·穆罕默德·阿德南·伊克拉姆：方法设计、结果验证。刘克新：概念构思、方法设计、资源协调、结果验证、论文审阅与修改。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金（编号：2025A1515012916）以及国家自然科学基金重大研究计划（编号：62394334）的支持。

莫旺|张艺佳|孙传豪|拉纳·穆罕默德·阿德南·伊克拉姆|刘克新

广州大学建筑与城市规划学院，中国广州510006