升级灰色和绿色基础设施的优化组合：在韧性需求和投资限制条件下，运用协同决策工具

《Environmental Research》：Upgrading of Gray and Green Infrastructure optimized combination: Synergistic decision tools under resilience demand and investment constraints

城市内涝风险加剧背景下，研究构建了灰色基础设施优化与绿色基础设施多目标协同的韧性排水规划框架。通过NSGA-II/SWMM耦合模拟300种情景，发现当前排水系统15.49%管道无法满足1年一遇暴雨，新增灰色设施可解决5/9内涝点但无法全面控流。在VCRAR≥95%的优化方案中，S2方案相较基准降低中高风险区达93.6%和100%，同时减少10.34%（1.4亿元）建设成本，为干旱型城市海绵化改造提供决策依据。

　　

周炳义|杨家勋|杨慧东|王浩铮|刘金城|傅文霞|George N. Zaimes|贾海峰

清华大学环境学院，北京，100084，中国

摘要

城市化和气候变化加剧了城市洪水的风险，因此需要具有韧性的排水系统。本研究开发了一个洪水韧性规划框架，包括：(i) 灰色基础设施的优化和性能评估；(ii) 绿色基础设施设施的多目标优化。研究结果表明，研究地点现有管道中有15.49%无法应对1年一遇的降雨事件。虽然新提出的灰色基础设施可以解决9个淹没区域中的5个，但仍不足以实现全面的径流控制。非支配排序遗传算法II（NSGA-II）结合雨水管理模型（SWMM）模拟了300种绿色基础设施设施建设的情景，结果表明，当年降雨量捕获率（VCRAR）超过95%时，边际成本显著增加。在VCRAR ≥95%的情景中，情景S2被证明是最优的，与基准情景相比，低风险、中等风险和高风险洪水灾害区域分别减少了67.8%、93.6%和100%，同时绿色基础设施设施的建设成本相比情景S3减少了10.34%（1400万元人民币）。本研究为水资源紧张城市的成本效益型洪水韧性规划提供了一个经过验证的框架。

引言

政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第六次评估报告强调了由于城市化和气候变化效应同时发生，城市水资源管理挑战的加剧（Yu等人，2022年；Yadav等人，2024年；Amini等人，2024年）。气候变化导致的极端降雨事件造成了巨大的经济损失，并威胁到城市地区的生命和福利（Ma等人，2022年；Dewals等人，2023年；Nazemi等人，2024年）。城市化对不透水表面的依赖进一步降低了地表渗透性（Chen等人，2015年；Zha等人，2021年；Dolatshahi等人，2023年）。因此，强降雨使排水系统不堪重负，增加了山洪暴发的风险（Andimuthu等人，2019年；He等人，2019年；Zhao等人，2024年）。这种降雨水负荷过重阻碍了排水、储存和渗透，导致地表径流增加并引发传统系统的失效（Chan等人，2018年；Liberalesso等人，2020年）。传统上，改善洪水缓解措施依赖于扩大储存容量或建设新的排水基础设施（Suresh等人，2023年）。然而，城市经济和空间限制使得这些纯粹的灰色解决方案越来越不可行，在许多情况下效果也不如预期（Li等人，2020年；Kim等人，2023年）。为应对这些挑战，中国于2013年启动了海绵城市建设（SPC）计划。SPC整合了绿色设施、灰色基础设施和蓝色空间来管理城市洪水（Zhou等人，2023年）。尽管如此，优化绿色和灰色基础设施的设计以有效缓解洪水和径流仍然是一个关键挑战。计算技术的进步促进了城市洪水模型的发展（Junqueira等人，2021年）。包括雨水管理模型（SWMM）、个人计算机雨水管理模型（PCSWMM）、Infoworks ICM和Mike+在内的知名工具被广泛应用于城市水资源管理（Fei等人，2023年；Yang等人，2023年）。这些模型展示了绿色基础设施设施在SPC中减少洪水损失和提升环境效益的潜力（Kim等人，2022年；Suresh等人，2023年）。例如，Chuang等人（2023年）使用SWMM评估了雨水收集桶和生物滞留设施的性能，并整合了城市水足迹。同样，Su等人（2022年）使用MIKE FLOOD评估了西安大学的绿色基础设施设施组合，发现9%的生物滞留设施、3%的绿色屋顶和3%的透水铺装优化了成本-能源效率。此外，Zhang等人（2024年）应用SWMM优化了储水池的位置和数量，为高密度区域提出了一种三阶段方法。尽管最近取得了进展，但当前的SPC研究主要集中在分别优化绿色或灰色基础设施上。同时优化绿色和灰色基础设施的研究仍然不足，这是一个关键的知识空白。

