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(shù)（Low Impact Development， LID）措施的徑流削減效果的基礎(chǔ)上， 提出了基于LID徑流削減效率的LID指數(shù)的模型， 進(jìn)而設(shè)計(jì)了LID設(shè)施選擇圖， 以根據(jù)建成區(qū)徑流污染削減目標(biāo)而快速選擇適宜的LID設(shè)施類型及不同LID設(shè)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(yīng)逐漸降低； 該模型靈活性較高， 具有探索應(yīng)用意義.

關(guān)鍵詞： LID； 徑流污染； 海綿城市

中圖分類號(hào)： X522 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)， 可有效降低區(qū)域洪澇、減少雨水徑流污染程度. LID技術(shù)設(shè)施包括滲濾技術(shù)、徑流儲(chǔ)存、生物滯留等多種技術(shù)類型[1]， 使得在海綿城市建設(shè)項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)中合理選取技術(shù)設(shè)施類型及技術(shù)措施比例的技術(shù)難度較大. 研究對(duì)象方面， 目前對(duì)于LID設(shè)施的研究大多集中在對(duì)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(duì)研究區(qū)域進(jìn)行模擬， 從而得出最合適的LID措施， 但是近年來(lái)不少研究發(fā)現(xiàn)， 實(shí)際使用的LID選擇方法， 例如， 現(xiàn)實(shí)情況常用的住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》， 城鎮(zhèn)區(qū)域LID設(shè)施的設(shè)置與選擇需要經(jīng)過5個(gè)步驟[5]， 且對(duì)污染物削減問題的考慮存在局限， 一些計(jì)算較為繁復(fù).

利用數(shù)學(xué)模型法或數(shù)學(xué)模型與圖形相結(jié)合的方式對(duì)LID技術(shù)設(shè)施類型選擇進(jìn)行研究， 包括陳前虎等[6]認(rèn)為現(xiàn)有的LID設(shè)施選取方法在實(shí)踐中存在決策效率低下等問題， 并設(shè)計(jì)了多目標(biāo)粒子群算法優(yōu)化LID設(shè)施布局； 章雙雙等[7]耦合最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與SWMM模型， 在平衡經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上合理選擇LID設(shè)施； 張小富[8]構(gòu)建兼顧功能、環(huán)境和效益的LID目標(biāo)函數(shù). 此外， 國(guó)外一些學(xué)者還利用數(shù)學(xué)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(xué)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(guān)系在圖形上表示； Asal等[10]在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了Walsh的模型， 并構(gòu)建三角形對(duì)照?qǐng)D， 根據(jù)模型得出下滲和收集的比例點(diǎn)后， 對(duì)應(yīng)到設(shè)計(jì)的三角圖形中， 根據(jù)比例點(diǎn)的位置選擇合適的LID設(shè)施及比例.

結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)構(gòu)建 LID指數(shù)模型， 并設(shè)計(jì)LID設(shè)施選擇圖， 可根據(jù)徑流污染削減目標(biāo)而便捷地選取適宜LID設(shè)施類型及LID設(shè)施比例， 以期為海綿城市建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供一種直觀、形象的方法探討和應(yīng)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(guān)系式來(lái)構(gòu)建“LID指數(shù)”與地表徑流污染物削減量的關(guān)系式.

為簡(jiǎn)化處理， 本模型作出如下假設(shè)：

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

（2）水量平衡的計(jì)算中忽略蒸發(fā)量的影響；

（3） LID設(shè)施的布設(shè)符合工程要求， 且能夠完全發(fā)揮設(shè)計(jì)效果， 一般不會(huì)發(fā)生溢流或滿負(fù)荷狀態(tài).

1.1 “LID指數(shù)”設(shè)定

人為設(shè)定不同LID設(shè)施面積（Lx）與不同徑流削減率（Ly）的LID設(shè)施的組合， 例如設(shè)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(duì)應(yīng)90%、70%、50%、30%的徑流削減率（Ly）， 兩者相乘得到對(duì)應(yīng)的LID指數(shù). 值得注意的是， 實(shí)際情況中不會(huì)有百分比跨度如此大的徑流削減率， 也不存在能夠達(dá)到90%面積的LID設(shè)施， 這里的百分比取值僅為計(jì)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(guān)系所需， 不存在實(shí)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(jì)算得到R地表與LID指數(shù)（L）進(jìn)行線性擬合， 即得到R地表 = f（L）， 具體的計(jì)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(dǎo)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(shí)際情況， LID指數(shù)的增加意味著隨著LID面積的擴(kuò)大或者LID設(shè)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(duì)于徑流量的削減作用降低， 呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)， 同時(shí)形成導(dǎo)數(shù)逐漸變小的曲線.

