三种典型LID渗透减排措施控制效果比选

孔向东

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

Control Effects Comparison of Three Kinds of Typical LID Infiltration and Emission Reduction Measures: Beijing Case Study

KONG Xiangdong

三种典型LID渗透减排措施控制效果比选

孔向东

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Control Effects Comparison of Three Kinds of Typical LID Infiltration and Emission Reduction Measures: Beijing Case Study

KONG Xiangdong

摘要低影响开发雨水管理系统以源头控制为理念，强调在源头应用各种工程措施以达到渗透减排的目的。透水铺装、低势绿地和雨水花园三种典型的LID技术措施能有效地消减径流体积，控制径流峰值和污染物。以北京为例，总结了三种措施的设计方法、适用条件及关键参数。结合设施的典型做法和关键设计参数，通过实例对三种措施的径流体积、峰值流量、污染物总量削减进行水文量化评价，并通过相应投资分析对其投资-效果进行评价，对三种典型措施的控制效果进行综合比选。

关键词透水铺装低势绿地雨水花园控制效果水文评价投资效益北京

1概述

通过合理的场地规划和综合管理措施(Integrated Management Practices，IMPs)应用，从源头上保护和模拟原有的自然水文条件，将场地开发导致的水文循环破坏和雨水径流对生态环境的影响减小到最小，这是LID的核心[1]。LID通过散布在场地内的水文功能性景观和贮存设施来滞留、调蓄及回用径流雨水，使雨水的渗透量和滞留量增加，汇流时间延长，从而实现削减径流体积和峰流量，增加渗透量以回补地下水，维持河道基流量，增加蒸发量以及保护受纳水体水质等城市雨洪控制利用目标。

LID强调优先进行场地规划，以保护原有场地自然水文功能(水敏感性)为前提，然后再利用综合管理措施来减轻对其造成的不可避免的干扰。低势绿地、透水铺装和雨水花园作为典型的LID IMPs，能够有效滞留雨水，通过渗透、过滤等作用，实现径流体积、峰值、污染物总量削减。以北京为例，对三种措施的设计、应用和径流控制的费用-效果进行分析，以指导应用。

2LID技术在北京应用的可行性和必要性分析

随着人为活动的影响和城市化的快速发展，原有的水文循环遭到破坏，城市绿地被屋面、道路等不透水面(Impervious Cover，IC)所取代，雨水引发的问题已逐步凸现出来，主要表现在径流污染、洪涝灾害、雨水资源流失和生态环境破坏等。

2010年北京市区规划面积1 042 km2，建筑屋面、道路和绿地面积率分别为44.6%，20.2%和35.2%，根据北京市多年平均降雨量585 mm和径流雨水污染物平均浓度的最低值保守估算，北京市区平均径流排放量3.5亿m3，COD排放总量约5.5万t/a，单位面积负荷577.4 kg/104m2·a。2009年城八区污水处理率已达到94%，径流雨水COD排放总量已超过雨、污、废三者COD排放总量的1/3甚至更高，既使污水处理率达到很高的水平，由于雨水径流污染的严重性，整治后的河湖水质依然难以满足其功能要求[2][3]。北京1999年全市地下水位下降了2 m，伴随着地下水漏斗，华北地区的地面也随之沉降，还引发了一系列环境问题[3]。

由于不透水面积扩大，降雨径流系数不断增加，同时城区旧排水系统结构老化，排水能力不到应排水雨水量的50%，在遭遇暴雨时会出现雨水横流。市区现有雨水管道的控制面积仅234 km2，占建成区面积的1/2左右。据北京市防汛指挥部统计，2006年至今全市共发现积滞水点段112处，防汛工作严峻[4]。

LID运用源头分散式水文功能性景观等综合管理措施(IMPs)实现城市的雨洪控制利用，与传统的暴雨管理系统相比具有很高的环境效益和社会效益，是一种可持续的城市暴雨管理体系，在我国具有广泛的应用前景。

3三种典型渗透减排设施的设计及其构造

3.1　低势绿地

低势绿地是一种生态型的雨水渗透设施，具有节省投资、渗透减排效果明显、不易堵塞等优点，既可设置在城区范围内的建筑物、道路、广场等小面积不透水地面周边，又能在立交桥附近、市郊等大汇水区域进行规模化应用，起到滞留净化径流雨水、防洪减涝、美化环境的效果。

低势绿地结构设计的关键是控制调整好绿地与周边道路和雨水溢流口的高程关系，其设计受土壤渗透系数、降雨强度、地下水位、溢流方式和周边建筑物地基与基础等条件的制约，设计参数有下凹深度、面积率、耐淹时间等。低势绿地的下凹深度一般不大于250 mm，最小构造深度建议不小于50 mm。设计低势绿地时还应考虑路面污染物的管理与控制问题，可采取截污措施，强化管理，避免对绿地的不利影响。设计时要在雨水水量平衡分析的基础上，合理确定低势绿地的影响因素和设计参数，低势绿地的面积率β如式(1)所示[5]

