在城市流域尺度上，山麓地区LID（低影响开发）设施的最佳布局：以中国济南市为例

《Journal of Hydrology》：Optimal layout of LID facilities at an urban basin scale in piedmont cities: Case study of Jinan City, China

　　摘要
城市洪水已成为全球城市面临的紧迫问题，危及人类生命和财产安全。山前地区的城市具有特殊的地形和复杂的地表径流过程，这为景观基础设施（LID）的空间优化带来了挑战。我们通过结合TVGM-USWM和SWMM-LID模块开发了一个城市水文模型，考虑了各种LID设施以及城市排水系统中的水流路径。我们将该模型应用于济南市的黄台桥排水盆地，这是中国首批海绵城市建设试点之一。结合NSGA-II算法和城市水文模型，研究了在不同设计降雨条件下最具成本效益的LID设施洪水减少方案。结果表明：（1）模型提出的五种LID设施在减少径流量和峰值流量方面有效，证明了模型的适用性；（2）洪水减少率与经济成本之间存在非线性关联，当设计降雨重现期增加时，LID设施的成本效益降低；（3）PP和RB在RV和RP两种情况下都产生了更好的经济效益。在不同设计降雨事件下，PSA中的LID更具成本效益，特别是在RP中。此外，这项研究可以提供LID布局方案，以实现给定经济成本下的最大洪水减少效果，或以给定洪水减少水平最小化经济成本。这些发现可以为山前地区城市流域规模的LID空间布局提供科学决策依据。

引言
由于气候变化和快速城市化，城市洪水事件变得更加频繁，对城市的可持续发展构成了重大挑战（Mei等人，2024年；Zeng等人，2025年；Gu等人，2026年）。城市的快速发展导致人口、经济发展和社会结构的变化，从而显著改变了地表特征（Chen等人，2016年；Tang等人，2024年）。不透水表面的增加扰乱了自然水文过程，通常会导致径流量增加和流域流集中时间缩短（Boongaling等人，2024年；Wang等人，2024a年）。这使得城市流域更容易发生洪水。人类活动改变了城市微气候，导致极端降雨事件更加频繁和强烈，增加了洪水风险（Wang等人，2024b年；Fan等人，2025年）。基于低影响开发（LID）概念的海绵城市战略已被证明能有效缓解城市洪水（Rong等人，2024年；Taheri等人，2025年）。提高LID设施的功能性和成本效益是海绵城市项目的主要挑战之一（Wei等人，2024年；Zha等人，2024年；Chen等人，2026年）。大多数关于优化城市排水系统的研究主要关注LID和灰色基础设施（Chikhi等人，2024年；Zhou等人，2026年）。尽管改造传统灰色基础设施（如排水管道）可以减轻地表洪水，但会扰乱自然水文循环并且成本较高。LID的目标是通过管理雨水来最小化土地开发对环境的影响，从而增强城市的韧性和灾害缓解能力（Guo等人，2024年；Ni等人，2025年）。山区地区的洪水往往持续时间短但强度大，因此洪水风险更高。在山区建设海绵城市面临由于地形差异和区域发展不均衡带来的一系列挑战。地形会影响河流分布和城市空间格局，但LID研究往往忽略了这一点（Chen等人，2024年）。降雨模式，包括降雨量、强度和时空异质性，对城市洪水过程有显著影响（Liu等人，2024年；Tan等人，2024年）。对于给定的预算，在频繁降雨期间采取的LID措施可能与罕见降雨期间有所不同（Chae等人，2025年）。在极端降雨期间，关于复杂地形下LID布局成本效益的研究仍存在重大空白。成本效益分析可以全面评估不同方案的经济可行性，有助于优化LID设施和灰色基础设施的空间分布和建设比例（[AuthorError]等人，2024年；Dougaheh和Ashofteh，2025年）。多目标优化（MOO）结合水文建模已成为LID布局研究的新趋势（Dui等人，2025年；Wen等人，2025年）。“模型-算法”方法可以同时考虑多个目标，并有效处理多种模拟情景，从而在子流域内提供最佳LID布局方案（Zhang和Jia，2023年；Wang等人，2026年）。SWMM、InfoWorks ICM、MIKE Flood和SUSTAIN等水文模型被广泛使用（Jena等人，2024年；Xiao等人，2025年）。TVGM-USWM模型描述了非线性的降雨-径流关系，考虑了城市排水系统中的水流路径和复杂地表径流过程（Zhao等人，2023a年；Zhao等人，2023b年）。流体动力学模型可以提供更详细的水力信息，但大规模研究通常耗时较长（Zhang等人，2025年；Korzani等人，2026年）。SWMM-LID模块能够准确模拟LID措施对洪水过程的影响，因此成为城市水文恢复研究的流行选择（Chae等人，2024年；Yang等人，2023年）。在雨水管理背景下，MOO已被用于确定最有效的LID布局，从而减少地表径流量并降低建设成本（Kumar等人，2022年；Mendez等人，2026年）。粒子群优化（PSO）、模拟退火（SA）、蚁群优化（ACO）和遗传算法（GA）均已被证明能有效解决此类问题（Lopes和da Silva，2021年）。NSGA-II算法因其并行子群体和迭代过程而在LID优化中得到广泛应用。研究的重点逐渐扩展到城市流域内的联合LID措施和空间布局。联合LID措施在减少径流量和管理洪水方面比单独的LID措施更有效（Zhou等人，2024年；Le Floch等人，2022年）。大多数关于LID布局的研究集中在小流域或社区。在城市排水盆地中，LID措施的空间优化可以全面反映区域间的水文连通性和相互作用，从而提高洪水管理的连贯性和效率（Wu等人，2024年；Ye等人，2025年；Zheng等人，2025年）。然而，大规模LID空间优化研究受到计算需求旺盛和城市水文及地表数据限制的阻碍。在城市流域内布局LID时应考虑不同子流域的地表和水文特性差异，并确定LID的类型和比例（Li等人，2025年）。在具有相似水文特性的子流域部署LID，或在河流中增加其比例，可能会取得最佳效果（Liang等人，2019年）。此外，城市流域尺度上LID的数量和分布及其与水文要素的相互作用尚未得到系统研究。济南市的复杂地形使其成为中国首批海绵城市建设试点之一。尽管在海绵城市建设方面取得了显著进展，但在理解复杂地形和区域发展不均衡的大规模城市排水盆地中LID布局的成本效益方面仍存在不足。迫切需要从流域水文循环的角度出发，基于非线性洪水过程的模拟，研究LID空间布局的优化方法。我们通过深入整合TVGM-USWM和SWMM-LID模型，考虑了复杂的地表径流过程和城市排水系统中的水流路径，开发了一个城市水文模型。结合五个典型LID设施，在不同设计降雨条件下研究了最具成本效益的洪水减少方案。本研究旨在为山前城市排水盆地的LID空间布局提供成本效益优化策略。

