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        不同LID組合對水質(zhì)水量影響及成本效益分析

        2022-11-11 03:09:49戎貴文李姍姍甘丹妮孫浩淼王莉莉胡良宇
        南水北調(diào)與水利科技 2022年1期
        關(guān)鍵詞:淺溝降雨效益

        戎貴文,李姍姍,甘丹妮,孫浩淼,王莉莉,胡良宇

        (1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,南京 210029)

        城市化的快速發(fā)展導(dǎo)致下墊面發(fā)生急劇變化,加上近些年暴雨事件的頻發(fā),引發(fā)了一系列的城市洪澇災(zāi)害[1-2]。為有效緩解城市內(nèi)澇、改善城市水生態(tài)環(huán)境,我國開展了基于低影響開發(fā)(low impact development,LID)模式的海綿城市建設(shè)[3-5],加大城市徑流雨水源頭減排的剛性約束,削減城市徑流污染負荷[6-7]。LID模式是通過源頭分散的小型控制設(shè)施,維持和保護場地自然水文功能。

        研究表明,不同LID設(shè)施組合對徑流調(diào)節(jié)和染污控制效果有明顯差異。周昕等[8]研究了4種LID設(shè)施組合對地表徑流、排水管網(wǎng)溢流及污染物排放的影響。同時,不同區(qū)域性質(zhì)影響著LID設(shè)施選擇及優(yōu)化配置方案,如Baek等[9]、Rong等[10]和韓媛雯等[11]研究發(fā)現(xiàn),工業(yè)園區(qū)分布著大型廠房、廠辦、研發(fā)機構(gòu)和學(xué)術(shù)機構(gòu)等,由于其特殊的建筑屬性,綠化面積相對較少,與開發(fā)前相比,水文特性有較大的差異,在暴雨事件中,更易造成園區(qū)內(nèi)澇;由于工業(yè)性質(zhì)的特殊性,與其他路面相比,工業(yè)園區(qū)路面更易形成徑流污染。由于研究工業(yè)園區(qū)經(jīng)濟合理的LID組合方案,能夠為工業(yè)園區(qū)的建設(shè)節(jié)約成本,并推進城市生態(tài)文明的整體發(fā)展,因此近年來工業(yè)園區(qū)的低影響開發(fā)模式研究備受政府和學(xué)者[12-14]的關(guān)注。目前,工業(yè)園區(qū)的LID研究成果主要針對LID設(shè)施對水量水質(zhì)控制作用的比較,而對LID設(shè)施的成本與效益分析研究較少。

        本文擬基于暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM),構(gòu)建不同的LID組合方案,分析不同方案對工業(yè)園區(qū)徑流量、洪峰流量以及污染物質(zhì)量濃度的削減效果和成本效益,并引入生命周期成本分析,將效益貨幣化,根據(jù)不同方案對水質(zhì)水量的控制效果,分析不同方案的投資回報比,確定更適合工業(yè)園區(qū)的LID組合方案,為相同類型工業(yè)園區(qū)的LID設(shè)施建設(shè)提供參考。

        1 研究區(qū)概況

        淮南市位處淮河流域,屬于亞熱帶季風(fēng)區(qū),年平均氣溫16.6 ℃,全年降水量約893.4 mm,季節(jié)性降水分布不均,且降雨主要集中在6—8月。研究區(qū)位于安徽省淮南市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的某工業(yè)園區(qū),地勢較為平坦,總面積約15.4 hm2,其中:不透水面積約12.9 hm2,占總面積的82 %,主要由廠區(qū)房、硬化路面、停車區(qū)域以及瀝青路面組成;透水面積2.7 hm2,主要由普通綠地組成,而廠區(qū)內(nèi)綠化面積較少,僅為區(qū)域總面積的18 %。由于廠區(qū)綠化區(qū)域較少且分布分散,因此發(fā)生內(nèi)澇的風(fēng)險較大,易產(chǎn)生徑流污染。

        2 模型構(gòu)建

        采用美國環(huán)境保護署開發(fā)的SWMM模型,在LID模塊中增加不同的LID設(shè)施,對單場暴雨事件過程中的地表徑流、洪峰流量、水質(zhì)情況等情況進行模擬,研究不同LID組合對雨水源頭控制和污染負荷削減的效果。

