不同LID設(shè)施的面積比例優(yōu)選及徑流污染控制效果

戎貴文，甘丹妮，李姍姍，孫浩淼，王莉莉

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210029)

隨著全球氣候變化和城市化的快速發(fā)展，城市洪澇災(zāi)害給人類造成的威脅越來越大。推進海綿城市建設(shè)對緩解城市內(nèi)澇、改善城市生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1]。海綿城市建設(shè)倡導(dǎo)從源頭滯水、蓄水、滲水和凈水，旨在城市開發(fā)過程中保持良好的雨水儲存、滲透和凈化功能[2-3]。Li等[4]針對中國廣西的一個體育中心項目分析了5種低影響開發(fā)(low impact development，LID)設(shè)計方案的性能，結(jié)果表明按一定比例設(shè)計的生物滯留設(shè)施和下沉式綠地，能夠每年減少75%的總徑流量，小型分散式LID設(shè)施的綜合性能可以達到最佳。周昕等[5]研究了南京市雨花臺某區(qū)域的不同LID設(shè)施，發(fā)現(xiàn)不同LID設(shè)施均有明顯的雨洪控制效果，但隨著降雨重現(xiàn)期的增大，效果會逐漸降低。吳海春等[6]研究發(fā)現(xiàn)SWMM模型在模擬污染物時未考慮LID設(shè)施的凈化作用，考慮LID設(shè)施凈化作用后固體懸浮物的凈化率可以提高1.3倍。LID設(shè)施在保護城市環(huán)境中具有許多優(yōu)勢，但是LID設(shè)施的建設(shè)與管理成本較高，探討LID設(shè)施在不同面積比例下的總成本效益及徑流污染控制效果能夠為海綿城市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)[7-9]。目前，我國正在全面推進海綿城市建設(shè)和城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造，將海綿城市建設(shè)理念運用到城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造過程中，能夠提高老舊小區(qū)的雨水源頭減排效率，促進海綿城市建設(shè)的規(guī)范化和科學(xué)化。

合理的LID設(shè)施類型和面積比例能夠節(jié)約城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造成本。本文以淮南市某老舊小區(qū)為研究對象，構(gòu)建SWMM模型研究老舊小區(qū)不同LID設(shè)施組合方案的雨洪控制和污染負荷削減效果，并通過總成本效益和徑流污染控制效果確定LID設(shè)施的最佳布設(shè)面積比例。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北緯32.63°、東經(jīng)117.02°，地處安徽省淮南市，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，冬天寒冷，夏天炎熱。年平均氣溫15.3℃，年平均降水量為937.2 mm。降雨分布不均勻，主要集中在夏季，6月底到7月中旬為梅雨季節(jié)。

該老舊小區(qū)總體地勢較為平坦，平均坡度為2.52%，總面積約7.20 hm2，不透水面積約占總面積的67.5%。不透水面積主要包括建筑面積、不透水道路面積和其他不透水面積等，其中，建筑面積約為1.96 hm2，其他不透水面積約為2.90 hm2；透水面積包括原有的綠化面積和透水鋪裝面積等，綠化面積約為1.70 hm2，透水鋪裝面積約為0.64 hm2。

2 SWMM模型構(gòu)建

根據(jù)研究區(qū)高程及管道走向，將區(qū)域概化為13個子匯水區(qū)和14條排水管道，管網(wǎng)節(jié)點14個，管網(wǎng)末端排水口1個，概化結(jié)果如圖1所示。

圖1 研究區(qū)子匯水區(qū)劃分Fig.1 Sub-catchment area division of study area

2.1 設(shè)計暴雨

根據(jù)《給水排水設(shè)計手冊》[10]，淮南市降雨強度公式為

(1)

式中：i為降雨強度，mm/h；P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

利用芝加哥雨型生成器生成降雨歷時為2 h、設(shè)計降雨重現(xiàn)期為2 a、5 a、10 a和20 a的降雨過程，繪制降雨過程線，不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期降雨強度過程線如圖2所示。

圖2 不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期降雨強度過程線

2.2 模型參數(shù)

2.2.1子匯水區(qū)基本參數(shù)

子匯水面積、坡度、不透水面積比通過實測數(shù)據(jù)獲取，地表洼蓄量、曼寧系數(shù)、下滲模型的參數(shù)等通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻以及SWMM用戶手冊獲取[11-13]。子匯水區(qū)寬度按以下經(jīng)驗公式[14]計算：

(2)

式中：W為子匯水區(qū)寬度，m；K為常數(shù)，取值為0.2～5.0；A為子匯水區(qū)面積，m2。

不透水地面曼寧系數(shù)取0.011，透水性地面曼寧系數(shù)取0.2，管段曼寧系數(shù)取0.013。不透水洼地蓄水量取2.0 mm，透水洼地蓄水量取6.0 mm，無洼地蓄水不滲透百分比取60%。由于研究區(qū)面積較小，下滲模型采用Horton入滲模型，最大和最小入滲率分別為88.4 mm/h和11.5 mm/h，衰減系數(shù)為4 h-1，排干時間取7 d。

