LID指數(shù)模型構(gòu)建框架及圖解應用探討

錢美尹 楊凱 謝勝 丁磊 徐露 陳瑩

摘要： 在分析不同低影響開發(fā)技術（Low Impact Development， LID）措施的徑流削減效果的基礎上， 提出了基于LID徑流削減效率的LID指數(shù)的模型， 進而設計了LID設施選擇圖， 以根據(jù)建成區(qū)徑流污染削減目標而快速選擇適宜的LID設施類型及不同LID設施類型的比例. 結(jié)果表明， 隨著LID指數(shù)增加， 雨水徑流量及雨水徑流污染物呈類似指數(shù)形式降低， 且LID指數(shù)越大， LID徑流削減率越大， 但是徑流削減的邊際效應逐漸降低； 該模型靈活性較高， 具有探索應用意義.

關鍵詞： LID； 徑流污染； 海綿城市

中圖分類號： X522 文獻標志碼： A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.04.003

Discussion on LID index model construction framework and its graphical application

QIAN Meiyin1，2， YANG Kai1，2， XIE Sheng3， DING Lei3， XU Lu1，2， CHEN Ying1，2

（1. Shanghai Key Laboratory for Urban Ecological Processes and Eco-Restoration， School of Ecological and Environmental Sciences， East China Normal University， Shanghai 200241， China； 2. Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security， Shanghai 200092， China； 3. Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group）Co. Ltd.， Shanghai 200092， China）

Abstract： In this paper， we propose the concept of “LID （low impact development） Index” and “LID Runoff Reduction Efficiency” based on an analysis of runoff cutting efficiency for different LID technical measures. A map was designed to help quickly select the appropriate LID facility and its proportions according to the pollution reduction target in a built-up area. It shows that when the‘LID index increases， surface runoff and pollutants exhibit a similar exponential function form； the larger the LID index， the lower the “LID runoff reduction efficiency”. The model data is easy to obtain and flexible， rendering potential applications worthy of exploration.

Keywords： LID； runoff pollution； sponge city

0 引 言

LID即低影響開發(fā)技術， 可有效降低區(qū)域洪澇、減少雨水徑流污染程度. LID技術設施包括滲濾技術、徑流儲存、生物滯留等多種技術類型[1]， 使得在海綿城市建設項目方案設計中合理選取技術設施類型及技術措施比例的技術難度較大. 研究對象方面， 目前對于LID設施的研究大多集中在對徑流量及峰值流量的削減上[2-4]， 而研究方法方面， 常規(guī)研究使用SWMM軟件對研究區(qū)域進行模擬， 從而得出最合適的LID措施， 但是近年來不少研究發(fā)現(xiàn)， 實際使用的LID選擇方法， 例如， 現(xiàn)實情況常用的住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的《海綿城市建設技術指南》， 城鎮(zhèn)區(qū)域LID設施的設置與選擇需要經(jīng)過5個步驟[5]， 且對污染物削減問題的考慮存在局限， 一些計算較為繁復.

利用數(shù)學模型法或數(shù)學模型與圖形相結(jié)合的方式對LID技術設施類型選擇進行研究， 包括陳前虎等[6]認為現(xiàn)有的LID設施選取方法在實踐中存在決策效率低下等問題， 并設計了多目標粒子群算法優(yōu)化LID設施布局； 章雙雙等[7]耦合最優(yōu)化目標函數(shù)與SWMM模型， 在平衡經(jīng)濟效益的基礎上合理選擇LID設施； 張小富[8]構(gòu)建兼顧功能、環(huán)境和效益的LID目標函數(shù). 此外， 國外一些學者還利用數(shù)學模型與圖形結(jié)合的方式優(yōu)化LID的選擇方法， 使其更為直觀和高效. 例如， Walsh等[9]利用水量平衡的原理構(gòu)建數(shù)學模型， 以探究研究區(qū)域合適的下滲與收集的比例， 并且將下滲與收集的比值， 以及蒸發(fā)量、地下徑流量和地表徑流量與不透水率的關系在圖形上表示； Asal等[10]在此基礎上優(yōu)化了Walsh的模型， 并構(gòu)建三角形對照圖， 根據(jù)模型得出下滲和收集的比例點后， 對應到設計的三角圖形中， 根據(jù)比例點的位置選擇合適的LID設施及比例.

