北京海绵城市建设的水环境韧性评估与协同调控研究

20250120

水利、环境和公共设施管理业

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

一、科技成果来源：本科技成果源自北京市自然科学基金面上项目，由北京师范大学承担，项目编号为 9222017，旨在深入研究北京海绵城市建设中的水环境韧性问题，以应对城市内涝、雨水径流污染及水资源短缺等挑战，提升海绵城市水环境韧性。 二、技术原理 通过构建综合的海绵城市水环境韧性评估与优化框架，以提升北京海绵城市建设的水环境韧性。首先，通过广泛收集土地使用、植被、气象、水文等基础数据，以及土地利用类型、供水排水管网等风险受体数据，建立全面的水环境风险数据库。在此基础上，运用SWMM模型模拟城市管网排水过程，分析管道超载和检查井溢流情况，评估区域排水能力，识别不达标管线；同时，搭建二维地表漫流模型并与一维模型耦合，模拟不同降雨情景下的内涝积水情况。EIO模型则基于投入产出理论，量化水环境风险对工业系统的间接经济影响，分析风险在经济系统中的传递路径，评估各部门的经济损失。InfoWorks ICM模型利用高分辨率数据构建管网水力模型，模拟不同降雨强度下的排水能力，识别城市水环境风险特征，评估排水管网系统的水力负荷状态。进一步地，基于“压力-状态-响应（PSR）”模型，选取13个评估指标，如年平均降水量、地面坡度、植被覆盖率等，构建水环境韧性评估体系。通过博弈论组合赋权法获取各评估指标的最佳权重分配，确保评估结果的科学性和合理性。结合云模型综合评价法，对多尺度（城区和片区）水环境韧性进行评估，划分韧性等级，识别韧性薄弱区域。系统性能曲线法则用于模拟城市排水系统在不同气候变化情景下的性能变化，评估系统的抵抗力、适应力和恢复力，确定韧性值和韧性变化范围。在优化调控方面，选取四种海绵城市低影响开发措施，设置基准情景、单技术应用情景、碳中和情景以及技术-碳中和组合方案情景等六类优化情景，模拟不同情景下的水环境韧性变化。运用NSGA-II多目标遗传算法，设计海绵基础设施的空间布局优化方案，实现径流削减、水质污染控制、生态系统服务提升和成本控制的多目标协同优化。通过这一系列技术手段，本成果不仅能够精准识别和评估海绵城市建设中的水环境风险，还能提供科学的优化调控方案，提升城市的整体抗灾能力和可持续发展水平。 三、关键性技术指标 （1）风险识别指标包括排水管网超载比例，内涝积水深度与历时，经济损失值评估； （2）韧性评估指标包括水环境韧性等级，水环境韧性空间分布； （3）优化调控指标包括径流控制率，内涝积水点消除率，生态系统服务指数，建设成本节约。 四、应用前景 （1）城市规划与建设：为北京市及其他城市的海绵城市建设提供科学指导，帮助城市规划部门规划和建设过程中充分考虑水环境韧性因素，合理布局海绵设施，提升城市的整体抗灾能力和可持续发展水平。 （2）水资源管理：通过优化调控方案，提高雨水资源的利用率，缓解城市水资源短缺问题，实现水资源的可持续利用，对于缺水城市具有重要的现实意义。 （3）防洪排涝：研究成果可应用于城市防洪排涝工程的建设和改造，指导相关部门采取有效的工程措施和管理策略，减少内涝灾害的发生，保障城市居民的生命财产安全。 （4）生态环境保护：提升城市水环境生态韧性，改善城市生态环境质量，增加城市绿地、湿地等生态空间，为城市居民提供更好的生活环境，促进城市生态文明建设。 （5）政策制定与决策支持：为政府相关部门制定海绵城市相关政策、标准和规范提供依据，助力政策的科学制定和有效实施，推动海绵城市建设工作的规范化、标准化发展。同时，为城市管理者在面对复杂水环境问题时提供决策支持，提高决策的科学性和合理性。