基于SWMM模型探究LID對(duì)排水設(shè)施的碳排放量影響

鄧倩倩，黃 明，盧靖宇 ，陳 帥

(1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.北京清控人居環(huán)境研究院有限公司,北京 100083)

CO2作為引起溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w，過度排放導(dǎo)致海平面上升、冰川融化、降雨失衡等自然災(zāi)害頻發(fā)，因此碳減排、碳增匯行動(dòng)的落實(shí)成為關(guān)鍵，我國在此背景下提出碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)。為早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略，同時(shí)推動(dòng)低碳城市建設(shè)，學(xué)者們?cè)谔寂欧诺臅r(shí)空演變及影響因素等方面進(jìn)行了多層次、全方位的分析與研究，并進(jìn)一步分析我國CO2排放現(xiàn)狀、核算方法以及通過技術(shù)減排的可能途徑。經(jīng)研究，我國目前占比最大的碳排放是由能源活動(dòng)所致，因此供排水等各行業(yè)都需更新現(xiàn)有的技術(shù)路線、工藝以及設(shè)備，通過削減能耗以實(shí)現(xiàn)碳減排[1]。

城市雨水管網(wǎng)運(yùn)行階段中產(chǎn)生的碳排放量可通過建設(shè)LID(Low Impact Development，低影響開發(fā)措施)進(jìn)行削減。LID在降雨過程中能有效攔截初期雨水、蓄滯雨水、減少城市徑流，進(jìn)而減緩污水廠處理的污水量、縮減排水泵站的運(yùn)行時(shí)間，通過降低排水及水處理設(shè)施的能源消耗來達(dá)到碳減排的目的。本文以銅陵樅陽縣為研究對(duì)象，通過SWMM模型的搭建對(duì)其現(xiàn)狀和LID開發(fā)模式下產(chǎn)生的碳排放量進(jìn)行研究，探討LID對(duì)城市排水設(shè)施的碳排放量影響。

1 研究區(qū)域概況

樅陽縣隸屬于安徽省銅陵市，總面積1 473.43 km2，水資源豐富。境內(nèi)有四大水系，河網(wǎng)密度為2.2×103m2，水系發(fā)達(dá)、雨量充沛?？h內(nèi)降雨時(shí)空分布不均，年降雨量一般為1 000 ～1 600 mm，豐枯水年降水量相差約2.7倍，暴雨多出現(xiàn)于每年6～8月份。在樅陽城區(qū)建設(shè)過程中，部分排水管網(wǎng)因排水能力不足，雨季時(shí)仍有內(nèi)澇災(zāi)害存在的可能。

2 SWMM模型搭建

2.1 模型簡介

1971年SWMM(Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型)由美國環(huán)保署開發(fā)并在幾十年間不斷進(jìn)行升級(jí)和完善， 2022年最新版本已更新至SWMM5.2。SWMM作為一套功能齊全的動(dòng)態(tài)降雨-徑流模擬軟件，能夠模擬徑流的產(chǎn)生與輸送、評(píng)價(jià)與徑流相關(guān)的污染物負(fù)荷，廣泛應(yīng)用于城市地區(qū)雨水徑流、排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析和設(shè)計(jì)等方面。

2.2 數(shù)據(jù)提取

當(dāng)前研究或工程所用圖紙多為CAD格式，數(shù)據(jù)繁多難以直接導(dǎo)入SWMM中。為減少模型搭建過程的工作量，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化更為快捷、準(zhǔn)確，將CAD圖紙數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后利用ArcGIS軟件獨(dú)特的數(shù)據(jù)處理與空間分析功能進(jìn)行管網(wǎng)數(shù)據(jù)提取、區(qū)域流向分析、坡度坡向計(jì)算。子匯水區(qū)可人工劃分或采用GIS軟件的泰森多邊形功能進(jìn)行初步劃分，為提高模型精確度，需結(jié)合管網(wǎng)實(shí)際走向和下墊面特點(diǎn)等進(jìn)行局部調(diào)整。結(jié)合樅陽縣遙感影像資料分析城區(qū)研究范圍時(shí)，由于CAD轉(zhuǎn)換的矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)坐標(biāo)系一般不同，需借助地理配準(zhǔn)工具對(duì)柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，如圖1所示。

