王生愿，陳江海，陳小龍

1.北京清控人居環(huán)境研究院有限公司

2.上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司

低影響開發(fā)（low impact development，LID）設(shè)施是海綿城市建設(shè)的重要組成部分，其以“慢排緩釋”和“源頭分散”控制為主要規(guī)劃設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境影響特別是雨洪資源和分布格局影響的最小化[1-4]。LID理念起源于20世紀(jì)80年代美國喬治王子郡，之后迅速在美國其他州（市）得到應(yīng)用[5-6]。德國、澳大利亞、韓國、新西蘭等國也相繼將LID技術(shù)融入到綜合雨洪管理措施中，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益[7-9]。自2012年4月海綿城市理念提出以來，我國開始將LID設(shè)施應(yīng)用于控制雨水徑流、修復(fù)城市水生態(tài)、涵養(yǎng)水資源、增強(qiáng)城市防澇能力、治理黑臭水體等方面[10-15]。相關(guān)部門和學(xué)者也同步關(guān)注LID設(shè)施在改善城市水環(huán)境、水生態(tài)、水資源以及水安全等方面的效果評估[16]。當(dāng)前，對于徑流污染負(fù)荷削減率指標(biāo)的評估方法主要有3種，即基于監(jiān)測試驗(yàn)的徑流污染物濃度削減率評估[17-18]、基于與傳統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目對比監(jiān)測的場次評估[19]和基于數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)降雨評估[20]。其中，基于監(jiān)測試驗(yàn)的徑流污染物濃度削減評估方法僅考慮了LID設(shè)施對污染物濃度的削減，未考慮LID設(shè)施通過控制雨水徑流量降低了隨雨水?dāng)y帶污染物的能力，即部分污染物隨雨水一起滯蓄在設(shè)施內(nèi)部[21]；基于與傳統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目對比監(jiān)測的場次評估未考慮降水量差異所引起的地表沖刷強(qiáng)度和徑流攜帶能力的影響[22]；基于數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)降雨評估方法除受模型本身約束外[23]，其中的降水量數(shù)據(jù)受暴雨強(qiáng)度公式形式、參數(shù)選取等因素限制[24]。以與傳統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目對比監(jiān)測評估方法為基礎(chǔ)，按照場次降水等級差異分別計(jì)算不同等級降雨情境下的LID小區(qū)雨水徑流污染負(fù)荷削減率，再結(jié)合典型年降雨數(shù)據(jù)加權(quán)核算年雨水徑流污染負(fù)荷削減率，即為降水等級分異方法。該方法既能充分考慮LID設(shè)施對污染物濃度凈化和污染物總量蓄滯的能力，又能解決污染物的降水等級差異和模型的不確定問題，能夠更為精準(zhǔn)地評估LID設(shè)施年徑流總量污染負(fù)荷削減率。

嘉興市位于浙江省東北部、長江三角洲杭嘉湖平原腹心地帶，2015年4月，嘉興市入選第一批全國海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，以試點(diǎn)建設(shè)為契機(jī)，嘉興市制定了立足于改善水環(huán)境、重點(diǎn)控制雨水徑流污染的海綿城市系統(tǒng)化建設(shè)方案。為定量化評估LID設(shè)施控制雨水徑流污染的效果，筆者以嘉興市基于LID理念建設(shè)的小區(qū)（2018年建成）和基于傳統(tǒng)理念建設(shè)的小區(qū)（2017年建成）為研究對象，監(jiān)測2個(gè)小區(qū)的同時(shí)段降雨、流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)，并依托相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)劃分場次降水等級，采用降水等級分異方法計(jì)算LID小區(qū)年徑流污染負(fù)荷削減率，以期有效解決降水等級對地表污染物沖刷和攜帶能力的差異影響，為精確地評估地表徑流污染負(fù)荷削減率和系統(tǒng)化全域推進(jìn)海綿城市建設(shè)提供技術(shù)方法。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

