不同LID组合对水质水量影响及成本效益分析

戎贵文，李姗姗，甘丹妮，孙浩淼，王莉莉，胡良宇

(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，南京 210029)

城市化的快速发展导致下垫面发生急剧变化，加上近些年暴雨事件的频发，引发了一系列的城市洪涝灾害[1-2]。为有效缓解城市内涝、改善城市水生态环境，我国开展了基于低影响开发(low impact development,LID)模式的海绵城市建设[3-5]，加大城市径流雨水源头减排的刚性约束，削减城市径流污染负荷[6-7]。LID模式是通过源头分散的小型控制设施，维持和保护场地自然水文功能。

研究表明，不同LID设施组合对径流调节和染污控制效果有明显差异。周昕等[8]研究了4种LID设施组合对地表径流、排水管网溢流及污染物排放的影响。同时，不同区域性质影响着LID设施选择及优化配置方案，如Baek等[9]、Rong等[10]和韩媛雯等[11]研究发现，工业园区分布着大型厂房、厂办、研发机构和学术机构等，由于其特殊的建筑属性，绿化面积相对较少，与开发前相比，水文特性有较大的差异，在暴雨事件中，更易造成园区内涝；由于工业性质的特殊性，与其他路面相比，工业园区路面更易形成径流污染。由于研究工业园区经济合理的LID组合方案，能够为工业园区的建设节约成本，并推进城市生态文明的整体发展，因此近年来工业园区的低影响开发模式研究备受政府和学者[12-14]的关注。目前，工业园区的LID研究成果主要针对LID设施对水量水质控制作用的比较，而对LID设施的成本与效益分析研究较少。

本文拟基于暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)，构建不同的LID组合方案，分析不同方案对工业园区径流量、洪峰流量以及污染物质量浓度的削减效果和成本效益，并引入生命周期成本分析，将效益货币化，根据不同方案对水质水量的控制效果，分析不同方案的投资回报比，确定更适合工业园区的LID组合方案，为相同类型工业园区的LID设施建设提供参考。

1 研究区概况

淮南市位处淮河流域，属于亚热带季风区，年平均气温16.6 ℃，全年降水量约893.4 mm，季节性降水分布不均，且降雨主要集中在6—8月。研究区位于安徽省淮南市经济开发区的某工业园区，地势较为平坦，总面积约15.4 hm2，其中：不透水面积约12.9 hm2，占总面积的82 %，主要由厂区房、硬化路面、停车区域以及沥青路面组成；透水面积2.7 hm2，主要由普通绿地组成，而厂区内绿化面积较少，仅为区域总面积的18 %。由于厂区绿化区域较少且分布分散，因此发生内涝的风险较大，易产生径流污染。

2 模型构建

采用美国环境保护署开发的SWMM模型，在LID模块中增加不同的LID设施，对单场暴雨事件过程中的地表径流、洪峰流量、水质情况等情况进行模拟，研究不同LID组合对雨水源头控制和污染负荷削减的效果。

2.1 模型概化

根据研究区的地形、高程以及排水管网的分布情况，将该区域分为9个子汇水区、10个节点、10个管段和1个出水口。具体子汇水区分布及管网概化见图1。

图1 研究区概化

2.2 模型条件与参数选取

2.2.1暴雨强度

芝加哥雨型是根据降雨强度-历时-频率关系得到的一种设计雨型，相较于其他雨型，对于降雨历时没有较大的依赖性。本文采用芝加哥雨型生成器和淮南市暴雨强度公式(1)生成重现期为3、5、10和20 a的降雨情景，并绘制不同重现期的降雨强度过程线，雨峰系数为0.5，降雨历时t取120 min，结果见图2。

图2 不同重现期的降雨过程线

(1)

式中：q为设计降雨强度，mm/min；t表示降雨历时，min；P表示重现期，a。

2.2.2模型参数选取

模型的参数设置主要分为两个模块：水文模块的参数设置和水质模块的参数设置。区域的面积、高程及不渗透面积比例通过ArcGIS获取到相关参数[15]；宽度通过子汇水区面积与最长汇水长度的比值获得，管道的长度及管道形状、管径、节点埋深通过现场勘测及设计资料获得。