(1)

式中β——面积率，即低势绿地面积Af占汇水面积Ad的百分数，β=Af/Ad；

H——设计降雨量(按设计要求决定)/m；

φ——汇流面径流系数；

K——土壤渗透系数/(m/s)；

J——水力坡度，J=1；

T——一场雨计算时间/min，常按一场雨120 min计算；

h——下凹深度，即低势绿地和雨水溢流口(或路面)的高程差/m。

3.2　雨水花园

雨水花园是LID典型的源头生物滞留设施，一般建在地势较低的区域，通过天然土壤-植物-微生物的渗滤、截流和吸附作用净化，消纳小面积汇流的径流雨水，达到削峰减排、净化水质、涵养地下水的目的，是一种低投资、易维护的水文功能性景观设施。

雨水花园的设计参数有蓄水层高度，种植土层与填料层高度，影响因素主要为种植土渗透系数，雨水花园面积率。

国外常用的雨水花园设计方法有渗滤法[6]、蓄水层有效容积法[7]和基于汇水面积的比例估算法[6，8]。向璐璐等(2008)针对一场雨的雨量，根据我国多数城市雨水花园的建造特点，建立了一种基于水量平衡分析的设计方法[9]。雨水花园面积率如式(2)所示

(2)

式中β——雨水花园面积率；

K——种植土渗透系数/(m/s)；

df——种植土和填料层厚度/m；

h——蓄水层平均设计水深，一般为最大水深hm的一半(即h=hm/2)/m；

n——种植土和填料层的平均空隙率，一般取0.3左右；

fv——植物横截面积占蓄水层表面积的百分比，一般为20%。

3.3　渗透铺装

渗透铺装是指各种人工材料铺设的地面，如多孔嵌草砖、碎石地面、透水性混凝土路面、透水砖路面等。透水铺装适合在停车场、道路、广场等大面积应用。渗透铺装的主要构造有面层(50～80 mm)，垫层(20～40 mm)，基层(100～400 mm)。渗透铺装主要依靠面层的高渗透性和基层的空隙来滞留雨水，设计参数主要为基层的高度，影响因素有面层的渗透性能以及面层、垫层和基层的空隙率。

渗透铺装各人工材料的渗透能力远大于底层土壤的渗透能力，可不考虑降雨过程中土壤的渗透量，渗透铺装的面积率如式(3)

(3)

式中h1，h2，h3——面层、垫层和基层的高度/m；

n1，n2，n3——面层、垫层和基层的空隙率。

综上所述，对低势绿地，雨水花园，渗透铺装的主要设计参数、影响因素、控制目标/构造、使用条件等进行比较(如表1所示)。

表1　三种措施比较

由上述设施的设计方法可知，在水量平衡的基础上，设施实现了体积削减的目标，同时也实现了峰流量削减和污染物削减的目标。体积削减目标是设计指标，峰流量削减和污染物削减目标称之为校核指标；同理，若以峰流量削减作为设计指标，径流体积削减和污染物削减可作为校核指标。

李俊奇，向璐璐等(2008)给出了雨水花园在径流体积削减、污染物总量削减和洪峰削减三个目标的量化评估方法，为LID渗透减排设施的设计、评价和应用提供了理论依据[10]。下面仍以体积削减目标作为设计指标，峰流量削减和污染物削减作为校核指标对三种设施的径流控制效果进行分析。

4三种措施的径流控制效果分析

以北京降雨为例，场地内最大化的采用某一种措施，分析其渗透减排效果。假定：Ad=10 000 m2，开发后径流系数φ=0.9，低势绿地、雨水花园和渗透铺装的设计参数及其部分取值如表2所示。

表2　三种措施的设计参数

4.1　三种设施的渗透减排效果比选

(1)设施年径流体积削减效果

设施的设计降雨量为H，则降雨量小于等于H的降雨，设施将实现无溢流外排现象。由式(1)、式(2)和式(3)可得不同设计降雨量H下设施的面积，根据北京20年(3～10月份)降雨资料统计，三种设施的年径流体积削减量由频率累计法[11]计算(如图1所示)。由图1可知，随着设施面积的增大，设施的滞留量升高并最终趋于平缓，但由于雨水花园蓄水层和填料层的蓄水能力较大，其滞留效果随着面积的增加上升明显；渗透铺装基层高度越高，滞留效果越明显。如图2所示，开发后要维持开发前的年均雨量径流系数φ=0.15，低势绿地、雨水花园、渗透铺装的面积分别约为2 169 m2，603 m2，2 659 m2(h3=0.25 m)，面积率分别约为22%，6%，27%，相应年径流体积削减率η′约为83%。