圖1 GIS數(shù)據(jù)圖

SWMM模型依據(jù)降雨數(shù)據(jù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)、下墊面參數(shù)等相關(guān)的水文、水力數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。模型搭建與實(shí)際情況略有不同，為簡化研究，可忽略一些影響小的因子，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)母呕?。本SWMM模型搭建總計(jì)劃分220個(gè)子匯水區(qū)，1 267個(gè)節(jié)點(diǎn)，111個(gè)出水口及1 178條管渠。研究選用HORTON下滲模型，模型中各參數(shù)依據(jù)銅陵市六個(gè)土壤類型及其飽和導(dǎo)水率，并參照SWMM手冊(cè)進(jìn)行取值，最大入滲率40 mm/hr，最小入滲率15 mm/hr，衰減系數(shù)4。由于樅陽與安慶兩地相距較近，對(duì)照兩地近十幾年的降雨量紀(jì)錄，兩地降雨量及降雨特征基本相近，故樅陽縣降雨數(shù)據(jù)可采用安慶市暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算(重現(xiàn)期P=3 a)，即

(1)

式中：q為暴雨強(qiáng)度，L/(S.hm2)；t為降雨歷時(shí)，min。利用芝加哥雨型生成器選用暴雨歷時(shí)120 min，峰值比例r取0.4，生成的暴雨曲線如圖2所示，以此降雨數(shù)據(jù)作為SWMM模型的時(shí)間序列定義至雨量計(jì)。

圖2 降雨歷時(shí)-降雨強(qiáng)度變化曲線

2.3 LID措施

LID以一種分散的、小規(guī)模的源頭控制來有效控制污染、減少降雨徑流量、推動(dòng)城市彈性的提高[2]。本次研究選取的低影響開發(fā)措施主要為雨水花園及透水鋪裝，搭建的SWMM概化模型如圖3所示。

圖3 SWMM模型概化

雨水花園作為生物滯留網(wǎng)格的一類，在削減徑流總量、控制污染、改善徑流雨水水質(zhì)等方面都發(fā)揮著重要的作用，它的蓄水和入滲能力是其水文效益的主要來源[3]。雨水花園的年均徑流量削減率大多呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，其入滲能力因基質(zhì)土壤堵塞等因素而逐年降低[4]，但在植物根系生長、無脊椎動(dòng)物活動(dòng)產(chǎn)生孔洞以及動(dòng)物自身為雨水花園土壤提供養(yǎng)分的綜合作用下[5]，入滲率得以提升。因此，雨水花園可形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，后續(xù)維護(hù)管理較為便捷。

透水鋪裝可從源頭控制降雨徑流、增加透水面積占比、降低管網(wǎng)運(yùn)行能耗，通過其運(yùn)行中的吸附、過濾、降解等過程達(dá)到水質(zhì)凈化功能并廣泛應(yīng)用于海綿城市建設(shè)中。趙飛等[6]通過室內(nèi)人工降雨模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，透水鋪裝在無排水措施的條件下徑流削減率為30%～80%，在有排水措施條件下削減率為40%～90%，在水質(zhì)凈化方面也有很好的應(yīng)用。

依據(jù)影像地圖設(shè)置LID，將部分綠地改造為雨水花園，在道路人行道處設(shè)置透水鋪裝。本研究區(qū)域總匯水面積1.298 37×107m2，共計(jì)設(shè)置雨水花園2.551 4×106m2，透水鋪裝8.756×104m2。LID 主要通過表面層、鋪裝層、土壤層、蓄水層、管渠層等水平層各參數(shù)的選取進(jìn)行設(shè)置，雨水花園無需設(shè)置蓄水層、管渠層。模型中LID各參數(shù)設(shè)置參考SWMM用戶手冊(cè)及相關(guān)文獻(xiàn)[7-8]，LID基本參數(shù)如表1所示。

表1 LID參數(shù)設(shè)置

3 碳排放量核算

CO2排放的核算過程主要包含界定核算對(duì)象、確定核算方法、獲取活動(dòng)數(shù)據(jù)和選取排放因子。本研究中的主要核算內(nèi)容包括材料生產(chǎn)過程、人員活動(dòng)過程與排水泵站電耗過程三個(gè)方面產(chǎn)生的CO2排放量。目前對(duì)于碳排放的研究方法，應(yīng)用較廣的是全生命周期評(píng)價(jià)法，它是一種“從開始到結(jié)束”的全過程計(jì)算方法。故采用生命周期法分析建設(shè)、運(yùn)行及拆除回收三個(gè)階段產(chǎn)生的碳排放量[9]，拆除階段本次不計(jì)，雨洪系統(tǒng)中碳排放量核算各階段如圖4所示。

