生物滯留設施的碳減排效益研究

摘要：通過碳減排效益探究生物滯留設施碳減排量和成本的關系，以我國西北某市為例，對生物滯留設施建設和運行期間的蓄水層高、滲透系數、布設面積和氣候條件4個影響因素對碳減排效益的影響情況進行研究。結果表明，布設面積對碳減排效益的影響較強，且布設面積變化與碳減排效益呈負相關，氣候條件、蓄水層高和滲透系數的變化與碳減排效益呈正相關。相同布設面積下，氣候條件為降雨量增加20%時碳減排效益最高，為1.94 kgCO2/元，說明生物滯留設施碳減排的經濟有效性高，有著較好的經濟價值。

關鍵詞：海綿城市；生物滯留設施；

碳排放；碳減排

引言

生物滯留設施是海綿城市建設中常用的低影響開發設施[1][2]，通過模擬自然生態系統，促使城市雨水自然滯留和滲透，同時利用土壤中的微生物來分解雨水中的污染物，設施投入使用，不僅可以減輕城市排水系統負擔、提高地下水位，而且在改善城市生態環境方面也具有一定作用。一是在碳減排方面，生物滯留設施可以通過增加城市綠地和植被，增強植被對大氣中二氧化碳（CO2）的吸收能力，并將其儲存在植物體內。二是減少雨水徑流量，使得雨水處理對污水處理廠的依賴性降低，從而促使在該過程中的碳排放量下降[3]。由于包括基礎建設、植被選擇、土壤改良、設備安裝和定期維護等費用在內的全生命周期成本是建設生物滯留設施時所必需考慮的因素[4]，因而本文參考費效比理念，使用碳減排效益探究生物滯留設施碳減排量和成本的關系進行研究，結果可以為生物滯留池碳減排效益評估提供數據支撐與參考。

1研究材料概況與模型構建

1.1研究材料概況

本文選用位于我國西北某市新建小區中的一個匯水分區（簡稱“研究區”）作為研究材料。研究區面積為2930 m2，用地類型包括建筑用地、綠地和道路用地（混凝土路面和塊石鋪砌路面）。根據研究區高程及管道走向，設置排水管道與排水口。自然排水方向為西北至東南，如圖1所示。

1.2模型構建

1.2.1設計降雨強度

西北某市暴雨強度模型如式（1）所示。

式中 q—暴雨強度，L/（s·ha）；p—設計暴雨重現期，a；t—降雨歷時，min。

利用芝加哥雨型生成軟件，雨峰系數取0.398，根據式（1）生成重現期為0.5a、1a、2a、3a、5a、10a、20a和50a降雨歷時120min的短歷時降雨，降雨曲線如圖2所示。

1.2.2 InfoWorks ICM模型構建與參數率定

選用城市綜合流域排水模型InfoWorks ICM軟件，可對城市雨水循環系統的全流程進行模擬，并對多種雨水調蓄、利用設施的運行效果等進行模擬與評估，從而為預防城市內澇、控制初期雨水和利用雨水資源提供技術支持[5]。對研究區建模，將其概化為1個子匯水區、4個節點、4根管道、1個排出口，詳見圖1。

根據《室外排水設計標準》（GB 50014-2021），結合實際場地下墊面位置、土質的特點，建筑用地的屋面徑流系數取0.95，混凝土路面取0.80，塊石鋪砌路面取0.62，綠地取0.13，通過面積加權計算得到場地的綜合徑流系數為0.65。對場地建立模型后，使用2a重現期常規降雨情景下22.06 mm的降雨量進行模擬驗證，最后得到研究區徑流系數為0.65，驗證了本研究設定的模型參數的合理性。

2 研究方法

生物滯留設施的碳減排活動主要包括綠地固碳、雨水利用、徑流削減和雨水凈化等4個方面。研究選擇碳減排效益作為衡量生物滯留設施碳減排情況的主要變量，分析碳減排活動與計算方法、碳減排效益計算方法。

2.1生物滯留設施的碳減排活動與計算方法

2.1.1綠地固碳碳減排

生物滯留設施中的植物和土壤均具有固碳作用。生物滯留設施相較于普通綠地內植物多樣性豐富，可以更好地通過光合作用吸收大氣中的CO2，將碳固定在植物體內。土壤中的有機質不僅可以捕獲并固定大氣中的碳，對碳元素的儲存具有長期性，而且對土壤的肥力和結構具有積極的影響[6]。

2.1.2雨水利用碳減排

雨水利用碳減排活動的核心，在于充分利用生物滯留設施收集的可利用水量[7]，在有效減輕雨水徑流對水體的沖擊的同時，并為城市提供一定數量的可再生水資源，減少水資源凈化過程中的碳排放，對緩解城市用水壓力、實現水資源的可持續利用等起到了重要作用。

2.1.3徑流削減碳減排

生物滯留設施的滯水作用好，蓄滲效果顯著，能有效控制部分地表徑流[8]。基于生物滯留設施在運行期間減少的雨水徑流量的徑流削減碳減排活動，能夠減輕市政管網尤其是提升泵站的運行負荷，從而降低相應的運行碳排放[9]。

2.1.4雨水凈化碳減排

雨水凈化碳減排活動主要是生物滯留設施對雨水中污染物的削減而產生的碳減排量[10]。通過對雨水中的沉積物、懸浮物和其它有機、無機物質等污染物進行過濾和去除，能有效地凈化水質、提高雨水質量；同時，部分污染物所攜帶的有機碳也在此過程中得以去除，從而使得碳排放相應降低。