2.2.2水質(zhì)模塊參數(shù)

選取雨水中常見污染物總懸浮污染物(TSS)作為水質(zhì)模擬的主要污染物指標(biāo)，模擬管網(wǎng)末端排放口污染物的質(zhì)量濃度。將研究區(qū)下墊面分為綠地、道路和屋面3種土地利用類型，根據(jù)實際情況賦予對應(yīng)的不同子匯水區(qū)相應(yīng)的面積百分比。污染物質(zhì)量濃度的積累過程采用飽和函數(shù)計算，污染物質(zhì)量濃度的削減過程采用指數(shù)函數(shù)計算，參數(shù)初值參考SWMM用戶手冊和相關(guān)文獻[15-18]確定，結(jié)果如表1所示。

表1 污染物累積與沖刷參數(shù)

2.3 模型驗證

為了驗證模型的準(zhǔn)確性，選取2020年7月19日和2020年8月8日兩場降雨，通過監(jiān)測排水管網(wǎng)出水口末端的流量和TSS質(zhì)量濃度對模型進行率定。采用納什系數(shù)評價模型的模擬結(jié)果，當(dāng)納什系數(shù)大于0.65時，表明模型可靠。模型率定結(jié)果如圖3所示，可以看出模型模擬結(jié)果良好，在兩次降雨排水管網(wǎng)末端出水流量的實測值與模擬值的納什系數(shù)分別為0.84和0.87，排放口TSS質(zhì)量濃度實測值與模擬值的納什系數(shù)分別為0.87和0.85，均大于0.65，表明模型模擬結(jié)果可靠。

(a)2020年7月19日出水流量

(b)2020年7月19日TSS質(zhì)量濃度

(c)2020年8月8日出水流量

(d)2020年8月8日TSS質(zhì)量濃度

2.4 LID設(shè)施類型

目前較為常見的LID設(shè)施類型主要包括綠色屋頂、雨水桶、雨水花園、滲渠、植被淺溝和透水鋪裝等，本文根據(jù)所研究的老舊小區(qū)現(xiàn)場勘測資料以及不同下墊面的分布情況，選用綠色屋頂、滲透鋪裝和生物滯留設(shè)施3種LID設(shè)施，參照相關(guān)文獻[19-20]及SWMM用戶手冊，LID設(shè)施的參數(shù)設(shè)置如表2～4所示。

表2 LID設(shè)施表面層參數(shù)設(shè)計值

表 3 LID設(shè)施土壤層參數(shù)設(shè)計值

表4 LID設(shè)施排水層與蓄水層參數(shù)設(shè)計值

2.5 總成本效益分析方法

生命周期成本分析方法是一種應(yīng)用較廣泛的估計系統(tǒng)壽命總成本的分析方法[21]，本文結(jié)合LID設(shè)施現(xiàn)值以及LID設(shè)施對洪峰流量和徑流總量的削減效率分析總成本效益，選取最大生命周期效益的LID設(shè)施比例確定單項LID設(shè)施面積。計算公式為

CE=CC-CCSV+CD

(3)

(4)

式中：CE為LID總成本費用，元；CC為建造費用，元；SV為殘值率；CD為設(shè)計費用，元；CV為LID設(shè)施現(xiàn)值，元；CM為運行與維修費用，元；j為貼現(xiàn)率；n為使用年限，a。

參考LID設(shè)施的各項費用(表5)[22-24]，結(jié)合洪峰削減率和徑流量削減率，確定最佳LID設(shè)施的比例。總成本效益S計算公式[22]為

(5)

式中：RP為洪峰削減率；RO為徑流量削減率。

表5 LID設(shè)施費用參考值

3 結(jié)果與分析

3.1 單項LID設(shè)施總成本效益

為研究單項LID設(shè)施的最優(yōu)比例和總成本效益規(guī)律，單項LID設(shè)施的工況模擬比例均按公差為5%的等差數(shù)列設(shè)置，其中綠色屋頂占屋頂總面積的比例設(shè)置為30%～90%共13個比例，滲透鋪裝占不透水道路面積的比例設(shè)置為35%～70%共8個比例，生物滯留設(shè)施占綠地總面積的比例設(shè)置為10%～40%共7個比例。通過對各種工況的總成本效益分析，選出最佳LID面積設(shè)置比例。

由圖4可知，綠色屋頂和滲透鋪裝的總成本效益均出現(xiàn)峰值。當(dāng)綠色屋頂占屋頂總面積的45%時，總成本效益最高；當(dāng)綠色屋頂占屋頂總面積的30%時，總成本效益最低；當(dāng)綠色屋頂面積大于屋頂總面積的45%以后，總成本效益波動不大。滲透鋪裝占不透水道路面積的60%時，總成本效益最高。生物滯留設(shè)施總成本效益則呈現(xiàn)隨面積設(shè)置比例增大而減小的趨勢，當(dāng)生物滯留設(shè)施占綠地總面積的10%時，總成本效益最高，在一定范圍內(nèi)，隨著生物滯留設(shè)施面積的增加，總成本效益遞減。