結(jié)合國內(nèi)外研究熱點構(gòu)建 LID指數(shù)模型， 并設計LID設施選擇圖， 可根據(jù)徑流污染削減目標而便捷地選取適宜LID設施類型及LID設施比例， 以期為海綿城市建設項目設計提供一種直觀、形象的方法探討和應用借鑒.

1 模型構(gòu)建

本研究通過建立徑流削減量與污染物削減的關系式來構(gòu)建“LID指數(shù)”與地表徑流污染物削減量的關系式.

為簡化處理， 本模型作出如下假設：

（1）假設研究區(qū)域原始狀態(tài)并未設置LID設施， 但允許存在綠地或河流等透水區(qū)域；

（2）水量平衡的計算中忽略蒸發(fā)量的影響；

（3） LID設施的布設符合工程要求， 且能夠完全發(fā)揮設計效果， 一般不會發(fā)生溢流或滿負荷狀態(tài).

1.1 “LID指數(shù)”設定

人為設定不同LID設施面積（Lx）與不同徑流削減率（Ly）的LID設施的組合， 例如設置LID面積占比（Lx）5%、10%、15%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%共11種情景， 每種情景都對應90%、70%、50%、30%的徑流削減率（Ly）， 兩者相乘得到對應的LID指數(shù). 值得注意的是， 實際情況中不會有百分比跨度如此大的徑流削減率， 也不存在能夠達到90%面積的LID設施， 這里的百分比取值僅為計算得到地表徑流量（R地表）， 用于建立地表徑流量（R地表）與LID指數(shù)（L）的關系所需， 不存在實際意義. 后將Lx、Ly的值代入式（5）， 求得地表徑流量（R地表）的值， 得到的值記錄入表1.

將計算得到R地表與LID指數(shù)（L）進行線性擬合， 即得到R地表 = f（L）， 具體的計算方式見2.1.2小節(jié). 一般而言， 該模型的圖線是一條y值恒大于0， 且隨著x值的增加， y值逐漸降低， 并且導數(shù)逐漸變小的曲線， 其函數(shù)形式接近于指數(shù)函數(shù)， 如圖2所示. 曲線的變化也符合實際情況， LID指數(shù)的增加意味著隨著LID面積的擴大或者LID設施的增多， 研究區(qū)域剩余的不透水面積變小， 能夠被處理的徑流量變少， 表現(xiàn)出對于徑流量的削減作用降低， 呈現(xiàn)明顯的下降趨勢， 同時形成導數(shù)逐漸變小的曲線.

1.3 基于LID指數(shù)模型的設施與規(guī)模選擇

通過實際的徑流削減要求或污染物削減要求計算出LID指數(shù). 確定LID指數(shù)后， 需要確定具體的LID設施比例. 常用的幾種LID設施的徑流量削減率（Ly）如表2所示.

建立一個正方形區(qū)域， 縱軸是LID設施徑流削減比例（Ly）， 橫軸是LID設施面積在不透水面積中的占比（Lx）， 兩者的乘積為LID指數(shù)（L）， 表現(xiàn)為從原點出發(fā)的長方形的面積. 將長方體的兩軸用刻度表示出， 分割成16個小正方體， 每個小正方體的右上方的數(shù)字表示右上角頂點與原點形成的長方體的面積. 圖3中有6個不同顏色的框， 分別代表不同類型的LID設施， 彩色框的范圍便是該LID能夠削減的徑流量范圍. 得到LID指數(shù)后， 在圖3中找到對應的面積位置， 再看處在何種LID方框內(nèi)， 即可得到LID設施及其比例. 若希望多種LID設施組合， 則可以將所在方框拆成多個方框， 只需加和等于LID指數(shù)即可. 得到LID設施及比例之后， 方案設計可以再根據(jù)資金預算、LID設施的景觀要求以及項目實際情況等進行進一步的選擇.

