三種典型LID滲透減排措施控制效果比選

孔向東

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

Control Effects Comparison of Three Kinds of Typical LID Infiltration and Emission Reduction Measures: Beijing Case Study

KONG Xiangdong

三種典型LID滲透減排措施控制效果比選

孔向東

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

Control Effects Comparison of Three Kinds of Typical LID Infiltration and Emission Reduction Measures: Beijing Case Study

KONG Xiangdong

摘要低影響開發(fā)雨水管理系統(tǒng)以源頭控制為理念，強(qiáng)調(diào)在源頭應(yīng)用各種工程措施以達(dá)到滲透減排的目的。透水鋪裝、低勢綠地和雨水花園三種典型的LID技術(shù)措施能有效地消減徑流體積，控制徑流峰值和污染物。以北京為例，總結(jié)了三種措施的設(shè)計方法、適用條件及關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)合設(shè)施的典型做法和關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，通過實例對三種措施的徑流體積、峰值流量、污染物總量削減進(jìn)行水文量化評價，并通過相應(yīng)投資分析對其投資-效果進(jìn)行評價，對三種典型措施的控制效果進(jìn)行綜合比選。

關(guān)鍵詞透水鋪裝低勢綠地雨水花園控制效果水文評價投資效益北京

1概述

通過合理的場地規(guī)劃和綜合管理措施(Integrated Management Practices，IMPs)應(yīng)用，從源頭上保護(hù)和模擬原有的自然水文條件，將場地開發(fā)導(dǎo)致的水文循環(huán)破壞和雨水徑流對生態(tài)環(huán)境的影響減小到最小，這是LID的核心[1]。LID通過散布在場地內(nèi)的水文功能性景觀和貯存設(shè)施來滯留、調(diào)蓄及回用徑流雨水，使雨水的滲透量和滯留量增加，匯流時間延長，從而實現(xiàn)削減徑流體積和峰流量，增加滲透量以回補(bǔ)地下水，維持河道基流量，增加蒸發(fā)量以及保護(hù)受納水體水質(zhì)等城市雨洪控制利用目標(biāo)。

LID強(qiáng)調(diào)優(yōu)先進(jìn)行場地規(guī)劃，以保護(hù)原有場地自然水文功能(水敏感性)為前提，然后再利用綜合管理措施來減輕對其造成的不可避免的干擾。低勢綠地、透水鋪裝和雨水花園作為典型的LID IMPs，能夠有效滯留雨水，通過滲透、過濾等作用，實現(xiàn)徑流體積、峰值、污染物總量削減。以北京為例，對三種措施的設(shè)計、應(yīng)用和徑流控制的費用-效果進(jìn)行分析，以指導(dǎo)應(yīng)用。

2LID技術(shù)在北京應(yīng)用的可行性和必要性分析

隨著人為活動的影響和城市化的快速發(fā)展，原有的水文循環(huán)遭到破壞，城市綠地被屋面、道路等不透水面(Impervious Cover，IC)所取代，雨水引發(fā)的問題已逐步凸現(xiàn)出來，主要表現(xiàn)在徑流污染、洪澇災(zāi)害、雨水資源流失和生態(tài)環(huán)境破壞等。

2010年北京市區(qū)規(guī)劃面積1 042 km2，建筑屋面、道路和綠地面積率分別為44.6%，20.2%和35.2%，根據(jù)北京市多年平均降雨量585 mm和徑流雨水污染物平均濃度的最低值保守估算，北京市區(qū)平均徑流排放量3.5億m3，COD排放總量約5.5萬t/a，單位面積負(fù)荷577.4 kg/104m2·a。2009年城八區(qū)污水處理率已達(dá)到94%，徑流雨水COD排放總量已超過雨、污、廢三者COD排放總量的1/3甚至更高，既使污水處理率達(dá)到很高的水平，由于雨水徑流污染的嚴(yán)重性，整治后的河湖水質(zhì)依然難以滿足其功能要求[2][3]。北京1999年全市地下水位下降了2 m，伴隨著地下水漏斗，華北地區(qū)的地面也隨之沉降，還引發(fā)了一系列環(huán)境問題[3]。

