不同LID设施的面积比例优选及径流污染控制效果

戎贵文，甘丹妮，李姗姗，孙浩淼，王莉莉

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001； 2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210029)

随着全球气候变化和城市化的快速发展，城市洪涝灾害给人类造成的威胁越来越大。推进海绵城市建设对缓解城市内涝、改善城市生态环境具有重要意义[1]。海绵城市建设倡导从源头滞水、蓄水、渗水和净水，旨在城市开发过程中保持良好的雨水储存、渗透和净化功能[2-3]。Li等[4]针对中国广西的一个体育中心项目分析了5种低影响开发(low impact development，LID)设计方案的性能，结果表明按一定比例设计的生物滞留设施和下沉式绿地，能够每年减少75%的总径流量，小型分散式LID设施的综合性能可以达到最佳。周昕等[5]研究了南京市雨花台某区域的不同LID设施，发现不同LID设施均有明显的雨洪控制效果，但随着降雨重现期的增大，效果会逐渐降低。吴海春等[6]研究发现SWMM模型在模拟污染物时未考虑LID设施的净化作用，考虑LID设施净化作用后固体悬浮物的净化率可以提高1.3倍。LID设施在保护城市环境中具有许多优势，但是LID设施的建设与管理成本较高，探讨LID设施在不同面积比例下的总成本效益及径流污染控制效果能够为海绵城市建设提供科学依据[7-9]。目前，我国正在全面推进海绵城市建设和城镇老旧小区改造，将海绵城市建设理念运用到城镇老旧小区改造过程中，能够提高老旧小区的雨水源头减排效率，促进海绵城市建设的规范化和科学化。

合理的LID设施类型和面积比例能够节约城镇老旧小区改造成本。本文以淮南市某老旧小区为研究对象，构建SWMM模型研究老旧小区不同LID设施组合方案的雨洪控制和污染负荷削减效果，并通过总成本效益和径流污染控制效果确定LID设施的最佳布设面积比例。

1 研究区概况

研究区位于北纬32.63°、东经117.02°，地处安徽省淮南市，属亚热带季风气候，冬天寒冷，夏天炎热。年平均气温15.3℃，年平均降水量为937.2 mm。降雨分布不均匀，主要集中在夏季，6月底到7月中旬为梅雨季节。

该老旧小区总体地势较为平坦，平均坡度为2.52%，总面积约7.20 hm2，不透水面积约占总面积的67.5%。不透水面积主要包括建筑面积、不透水道路面积和其他不透水面积等，其中，建筑面积约为1.96 hm2，其他不透水面积约为2.90 hm2；透水面积包括原有的绿化面积和透水铺装面积等，绿化面积约为1.70 hm2，透水铺装面积约为0.64 hm2。

2 SWMM模型构建

根据研究区高程及管道走向，将区域概化为13个子汇水区和14条排水管道，管网节点14个，管网末端排水口1个，概化结果如图1所示。

图1 研究区子汇水区划分Fig.1 Sub-catchment area division of study area

2.1 设计暴雨

根据《给水排水设计手册》[10]，淮南市降雨强度公式为

(1)

式中：i为降雨强度，mm/h；P为设计降雨重现期，a；t为降雨历时，min。

利用芝加哥雨型生成器生成降雨历时为2 h、设计降雨重现期为2 a、5 a、10 a和20 a的降雨过程，绘制降雨过程线，不同设计降雨重现期降雨强度过程线如图2所示。

图2 不同设计降雨重现期降雨强度过程线

2.2 模型参数

2.2.1子汇水区基本参数

子汇水面积、坡度、不透水面积比通过实测数据获取，地表洼蓄量、曼宁系数、下渗模型的参数等通过查阅国内外相关文献以及SWMM用户手册获取[11-13]。子汇水区宽度按以下经验公式[14]计算：

(2)

式中：W为子汇水区宽度，m；K为常数，取值为0.2～5.0；A为子汇水区面积，m2。

不透水地面曼宁系数取0.011，透水性地面曼宁系数取0.2，管段曼宁系数取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，无洼地蓄水不渗透百分比取60%。由于研究区面积较小，下渗模型采用Horton入渗模型，最大和最小入渗率分别为88.4 mm/h和11.5 mm/h，衰减系数为4 h-1，排干时间取7 d。