2 實例探討分析

2.1 構(gòu)建模型

2.1.1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域為上海某工業(yè)園區(qū)， 占地面積2 902.91 hm2， 其中綠地面積為1 483.74 hm2， 區(qū)域中有一條河流穿過， 面積為65.24 hm2. 本文研究時段為2018年全年， 全年總降雨量為1 210.70 mm.

研究區(qū)域雨水徑流排放口的在線環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)由園區(qū)管委會提供， 研究區(qū)域各企業(yè)雨水排放口pH值、流量在線監(jiān)測全覆蓋， 4家企業(yè)對排放口TOC進行了在線監(jiān)測， TOC 能較好地反映雨水徑流有機污染程度. 因此， 本文選取4家企業(yè)2018年雨排口TOC平均濃度表征地表徑流污染程度.

2.1.2 研究區(qū)域LID指數(shù)與降雨徑流污染物的關系

將研究區(qū)域的數(shù)據(jù)代入. 其中， y不透水按照《城鎮(zhèn)防洪與雨水利用（第二版）》[1]中表8.1的徑流系數(shù)參考表中“混凝土和瀝青路面”對應的暴雨量徑流系數(shù)取0.8. 對研究區(qū)域設置不同LID指數(shù)的方案，得到如表3所示的結(jié)果.

通過對工業(yè)園區(qū)的實地調(diào)研， 園區(qū)為削減源頭污染源， 各生產(chǎn)區(qū)設置集水溝、圍堰、地坑等對雨水徑流進行有效收集. 初期雨水徑流統(tǒng)一收集至初期雨水收集池， 部分未設置初期雨水收集池的企業(yè)則將初期雨水徑流收納至消防廢水池， 占用體積不得超過1/3. 可見， 工業(yè)園區(qū)的LID設施以灰色設施為主， 盡量減少或避免雨水徑流下滲. 因此， 本文采用污水收集較為容易的雨水槽作為主要的LID設施.

對照圖4， 可以采用面積占比73.92%、徑流削減率75%的雨水槽； 也可以采用調(diào)蓄面積占比25%、徑流削減率75%的雨水槽與面積占比18.92%、徑流削減率75%的透水路面的組合. 另外， 通過式（9）還可反推得到R地表 = 6 311 611.174 m3.

2.3 LID指數(shù)模型的適用性及局限性

若LID指數(shù)模型應用于其他區(qū)域， 模型中發(fā)生變化的有研究區(qū)域的面積、不透水面積、研究時段內(nèi)的降雨強度、單位降雨量的污染物濃度， 這些值都可以通過區(qū)域工程信息及實際測算獲得. 此外， 除了模型列舉的6種LID設施， 還可以根據(jù)需要自行添加其他更多的LID設施， 只需要知道該設施能夠?qū)崿F(xiàn)的最大及最小徑流削減能力即可. 由于數(shù)據(jù)限制， 本文選用TOC作為徑流污染物， 實際應用中研究區(qū)域若能提供更多雨水污染物濃度數(shù)據(jù)， 計算結(jié)果將更能反映實際情況.

關于本文的局限性. 由于地表徑流污染物濃度受下墊面、土壤、地表徑流過程等影響， 空間差異性較為顯著， 本文提供的方法僅為初步的選擇， 對于具體采用何種LID設施或組合， 以及各種參數(shù)的設置， 應當根據(jù)研究區(qū)域的實際情況因地制宜， 根據(jù)土地類型、功能、預算等進行進一步的篩選.

3 結(jié) 論

本研究基于不同LID技術措施的徑流削減效果的分析， 探索性地構(gòu)建了LID指數(shù)模型， 采用圖形對照的方法， 可根據(jù)徑流污染削減目標而直觀選取適宜LID設施類型及LID設施比例.

該模型具有如下特點： ①簡化選擇步驟， 為不同區(qū)域徑流污染物削減目標下LID設施的優(yōu)化選擇提供方法借鑒； ②結(jié)果用查圖的方法實現(xiàn)， 更為直觀； ③揭示LID設施的數(shù)量或面積與削減效率之間的關系. 將圖形對照法引入LID設施的篩選中. 本研究提出了一種區(qū)域LID設施建設的選擇方法， 可為海綿城市建設項目設計提供一種直觀、形象的方法探討和應用借鑒.

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（責任編輯： 張 晶）