1.3 基于LID指數(shù)模型的設(shè)施與規(guī)模選擇

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

建立一個(gè)正方形區(qū)域， 縱軸是LID設(shè)施徑流削減比例（Ly）， 橫軸是LID設(shè)施面積在不透水面積中的占比（Lx）， 兩者的乘積為L(zhǎng)ID指數(shù)（L）， 表現(xiàn)為從原點(diǎn)出發(fā)的長(zhǎng)方形的面積. 將長(zhǎng)方體的兩軸用刻度表示出， 分割成16個(gè)小正方體， 每個(gè)小正方體的右上方的數(shù)字表示右上角頂點(diǎn)與原點(diǎn)形成的長(zhǎng)方體的面積. 圖3中有6個(gè)不同顏色的框， 分別代表不同類型的LID設(shè)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(duì)應(yīng)的面積位置， 再看處在何種LID方框內(nèi)， 即可得到LID設(shè)施及其比例. 若希望多種LID設(shè)施組合， 則可以將所在方框拆成多個(gè)方框， 只需加和等于LID指數(shù)即可. 得到LID設(shè)施及比例之后， 方案設(shè)計(jì)可以再根據(jù)資金預(yù)算、LID設(shè)施的景觀要求以及項(xiàng)目實(shí)際情況等進(jìn)行進(jìn)一步的選擇.

2 實(shí)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(lái)源

研究區(qū)域?yàn)樯虾Ｄ彻I(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(shí)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(cè)數(shù)據(jù)由園區(qū)管委會(huì)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(cè)全覆蓋， 4家企業(yè)對(duì)排放口TOC進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)， TOC 能較好地反映雨水徑流有機(jī)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(guān)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(duì)應(yīng)的暴雨量徑流系數(shù)取0.8. 對(duì)研究區(qū)域設(shè)置不同LID指數(shù)的方案，得到如表3所示的結(jié)果.

通過對(duì)工業(yè)園區(qū)的實(shí)地調(diào)研， 園區(qū)為削減源頭污染源， 各生產(chǎn)區(qū)設(shè)置集水溝、圍堰、地坑等對(duì)雨水徑流進(jìn)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(shè)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(shè)施以灰色設(shè)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(shè)施.

對(duì)照?qǐng)D4， 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(yīng)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(shí)段內(nèi)的降雨強(qiáng)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(shí)際測(cè)算獲得. 此外， 除了模型列舉的6種LID設(shè)施， 還可以根據(jù)需要自行添加其他更多的LID設(shè)施， 只需要知道該設(shè)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(shí)際應(yīng)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(jì)算結(jié)果將更能反映實(shí)際情況.

關(guān)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(duì)于具體采用何種LID設(shè)施或組合， 以及各種參數(shù)的設(shè)置， 應(yīng)當(dāng)根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況因地制宜， 根據(jù)土地類型、功能、預(yù)算等進(jìn)行進(jìn)一步的篩選.

3 結(jié) 論

本研究基于不同LID技術(shù)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(duì)照的方法， 可根據(jù)徑流污染削減目標(biāo)而直觀選取適宜LID設(shè)施類型及LID設(shè)施比例.

該模型具有如下特點(diǎn)： ①簡(jiǎn)化選擇步驟， 為不同區(qū)域徑流污染物削減目標(biāo)下LID設(shè)施的優(yōu)化選擇提供方法借鑒； ②結(jié)果用查圖的方法實(shí)現(xiàn)， 更為直觀； ③揭示LID設(shè)施的數(shù)量或面積與削減效率之間的關(guān)系. 將圖形對(duì)照法引入LID設(shè)施的篩選中. 本研究提出了一種區(qū)域LID設(shè)施建設(shè)的選擇方法， 可為海綿城市建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供一種直觀、形象的方法探討和應(yīng)用借鑒.

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（責(zé)任編輯： 張 晶）