海绵城市背景下雨水低影响开发(LID)模型研究及开发利用——以哈尔滨师范大学江北校区为例

邱 豪，韩金凤，刘 硕，张 杰

(哈尔滨师范大学)

0 引言

水资源目前是影响我国经济发展和人民生活的一个重要环境因素.

中国是一个十分干旱而且缺水的国家.2.8×1012m3为中国的淡水的资源总量，大约占全球的水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，处于全世界第四位的位置.然而，2.3×103m3为中国的人平均水资源占有量，单单符合了全球人均水平的四分之一，是全球人均水资源匮乏的国家之一.然而，由于中国是最大的发展中国家，因此中国又是世界上用水量最多的国家之一.从水资源的分区看，降水量较多的为沿海的广东以及海南，而降水量比常年值偏少的有17个省(自治区)，其中宁夏自治区和黑龙江的偏少程度超过10.1%[1].该项目的采样地是哈尔滨师范大学，位于降水偏少的黑龙江省哈尔滨市.

结合中国的水资源恶劣的情况.在中国城市化的大背景下，中国每年有近千万的人口进入城市，每年新建成建筑物约占世界总建筑物的一半之多，在越来越快的城市化的过程中，随之而来的是不可避免的城市下垫面的硬化率逐年上升的现象，这种现象使得该地区的原有自然属性发生了变化，破坏了生态系统的完整性，在这样的情况下，随着城市地表径流的增多，特别在降水较多的季节就极其容易引发洪涝积水、河流水系生态恶化、水污染加剧等问题.又依据2014 年 10 月住建部发布的相关文件表明在不同地区全新的城镇化推广过程中，应当大力地推行以及应用低影响开发建设模式，加大城市径流源头减排的刚性约束，原始的自然的排水系统是最容易被想到的也是最主要被使用实施的，建设城市生态排水设施，充分发挥城市绿地、马路、江河湖泊等自然因素对雨水的吸纳、蓄渗以及缓释的作用，使城市开发建设后的水文特征接近开发前的特征，使得城市的内涝现象减轻，削减城市径流污染负荷，保障以及优化城市的生态环境，为建设具有天然积存“天然渗透”天然净化功能的海绵城市提供必备保障[2].在这样的情况下，海绵城市的建设就显得尤为重要，海绵城市的建设以及其背景下的雨水低影响开发(LID)模型是目前解决以上问题的有效且较为经济的方案.因此，该项目以哈尔滨师范大学江北校区为例，在对哈尔滨师范大学校区内不同区域降水进行采集并进行分析，以此来对LID的研究提供科学依据.

1 海绵城市以及LID理念解析

1.1 海绵城市概念

海绵城市是一种全新的城市雨洪管理概念，它主要是指在环境发生一定程度的变化的时候城市能够如同海绵一样根据自身的“弹性”来调节对环境的变化.在降水的时候，它能够吸收水、储蓄水、渗水以及净水和排去水来应对；当处于干旱条件时，它又能够释放自身系统之内的水分来解决部分程度的干旱问题.近些年来，由于广受城市内涝以及其带来的污染现象的影响，中国正在大力推广海绵城市，以此来减轻雨水径流对城市的影响.

1.2 LID模型概念

LID是低影响开发，是由美国的马里兰州环境资源部于1990年提出，是一种全新的雨洪管理模式. LID 的主要关键的点是对基址自然水文环境的保护和利用，通过渗透/蒸发/过滤/截留/储存等手段，实现开发后址水文特性与开发前的最大程度的还原[3].LID的最为关键和重要的理念是从污染的源头上通过一系列比较分散、细微的小型措施进行产流控制，以最大限度地维持开发前的区域场地的水文功能不变，实现区域内打部分好的水循环.发达国家人数少，产业结构 已经确定，通常土地开发利用率较低，绿化率较高，在场地源头有足够的空间来消纳场地利用后径流的增加量(总量和峰值).通常，中国大多数城市的土地利用强度较大，而仅在目标区域内选用分散式源头削减措施，难以实现预期的控制效果，所以还有一定必要借助于中间以及末端等综合性措施，来达到开发后水文特征保持在预期水平，由此尽可能达到还未开发前理想的目标[4].

