不同LID組合對水質(zhì)水量影響及成本效益分析

戎貴文，李姍姍，甘丹妮，孫浩淼，王莉莉，胡良宇

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210029)

城市化的快速發(fā)展導(dǎo)致下墊面發(fā)生急劇變化，加上近些年暴雨事件的頻發(fā)，引發(fā)了一系列的城市洪澇災(zāi)害[1-2]。為有效緩解城市內(nèi)澇、改善城市水生態(tài)環(huán)境，我國開展了基于低影響開發(fā)(low impact development,LID)模式的海綿城市建設(shè)[3-5]，加大城市徑流雨水源頭減排的剛性約束，削減城市徑流污染負(fù)荷[6-7]。LID模式是通過源頭分散的小型控制設(shè)施，維持和保護(hù)場地自然水文功能。

研究表明，不同LID設(shè)施組合對徑流調(diào)節(jié)和染污控制效果有明顯差異。周昕等[8]研究了4種LID設(shè)施組合對地表徑流、排水管網(wǎng)溢流及污染物排放的影響。同時，不同區(qū)域性質(zhì)影響著LID設(shè)施選擇及優(yōu)化配置方案，如Baek等[9]、Rong等[10]和韓媛雯等[11]研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)園區(qū)分布著大型廠房、廠辦、研發(fā)機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)等，由于其特殊的建筑屬性，綠化面積相對較少，與開發(fā)前相比，水文特性有較大的差異，在暴雨事件中，更易造成園區(qū)內(nèi)澇；由于工業(yè)性質(zhì)的特殊性，與其他路面相比，工業(yè)園區(qū)路面更易形成徑流污染。由于研究工業(yè)園區(qū)經(jīng)濟(jì)合理的LID組合方案，能夠?yàn)楣I(yè)園區(qū)的建設(shè)節(jié)約成本，并推進(jìn)城市生態(tài)文明的整體發(fā)展，因此近年來工業(yè)園區(qū)的低影響開發(fā)模式研究備受政府和學(xué)者[12-14]的關(guān)注。目前，工業(yè)園區(qū)的LID研究成果主要針對LID設(shè)施對水量水質(zhì)控制作用的比較，而對LID設(shè)施的成本與效益分析研究較少。

本文擬基于暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)，構(gòu)建不同的LID組合方案，分析不同方案對工業(yè)園區(qū)徑流量、洪峰流量以及污染物質(zhì)量濃度的削減效果和成本效益，并引入生命周期成本分析，將效益貨幣化，根據(jù)不同方案對水質(zhì)水量的控制效果，分析不同方案的投資回報比，確定更適合工業(yè)園區(qū)的LID組合方案，為相同類型工業(yè)園區(qū)的LID設(shè)施建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

淮南市位處淮河流域，屬于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，年平均氣溫16.6 ℃，全年降水量約893.4 mm，季節(jié)性降水分布不均，且降雨主要集中在6—8月。研究區(qū)位于安徽省淮南市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的某工業(yè)園區(qū)，地勢較為平坦，總面積約15.4 hm2，其中：不透水面積約12.9 hm2，占總面積的82 %，主要由廠區(qū)房、硬化路面、停車區(qū)域以及瀝青路面組成；透水面積2.7 hm2，主要由普通綠地組成，而廠區(qū)內(nèi)綠化面積較少，僅為區(qū)域總面積的18 %。由于廠區(qū)綠化區(qū)域較少且分布分散，因此發(fā)生內(nèi)澇的風(fēng)險較大，易產(chǎn)生徑流污染。

2 模型構(gòu)建

采用美國環(huán)境保護(hù)署開發(fā)的SWMM模型，在LID模塊中增加不同的LID設(shè)施，對單場暴雨事件過程中的地表徑流、洪峰流量、水質(zhì)情況等情況進(jìn)行模擬，研究不同LID組合對雨水源頭控制和污染負(fù)荷削減的效果。

2.1 模型概化

根據(jù)研究區(qū)的地形、高程以及排水管網(wǎng)的分布情況，將該區(qū)域分為9個子匯水區(qū)、10個節(jié)點(diǎn)、10個管段和1個出水口。具體子匯水區(qū)分布及管網(wǎng)概化見圖1。