2.2.2水质模块参数

选取雨水中常见污染物总悬浮污染物(TSS)作为水质模拟的主要污染物指标，模拟管网末端排放口污染物的质量浓度。将研究区下垫面分为绿地、道路和屋面3种土地利用类型，根据实际情况赋予对应的不同子汇水区相应的面积百分比。污染物质量浓度的积累过程采用饱和函数计算，污染物质量浓度的削减过程采用指数函数计算，参数初值参考SWMM用户手册和相关文献[15-18]确定，结果如表1所示。

表1 污染物累积与冲刷参数

2.3 模型验证

为了验证模型的准确性，选取2020年7月19日和2020年8月8日两场降雨，通过监测排水管网出水口末端的流量和TSS质量浓度对模型进行率定。采用纳什系数评价模型的模拟结果，当纳什系数大于0.65时，表明模型可靠。模型率定结果如图3所示，可以看出模型模拟结果良好，在两次降雨排水管网末端出水流量的实测值与模拟值的纳什系数分别为0.84和0.87，排放口TSS质量浓度实测值与模拟值的纳什系数分别为0.87和0.85，均大于0.65，表明模型模拟结果可靠。

(a)2020年7月19日出水流量

(b)2020年7月19日TSS质量浓度

(c)2020年8月8日出水流量

(d)2020年8月8日TSS质量浓度

2.4 LID设施类型

目前较为常见的LID设施类型主要包括绿色屋顶、雨水桶、雨水花园、渗渠、植被浅沟和透水铺装等，本文根据所研究的老旧小区现场勘测资料以及不同下垫面的分布情况，选用绿色屋顶、渗透铺装和生物滞留设施3种LID设施，参照相关文献[19-20]及SWMM用户手册，LID设施的参数设置如表2～4所示。

表2 LID设施表面层参数设计值

表 3 LID设施土壤层参数设计值

表4 LID设施排水层与蓄水层参数设计值

2.5 总成本效益分析方法

生命周期成本分析方法是一种应用较广泛的估计系统寿命总成本的分析方法[21]，本文结合LID设施现值以及LID设施对洪峰流量和径流总量的削减效率分析总成本效益，选取最大生命周期效益的LID设施比例确定单项LID设施面积。计算公式为

CE=CC-CCSV+CD

(3)

(4)

式中：CE为LID总成本费用，元；CC为建造费用，元；SV为残值率；CD为设计费用，元；CV为LID设施现值，元；CM为运行与维修费用，元；j为贴现率；n为使用年限，a。

参考LID设施的各项费用(表5)[22-24]，结合洪峰削减率和径流量削减率，确定最佳LID设施的比例。总成本效益S计算公式[22]为

(5)

式中：RP为洪峰削减率；RO为径流量削减率。

表5 LID设施费用参考值

3 结果与分析

3.1 单项LID设施总成本效益

为研究单项LID设施的最优比例和总成本效益规律，单项LID设施的工况模拟比例均按公差为5%的等差数列设置，其中绿色屋顶占屋顶总面积的比例设置为30%～90%共13个比例，渗透铺装占不透水道路面积的比例设置为35%～70%共8个比例，生物滞留设施占绿地总面积的比例设置为10%～40%共7个比例。通过对各种工况的总成本效益分析，选出最佳LID面积设置比例。

由图4可知，绿色屋顶和渗透铺装的总成本效益均出现峰值。当绿色屋顶占屋顶总面积的45%时，总成本效益最高；当绿色屋顶占屋顶总面积的30%时，总成本效益最低；当绿色屋顶面积大于屋顶总面积的45%以后，总成本效益波动不大。渗透铺装占不透水道路面积的60%时，总成本效益最高。生物滞留设施总成本效益则呈现随面积设置比例增大而减小的趋势，当生物滞留设施占绿地总面积的10%时，总成本效益最高，在一定范围内，随着生物滞留设施面积的增加，总成本效益递减。