1.3 LID应用

LID技术的应用分为：屋顶降水收集、道路降水收集以及绿地降水收集.屋顶降水收集，该方法水质状况随着屋顶下垫面类型、降雨量、空气污染程度和降水时间等状况变化，相对于其他类型，屋顶降水水质较好.考虑到降水的不均匀性，需要准备降水储存设施.道路降水收集则是通过对道路断面设置，将道路路面的降水汇流入绿地，从而达到绿化用水和地下水的补给，形成雨水资源生态利用.绿地降水收集是现在最为广泛运用的，该方法主要是通过雨水渗透以及储存管理来达到集水型、节水型城市的最终目的[5].

2 材料与方法

2.1 哈尔滨师范大学的地理位置与气候条件

哈尔滨师范大学位于黑龙江省哈尔滨市呼兰区，属于黑龙江省南部，松花江北岸，呼兰河下游.地理坐标是北纬45°49'～46°25′，东经126°11′～127°19′，在中纬度地带，属于北温带大陆性季风气候.年平均气温3.3摄氏度，最热的7月份，平均气温为18.1℃至22.8℃，寒冬的1月份，平均气温为零下13.2摄氏度至零下24.8 ℃.一整年的年日照充足，平均日照2732.3 h，年平均日照率62%.3月到5月风力较大，西南风是全国最多的风向.一整年的年无霜期平均143 d，初霜日期平均在9月25日，终霜期平均在5月4日，年平均降水量505.4 mm，6月至9月是一年中最主要的降水月份，夏季占整年降水量的降水量的60%.

2.2 采样点选取以及样品的采集

哈尔滨师范大学江北校区是一个具有典型意义的采样地区，它具有类型丰富的下垫面和不同类型的区域可供研究，其中以南大门为主的早期建筑多采用以前的老旧建筑，并未充分使用透水性材料，而以行知楼为代表的后期建筑，多使用透水性材料，在下水管网的布置上也更充分的考虑到哈尔滨的降水特征.学校的教学区和住宿区也是两个不同的可供比较的采样地点，教学区多绿地，能够很好的收集降水，而住宿区更多的是水泥建筑，地面也是多采用的不透水材料，加之平时大量的废水产生，给该地区的下水管网很大压力.采样在以上基础条件下，再结合哈尔滨师范大学雨季的降水特点，同时考虑到该研究中实验规模和实验的可操作性，故选择哈尔滨师范大学江北校区作为该次研究的采样区.为了研究降水的污染特性以及考虑到降水污染特征的代表性，采样地点分别为：教学区、学生宿舍区、食堂、体育场、图书馆、家属楼以及学校主要干道和花坛草坪.具体采样地点和采样地区的下水道管网如图1和图2所示，各采样点的特征见表1.

雨水的采集选择在实验地区的雨季6月和7月进行，降水当天进行雨水的收集，将采集的雨水置于干净的塑料桶内，带回实验室并选取正确恰当的方式方法进行分析，为了确保实验数据的准确性，每个取样点均进行了5次采样，最终数据采用平均值作为该点的目标值.

图1 采样点位置

表1 采样点的特征

图2 哈尔滨师范大学江北校区排水管网

2.3 检测方法和仪器

降水的水质分析指标包括总氮和总磷，检测仪器如下：

总氮：紫外分光光度法[6].试剂(无氨水、纳氏试剂、酒石酸钾钠、氨氮标准储备液、氨氮标准使用液、盐酸、氢氧化钠溶液、轻质氧化镁、溴百里酚蓝指示剂、硼酸吸收液).仪器(500ml凯氏烧瓶、氮球、直形冷凝管、导管、分光光度计).

总磷：钼锑抗分光光度法[6].试剂(硫酸、过硫酸钾溶液、抗坏血酸溶液、钼酸盐溶液、浊度-色度补偿液、磷标准储备溶液).仪器(一般压力锅、具塞比色管、分光光度计).

该文选择的评价方法为单因子污染指数法[7].单因子污染指数法是将某种污染物的实测浓度与该种污染物的标准值进行比较以确定水质类别的方法.通过单因子污染指数法可确定水体中的主要污染因子.

单个污染物污染指数的计算公式为：

Pi=Ci/Coi

其中：Pi是指该污染物的污染指数；Ci是指该污染物的实测浓度值的平均值(mg/L)；Coi是指该污染物的允许浓度值，单位(mg/L).在这种算法中某一种污物超标值越大，该污染物的贡献也就越大，相应的污染指数也就越大.评价标准为地表环境质量标准(GB3838—2002),见表2.

表2 (GB3838—2002)

3 数据分析与结果

3.1 监测地点采样样品结果

该次采样点选取分别为：学校操场、南大门与社科楼十字路口、草地、湖水、六公寓和湖间路、图书馆、行知楼、寝室、停车场以及家属区，具体特性以及地点分别如表1和图1所示.