由圖4可知，綠色屋頂?shù)目偝杀拘б孀畹停餃粼O(shè)施總成本效益最高，這主要是由于綠色屋頂只能削減其本身覆蓋區(qū)域的水量和水質(zhì)，而生物滯留設(shè)施除了對其自身區(qū)域有較好削峰減流的效果外，還對周圍地面或草地等透水面和路面等不透水面的徑流和污染也有顯著的削減功能。

圖4 LID設(shè)施不同面積比例的總成本效益

經(jīng)過單項LID設(shè)施的分析，最終確定按綠色屋頂占屋頂總面積的45%、滲透鋪裝占不透水道路面積的60%、生物滯留設(shè)施占綠地總面積的10%進行布設(shè)。

3.2 LID設(shè)施組合方案總成本效益

根據(jù)單項LID設(shè)施不同面積比例的總成本效益分析結(jié)果，對LID設(shè)施進行4種方案組合分析。①方案Ⅰ：占屋頂總面積45%的綠色屋頂與占綠地總面積10%的生物滯留設(shè)施組合；②方案Ⅱ：占屋頂總面積45%的綠色屋頂與占不透水道路面積60%的滲透鋪裝組合；③方案Ⅲ：占不透水道路面積60%的滲透鋪裝與占綠地總面積10%的生物滯留設(shè)施組合；④方案Ⅳ：占屋頂總面積45%的綠色屋頂、占不透水道路面積60%的滲透鋪裝與占綠地總面積10%的生物滯留設(shè)施組合。

基于建立的SWMM模型，計算研究區(qū)現(xiàn)狀和不同LID組合方案在不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期時徑流量、洪峰流量、排放總量、TSS排放量等。P=2 a、5 a、10 a、20 a時，研究區(qū)2 h降水量分別為63.21 mm、77.94 mm、89.08 mm和100.23 mm。不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期下徑流量變化見圖5，洪峰流量、徑流系數(shù)和TSS排放量見表6和表7。

由圖5可以看出，不同的LID設(shè)施組合方案均有一定的削峰減流和污染物去除效果，且各LID設(shè)施組合方案均能延緩峰值流量出現(xiàn)時間，其中，方案Ⅳ的雨洪控制效果最好，其次為方案Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ。方案Ⅰ的雨洪控制效果相對較差，主要是因為生物滯留設(shè)施面積較小，而方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中由于添加了滲透鋪裝，LID設(shè)施總面積有所增加，從而增加了下滲量，同時因為滲透鋪裝總成本效益高，因此，雨洪控制效果明顯提升。

表 6 不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期下洪峰流量、TSS排放量和徑流系數(shù)模擬結(jié)果

(c)P=10 a (d)P=20 a

表 7 不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期下洪峰流量、TSS排放量削減率

由表6 和表7可知，對洪峰流量、TSS排放量及徑流系數(shù)而言，方案Ⅳ的效果最好，在2年一遇降雨時，洪峰削減率高達60.81%，污染物削減率達到61.87%。對于不同重現(xiàn)期，方案Ⅲ對徑流量、洪峰流量以及TSS的控制效果與方案Ⅱ整體比較接近，在2年一遇降雨時，方案Ⅱ的控制效果要比方案Ⅲ的控制效果好，但是在20年一遇的降雨時，方案Ⅲ的控制效果要優(yōu)于方案Ⅱ，說明在雨量較大時，生物滯留設(shè)施比綠色屋頂削減徑流效果更好。相比于2年一遇的降雨，方案Ⅲ在20年一遇的降雨時，洪峰削減率減小了7%。

4 結(jié) 論

a.采用研究區(qū)排水管網(wǎng)末端流量和TSS質(zhì)量濃度對建立的模型進行驗證，結(jié)果表明模型模擬結(jié)果良好，可靠度高。

b.單項LID設(shè)施總成本效益分析結(jié)果表明,占屋頂總面積45%的綠色屋頂、占不透水道路面積60%的滲透鋪裝和占綠地總面積10%的生物滯留設(shè)施的總成本效益最高，而對于不同LID設(shè)施而言，生物滯留設(shè)施的總成本效益最高，綠色屋頂?shù)目偝杀拘б孀畹汀?/p>

c.對于不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期，不同LID設(shè)施組合方案均能夠削減徑流總量、降低洪峰流量和延緩排放口雨水排放時間，且對污染物TSS有一定的削減作用，其中方案Ⅳ的效果最好。

d.隨著設(shè)計降雨重現(xiàn)期的增大，不同LID設(shè)施組合方案對研究區(qū)的徑流量削減效果較明顯，而對于洪峰流量及TSS削減效果相對較差。