研究片段
**城市水文模型**
TVGM-USWM模型作为一种分布式城市水文模型，在具有特殊地形的山前城市中表现出良好的适用性，考虑了复杂的地表径流过程和城市排水系统中的水流路径。它在模拟黄台桥排水盆地不同强度降雨过程中的洪水曲线方面表现良好，六次洪水事件的平均Nash系数为0.82（Zhao等人，2023a年）。在本研究中，我们将TVGM-USWM模型与低影响开发相结合。
**LID洪水减少效果评估**
为了研究LID设施在控制洪水过程中的有效性，我们从表1中选择了三种LID组合：最大比例的30%、60%和100%。基于黄台桥排水盆地的TVGM-USWM模型，我们计算了在不同设计降雨条件下的各种LID设施比例的降雨-径流过程。图5展示了黄台桥排水盆地出口处的设计洪水过程。
**TVGM-USWM模型的适用性**
TVGM-USWM模型能够准确模拟不同设计降雨事件下LID设施的洪水减少效果，并根据具体要求定制优化目标。它考虑了LID与透水区域之间的水文连通性和相互作用，准确描述了地表径流过程。这证明了TVGM-USWM模型在优化山前城市LID设施空间布局方面的适用性。

**结论**
我们通过深入结合TVGM-USWM模型和SWMM-LID模块开发了一个城市水文模型，考虑了各种LID设施和复杂的地表径流过程。在不同设计降雨条件下评估了LID组合设施在减少洪水方面的有效性。使用NSGA-II算法优化了LID设施的空间布局，旨在在最大化洪水减少的同时最小化经济成本。主要结论总结如下：

**作者贡献声明**
赵彦军：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、软件使用、方法论、资金获取、正式分析、数据整理、概念化。
夏军：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论。
徐宗学：项目管理、方法论、调查。
程磊：撰写 – 审稿与编辑。
赵刚：验证、方法论、撰写 – 审稿与编辑。
张翔：监督、撰写 – 审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了山东省自然科学基金（编号ZR2024QE503）、中国自然科学基金（编号52239003）、济南大学科学技术计划（编号XBS2462）以及湖北海绵城市建设水系统科学重点实验室（武汉大学）（编号2025-02）的支持。