圖1 研究區(qū)概化

2.2 模型條件與參數(shù)選取

2.2.1暴雨強(qiáng)度

芝加哥雨型是根據(jù)降雨強(qiáng)度-歷時-頻率關(guān)系得到的一種設(shè)計(jì)雨型，相較于其他雨型，對于降雨歷時沒有較大的依賴性。本文采用芝加哥雨型生成器和淮南市暴雨強(qiáng)度公式(1)生成重現(xiàn)期為3、5、10和20 a的降雨情景，并繪制不同重現(xiàn)期的降雨強(qiáng)度過程線，雨峰系數(shù)為0.5，降雨歷時t取120 min，結(jié)果見圖2。

圖2 不同重現(xiàn)期的降雨過程線

(1)

式中：q為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，mm/min；t表示降雨歷時，min；P表示重現(xiàn)期，a。

2.2.2模型參數(shù)選取

模型的參數(shù)設(shè)置主要分為兩個模塊：水文模塊的參數(shù)設(shè)置和水質(zhì)模塊的參數(shù)設(shè)置。區(qū)域的面積、高程及不滲透面積比例通過ArcGIS獲取到相關(guān)參數(shù)[15]；寬度通過子匯水區(qū)面積與最長匯水長度的比值獲得，管道的長度及管道形狀、管徑、節(jié)點(diǎn)埋深通過現(xiàn)場勘測及設(shè)計(jì)資料獲得。

水文過程主要分為入滲和產(chǎn)流過程，采用Horton模型模擬地表入滲過程，產(chǎn)流過程通過調(diào)節(jié)透水區(qū)和不透水區(qū)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，參數(shù)取值范圍參考用戶手冊及相關(guān)文獻(xiàn)[16-18]。

選擇COD、TN和TP作為研究區(qū)的主要污染物指標(biāo)[19]。污染物的累積和沖刷過程與下墊面性質(zhì)有關(guān)，累積過程模擬采用飽和增長函數(shù)，沖刷過程模擬采用指數(shù)函數(shù)。參數(shù)的取值參考用戶手冊及相關(guān)文獻(xiàn)[20-21]。

2.3 參數(shù)率定與模型驗(yàn)證

分別采用2020年8月3日與21日的兩場降雨實(shí)測資料進(jìn)行參數(shù)率定和模型驗(yàn)證。利用排水口實(shí)測流量率定水文參數(shù)，利用污染物質(zhì)量濃度率定水質(zhì)參數(shù)，率定的水文、水質(zhì)參數(shù)取值，見表1和表2。同時，采用納什效率系數(shù)ENS作為水文模型率定的評價指標(biāo)[22]。一般來說，在下墊面特征較為復(fù)雜的城市區(qū)域，當(dāng)ENS>0.6時，模型被認(rèn)為具有良好精度。排水口模擬流量與實(shí)測流量的擬合ENS值為0.897，各污染物的ENS值均大于0.800，見圖3，表明所構(gòu)建的模型參數(shù)取值合理，擬合度高，所建模型適用于研究區(qū)。

表1 水文相關(guān)參數(shù)取值

表2 水質(zhì)相關(guān)參數(shù)取值

圖3 排放口流量與污染物質(zhì)量濃度的率定結(jié)果

3 LID布設(shè)方案

在不同LID模式布設(shè)方案中，LID設(shè)施的相關(guān)參數(shù)[23-25]見表3。目前較為常見的LID設(shè)施主要包括綠色屋頂、雨水罐、雨水花園、滲渠、植被淺溝和透水鋪裝等。根據(jù)研究區(qū)的地形以及不同下墊面的分布情況，采用不同的LID設(shè)施進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)了5種不同的布設(shè)方案。

表3 LID設(shè)施相關(guān)參數(shù)取值

方案一：雨水罐+植被淺溝。該方案對研究區(qū)原建筑改變最小、成本也最低：雨水罐主要收集屋頂雨水，布設(shè)面積約513.47 m2。在原有綠化的基礎(chǔ)上，將一部分綠化面積改造成植被淺溝，植被淺溝面積約為16 413.12 m2。