根據(jù)小區(qū)建設(shè)改造的方式，將基于LID理念建設(shè)的柳岸禾豐小區(qū)定義為LID小區(qū)，傳統(tǒng)開發(fā)模式建設(shè)的淺水灣小區(qū)稱為傳統(tǒng)小區(qū)。LID小區(qū)位于嘉興市秀洲區(qū)，用地面積為 42 834.9 m2，地塊建筑密度為18.67%，綠地率為40.2%，新建透水鋪裝面積為2 409 m2、廣義下凹綠地面積為 4 183 m2，設(shè)計(jì)年徑流總量控制率為67%，對應(yīng)的降水量為15.5 mm，雨水徑流污染削減率為40%（以SS計(jì)）。傳統(tǒng)小區(qū)位于 LID 小區(qū)東側(cè)，用地面積為 50 195.40 m2，地塊建筑密度為18.87%，綠地率為41.04%。2個(gè)小區(qū)排水系統(tǒng)均為雨污分流制，因建設(shè)年代較近，排水設(shè)施整體狀態(tài)完好。根據(jù)排水管線的拓?fù)潢P(guān)系，LID小區(qū)和傳統(tǒng)小區(qū)分別可劃分為5個(gè)和3個(gè)排水分區(qū)，基于成本及研究目標(biāo)，分別選取LID小區(qū)排水分區(qū)2（SF 分區(qū) 2）外排口（管徑 500 mm）、傳統(tǒng)小區(qū)排水分區(qū)3（DB分區(qū)3）外排口(管徑 500 mm)進(jìn)行對比監(jiān)測，其中 SF 分區(qū) 2 面積為 14 876 m2，建筑面積為4 016 m2（占比為 27%），道路面積為 4 910 m2（占比為 33%），綠化面積為 5 950 m2（占比為 40%），徑流系數(shù)為0.63，新建透水鋪裝面積為875 m2，廣義下凹綠地面積為 1 422 m2。DB 分區(qū) 3 面積為 16 771 m2，建筑面積為 4 696 m2（占比為 28%），道路面積為5 199 m2（占比為 31%），綠化面積為 6 878 m2（占比為41%），徑流系數(shù)為0.62。LID小區(qū)及傳統(tǒng)小區(qū)地理位置及監(jiān)測布點(diǎn)如圖1所示。

圖 1 LID小區(qū)及傳統(tǒng)小區(qū)監(jiān)測點(diǎn)位Fig.1 Map of monitoring points in LID community and traditional community

1.2 研究方法

分別在SF分區(qū)2和DB分區(qū)3外排口安裝在線流量計(jì)，實(shí)時(shí)采集排口流量數(shù)據(jù)。降雨時(shí)在2個(gè)排口同步開展水質(zhì)采樣工作，按監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)徑流后0、5、10、20、30、60、90、120 min進(jìn)行采樣。如果降雨歷時(shí)較長，則根據(jù)實(shí)際情況，產(chǎn)流后的0.5 h內(nèi)取樣不低于2次，前1 h不低于4次，之后的采樣間隔適當(dāng)增大，累計(jì)采樣數(shù)量不低于8個(gè)。

通過對監(jiān)測時(shí)段內(nèi)（2020年6月1日—9月30日）獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取2020年9月10日18：10—20：30、6月 15日 12：15—16：30和7月 2日18：55—次日04：00的3場降雨分別作為小雨、中雨、大雨（含暴雨）的代表。

根據(jù)不同時(shí)段雨水排放口的雨水流量和水質(zhì)濃度，近似計(jì)算出大雨、中雨、小雨情況下LID小區(qū)和傳統(tǒng)小區(qū)的雨水徑流污染負(fù)荷，并計(jì)算TP的平均污染負(fù)荷削減率。根據(jù)氣象部門認(rèn)定的典型年降雨數(shù)據(jù)中的大雨、中雨、小雨降水量分配，近似得出LID技術(shù)對 TP 的年污染負(fù)荷削減率〔式（1）～式（6）〕。

式中：Lsf、Ldb分別為LID小區(qū)、傳統(tǒng)小區(qū)單場降雨單位面積雨水徑流污染物負(fù)荷，kg/m2；Asf、Adb分別為LID小區(qū)、傳統(tǒng)小區(qū)監(jiān)測雨水排放口服務(wù)面積，m2；q（sf）i、q（db）i分別為第i時(shí)段 LID 小區(qū)、傳統(tǒng)小區(qū)雨水排放口出水平均流量，L/s；C（sf）i、C（db）i分別為第i時(shí)段LID小區(qū)、傳統(tǒng)小區(qū)雨水排放口出水TP濃度，mg/L；△ti為第i時(shí)段監(jiān)測步長，min；T為監(jiān)測取樣總時(shí)長，min；N1、N2、N3為實(shí)際監(jiān)測的大雨、中雨、小雨場次，次；η大、η中、η小為大雨、中雨、小雨情況下TP的平均污染負(fù)荷削減率，%；x、y、z為典型年大雨、中雨、小雨累計(jì)降水量，mm；η年為年TP污染負(fù)荷削減率，%。