3.2 采样数据分析以及污染特性分析

该项目分别对COD、氨氮、总氮和总磷等营养物质四项化学指标进行了分析，各项化学指标的具体监测结果分别如图3、图4和表3、表4所示.

图3 6月份各污染物浓度

图4 7月份各污染物浓度

表3 各采样点的监测结果(6月) mg/L

表4 各采样点监测结果(7月) mg/L

通过比较不同下垫面的降水污染物浓度，从图3可以明显看出南大门与社科楼十字路口是污染最严重的地方，其中污染浓度最高的总氮，其它污染物也处于相对较高的浓度，根据实地调查发现，南大门与社科楼的十字路口属于学校的交通要道，平时有大量的机动车来往，人口流动也较大，而且水泥混凝土路面渗水性十分差，极其容易在雨季形成积水，机动车排放的污染气体和平时路面的污染物，在雨水的冲刷下，便造成了雨水中污染物含量偏高的现象.相比南大门与社科楼的水泥混凝土路面，使用透水砖、长方形和小号方形砖等具有较好渗水性材料的行知楼附近的污染物浓度就要低得多，且在暴雨时不容易出现积水现象.再参照上述图表，还可以发现符合LID内涵的教学区因其拥有大量绿地以及一定的透水路面而对降水以及污染物有更好的处理效果，特别是在降水较强的季节，因为绿地和透水路面有极强的渗水性，从而能够有效的减少地面径流，避免污染物短时间因为雨水的冲刷而大量聚集的现象[8].

4 海绵城市背景下低影响开发(LID)的措施

从以上的分析可以得出，以行知楼为代表的符合LID要求的地区的污染物浓度要比其它地区低得多，通过上述数据和图表分析可以得出LID更契合当代雨洪管理的需求，又由于校园是城市的一个功能分区,而校园的特点又决定了它和城区具有高度的相似性,因为这个原因,在哈尔滨师范大学江北校区内开展降水综合利用技术具有良好的范例性,在一定程度可作为城市的降水利用技术起到范例和指导的意义,实现城市可持续的生态化发展[9].再结合哈尔滨师范大学江北校区的情况，要将LID与校园建设相结合应当做到以下几点.

(1)利用LID技术优化校园

校园中多数建筑与路面是硬质材料，基于LID技术，可以适当对其进行调整以及优化，以此使得不透水面积减少，以及降水径流总量也减少.考虑到哈尔滨师范大学的状况，屋顶绿化技术是一种十分适合的技术，在目前校园用地有限的情况下，屋顶绿化显得格外经济和有效.屋顶绿化能够有效使得降水中的营养物质得到吸收，起到蓄水和净化屋顶的作用[10].

(2)合理选用工程技术方法

根据不同的下垫面条件和控制目标，结合工程技术可行性以及其特点，遵守最强限度利用的原则，选取可靠实用的单项或者技术组合来实现预期目标,从而做到因地制宜.例如目标地区的年均下渗量受该地的土壤下渗特性的影响较大，和对比项目一样是自然的植被地貌，土壤渗透性强区域所采用的年径流总量控制率标准对于土壤渗透性差的区域来说是高得多的，由这种现象可以得出当真实的项目开发前的用地构成“地形”土壤下渗不寻常点等信息可获取，且有参照项目的实测数据支撑率定和验证时，应采用水文模型持续的模拟的方法确定降水的控制以及利用系统的设计规模[11].

5 结论

该项目以哈尔滨师范大学江北校区为例，通过实地考察监测区域的地貌特征和可能的人为影响因素，并且在雨季对不同的具有代表性的区域降水采样，并对其中的营养物质进行分析得到以下结论.

(1)在相同条件下，例如南大门与社科楼十字路口和行知楼附近，具有较好透水性材料的下垫面在地表径流量的控制要远好于其它不透性材料，特别是在雨季，能够及时有效的控制住径流量，一定程度上减轻排水管网的负担，并且能够有效的防止学校内在雨季出现内涝从而阻止老师和同学的正常教学活动和生活受到影响.

(2)绿地对于校园是较好的LID工程技术，因其不仅能够起到控制径流净化降水的作用，而且绿地有很强的景观作用能够美化校园，是一种经济且具有多效性的LID工程技术，它能减少学校在基础建设和校园管理的人工投入和资金投入.

致谢：感谢韩金凤、戴君以及张杰同学在数据采集和处理时给予的帮助，特别感谢刘硕老师和韩金凤同学在后期论文修改中给予的帮助.