方案二：雨水罐+植被淺溝+透水鋪裝。將研究區(qū)的一部分不透水路面、不透水停車場設(shè)置為透水鋪裝，透水鋪裝面積約為38 632.80 m2，其他布設(shè)與方案一相同，雨水罐面積約513.47 m2，植被淺溝面積約為16 413.12 m2。

方案三：雨水罐+雨水花園+透水鋪裝。在方案二的基礎(chǔ)上，屋頂雨水依舊采用雨水罐收集。雨水罐面積約513.47 m2，將植被淺溝改為雨水花園，雨水花園的面積約為6 238.72 m2，布設(shè)相同面積透水鋪裝，面積38 632.80 m2。

方案四：綠色屋頂+雨水罐+雨水花園+透水鋪裝。在方案三的基礎(chǔ)上，增加綠色屋頂。雨水罐面積約116.29 m2，綠色屋頂面積約23 831.04 m2，雨水花園的面積約為6 238.72 m2，透水鋪裝面積約38 632.80 m2。

方案五：綠色屋頂+雨水罐+植被淺溝+透水鋪裝。雨水罐面積約116.29 m2，綠色屋頂面積約23 831.04 m2，植被淺溝面積約為16 413.12 m2，透水鋪裝面積約38 632.80 m2。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 水量模擬結(jié)果及分析

針對上述5種不同的LID布設(shè)方案，在不同重現(xiàn)期(P=3 a、5 a、10 a、20 a)下，對研究區(qū)進(jìn)行水量模擬，對比分析徑流量、徑流系數(shù)及洪峰流量的控制效果，以及對應(yīng)的削減率，結(jié)果見表4、圖4。

表4 不同LID組合方案在不同降雨重現(xiàn)期下的徑流及洪峰模擬結(jié)果

圖4 不同LID組合方案在不同降雨重現(xiàn)期下的徑流及洪峰削減率

由表4和圖4可知，增加LID設(shè)施對研究區(qū)的徑流和洪峰都有一定的削減效果。其中：方案四(綠色屋頂+雨水罐+雨水花園+透水鋪裝)對徑流量的削減率最高，在重現(xiàn)期為3 a時，削減率可達(dá)71.43%；方案五(綠色屋頂+雨水罐+植被淺溝+透水鋪裝)對洪峰流量的削減率最高，在重現(xiàn)期為3 a時，削減率可達(dá)81.15%。但隨著降雨重現(xiàn)期的增大，削減率有所減小，因此需要增加更多的LID設(shè)施。

4.2 水質(zhì)模擬結(jié)果及分析

以TP、TN和COD為污染物指標(biāo)，根據(jù)排放口污染物累積總量，分析不同降雨重現(xiàn)期下的不同LID組合對污染物的削減效果，具體結(jié)果見圖5和表5。

圖5 不同重現(xiàn)期下污染物的削減率

表5 排放口不同污染物的累積量與削減率

由圖5和表5可知，5種LID組合均對污染物有一定的削減作用。其中方案四的削減效果最好，可達(dá)到70%左右，但隨著降雨重現(xiàn)期的增大，對TP和TN的削減率減低，COD的削減效果雖然呈上升趨勢，但削減率增幅逐漸減小。

5 不同LID組合的成本效益比選

5種LID組合對該研究區(qū)雨水徑流與水質(zhì)均有一定的削減效果，除了最簡單的第一種組合方案削減效果比較小外，其他方案的削減效果均能達(dá)到60%以上，具有較好的處理效果。但是在考慮到削減率的同時，也應(yīng)考慮設(shè)施的生命周期成本以及產(chǎn)生的生態(tài)效益[26]，選出更適合的LID組合方案。

5.1 基于生命周期的成本分析

根據(jù)表6中的不同LID設(shè)施的建設(shè)成本與維護(hù)成本，利用生命周期成本分析，計(jì)算不同方案在30年生命周期內(nèi)的成本，結(jié)果見表7。計(jì)算公式見式(2)[27]。

表6 不同LID設(shè)施建設(shè)成本與維護(hù)成本[28]

表7 不同方案的生命周期成本

LCC=I0+M0×PV-sum-S×PV

(2)