水文过程主要分为入渗和产流过程，采用Horton模型模拟地表入渗过程，产流过程通过调节透水区和不透水区的参数来实现，参数取值范围参考用户手册及相关文献[16-18]。

选择COD、TN和TP作为研究区的主要污染物指标[19]。污染物的累积和冲刷过程与下垫面性质有关，累积过程模拟采用饱和增长函数，冲刷过程模拟采用指数函数。参数的取值参考用户手册及相关文献[20-21]。

2.3 参数率定与模型验证

分别采用2020年8月3日与21日的两场降雨实测资料进行参数率定和模型验证。利用排水口实测流量率定水文参数，利用污染物质量浓度率定水质参数，率定的水文、水质参数取值，见表1和表2。同时，采用纳什效率系数ENS作为水文模型率定的评价指标[22]。一般来说，在下垫面特征较为复杂的城市区域，当ENS>0.6时，模型被认为具有良好精度。排水口模拟流量与实测流量的拟合ENS值为0.897，各污染物的ENS值均大于0.800，见图3，表明所构建的模型参数取值合理，拟合度高，所建模型适用于研究区。

表1 水文相关参数取值

表2 水质相关参数取值

图3 排放口流量与污染物质量浓度的率定结果

3 LID布设方案

在不同LID模式布设方案中，LID设施的相关参数[23-25]见表3。目前较为常见的LID设施主要包括绿色屋顶、雨水罐、雨水花园、渗渠、植被浅沟和透水铺装等。根据研究区的地形以及不同下垫面的分布情况，采用不同的LID设施进行组合，设计了5种不同的布设方案。

表3 LID设施相关参数取值

方案一：雨水罐+植被浅沟。该方案对研究区原建筑改变最小、成本也最低：雨水罐主要收集屋顶雨水，布设面积约513.47 m2。在原有绿化的基础上，将一部分绿化面积改造成植被浅沟，植被浅沟面积约为16 413.12 m2。

方案二：雨水罐+植被浅沟+透水铺装。将研究区的一部分不透水路面、不透水停车场设置为透水铺装，透水铺装面积约为38 632.80 m2，其他布设与方案一相同，雨水罐面积约513.47 m2，植被浅沟面积约为16 413.12 m2。

方案三：雨水罐+雨水花园+透水铺装。在方案二的基础上，屋顶雨水依旧采用雨水罐收集。雨水罐面积约513.47 m2，将植被浅沟改为雨水花园，雨水花园的面积约为6 238.72 m2，布设相同面积透水铺装，面积38 632.80 m2。

方案四：绿色屋顶+雨水罐+雨水花园+透水铺装。在方案三的基础上，增加绿色屋顶。雨水罐面积约116.29 m2，绿色屋顶面积约23 831.04 m2，雨水花园的面积约为6 238.72 m2，透水铺装面积约38 632.80 m2。

方案五：绿色屋顶+雨水罐+植被浅沟+透水铺装。雨水罐面积约116.29 m2，绿色屋顶面积约23 831.04 m2，植被浅沟面积约为16 413.12 m2，透水铺装面积约38 632.80 m2。

4 模拟结果与分析

4.1 水量模拟结果及分析

针对上述5种不同的LID布设方案，在不同重现期(P=3 a、5 a、10 a、20 a)下，对研究区进行水量模拟，对比分析径流量、径流系数及洪峰流量的控制效果，以及对应的削减率，结果见表4、图4。

表4 不同LID组合方案在不同降雨重现期下的径流及洪峰模拟结果

图4 不同LID组合方案在不同降雨重现期下的径流及洪峰削减率

由表4和图4可知，增加LID设施对研究区的径流和洪峰都有一定的削减效果。其中：方案四(绿色屋顶+雨水罐+雨水花园+透水铺装)对径流量的削减率最高，在重现期为3 a时，削减率可达71.43%；方案五(绿色屋顶+雨水罐+植被浅沟+透水铺装)对洪峰流量的削减率最高，在重现期为3 a时，削减率可达81.15%。但随着降雨重现期的增大，削减率有所减小，因此需要增加更多的LID设施。