1.3 數(shù)據(jù)來源

降雨數(shù)據(jù)來源于嘉興市氣象局。由嘉興市氣象局通過對嘉興市多年降水量的統(tǒng)計(jì)分析后認(rèn)定，2014年為嘉興市降雨典型年。流量在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于嘉興市海綿城市建設(shè)指揮部辦公室，由其根據(jù)《海綿城市建設(shè)績效評價(jià)與考核辦法（試行）》要求委托第三方開展在線監(jiān)測和人工采樣獲取。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型年降水?dāng)?shù)據(jù)

根據(jù)中國氣象局《降水強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》對嘉興市典型年降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行等級劃分。2014年，嘉興年總降水量為 1 269.3 mm，降水天數(shù) 136 d，其中大雨、中雨、小雨分別為15、24和97 d；大雨、中雨、小雨累計(jì)降水量分別為577.3、371.1和320.9 mm（圖 2 和表 1）。

表 1 嘉興市典型年份（2014年）降水等級劃分Table 1 Rainfall grade division of Jiaxing in typical year (2014)

2.2 不同降水等級下的單位面積產(chǎn)流量

分別對2020年6月15日（日累計(jì)降水量17.4 mm），2020 年7 月 2 日(日累計(jì)降水量 62.4 mm)，2020年9月10日（日累計(jì)降水量6.4 mm）3場降雨進(jìn)行分析，降水量、流量及不同等級降水情景下的單位面積產(chǎn)流量如圖3所示。

小雨情景下，LID小區(qū)未出流〔圖3（a）〕，而傳統(tǒng)小區(qū)累計(jì)出流1 860.90 L，單位面積產(chǎn)流 0.11 L/m2圖3（d）〕。在中雨情景下，與傳統(tǒng)小區(qū)相比，LID小區(qū)徑流出現(xiàn)時(shí)間較晚，且徑流量明顯較小，尤其是洪峰流量削減最為明顯，即LID設(shè)施削峰作用明顯〔圖 3（b）〕。其中，傳統(tǒng)小區(qū)累計(jì)出流 12 334.95 L，單位面積產(chǎn)流 0.74 L/m2；LID 小區(qū)累計(jì)出流4 507.20L，單位面積產(chǎn)流0.30 L/m2。大雨情景下，LID小區(qū)對洪水消峰作用較為明顯，最大瞬時(shí)流量約為傳統(tǒng)小區(qū)的35%〔圖3（c）〕。其中，傳統(tǒng)小區(qū)累計(jì)出流457 359.00 L，單位面積產(chǎn)流 27.27 L/m2；LID 小區(qū)累計(jì)出流 240 629.74 L，單位面積產(chǎn)流 16.18 L/m2?？梢姡陀绊戦_發(fā)設(shè)施應(yīng)用能夠較好地削減小區(qū)單位面積的雨水產(chǎn)流量，達(dá)到控制雨水徑流量的目的。

圖 2 2014年嘉興市5 min步長降水量分布Fig.2 Distribution map of 5 min step length rainfall in Jiaxing in 2014

圖 3 3種情景下LID小區(qū)及傳統(tǒng)小區(qū)的排口流量分布和單位面積產(chǎn)流量對比Fig.3 Comparison of Discharge distribution and yield per unit area between LID and traditional communities under three rainfall scenarios

2.3 不同降水等級下的污染物濃度及污染負(fù)荷

中雨和大雨情景下LID小區(qū)及傳統(tǒng)小區(qū)TP濃度分布及TP負(fù)荷如圖4所示。由圖4(a)可知，中雨情景下，LID小區(qū)排口出水TP濃度均低于傳統(tǒng)小區(qū)，LID小區(qū)和傳統(tǒng)小區(qū)的TP平均濃度分別為0.10和0.12 mg/L，整體呈現(xiàn)初期雨水TP濃度較高，隨降雨過程逐漸降低的趨勢。但隨著雨強(qiáng)加大，徑流對地表的沖刷能力增大，TP濃度有所升高，最終趨于平穩(wěn)。整體的TP污染負(fù)荷受污染物濃度和雨強(qiáng)的雙重影響，徑流量越大，其攜帶污染物的能力越強(qiáng)，水體中的TP濃度越高。降雨期間，LID小區(qū)TP的總負(fù)荷量為 491.10 mg，而傳統(tǒng)小區(qū)為 1 481.07 mg。