        2.1 模型概化

        根據(jù)研究區(qū)的地形、高程以及排水管網(wǎng)的分布情況,將該區(qū)域分為9個子匯水區(qū)、10個節(jié)點、10個管段和1個出水口。具體子匯水區(qū)分布及管網(wǎng)概化見圖1。

        圖1 研究區(qū)概化

        2.2 模型條件與參數(shù)選取

        2.2.1暴雨強度

        芝加哥雨型是根據(jù)降雨強度-歷時-頻率關(guān)系得到的一種設(shè)計雨型,相較于其他雨型,對于降雨歷時沒有較大的依賴性。本文采用芝加哥雨型生成器和淮南市暴雨強度公式(1)生成重現(xiàn)期為3、5、10和20 a的降雨情景,并繪制不同重現(xiàn)期的降雨強度過程線,雨峰系數(shù)為0.5,降雨歷時t取120 min,結(jié)果見圖2。

        圖2 不同重現(xiàn)期的降雨過程線

        (1)

        式中:q為設(shè)計降雨強度,mm/min;t表示降雨歷時,min;P表示重現(xiàn)期,a。

        2.2.2模型參數(shù)選取

        模型的參數(shù)設(shè)置主要分為兩個模塊:水文模塊的參數(shù)設(shè)置和水質(zhì)模塊的參數(shù)設(shè)置。區(qū)域的面積、高程及不滲透面積比例通過ArcGIS獲取到相關(guān)參數(shù)[15];寬度通過子匯水區(qū)面積與最長匯水長度的比值獲得,管道的長度及管道形狀、管徑、節(jié)點埋深通過現(xiàn)場勘測及設(shè)計資料獲得。

        水文過程主要分為入滲和產(chǎn)流過程,采用Horton模型模擬地表入滲過程,產(chǎn)流過程通過調(diào)節(jié)透水區(qū)和不透水區(qū)的參數(shù)來實現(xiàn),參數(shù)取值范圍參考用戶手冊及相關(guān)文獻[16-18]。

        選擇COD、TN和TP作為研究區(qū)的主要污染物指標(biāo)[19]。污染物的累積和沖刷過程與下墊面性質(zhì)有關(guān),累積過程模擬采用飽和增長函數(shù),沖刷過程模擬采用指數(shù)函數(shù)。參數(shù)的取值參考用戶手冊及相關(guān)文獻[20-21]。

        2.3 參數(shù)率定與模型驗證

        分別采用2020年8月3日與21日的兩場降雨實測資料進行參數(shù)率定和模型驗證。利用排水口實測流量率定水文參數(shù),利用污染物質(zhì)量濃度率定水質(zhì)參數(shù),率定的水文、水質(zhì)參數(shù)取值,見表1和表2。同時,采用納什效率系數(shù)ENS作為水文模型率定的評價指標(biāo)[22]。一般來說,在下墊面特征較為復(fù)雜的城市區(qū)域,當(dāng)ENS>0.6時,模型被認為具有良好精度。排水口模擬流量與實測流量的擬合ENS值為0.897,各污染物的ENS值均大于0.800,見圖3,表明所構(gòu)建的模型參數(shù)取值合理,擬合度高,所建模型適用于研究區(qū)。

        表1 水文相關(guān)參數(shù)取值

        表2 水質(zhì)相關(guān)參數(shù)取值

        圖3 排放口流量與污染物質(zhì)量濃度的率定結(jié)果

        3 LID布設(shè)方案

        在不同LID模式布設(shè)方案中,LID設(shè)施的相關(guān)參數(shù)[23-25]見表3。目前較為常見的LID設(shè)施主要包括綠色屋頂、雨水罐、雨水花園、滲渠、植被淺溝和透水鋪裝等。根據(jù)研究區(qū)的地形以及不同下墊面的分布情況,采用不同的LID設(shè)施進行組合,設(shè)計了5種不同的布設(shè)方案。