4.2 水质模拟结果及分析

以TP、TN和COD为污染物指标，根据排放口污染物累积总量，分析不同降雨重现期下的不同LID组合对污染物的削减效果，具体结果见图5和表5。

图5 不同重现期下污染物的削减率

表5 排放口不同污染物的累积量与削减率

由图5和表5可知，5种LID组合均对污染物有一定的削减作用。其中方案四的削减效果最好，可达到70%左右，但随着降雨重现期的增大，对TP和TN的削减率减低，COD的削减效果虽然呈上升趋势，但削减率增幅逐渐减小。

5 不同LID组合的成本效益比选

5种LID组合对该研究区雨水径流与水质均有一定的削减效果，除了最简单的第一种组合方案削减效果比较小外，其他方案的削减效果均能达到60%以上，具有较好的处理效果。但是在考虑到削减率的同时，也应考虑设施的生命周期成本以及产生的生态效益[26]，选出更适合的LID组合方案。

5.1 基于生命周期的成本分析

根据表6中的不同LID设施的建设成本与维护成本，利用生命周期成本分析，计算不同方案在30年生命周期内的成本，结果见表7。计算公式见式(2)[27]。

表6 不同LID设施建设成本与维护成本[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，元或万元；I0表示LID设施基础建设成本，元或万元；M0表示运营维护成本，元或万元；PV-sum表示LID现值和；i表示折现率，取5%；S表示残值；t表示运营时间，取30年；PV表示折现系数。

5.2 效益分析

将效益货币化，分为水质和水量两方面研究该区域增加不同LID组合方案后产生的年效益。年效益计算公式见式(3)，详细效益见表8。

表8 不同方案产生的年效益及其投资回报率

A1=M1V

A2=M2V

B=qQcPc

(3)

V=10(Fφ1H-Fφ2H)

式中：A1表示减缓市政排水压力产生的年效益，元；A2表示节水产生的年效益，元；V表示增加LID后减少的外排雨水量，m3；M1、M2分别为管网运行费用和造成的经济损失，元/m3，分别取0.08和5.48；B表示削减污染物产生的年效益，元；q表示污染物的削减量，kg；Qc表示污染物的当量值，TP、TN和COD的当量值分别为0.25，0.80和1.00；Pc为当量征收标准，根据《排污量征收使用管理条例》取0.6元；φ1表示增加LID组合设施前研究区的综合径流系数；φ2表示增加LID组合设施后研究区的综合径流系数；F表示研究区面积，hm2；H表示年平均降雨量，mm。

采用式(4)计算不同方案的投资回报率，计算结果见表8。

ROI=L/T×100%

(4)

式中：ROI表示投资回报率；L表示添加LID组合设施后产生的年利润或年均利润，万元，L=A1+A2+B；T表示总投资额，万元，这里T采用生命周期成本LCC。

比较不同方案的投资回报率可知，5种方案的投资回报率均大于2.4%：方案三投资回报率最高，达到了3.93%，是由于雨水花园相比其他设施面积偏小，生命周期成本偏低，却能得到很好的水量水质削减效益，提高了总体方案的投资回报率；方案四和方案五的投资回报率相比其他方案偏低，主要是由于增加绿色屋顶提高了LID设施的生命周期成本，相比其他设施，得到的水量水质削减效益偏低，所以总体方案的投资回报率偏低。

6 结 论

本文基于SWMM模型构建了5种LID组合方案，研究不同LID设施组合对水质水量的影响，并利用生命周期成本分析和效益货币化分析对5种方案进行比选，选出最合适的LID方案，为类似区域的LID方案选择提供参考。

增加LID设施对研究区的径流和洪峰有明显的削减效果，即使增加最简单的雨水罐和植被浅沟，径流量削减率也能达到11%、洪峰流量削减率达到30%。但随着降雨重现期的增大，削减率减小，就需要增加更多的LID设施。

植被浅沟对削减洪峰流量有更好的效果，雨水花园对径流量削减效果更加显著；虽然增加绿色屋顶可以削减更多的径流量和洪峰流量，但是受降雨重现期的影响较为明显，降雨重现期增大时，洪峰流量削减率有所降低。

通过生命周期成本分析和效益货币化分析得出，在LID组合设施建设中，雨水花园可以很好地提高组合方案的投资回报率。绿色屋顶对径流和污染物的削减具有一定的效果，但由于绿色屋顶较高的投资成本和维护成本，投资回报率偏低。

雨水罐、雨水花园和透水铺装组合方案的综合效益最高，更适合在工业园区规划和建设中采用。