由于不透水面積擴(kuò)大，降雨徑流系數(shù)不斷增加，同時城區(qū)舊排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)老化，排水能力不到應(yīng)排水雨水量的50%，在遭遇暴雨時會出現(xiàn)雨水橫流。市區(qū)現(xiàn)有雨水管道的控制面積僅234 km2，占建成區(qū)面積的1/2左右。據(jù)北京市防汛指揮部統(tǒng)計，2006年至今全市共發(fā)現(xiàn)積滯水點段112處，防汛工作嚴(yán)峻[4]。

LID運用源頭分散式水文功能性景觀等綜合管理措施(IMPs)實現(xiàn)城市的雨洪控制利用，與傳統(tǒng)的暴雨管理系統(tǒng)相比具有很高的環(huán)境效益和社會效益，是一種可持續(xù)的城市暴雨管理體系，在我國具有廣泛的應(yīng)用前景。

3三種典型滲透減排設(shè)施的設(shè)計及其構(gòu)造

3.1　低勢綠地

低勢綠地是一種生態(tài)型的雨水滲透設(shè)施，具有節(jié)省投資、滲透減排效果明顯、不易堵塞等優(yōu)點，既可設(shè)置在城區(qū)范圍內(nèi)的建筑物、道路、廣場等小面積不透水地面周邊，又能在立交橋附近、市郊等大匯水區(qū)域進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用，起到滯留凈化徑流雨水、防洪減澇、美化環(huán)境的效果。

低勢綠地結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是控制調(diào)整好綠地與周邊道路和雨水溢流口的高程關(guān)系，其設(shè)計受土壤滲透系數(shù)、降雨強(qiáng)度、地下水位、溢流方式和周邊建筑物地基與基礎(chǔ)等條件的制約，設(shè)計參數(shù)有下凹深度、面積率、耐淹時間等。低勢綠地的下凹深度一般不大于250 mm，最小構(gòu)造深度建議不小于50 mm。設(shè)計低勢綠地時還應(yīng)考慮路面污染物的管理與控制問題，可采取截污措施，強(qiáng)化管理，避免對綠地的不利影響。設(shè)計時要在雨水水量平衡分析的基礎(chǔ)上，合理確定低勢綠地的影響因素和設(shè)計參數(shù)，低勢綠地的面積率β如式(1)所示[5]

(1)

式中β——面積率，即低勢綠地面積Af占匯水面積Ad的百分?jǐn)?shù)，β=Af/Ad；

H——設(shè)計降雨量(按設(shè)計要求決定)/m；

φ——匯流面徑流系數(shù)；

K——土壤滲透系數(shù)/(m/s)；

J——水力坡度，J=1；

T——一場雨計算時間/min，常按一場雨120 min計算；

h——下凹深度，即低勢綠地和雨水溢流口(或路面)的高程差/m。

3.2　雨水花園

雨水花園是LID典型的源頭生物滯留設(shè)施，一般建在地勢較低的區(qū)域，通過天然土壤-植物-微生物的滲濾、截流和吸附作用凈化，消納小面積匯流的徑流雨水，達(dá)到削峰減排、凈化水質(zhì)、涵養(yǎng)地下水的目的，是一種低投資、易維護(hù)的水文功能性景觀設(shè)施。

雨水花園的設(shè)計參數(shù)有蓄水層高度，種植土層與填料層高度，影響因素主要為種植土滲透系數(shù)，雨水花園面積率。

國外常用的雨水花園設(shè)計方法有滲濾法[6]、蓄水層有效容積法[7]和基于匯水面積的比例估算法[6，8]。向璐璐等(2008)針對一場雨的雨量，根據(jù)我國多數(shù)城市雨水花園的建造特點，建立了一種基于水量平衡分析的設(shè)計方法[9]。雨水花園面積率如式(2)所示

(2)