由圖4(b)可知，大雨情景下，LID小區(qū)出水TP濃度均低于傳統(tǒng)小區(qū)，LID小區(qū)和傳統(tǒng)小區(qū)的TP平均濃度分別為0.14和0.16 mg/L，整體呈現(xiàn)初期雨水TP濃度較高，隨降雨過程逐漸降低的趨勢。隨著降水強(qiáng)度的增加，雨水徑流量增大，將小雨時(shí)沉淀累積在管道中的沉積物瞬間沖出，使污染物濃度迅速升高，最終趨于平穩(wěn)。另外，雨強(qiáng)的增加，雨水徑流對地表的沖刷強(qiáng)度以及雨水徑流的攜帶能力有所提升，對污染物的濃度有一定的影響。TP污染負(fù)荷主要受降水強(qiáng)度影響，其變化趨勢與瞬時(shí)降水量基本一致。降雨期間LID小區(qū)TP的總負(fù)荷量為36 706.32 mg，傳統(tǒng)小區(qū)為 77 233.10 mg。

圖 4 中雨和大雨情景下LID小區(qū)及傳統(tǒng)小區(qū)TP濃度分布及TP負(fù)荷量Fig.4 TP concentration distribution and TP load of LID and traditional communities under moderate rain and heavy rain

降水等級不同，單位面積污染負(fù)荷量不同。由不同降雨情景下LID小區(qū)及傳統(tǒng)小區(qū)單位面積污染負(fù)荷量對比（圖5）可知，在小雨、中雨和大雨這3種降水情景下，LID小區(qū)單位面積污染負(fù)荷量分別為0、0.03、2.47 mg/m2，而傳統(tǒng)小區(qū)分別為 0.03、0.09、4.61 mg/m2，表明單位面積污染負(fù)荷量在不同降水等級下具有明顯的分異性。

圖 5 不同情景下LID小區(qū)及傳統(tǒng)小區(qū)單位面積污染負(fù)荷量對比Fig.5 Comparison of pollution load per unit area between LID and traditional communities under different scenarios

2.4 典型年雨水徑流污染負(fù)荷削減率

不同雨量情景下LID小區(qū)及傳統(tǒng)小區(qū)污染負(fù)荷核算結(jié)果見表2～表4。小雨情景下，LID小區(qū)未出流，即單位面積污染負(fù)荷量為0 mg；傳統(tǒng)小區(qū)在降雨期間累計(jì)出流 1 860.90 L，TP 平均濃度為 0.25 mg/L，總污染負(fù)荷量為291.32 mg，單位面積污染負(fù)荷量為0.03 mg/m2，TP污染負(fù)荷削減率為100%。中雨情景下，LID小區(qū)排口在降雨期間累計(jì)出流4 507.20 L，TP平均濃度為0.10 mg/L，總污染負(fù)荷量為491.10 mg，單位面積污染負(fù)荷量為0.03 mg/m2；傳統(tǒng)小區(qū)排口在降雨期間累計(jì)出流12 344.95 L，TP平均濃度為0.12 mg/L，總污染負(fù)荷量為1 481.07 mg，單位面積污染負(fù)荷量為 0.09 mg/m2。TP污染負(fù)荷削減率為67%。大雨情景下，LID小區(qū)排口在降雨期間累計(jì)出流 240 629.74 L，TP 平均濃度為 0.12 mg/L，總污染負(fù)荷量為36 706.32 mg，單位面積污染物量為2.47 mg/m2；傳統(tǒng)小區(qū)排口累計(jì)出流 457 359.00 L，TP平均濃度為 0.16 mg/L，總污染負(fù)荷量為 77 233.10 mg，單位面積污染負(fù)荷量為4.61 mg/m2。TP污染負(fù)荷削減率為46%。結(jié)合式（6）計(jì)算可知，LID小區(qū)年污染負(fù)荷削減率約為66%。

表 2 小雨情景下傳統(tǒng)小區(qū)污染負(fù)荷核算Table 2 Pollution load calculation of traditional communities under light rain

表 3 中雨情景下LID小區(qū)及傳統(tǒng)小區(qū)污染負(fù)荷核算Table 3 Pollution load accounting of LID and traditional communities under moderate rain

表 4 大雨情景下LID小區(qū)及傳統(tǒng)小區(qū)污染負(fù)荷核算Table 4 Pollution load calculation of LID community and traditional communities under heavy rain