圖4 碳排放量核算

本文各階段的碳排放量均采用排放因子法進(jìn)行核算，它是IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì))提出的第一種碳排放估算方法，也是適用范圍最廣泛的方法[10]，計(jì)算公式如下：

E=AD×EF，

(2)

式中：E為碳排放量；AD為活動(dòng)數(shù)據(jù)；EF為排放因子。文中采用的排放因子主要為建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、施工現(xiàn)場(chǎng)各機(jī)械設(shè)備的碳排放因子及電網(wǎng)的碳排放因子等。各類排放因子與相應(yīng)的建材使用量、機(jī)械設(shè)備的總工作量與雨水輸送總能耗等活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行乘積以計(jì)算其碳排放量數(shù)據(jù)。

3.1 建設(shè)過程產(chǎn)生的碳排放量

建設(shè)階段內(nèi)產(chǎn)生的碳排放主要來自于構(gòu)筑物以及附屬構(gòu)筑物建設(shè)過程中的能耗。添加LID措施后，材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工及維護(hù)等過程中較未添加措施前會(huì)產(chǎn)生更多的能耗，直接或間接地造成碳排放量的增加。但在后續(xù)運(yùn)行過程中，LID能減少徑流污染，存儲(chǔ)與利用雨水，有效緩解排水管網(wǎng)運(yùn)行的壓力，具有可持續(xù)減排特性。SWMM模型模擬結(jié)果如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知，排水管網(wǎng)地表徑流為56.162×104m3，添加LID后地表徑流量為43.09×104m3，減少了約23.3%且蓄水量增加。

研究表明，LID措施各建設(shè)階段中，雨水花園在運(yùn)輸中產(chǎn)生的碳排放遠(yuǎn)超于其它生產(chǎn)階段，可達(dá)96%。而透水鋪裝在材料生產(chǎn)中的碳排放可達(dá)建設(shè)階段的71%[11]。生產(chǎn)階段的碳排放量由各建材使用量與其對(duì)應(yīng)的碳排放因子結(jié)合計(jì)算所得。假定建設(shè)雨水花園所需部分土壤及植被可就近進(jìn)行開采以減少其運(yùn)輸及材料成本，則雨水花園材料生產(chǎn)過程中的主要碳排放由0.25 m厚度的礫石產(chǎn)生，共需2.94×106t。透水鋪裝的材料主要為透水混凝土、砂及碎石等，其建造結(jié)構(gòu)、材料及密度等依據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)行選擇[12-13]。結(jié)合城區(qū)中LID設(shè)置的面積計(jì)算求得透水鋪裝建材總計(jì)1.2×105t。

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截止2019年，我國公路貨物平均運(yùn)距為174 km，柴油因其馬力較大、提速較快的特點(diǎn)而被工程用車及大型運(yùn)輸車廣為使用，故假定在運(yùn)輸階段采用柴油卡車進(jìn)行174 km的公路運(yùn)輸，并以柴油貨車二級(jí)公路運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)13.4 kg/(100 t·km)[14]的碳排放因子進(jìn)行運(yùn)輸總碳排放的計(jì)算。

施工階段產(chǎn)生的能耗主要來自施工人員的活動(dòng)，如場(chǎng)地清掃、土方開挖、供電等。養(yǎng)護(hù)階段，為提高入滲率以便使低影響開發(fā)措施長期有效地運(yùn)行，需定期對(duì)雨水花園進(jìn)行一定的修剪、灌溉等，透水鋪裝則需要對(duì)鋪裝層中的堵塞物質(zhì)進(jìn)行日常清掃、沖洗等養(yǎng)護(hù)工作，進(jìn)而產(chǎn)生CO2。LID各階段單位面積材料生產(chǎn)、運(yùn)輸及維護(hù)的碳排放量參考文獻(xiàn)[12],[15]進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 LID設(shè)施建設(shè)單位面積碳排放清單