式中β——雨水花園面積率；

K——種植土滲透系數(shù)/(m/s)；

df——種植土和填料層厚度/m；

h——蓄水層平均設(shè)計水深，一般為最大水深hm的一半(即h=hm/2)/m；

n——種植土和填料層的平均空隙率，一般取0.3左右；

fv——植物橫截面積占蓄水層表面積的百分比，一般為20%。

3.3　滲透鋪裝

滲透鋪裝是指各種人工材料鋪設(shè)的地面，如多孔嵌草磚、碎石地面、透水性混凝土路面、透水磚路面等。透水鋪裝適合在停車場、道路、廣場等大面積應(yīng)用。滲透鋪裝的主要構(gòu)造有面層(50～80 mm)，墊層(20～40 mm)，基層(100～400 mm)。滲透鋪裝主要依靠面層的高滲透性和基層的空隙來滯留雨水，設(shè)計參數(shù)主要為基層的高度，影響因素有面層的滲透性能以及面層、墊層和基層的空隙率。

滲透鋪裝各人工材料的滲透能力遠(yuǎn)大于底層土壤的滲透能力，可不考慮降雨過程中土壤的滲透量，滲透鋪裝的面積率如式(3)

(3)

式中h1，h2，h3——面層、墊層和基層的高度/m；

n1，n2，n3——面層、墊層和基層的空隙率。

綜上所述，對低勢綠地，雨水花園，滲透鋪裝的主要設(shè)計參數(shù)、影響因素、控制目標(biāo)/構(gòu)造、使用條件等進(jìn)行比較(如表1所示)。

表1　三種措施比較

由上述設(shè)施的設(shè)計方法可知，在水量平衡的基礎(chǔ)上，設(shè)施實現(xiàn)了體積削減的目標(biāo)，同時也實現(xiàn)了峰流量削減和污染物削減的目標(biāo)。體積削減目標(biāo)是設(shè)計指標(biāo)，峰流量削減和污染物削減目標(biāo)稱之為校核指標(biāo)；同理，若以峰流量削減作為設(shè)計指標(biāo)，徑流體積削減和污染物削減可作為校核指標(biāo)。

李俊奇，向璐璐等(2008)給出了雨水花園在徑流體積削減、污染物總量削減和洪峰削減三個目標(biāo)的量化評估方法，為LID滲透減排設(shè)施的設(shè)計、評價和應(yīng)用提供了理論依據(jù)[10]。下面仍以體積削減目標(biāo)作為設(shè)計指標(biāo)，峰流量削減和污染物削減作為校核指標(biāo)對三種設(shè)施的徑流控制效果進(jìn)行分析。

4三種措施的徑流控制效果分析

以北京降雨為例，場地內(nèi)最大化的采用某一種措施，分析其滲透減排效果。假定：Ad=10 000 m2，開發(fā)后徑流系數(shù)φ=0.9，低勢綠地、雨水花園和滲透鋪裝的設(shè)計參數(shù)及其部分取值如表2所示。

表2　三種措施的設(shè)計參數(shù)

4.1　三種設(shè)施的滲透減排效果比選

(1)設(shè)施年徑流體積削減效果

設(shè)施的設(shè)計降雨量為H，則降雨量小于等于H的降雨，設(shè)施將實現(xiàn)無溢流外排現(xiàn)象。由式(1)、式(2)和式(3)可得不同設(shè)計降雨量H下設(shè)施的面積，根據(jù)北京20年(3～10月份)降雨資料統(tǒng)計，三種設(shè)施的年徑流體積削減量由頻率累計法[11]計算(如圖1所示)。由圖1可知，隨著設(shè)施面積的增大，設(shè)施的滯留量升高并最終趨于平緩，但由于雨水花園蓄水層和填料層的蓄水能力較大，其滯留效果隨著面積的增加上升明顯；滲透鋪裝基層高度越高，滯留效果越明顯。如圖2所示，開發(fā)后要維持開發(fā)前的年均雨量徑流系數(shù)φ=0.15，低勢綠地、雨水花園、滲透鋪裝的面積分別約為2 169 m2，603 m2，2 659 m2(h3=0.25 m)，面積率分別約為22%，6%，27%，相應(yīng)年徑流體積削減率η′約為83%。

圖1　三種設(shè)施面積Af與年徑流削減量W的關(guān)系

圖2　三種設(shè)施面積Af與場地年均雨量徑流系數(shù)φ的關(guān)系

(2)設(shè)施峰流量削減效果

對一場降雨，重現(xiàn)期P=2a，集流時間Tc=10 min，則峰流量為

(4)