由图4可知，绿色屋顶的总成本效益最低，而生物滞留设施总成本效益最高，这主要是由于绿色屋顶只能削减其本身覆盖区域的水量和水质，而生物滞留设施除了对其自身区域有较好削峰减流的效果外，还对周围地面或草地等透水面和路面等不透水面的径流和污染也有显著的削减功能。

图4 LID设施不同面积比例的总成本效益

经过单项LID设施的分析，最终确定按绿色屋顶占屋顶总面积的45%、渗透铺装占不透水道路面积的60%、生物滞留设施占绿地总面积的10%进行布设。

3.2 LID设施组合方案总成本效益

根据单项LID设施不同面积比例的总成本效益分析结果，对LID设施进行4种方案组合分析。①方案Ⅰ：占屋顶总面积45%的绿色屋顶与占绿地总面积10%的生物滞留设施组合；②方案Ⅱ：占屋顶总面积45%的绿色屋顶与占不透水道路面积60%的渗透铺装组合；③方案Ⅲ：占不透水道路面积60%的渗透铺装与占绿地总面积10%的生物滞留设施组合；④方案Ⅳ：占屋顶总面积45%的绿色屋顶、占不透水道路面积60%的渗透铺装与占绿地总面积10%的生物滞留设施组合。

基于建立的SWMM模型，计算研究区现状和不同LID组合方案在不同设计降雨重现期时径流量、洪峰流量、排放总量、TSS排放量等。P=2 a、5 a、10 a、20 a时，研究区2 h降水量分别为63.21 mm、77.94 mm、89.08 mm和100.23 mm。不同设计降雨重现期下径流量变化见图5，洪峰流量、径流系数和TSS排放量见表6和表7。

由图5可以看出，不同的LID设施组合方案均有一定的削峰减流和污染物去除效果，且各LID设施组合方案均能延缓峰值流量出现时间，其中，方案Ⅳ的雨洪控制效果最好，其次为方案Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ。方案Ⅰ的雨洪控制效果相对较差，主要是因为生物滞留设施面积较小，而方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中由于添加了渗透铺装，LID设施总面积有所增加，从而增加了下渗量，同时因为渗透铺装总成本效益高，因此，雨洪控制效果明显提升。

表 6 不同设计降雨重现期下洪峰流量、TSS排放量和径流系数模拟结果

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

表 7 不同设计降雨重现期下洪峰流量、TSS排放量削减率

由表6 和表7可知，对洪峰流量、TSS排放量及径流系数而言，方案Ⅳ的效果最好，在2年一遇降雨时，洪峰削减率高达60.81%，污染物削减率达到61.87%。对于不同重现期，方案Ⅲ对径流量、洪峰流量以及TSS的控制效果与方案Ⅱ整体比较接近，在2年一遇降雨时，方案Ⅱ的控制效果要比方案Ⅲ的控制效果好，但是在20年一遇的降雨时，方案Ⅲ的控制效果要优于方案Ⅱ，说明在雨量较大时，生物滞留设施比绿色屋顶削减径流效果更好。相比于2年一遇的降雨，方案Ⅲ在20年一遇的降雨时，洪峰削减率减小了7%。

4 结 论

a.采用研究区排水管网末端流量和TSS质量浓度对建立的模型进行验证，结果表明模型模拟结果良好，可靠度高。

b.单项LID设施总成本效益分析结果表明,占屋顶总面积45%的绿色屋顶、占不透水道路面积60%的渗透铺装和占绿地总面积10%的生物滞留设施的总成本效益最高，而对于不同LID设施而言，生物滞留设施的总成本效益最高，绿色屋顶的总成本效益最低。

c.对于不同设计降雨重现期，不同LID设施组合方案均能够削减径流总量、降低洪峰流量和延缓排放口雨水排放时间，且对污染物TSS有一定的削减作用，其中方案Ⅳ的效果最好。

d.随着设计降雨重现期的增大，不同LID设施组合方案对研究区的径流量削减效果较明显，而对于洪峰流量及TSS削减效果相对较差。