        表3 LID設(shè)施相關(guān)參數(shù)取值

        方案一:雨水罐+植被淺溝。該方案對研究區(qū)原建筑改變最小、成本也最低:雨水罐主要收集屋頂雨水,布設(shè)面積約513.47 m2。在原有綠化的基礎(chǔ)上,將一部分綠化面積改造成植被淺溝,植被淺溝面積約為16 413.12 m2。

        方案二:雨水罐+植被淺溝+透水鋪裝。將研究區(qū)的一部分不透水路面、不透水停車場設(shè)置為透水鋪裝,透水鋪裝面積約為38 632.80 m2,其他布設(shè)與方案一相同,雨水罐面積約513.47 m2,植被淺溝面積約為16 413.12 m2。

        方案三:雨水罐+雨水花園+透水鋪裝。在方案二的基礎(chǔ)上,屋頂雨水依舊采用雨水罐收集。雨水罐面積約513.47 m2,將植被淺溝改為雨水花園,雨水花園的面積約為6 238.72 m2,布設(shè)相同面積透水鋪裝,面積38 632.80 m2。

        方案四:綠色屋頂+雨水罐+雨水花園+透水鋪裝。在方案三的基礎(chǔ)上,增加綠色屋頂。雨水罐面積約116.29 m2,綠色屋頂面積約23 831.04 m2,雨水花園的面積約為6 238.72 m2,透水鋪裝面積約38 632.80 m2。

        方案五:綠色屋頂+雨水罐+植被淺溝+透水鋪裝。雨水罐面積約116.29 m2,綠色屋頂面積約23 831.04 m2,植被淺溝面積約為16 413.12 m2,透水鋪裝面積約38 632.80 m2。

        4 模擬結(jié)果與分析

        4.1 水量模擬結(jié)果及分析

        針對上述5種不同的LID布設(shè)方案,在不同重現(xiàn)期(P=3 a、5 a、10 a、20 a)下,對研究區(qū)進行水量模擬,對比分析徑流量、徑流系數(shù)及洪峰流量的控制效果,以及對應(yīng)的削減率,結(jié)果見表4、圖4。

        表4 不同LID組合方案在不同降雨重現(xiàn)期下的徑流及洪峰模擬結(jié)果

        圖4 不同LID組合方案在不同降雨重現(xiàn)期下的徑流及洪峰削減率

        由表4和圖4可知,增加LID設(shè)施對研究區(qū)的徑流和洪峰都有一定的削減效果。其中:方案四(綠色屋頂+雨水罐+雨水花園+透水鋪裝)對徑流量的削減率最高,在重現(xiàn)期為3 a時,削減率可達71.43%;方案五(綠色屋頂+雨水罐+植被淺溝+透水鋪裝)對洪峰流量的削減率最高,在重現(xiàn)期為3 a時,削減率可達81.15%。但隨著降雨重現(xiàn)期的增大,削減率有所減小,因此需要增加更多的LID設(shè)施。

        4.2 水質(zhì)模擬結(jié)果及分析

        以TP、TN和COD為污染物指標(biāo),根據(jù)排放口污染物累積總量,分析不同降雨重現(xiàn)期下的不同LID組合對污染物的削減效果,具體結(jié)果見圖5和表5。

        圖5 不同重現(xiàn)期下污染物的削減率

        表5 排放口不同污染物的累積量與削減率

        由圖5和表5可知,5種LID組合均對污染物有一定的削減作用。其中方案四的削減效果最好,可達到70%左右,但隨著降雨重現(xiàn)期的增大,對TP和TN的削減率減低,COD的削減效果雖然呈上升趨勢,但削減率增幅逐漸減小。

        5 不同LID組合的成本效益比選

        5種LID組合對該研究區(qū)雨水徑流與水質(zhì)均有一定的削減效果,除了最簡單的第一種組合方案削減效果比較小外,其他方案的削減效果均能達到60%以上,具有較好的處理效果。但是在考慮到削減率的同時,也應(yīng)考慮設(shè)施的生命周期成本以及產(chǎn)生的生態(tài)效益[26],選出更適合的LID組合方案。

        5.1 基于生命周期的成本分析

        根據(jù)表6中的不同LID設(shè)施的建設(shè)成本與維護成本,利用生命周期成本分析,計算不同方案在30年生命周期內(nèi)的成本,結(jié)果見表7。計算公式見式(2)[27]。