圖3　峰流量削減原理

由于設(shè)施對雨水的滯留，使集流時間延長，峰流量減小。設(shè)施能滯留圖3中陰影部分的徑流體積，對應(yīng)的降雨歷時為t′，即集流時間變?yōu)?Tc+t′)，即設(shè)施應(yīng)用后，峰流量將變?yōu)镼，相應(yīng)場地峰值徑流系數(shù)φ如式(5)所示

(5)

式中φ——峰值徑流系數(shù)；

Q——設(shè)施應(yīng)用后的峰流量/(L/s)；

i——設(shè)施應(yīng)用前峰流量Qmax時刻Tc對應(yīng)的平均降雨強(qiáng)度/(mm/min)。

三種措施不同設(shè)計降雨量H(設(shè)施面積)下峰流量削減率θ如圖4所示。由圖4可知，隨著設(shè)施面積的增加，三種設(shè)施的峰流量削減率近似線性增長，雨水花園的增長速度大于低勢綠地和滲透鋪裝，滲透鋪裝基層高度越高，峰流量削減效果越明顯。假定場地開發(fā)后峰值徑流系數(shù)φ=0.9，設(shè)施的應(yīng)用使得場地的峰值徑流系數(shù)減小，由圖5可知，低勢綠地、雨水花園、滲透鋪裝的面積分別約為2 727 m2，755 m2，3 349 m2(h3=0.25 m)，可使場地的峰值徑流系數(shù)削減至0.57，峰流量削減率θ約為36%。

圖4　三種設(shè)施面積Af與峰流量削減率θ的關(guān)系

圖5　三種設(shè)施面積Af與場地峰值徑流系數(shù)φ的關(guān)系

4.2　三種設(shè)施的污染物總量削減效果

若三種設(shè)施都用來滲透回補(bǔ)地下水，設(shè)施的年污染物削減率ε′=年徑流體積控制率η′=83%，若以收集回用為目的，則可根據(jù)三種措施對各污染物的去除能力計算其相應(yīng)的年污染物總量削減率ε′。

綜上，設(shè)施的徑流控制效果如表3所示。根據(jù)北京20年降雨資料統(tǒng)計，場降雨量大于40 mm的降雨事件為小頻率事件，因此設(shè)施的設(shè)計降雨量以不大于40 mm為宜。

表3　設(shè)施的徑流控制效果

5三種措施徑流控制的費用-效果分析

表4　三種措施的投資分析

5.1　設(shè)施年徑流體積控制的費用-效果分析

設(shè)施年徑流體積控制的費用-效果如圖6所示，由圖6可知，隨著設(shè)施設(shè)計降雨量的增加，設(shè)施投資增加，其年徑流體積控制的費用-效果EV′減??；在投資相等時，三種設(shè)施的費用-效果EVS>EVP>EVR。

5.2　設(shè)施峰流量控制的費用-效果分析

對于傳統(tǒng)的市政排水管道系統(tǒng)，雨水管渠或合流制管渠的設(shè)計規(guī)模會由于三種設(shè)施的峰流量削減作用而降低，因此對設(shè)施峰流量控制的費用-效果進(jìn)行分析時，還應(yīng)考慮設(shè)施的應(yīng)用對市政管道投資的節(jié)省。

圖6　三種設(shè)施年徑流體積控制的費用-效果分析

圖7　三種設(shè)施峰流量控制的費用-效果分析

6結(jié)論

經(jīng)過合理的場地規(guī)劃設(shè)計，三種典型LID滲透減排措施可實現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益和景觀生態(tài)效益。根據(jù)水量平衡原理，可實現(xiàn)一定設(shè)計降雨量下徑流的零排放，在滯留徑流同時，削減峰流量和污染物總量，在設(shè)施的設(shè)計過程中，可根據(jù)徑流體積削減或峰值削減為設(shè)計指標(biāo)，并相應(yīng)用其它指標(biāo)進(jìn)行校核，以實現(xiàn)多目標(biāo)的設(shè)施設(shè)計。

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中圖分類號：TU992

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)04-0086-05

收稿日期：2015-04-23