3 討論

對比傳統(tǒng)開發(fā)模式，LID技術(shù)的應(yīng)用對下墊面單位面積的產(chǎn)流量、排口出水污染物濃度削減具有明顯效果。在大雨、中雨、小雨情景下，傳統(tǒng)小區(qū)單位面積產(chǎn)流量分別為 27.27、0.74、0.11 L/m2，LID 小區(qū)單位面積產(chǎn)流量分別 16.18、0.30、0 L/m2，分別降低了41%、59%和100%；在大雨、中雨情景下，傳統(tǒng)小區(qū)雨水徑流TP平均濃度分別為0.16和0.12 mg/L，而LID小區(qū)雨水徑流TP平均濃度分別降低26%、13%。在不同等級降水情景下，LID設(shè)施對于污染負(fù)荷的削減率呈現(xiàn)出明顯的差異性：小雨時(shí)，LID設(shè)施消納了其服務(wù)范圍內(nèi)的所有徑流及其所攜帶的污染物，實(shí)現(xiàn)了污染負(fù)荷削減率100%；隨著降水量不斷增加，地表徑流超出LID設(shè)施所能容納的范圍且地表徑流所攜帶的污染物超出了LID設(shè)施凈化功能的閾值時(shí)，徑流開始外排，污染物削減率開始降低，中雨時(shí)，污染負(fù)荷削減率約為67%；大雨時(shí)，污染物削減率進(jìn)一步減弱，為46%；年徑流污染負(fù)荷削減率為66%。

基于降水等級分異的評估方法，能夠減少徑流污染負(fù)荷削減評估過程中因降水等級差異所引起的誤差，彌補(bǔ)監(jiān)測試驗(yàn)法、對比分析法和模型評估法的不足。文獻(xiàn)[1]通過設(shè)施規(guī)模和設(shè)施的污染物去除率來估算LID設(shè)施對雨水徑流污染的削減率的方法受地域、設(shè)施本身的結(jié)構(gòu)、徑流污染的隨機(jī)性等因素影響難以量化評估；毛月鵬等[17]基于試驗(yàn)監(jiān)測的方法評估了LID設(shè)施結(jié)構(gòu)和進(jìn)水方式對污染物濃度的影響，但是未考慮徑流攜運(yùn)能力；任兵戰(zhàn)[25]采用對比方法評估了LID設(shè)施在場次降雨的徑流污染負(fù)荷削減率，但未能定量評估LID 設(shè)施的年徑流污染削減率；畢軍鵬等[20]通過構(gòu)建研究區(qū)SWMM模型研究了不同降水強(qiáng)度下LID方案對氨氮、硝態(tài)氮和總氮等污染物的控制效應(yīng)，受基礎(chǔ)資料、實(shí)測資料、暴雨強(qiáng)度公式形式、參數(shù)選取等因素的影響，其結(jié)果的可靠性存疑。本研究采用的基于降水等級分異的評估方法，以典型年的降水?dāng)?shù)據(jù)為輸入條件，充分考慮降水等級分異影響下的污染負(fù)荷削減率的差異性，能夠定量評估LID設(shè)施的年雨水徑流污染負(fù)荷削減率，也是對對比分析法和模型評估法研究的很好補(bǔ)充。

科學(xué)評估LID設(shè)施建設(shè)效果是推進(jìn)海綿城市理念扎根城市建設(shè)的重要技術(shù)支撐。將海綿城市理念融入到城市建設(shè)中是未來城市開發(fā)的基本思路，科學(xué)評估海綿城市建設(shè)效果，特別是對LID設(shè)施應(yīng)用效果的精確評估是積累海綿城市建設(shè)的本土參數(shù)，引導(dǎo)城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及建設(shè)過程對LID設(shè)施選取、布局的技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

（1）LID設(shè)施通過削減雨水徑流量以及雨水徑流污染物濃度實(shí)現(xiàn)了對下墊面雨水徑流污染負(fù)荷的削減，相較于傳統(tǒng)小區(qū)，LID小區(qū)年雨水徑流污染負(fù)荷削減率達(dá)到66%。

（2）在不同的降水等級情境下，LID設(shè)施對雨水徑流污染負(fù)荷的削減率表現(xiàn)出明顯的差異性特征，相較于監(jiān)測試驗(yàn)的徑流污染物濃度削減評估方法、與傳統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目對比監(jiān)測的場次評估方法和基于數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)降雨評估方法，基于降水等級分異的雨水徑流污染負(fù)荷削減評估方法能夠減少因降水量對地表沖刷及其徑流攜帶能力的差異影響所造成的誤差，確保評估結(jié)果的精確程度。

（3）受工程建設(shè)影響，本研究收集的場次數(shù)據(jù)較少，僅將降水等級劃分為3級，LID設(shè)施對于雨水徑流污染負(fù)荷削減所發(fā)揮作用的持續(xù)性還需要通過進(jìn)一步的監(jiān)測分析。我國幅員遼闊，各地降水強(qiáng)度差異很大，各地氣象部門對當(dāng)?shù)馗黝惤邓燃墭?biāo)準(zhǔn)有所差異，降水等級劃分需要因地制宜。