        表6 不同LID設(shè)施建設(shè)成本與維護成本[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,元或萬元;I0表示LID設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)成本,元或萬元;M0表示運營維護成本,元或萬元;PV-sum表示LID現(xiàn)值和;i表示折現(xiàn)率,取5%;S表示殘值;t表示運營時間,取30年;PV表示折現(xiàn)系數(shù)。

        5.2 效益分析

        將效益貨幣化,分為水質(zhì)和水量兩方面研究該區(qū)域增加不同LID組合方案后產(chǎn)生的年效益。年效益計算公式見式(3),詳細效益見表8。

        表8 不同方案產(chǎn)生的年效益及其投資回報率

        A1=M1V

        A2=M2V

        B=qQcPc

        (3)

        V=10(Fφ1H-Fφ2H)

        式中:A1表示減緩市政排水壓力產(chǎn)生的年效益,元;A2表示節(jié)水產(chǎn)生的年效益,元;V表示增加LID后減少的外排雨水量,m3;M1、M2分別為管網(wǎng)運行費用和造成的經(jīng)濟損失,元/m3,分別取0.08和5.48;B表示削減污染物產(chǎn)生的年效益,元;q表示污染物的削減量,kg;Qc表示污染物的當(dāng)量值,TP、TN和COD的當(dāng)量值分別為0.25,0.80和1.00;Pc為當(dāng)量征收標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)《排污量征收使用管理條例》取0.6元;φ1表示增加LID組合設(shè)施前研究區(qū)的綜合徑流系數(shù);φ2表示增加LID組合設(shè)施后研究區(qū)的綜合徑流系數(shù);F表示研究區(qū)面積,hm2;H表示年平均降雨量,mm。

        采用式(4)計算不同方案的投資回報率,計算結(jié)果見表8。

        ROI=L/T×100%

        (4)

        式中:ROI表示投資回報率;L表示添加LID組合設(shè)施后產(chǎn)生的年利潤或年均利潤,萬元,L=A1+A2+B;T表示總投資額,萬元,這里T采用生命周期成本LCC。

        比較不同方案的投資回報率可知,5種方案的投資回報率均大于2.4%:方案三投資回報率最高,達到了3.93%,是由于雨水花園相比其他設(shè)施面積偏小,生命周期成本偏低,卻能得到很好的水量水質(zhì)削減效益,提高了總體方案的投資回報率;方案四和方案五的投資回報率相比其他方案偏低,主要是由于增加綠色屋頂提高了LID設(shè)施的生命周期成本,相比其他設(shè)施,得到的水量水質(zhì)削減效益偏低,所以總體方案的投資回報率偏低。

        6 結(jié) 論

        本文基于SWMM模型構(gòu)建了5種LID組合方案,研究不同LID設(shè)施組合對水質(zhì)水量的影響,并利用生命周期成本分析和效益貨幣化分析對5種方案進行比選,選出最合適的LID方案,為類似區(qū)域的LID方案選擇提供參考。

        增加LID設(shè)施對研究區(qū)的徑流和洪峰有明顯的削減效果,即使增加最簡單的雨水罐和植被淺溝,徑流量削減率也能達到11%、洪峰流量削減率達到30%。但隨著降雨重現(xiàn)期的增大,削減率減小,就需要增加更多的LID設(shè)施。

        植被淺溝對削減洪峰流量有更好的效果,雨水花園對徑流量削減效果更加顯著;雖然增加綠色屋頂可以削減更多的徑流量和洪峰流量,但是受降雨重現(xiàn)期的影響較為明顯,降雨重現(xiàn)期增大時,洪峰流量削減率有所降低。

        通過生命周期成本分析和效益貨幣化分析得出,在LID組合設(shè)施建設(shè)中,雨水花園可以很好地提高組合方案的投資回報率。綠色屋頂對徑流和污染物的削減具有一定的效果,但由于綠色屋頂較高的投資成本和維護成本,投資回報率偏低。

        雨水罐、雨水花園和透水鋪裝組合方案的綜合效益最高,更適合在工業(yè)園區(qū)規(guī)劃和建設(shè)中采用。

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