在SPC中，优化绿色和灰色基础设施的面积和位置至关重要（Li等人，2022年；Zamani等人，2023年）（表S1）。非支配排序遗传算法II（NSGA-II）在确定绿色和灰色基础设施的规模和位置方面表现出色（Leng等人，2021年；Liu等人，2023年；Dolatshahi等人，2026年）。例如，Kumar等人（2022年）将NSGA-II与SWMM结合使用，找到了具有成本效益的绿色屋顶和沟渠组合，减少了22-24%的径流。同样，Janbehsarayi等人（2023）使用NSGA-II/SWMM优化了德黑兰的径流管理，考虑了径流量、峰值流量、悬浮固体减少和成本最小化。此外，Zhang等人（2023）采用NSGA-II进行了双尺度优化，减少了峰值流量、化学需氧量（COD）、悬浮固体（SS）和氨氮（NH₄-N）的侵蚀。然而，许多研究仅关注绿色基础设施设施的性能，忽略了城市建设中绿色设施的空间异质性（Feng等人，2020年）。鉴于对集成绿色基础设施系统的理解有限以及现有文献中缺乏全面的分布式绿色框架，本研究采用NSGA-II来优化SPC的分布式绿色系统。

因此，本研究旨在：(1) 根据排水设计原则优化灰色基础设施（如管道网络和储存设施）并评估其运行性能；(2) 使用NSGA-II/SWMM算法优化绿色基础设施设施的空间配置和规模，以减少径流、降低成本并缓解排水系统超负荷；(3) 使用PCSWMM评估灰色和绿色基础设施设施的洪水缓解性能；(4) 开发一个用于设计分布式系统的决策框架，提供可行的建议。

研究区域和基本数据

本研究的研究区域是呼和浩特市的哈拉更区（东经110°46’ - 112°10’，北纬40°51’至41°8’），这是一个北部干旱城市，降水量集中，但总体降水量仍然较低。哈拉更区（图1）是位于呼和浩特市东北部的一个新开发的城市区域，总面积为8.97平方公里。该地区具有地形梯度，西北部海拔较高，东南部海拔较低。

方法和数据

研究方法框架如图3所示。开发了一种综合方法来确定在中等到高强度降雨事件期间分散式灰色和绿色基础设施设施的最佳部署。该方法包括四个连续步骤：(i) 降雨模型构建：使用呼和浩特市的地理空间数据、气象记录和现场测量数据开发了雨水管理模型（SWMM），然后进行模型校准

SWMM模型构建和灰色设施改造

SWMM包括289个子流域、1,553个交汇点、1,580条管道和5个出口，如图S6(a)所示。现有排水系统在短持续时间（2小时）的不同重现期降雨事件下进行了分析。如图5所示，1年一遇的降雨事件导致177个节点发生溢流，15.5%的管道网络无法承受降雨强度。同样，2年一遇的降雨事件导致257个节点发生溢流。

结论

本研究提出了一种通过整合灰色和绿色基础设施设施来增强哈拉更区排水系统的综合策略，得出以下关键发现：分析表明，现有排水系统在管理不同重现期的降雨事件方面的能力显著有限。具体来说，24.35%的管道无法应对3年一遇的降雨事件。尽管增加了新的灰色

CRediT作者贡献声明

贾海峰：写作——审阅与编辑、资源、方法论、调查、概念化。周炳义：写作——审阅与编辑、初稿撰写、验证、软件、资源、方法论、调查、形式分析、概念化。杨家勋：写作——审阅与编辑、初稿撰写、形式分析。杨慧东：初稿撰写、方法论、形式分析。王浩铮：写作——审阅与编辑、资源。刘金城：写作——

未引用参考文献

Dang, 2020; Gupta等人，2009; Zhu等人，2014; Dolatshahi和Kerachian，2023; Dolatshahi等人，2025; 中国住房和城乡建设部，2014; Latifi等人，2023; Deka等人，2025; Sara Nazari等人，2020; Ghodsi等人，2020; Sambeto Bibi等人，2023; Endreny，2006; Liu，2009; Gu等人，2022; Mohammad等人，2023; Hassan等人，2013.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。