透水鋪裝取代普通人行道增加8.67 kgCO2/m2的建設(shè)碳排放[15]，由表中數(shù)據(jù)計(jì)算所得建設(shè)雨水花園與透水鋪裝較未建設(shè)LID前增加了9.9×104tCO2。

3.2 運(yùn)行過程產(chǎn)生的碳排放量

由于大氣中污染物隨雨水的降落以及道路表面的沖刷作用，致使初期雨水在匯水面形成的初期徑流攜有大量污染物，未經(jīng)處理的初期雨水若直接排入水體會(huì)導(dǎo)致較大的水體污染，因此需將初期雨水截流輸送至污水處理廠進(jìn)行處理，剩余水體隨排水管網(wǎng)排至附近河道或湖泊。當(dāng)管網(wǎng)暴雨強(qiáng)度超過管網(wǎng)的負(fù)荷能力時(shí)產(chǎn)生溢流，積水部分也需經(jīng)過抽取排至附近水體。因此在運(yùn)行階段中產(chǎn)生的碳排放主要來源于兩個(gè)方面，即將初期雨水輸送到污水處理廠過程中產(chǎn)生的碳排放以及將管網(wǎng)溢流抽取到附近河流而產(chǎn)生的碳排放[16]。

樅陽縣隸屬于安徽省，可參考華東區(qū)域電網(wǎng)的平均碳排放因子值 0.703 5 kgCO2/kW·h。研究區(qū)域距污水處理廠約2 700 m，假定輸水管道為混凝土管道，管徑為1 500 mm。本研究以截留5 mm的初期徑流為條件，基于SWMM進(jìn)行模擬得出初期雨水截流量。城區(qū)共13個(gè)點(diǎn)位由于地勢(shì)低洼或管道排水能力不足造成排水不暢，產(chǎn)生的溢流均計(jì)于本次溢流分析中。單位能耗計(jì)算公式[16]如下：

(3)

式中：E為單位雨水輸送產(chǎn)生能耗，kW·h/m3；Hn為輸水起止點(diǎn)的高程差， m；Hl=0.001 24v2Ld-1.33為管網(wǎng)沿程損失，m，其中v、d、L分別為輸水管道的流速、管徑與管長，單位分別是m/s、m、m；η為水泵效率，取0.6；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/ s2。

初期雨水截流與排澇輸送過程中單位能耗均以上述公式進(jìn)行計(jì)算，輸水起止點(diǎn)的高程差分別為8 m和2 m。單位雨水輸送能耗與輸水量乘積計(jì)算總耗能并通過排放因子法計(jì)算得出截流與溢流過程碳排放量如表4所示。

表4 研究區(qū)域各流量及對(duì)應(yīng)碳排放量

低影響開發(fā)措施借助其較強(qiáng)的下滲與蓄水能力，共降低23.31%的地表徑流總量，進(jìn)而減少初期雨水截流量、溢流量，通過能耗的減少以達(dá)到減排的目的。數(shù)據(jù)表明，管網(wǎng)運(yùn)行過程中總碳排放量減少了5.68×103kg，碳排放量削減達(dá)到了62.7%。經(jīng)分析可知，增加低影響開發(fā)措施可從源頭上減少場(chǎng)地的雨水徑流量，凈化徑流中的污染，削減峰值流量，大幅削減管網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的碳排放，充分做到節(jié)能減排。

4 結(jié)論與建議

1) 以重現(xiàn)期3a降雨數(shù)據(jù)為例，在SWMM模型中增設(shè)占樅陽城區(qū)匯水總面積約為20.4%的LID設(shè)施進(jìn)行模擬碳排放量的計(jì)算。結(jié)果表明，LID可有效減少地表徑流、降低能耗，添加LID后的管網(wǎng)在運(yùn)行階段中總碳排放量減少了5.68×103kg，碳排放量削減率達(dá)62.7%。

2) 本文僅對(duì)建設(shè)與運(yùn)行階段產(chǎn)生的碳排放量進(jìn)行核算，總計(jì)設(shè)置雨水花園2.551 4×106m2，透水鋪裝8.756×104m2，由碳排放量核算數(shù)據(jù)表明，LID在建設(shè)階段中較原始管網(wǎng)增加了9.9×104tCO2。城市排水設(shè)施雖在建設(shè)階段產(chǎn)生的碳排放量增加，但運(yùn)行階段對(duì)碳排放量削減效果較好。