2.1.5碳減排量的計算方法

碳減排量的計算采用因子法[11]，將不同活動的碳減排因子乘以其活動量即得到其碳減排量，計算方法如式（2）所示。

式中 CSBio—生物滯留設施的碳減排量，kgCO2；n—全生命周期年限（取30），a； SFi—第i類碳減排活動的碳減排因子（i=1為綠地固碳、i=2為雨水利用、i=3為徑流削減、i=4為雨水凈化，取值見表1），kgCO2/（m2·a）； Si—第i類碳減排活動的活動量（i=1為生物滯留設施的面積，m2；i=2為生物滯留設施雨水利用量，m3；i=3為生物滯留設施徑流削減量，m3；i=4為生物滯留設施雨水凈化量，m3）。

SFi的取值和單位如表1所示，Si經InfoWorks ICM軟件模擬計算得出。

2.2 碳減排效益計算方法

基于生命周期評價理論，參考費效比[14]計算方法，將生物滯留設施全生命周期的CO2減排量與全生命周期成本的比值作為碳減排效益，用于評價在全生命周期中生物滯留設施成本與其碳減排量之間關系，按式（3）和式（4）計算。

式中 E—碳減排效益，kgCO2/元；LCCBio—生物滯留設施全生命周期成本，元；LCC—生物滯留設施單位面積全生命周期成本（取 LCC =306.85元），m2/元；A—生物滯留設施布設面積，m2；其它符號含義同前。

3 研究實驗設計

本研究從降雨和生物滯留設施2方面，探究氣候條件、蓄水層高、土壤滲透性能和布設面積等在碳減排效益層面，對生物滯留設施的影響情況。

4結果與分析

4.1氣候變化對碳減排效益的影響

將蓄水層高設定為200mm，滲透系數為50mm/h，布設面積91m2的生物滯留設施下針對5種氣候變化進行模擬的情景。C-20、C-10、C、C+10和C+20分別代表當地暴雨強度公式對應降雨量的80%、90%、100%、110%和120%。模擬結果如圖3 a所示，氣候情景由C-20到C+20變化期間，降雨量逐漸增加，生物滯留設施碳減排量為4.3×104～5.4×104kg CO2；碳減排效益值由C-20期間的1.54 kg CO2/元增加至C+20期間的1.94kgCO2/元。表明，生物滯留設施在外界氣候條件改變的情況下，設施有著良好的適應性。以C+10為例，在該氣候條件下，生物滯留設施每單位成本的可以帶來1.84kgCO2的碳減排效益，有著較好的經濟價值。

4.2蓄水層高對碳減排效益的影響

在氣候條件為C，滲透系數為50，布設面積為91m2的情況下針對生物滯留設施不同的蓄水層高進行模擬，結果如圖3b所示，隨著生物滯留設施蓄水層高的提升，碳減排量由4.5×104kgCO2逐步增加至5.2×104kgCO2。與100mm蓄水層高相比，每提升50mm，可增加約4%～15.19%的碳減排效益，具體表現為在50～300mm的范圍內，每提升50mm，碳減排效益值分別為1.62kgCO2/元、1.69kgCO2/元、1.75kgCO2/元、1.81kgCO2/元和1.87kgCO2/元。這是由于蓄水層高的增大使得生物滯留設施滯蓄的雨水量增大，雨水凈化、雨水利用等方面可以帶來的碳減排量增大，碳減排潛力更高。

4.3滲透系數對碳減排效益的影響

在氣候條件為C，蓄水層高為200mm，布設面積占綠地面積比為91m2的情況下對不同滲透系數的生物滯留設施進行模擬，模擬結果如圖3c所示，隨著滲透系數的提高，碳減排量隨之增加，碳減排效益由1.51kgCO2/元增加至1.91kgCO2/元，增幅為26%。生物滯留設施滲透系數的增加，提高了雨水下滲速度，縮短了雨水下滲至排水層的時間，由此可以提高雨水通過盲管排出設施的效率，并在滿足徑流總量控制的前提下，削減徑流峰值流量，從而帶來更多的徑流削減碳減排量。

4.4布設面積對碳減排效益的影響

在氣候條件為C，生物滯留設施的蓄水層高為200mm，滲透系數為50mm/hr的情況下對不同布設面積的設施進行模擬，結果如圖3d所示，隨著布設面積的增大，碳減排量由3.85×104kgCO2逐漸上升至7.37×104kgCO2。碳減排效益由布設面積45.50m2的2.76kgCO2/元逐漸下降至273m2的0.88kgCO2/元。因此，隨著布設面積的增大，碳減排效益逐漸減少。這是由于全生命周期成本的增幅，大于全生命周期碳減排量的增幅。

結論

綜上所述，生物滯留設施有利于碳減排的實現，帶來碳減排效益。影響因素變化時，碳減排效益的變化范圍分別是氣候變化26.46%、蓄水層高15.19%、下滲系數26.05%和布設面積68.09%，由此可以得到4種影響因素對碳減排效益的影響強弱為布設面積、氣候變化、下滲系數和蓄水層高。故生物滯留設施的碳減排效益除受外界環境變化的影響外，還受自身屬性影響，包括蓄水層高、滲透系數和布設面積等。布設面積對全生命周期成本有著較強影響，對碳減排效益的影響呈反比；氣候變化、蓄水層高和下滲系數對碳減排效益的影響呈正比。

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作者簡介

王清晨（1991—），男，漢族，甘肅秦安人，工程師，工學學士，主要研究方向為市政排水管網設計、濕陷性黃土地區海綿城市設計。

通信作者

劉建林（1980—），男，漢族，甘肅秦川人，教授級高級工程師，工學博士，主要研究方向為海綿城市建設。