孔向東

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，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

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，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，強調在源頭應用各種工程措施以達到滲透減排的目的。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，總結了三種措施的設計方法、適用條件及關鍵參數。結合設施的典型做法和關鍵設計參數，通過實例對三種措施的徑流體積、峰值流量、污染物總量削減進行水文量化評價，并通過相應投資分析對其投資-效果進行評價，對三種典型措施的控制效果進行綜合比選。

關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)應用，從源頭上保護和模擬原有的自然水文條件，將場地開發(fā)導致的水文循環(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通過散布在場地內的水文功能性景觀和貯存設施來滯留、調蓄及回用徑流雨水，使雨水的滲透量和滯留量增加，匯流時間延長，從而實現削減徑流體積和峰流量，增加滲透量以回補地下水，維持河道基流量，增加蒸發(fā)量以及保護受納水體水質等城市雨洪控制利用目標。

LID強調優(yōu)先進行場地規(guī)劃，以保護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，對三種措施的設計、應用和徑流控制的費用-效果進行分析，以指導應用。

2LID技術在北京應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)的問題已逐步凸現出來，主要表現在徑流污染、洪澇災害、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，單位面積負荷577.4 kg/104m2·a。2009年城八區(qū)污水處理率已達到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，既使污水處理率達到很高的水平，由于雨水徑流污染的嚴重性，整治后的河湖水質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]。

由于不透水面積擴大，降雨徑流系數不斷增加，同時城區(qū)舊排水系統(tǒng)結構老化，排水能力不到應排水雨水量的50%，在遭遇暴雨時會出現雨水橫流。市區(qū)現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。據北京市防汛指揮部統(tǒng)計，2006年至今全市共發(fā)現積滯水點段112處，防汛工作嚴峻[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用前景。

3三種典型滲透減排設施的設計及其構造

3.1　低勢綠地

低勢綠地是一種生態(tài)型的雨水滲透設施，具有節(jié)省投資、滲透減排效果明顯、不易堵塞等優(yōu)點，既可設置在城區(qū)范圍內的建筑物、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)域進行規(guī)?；瘧茫鸬綔魞艋瘡搅饔晁?、防洪減澇、美化環(huán)境的效果。

低勢綠地結構設計的關鍵是控制調整好綠地與周邊道路和雨水溢流口的高程關系，其設計受土壤滲透系數、降雨強度、地下水位、溢流方式和周邊建筑物地基與基礎等條件的制約，設計參數有下凹深度、面積率、耐淹時間等。低勢綠地的下凹深度一般不大于250 mm，最小構造深度建議不小于50 mm。設計低勢綠地時還應考慮路面污染物的管理與控制問題，可采取截污措施，強化管理，避免對綠地的不利影響。設計時要在雨水水量平衡分析的基礎上，合理確定低勢綠地的影響因素和設計參數，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的百分數，β=Af/Ad；

H——設計降雨量(按設計要求決定)/m；

φ——匯流面徑流系數；

K——土壤滲透系數/(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，達到削峰減排、凈化水質、涵養(yǎng)地下水的目的，是一種低投資、易維護的水文功能性景觀設施。

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

國外常用的雨水花園設計方法有滲濾法[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，根據我國多數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/(m/s)；

df——種植土和填料層厚度/m；

h——蓄水層平均設計水深，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、廣場等大面積應用。滲透鋪裝的主要構造有面層(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，設計參數主要為基層的高度，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，滲透鋪裝的主要設計參數、影響因素、控制目標/構造、使用條件等進行比較(如表1所示)。

表1　三種措施比較

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

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的量化評估方法，為LID滲透減排設施的設計、評價和應用提供了理論依據[10]。下面仍以體積削減目標作為設計指標，峰流量削減和污染物削減作為校核指標對三種設施的徑流控制效果進行分析。

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φ=0.9，低勢綠地、雨水花園和滲透鋪裝的設計參數及其部分取值如表2所示。

表2　三種措施的設計參數

4.1　三種設施的滲透減排效果比選

(1)設施年徑流體積削減效果

設施的設計降雨量為H，則降雨量小于等于H的降雨，設施將實現無溢流外排現象。由式(1)、式(2)和式(3)可得不同設計降雨量H下設施的面積，根據北京20年(3～10月份)降雨資料統(tǒng)計，三種設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，隨著設施面積的增大，設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%，相應年徑流體積削減率η′約為83%。

圖1　三種設施面積Af與年徑流削減量W的關系

圖2　三種設施面積Af與場地年均雨量徑流系數φ的關系

(2)設施峰流量削減效果

對一場降雨，重現期P=2a，集流時間Tc=10 min，則峰流量為

(4)

圖3　峰流量削減原理

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

(5)

式中φ——峰值徑流系數；

Q——設施應用后的峰流量/(L/s)；

i——設施應用前峰流量Qmax時刻Tc對應的平均降雨強度/(mm/min)。

三種措施不同設計降雨量H(設施面積)下峰流量削減率θ如圖4所示。由圖4可知，隨著設施面積的增加，三種設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φ=0.9，設施的應用使得場地的峰值徑流系數減小，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削減至0.57，峰流量削減率θ約為36%。

圖4　三種設施面積Af與峰流量削減率θ的關系

圖5　三種設施面積Af與場地峰值徑流系數φ的關系

4.2　三種設施的污染物總量削減效果

若三種設施都用來滲透回補地下水，設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，則可根據三種措施對各污染物的去除能力計算其相應的年污染物總量削減率ε′。

綜上，設施的徑流控制效果如表3所示。根據北京20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，因此設施的設計降雨量以不大于40 mm為宜。

表3　設施的徑流控制效果

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　設施年徑流體積控制的費用-效果分析

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

5.2　設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計規(guī)模會由于三種設施的峰流量削減作用而降低，因此對設施峰流量控制的費用-效果進行分析時，還應考慮設施的應用對市政管道投資的節(jié)省。

圖6　三種設施年徑流體積控制的費用-效果分析

圖7　三種設施峰流量控制的費用-效果分析

6結論

經過合理的場地規(guī)劃設計，三種典型LID滲透減排措施可實現良好的經濟效益和景觀生態(tài)效益。根據水量平衡原理，可實現一定設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，在設施的設計過程中，可根據徑流體積削減或峰值削減為設計指標，并相應用其它指標進行校核，以實現多目標的設施設計。

參考文獻

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[11]李俊奇，余蘋,等.城市雨水集蓄利用工程規(guī)模的優(yōu)化[J].中國給水排水，2005，21(3):49-52

中圖分類號：TU992

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)04-0086-05

收稿日期：2015-04-23