式中：LCC表示生命周期成本，元或萬元；I0表示LID設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)成本，元或萬元；M0表示運(yùn)營維護(hù)成本，元或萬元；PV-sum表示LID現(xiàn)值和；i表示折現(xiàn)率，取5%；S表示殘值；t表示運(yùn)營時間，取30年；PV表示折現(xiàn)系數(shù)。

5.2 效益分析

將效益貨幣化，分為水質(zhì)和水量兩方面研究該區(qū)域增加不同LID組合方案后產(chǎn)生的年效益。年效益計(jì)算公式見式(3)，詳細(xì)效益見表8。

表8 不同方案產(chǎn)生的年效益及其投資回報率

A1=M1V

A2=M2V

B=qQcPc

(3)

V=10(Fφ1H-Fφ2H)

式中：A1表示減緩市政排水壓力產(chǎn)生的年效益，元；A2表示節(jié)水產(chǎn)生的年效益，元；V表示增加LID后減少的外排雨水量，m3；M1、M2分別為管網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用和造成的經(jīng)濟(jì)損失，元/m3，分別取0.08和5.48；B表示削減污染物產(chǎn)生的年效益，元；q表示污染物的削減量，kg；Qc表示污染物的當(dāng)量值，TP、TN和COD的當(dāng)量值分別為0.25，0.80和1.00；Pc為當(dāng)量征收標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《排污量征收使用管理?xiàng)l例》取0.6元；φ1表示增加LID組合設(shè)施前研究區(qū)的綜合徑流系數(shù)；φ2表示增加LID組合設(shè)施后研究區(qū)的綜合徑流系數(shù)；F表示研究區(qū)面積，hm2；H表示年平均降雨量，mm。

采用式(4)計(jì)算不同方案的投資回報率，計(jì)算結(jié)果見表8。

ROI=L/T×100%

(4)

式中：ROI表示投資回報率；L表示添加LID組合設(shè)施后產(chǎn)生的年利潤或年均利潤，萬元，L=A1+A2+B；T表示總投資額，萬元，這里T采用生命周期成本LCC。

比較不同方案的投資回報率可知，5種方案的投資回報率均大于2.4%：方案三投資回報率最高，達(dá)到了3.93%，是由于雨水花園相比其他設(shè)施面積偏小，生命周期成本偏低，卻能得到很好的水量水質(zhì)削減效益，提高了總體方案的投資回報率；方案四和方案五的投資回報率相比其他方案偏低，主要是由于增加綠色屋頂提高了LID設(shè)施的生命周期成本，相比其他設(shè)施，得到的水量水質(zhì)削減效益偏低，所以總體方案的投資回報率偏低。

6 結(jié) 論

本文基于SWMM模型構(gòu)建了5種LID組合方案，研究不同LID設(shè)施組合對水質(zhì)水量的影響，并利用生命周期成本分析和效益貨幣化分析對5種方案進(jìn)行比選，選出最合適的LID方案，為類似區(qū)域的LID方案選擇提供參考。

增加LID設(shè)施對研究區(qū)的徑流和洪峰有明顯的削減效果，即使增加最簡單的雨水罐和植被淺溝，徑流量削減率也能達(dá)到11%、洪峰流量削減率達(dá)到30%。但隨著降雨重現(xiàn)期的增大，削減率減小，就需要增加更多的LID設(shè)施。

植被淺溝對削減洪峰流量有更好的效果，雨水花園對徑流量削減效果更加顯著；雖然增加綠色屋頂可以削減更多的徑流量和洪峰流量，但是受降雨重現(xiàn)期的影響較為明顯，降雨重現(xiàn)期增大時，洪峰流量削減率有所降低。

通過生命周期成本分析和效益貨幣化分析得出，在LID組合設(shè)施建設(shè)中，雨水花園可以很好地提高組合方案的投資回報率。綠色屋頂對徑流和污染物的削減具有一定的效果，但由于綠色屋頂較高的投資成本和維護(hù)成本，投資回報率偏低。

雨水罐、雨水花園和透水鋪裝組合方案的綜合效益最高，更適合在工業(yè)園區(qū)規(guī)劃和建設(shè)中采用。