图1　三种设施面积Af与年径流削减量W的关系

图2　三种设施面积Af与场地年均雨量径流系数φ的关系

(2)设施峰流量削减效果

对一场降雨，重现期P=2a，集流时间Tc=10 min，则峰流量为

(4)

图3　峰流量削减原理

由于设施对雨水的滞留，使集流时间延长，峰流量减小。设施能滞留图3中阴影部分的径流体积，对应的降雨历时为t′，即集流时间变为(Tc+t′)，即设施应用后，峰流量将变为Q，相应场地峰值径流系数φ如式(5)所示

(5)

式中φ——峰值径流系数；

Q——设施应用后的峰流量/(L/s)；

i——设施应用前峰流量Qmax时刻Tc对应的平均降雨强度/(mm/min)。

三种措施不同设计降雨量H(设施面积)下峰流量削减率θ如图4所示。由图4可知，随着设施面积的增加，三种设施的峰流量削减率近似线性增长，雨水花园的增长速度大于低势绿地和渗透铺装，渗透铺装基层高度越高，峰流量削减效果越明显。假定场地开发后峰值径流系数φ=0.9，设施的应用使得场地的峰值径流系数减小，由图5可知，低势绿地、雨水花园、渗透铺装的面积分别约为2 727 m2，755 m2，3 349 m2(h3=0.25 m)，可使场地的峰值径流系数削减至0.57，峰流量削减率θ约为36%。

图4　三种设施面积Af与峰流量削减率θ的关系

图5　三种设施面积Af与场地峰值径流系数φ的关系

4.2　三种设施的污染物总量削减效果

若三种设施都用来渗透回补地下水，设施的年污染物削减率ε′=年径流体积控制率η′=83%，若以收集回用为目的，则可根据三种措施对各污染物的去除能力计算其相应的年污染物总量削减率ε′。

综上，设施的径流控制效果如表3所示。根据北京20年降雨资料统计，场降雨量大于40 mm的降雨事件为小频率事件，因此设施的设计降雨量以不大于40 mm为宜。

表3　设施的径流控制效果

5三种措施径流控制的费用-效果分析

表4　三种措施的投资分析

5.1　设施年径流体积控制的费用-效果分析

设施年径流体积控制的费用-效果如图6所示，由图6可知，随着设施设计降雨量的增加，设施投资增加，其年径流体积控制的费用-效果EV′减小；在投资相等时，三种设施的费用-效果EVS>EVP>EVR。

5.2　设施峰流量控制的费用-效果分析

对于传统的市政排水管道系统，雨水管渠或合流制管渠的设计规模会由于三种设施的峰流量削减作用而降低，因此对设施峰流量控制的费用-效果进行分析时，还应考虑设施的应用对市政管道投资的节省。

图6　三种设施年径流体积控制的费用-效果分析

图7　三种设施峰流量控制的费用-效果分析

6结论

经过合理的场地规划设计，三种典型LID渗透减排措施可实现良好的经济效益和景观生态效益。根据水量平衡原理，可实现一定设计降雨量下径流的零排放，在滞留径流同时，削减峰流量和污染物总量，在设施的设计过程中，可根据径流体积削减或峰值削减为设计指标，并相应用其它指标进行校核，以实现多目标的设施设计。

参考文献

[1]Department of Environmental Resources Programs and Planning Division. Low Impact Development Design Strategies[S]. Prince George’s County， Maryland， 1999

[2]刘洋，李俊奇，等.北京市城区雨水径流污染控制与节能减排[J].环境污染与防治，2008，30(9):93-96

[3]李俊奇，车伍.城市雨水问题与可持续发展对策[J].城市环境与城市生态，2005，18(4):5-8

[4]马丰斌.北京城市防汛排水系统问题与对策[J].北京水务，2009(5):6-8

[5]李俊奇，车伍，等.住区低势绿地设计的关键参数及其影响因素分析[J].给水排水，2004，30(9):41-46

[6]Auckland Regional Council. (2003). Technical Publication 10: Design guideline manual: stormwater treatment devices．

[7]Davis.， Allen，P.，and Richard H. (2005). “Stormwater Management for Smart Growth.” Springer Verlag， 241-263

[8]Auckland Regional Council. (1999). Technical Publication 108: Guidelines for stormwater runoff modelling in the Auckland region

[9]向璐璐，李俊奇，等.雨水花园设计方法探析[J].给水排水，2008，34(6):47-51

[10]J. Q. Li， L. L. Xiang， et al. 2008. “Design and Hydrologic Estimation Method of Multi-purpose Rain Garden: Beijing Case Study.” 2008 International Low Impact Development Conference

[11]李俊奇，余苹,等.城市雨水集蓄利用工程规模的优化[J].中国给水排水，2005，21(3):49-52

中图分类号：TU992

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)04-0086-05

收稿日期：2015-04-23