LID指数模型构建框架及图解应用探讨

钱美尹 杨凯 谢胜 丁磊 徐露 陈莹

摘要： 在分析不同低影响开发技术（Low Impact Development， LID）措施的徑流削减效果的基础上， 提出了基于LID径流削减效率的LID指数的模型， 进而设计了LID设施选择图， 以根据建成区径流污染削减目标而快速选择适宜的LID设施类型及不同LID设施类型的比例. 结果表明， 随着LID指数增加， 雨水径流量及雨水径流污染物呈类似指数形式降低， 且LID指数越大， LID径流削减率越大， 但是径流削减的边际效应逐渐降低； 该模型灵活性较高， 具有探索应用意义.

关键词： LID； 径流污染； 海绵城市

中图分类号： X522 文献标志码： 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即低影响开发技术， 可有效降低区域洪涝、减少雨水径流污染程度. LID技术设施包括渗滤技术、径流储存、生物滞留等多种技术类型[1]， 使得在海绵城市建设项目方案设计中合理选取技术设施类型及技术措施比例的技术难度较大. 研究对象方面， 目前对于LID设施的研究大多集中在对径流量及峰值流量的削减上[2-4]， 而研究方法方面， 常规研究使用SWMM软件对研究区域进行模拟， 从而得出最合适的LID措施， 但是近年来不少研究发现， 实际使用的LID选择方法， 例如， 现实情况常用的住房和城乡建设部发布的《海绵城市建设技术指南》， 城镇区域LID设施的设置与选择需要经过5个步骤[5]， 且对污染物削减问题的考虑存在局限， 一些计算较为繁复.

利用数学模型法或数学模型与图形相结合的方式对LID技术设施类型选择进行研究， 包括陈前虎等[6]认为现有的LID设施选取方法在实践中存在决策效率低下等问题， 并设计了多目标粒子群算法优化LID设施布局； 章双双等[7]耦合最优化目标函数与SWMM模型， 在平衡经济效益的基础上合理选择LID设施； 张小富[8]构建兼顾功能、环境和效益的LID目标函数. 此外， 国外一些学者还利用数学模型与图形结合的方式优化LID的选择方法， 使其更为直观和高效. 例如， Walsh等[9]利用水量平衡的原理构建数学模型， 以探究研究区域合适的下渗与收集的比例， 并且将下渗与收集的比值， 以及蒸发量、地下径流量和地表径流量与不透水率的关系在图形上表示； Asal等[10]在此基础上优化了Walsh的模型， 并构建三角形对照图， 根据模型得出下渗和收集的比例点后， 对应到设计的三角图形中， 根据比例点的位置选择合适的LID设施及比例.

结合国内外研究热点构建 LID指数模型， 并设计LID设施选择图， 可根据径流污染削减目标而便捷地选取适宜LID设施类型及LID设施比例， 以期为海绵城市建设项目设计提供一种直观、形象的方法探讨和应用借鉴.

1 模型构建

本研究通过建立径流削减量与污染物削减的关系式来构建“LID指数”与地表径流污染物削减量的关系式.

为简化处理， 本模型作出如下假设：

（1）假设研究区域原始状态并未设置LID设施， 但允许存在绿地或河流等透水区域；

（2）水量平衡的计算中忽略蒸发量的影响；

（3） LID设施的布设符合工程要求， 且能够完全发挥设计效果， 一般不会发生溢流或满负荷状态.

1.1 “LID指数”设定

人为设定不同LID设施面积（Lx）与不同径流削减率（Ly）的LID设施的组合， 例如设置LID面积占比（Lx）5%、10%、15%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%共11種情景， 每种情景都对应90%、70%、50%、30%的径流削减率（Ly）， 两者相乘得到对应的LID指数. 值得注意的是， 实际情况中不会有百分比跨度如此大的径流削减率， 也不存在能够达到90%面积的LID设施， 这里的百分比取值仅为计算得到地表径流量（R地表）， 用于建立地表径流量（R地表）与LID指数（L）的关系所需， 不存在实际意义. 后将Lx、Ly的值代入式（5）， 求得地表径流量（R地表）的值， 得到的值记录入表1.

将计算得到R地表与LID指数（L）进行线性拟合， 即得到R地表 = f（L）， 具体的计算方式见2.1.2小节. 一般而言， 该模型的图线是一条y值恒大于0， 且随着x值的增加， y值逐渐降低， 并且导数逐渐变小的曲线， 其函数形式接近于指数函数， 如图2所示. 曲线的变化也符合实际情况， LID指数的增加意味着随着LID面积的扩大或者LID设施的增多， 研究区域剩余的不透水面积变小， 能够被处理的径流量变少， 表现出对于径流量的削减作用降低， 呈现明显的下降趋势， 同时形成导数逐渐变小的曲线.

1.3 基于LID指数模型的设施与规模选择

通过实际的径流削减要求或污染物削减要求计算出LID指数. 确定LID指数后， 需要确定具体的LID设施比例. 常用的几种LID设施的径流量削减率（Ly）如表2所示.

建立一个正方形区域， 纵轴是LID设施径流削减比例（Ly）， 横轴是LID设施面积在不透水面积中的占比（Lx）， 两者的乘积为LID指数（L）， 表现为从原点出发的长方形的面积. 将长方体的两轴用刻度表示出， 分割成16个小正方体， 每个小正方体的右上方的数字表示右上角顶点与原点形成的长方体的面积. 图3中有6个不同颜色的框， 分别代表不同类型的LID设施， 彩色框的范围便是该LID能够削减的径流量范围. 得到LID指数后， 在图3中找到对应的面积位置， 再看处在何种LID方框内， 即可得到LID设施及其比例. 若希望多种LID设施组合， 则可以将所在方框拆成多个方框， 只需加和等于LID指数即可. 得到LID设施及比例之后， 方案设计可以再根据资金预算、LID设施的景观要求以及项目实际情况等进行进一步的选择.

2 实例探讨分析

2.1 构建模型

2.1.1 研究区域概况与数据来源

研究区域为上海某工业园区， 占地面积2 902.91 hm2， 其中绿地面积为1 483.74 hm2， 区域中有一条河流穿过， 面积为65.24 hm2. 本文研究时段为2018年全年， 全年总降雨量为1 210.70 mm.

研究区域雨水径流排放口的在线环境监测数据由园区管委会提供， 研究区域各企业雨水排放口pH值、流量在线监测全覆盖， 4家企业对排放口TOC进行了在线监测， TOC 能较好地反映雨水径流有机污染程度. 因此， 本文选取4家企业2018年雨排口TOC平均浓度表征地表径流污染程度.

2.1.2 研究区域LID指数与降雨径流污染物的关系

将研究区域的数据代入. 其中， y不透水按照《城镇防洪与雨水利用（第二版）》[1]中表8.1的径流系数参考表中“混凝土和沥青路面”对应的暴雨量径流系数取0.8. 对研究区域设置不同LID指数的方案，得到如表3所示的结果.

通过对工业园区的实地调研， 园区为削减源头污染源， 各生产区设置集水沟、围堰、地坑等对雨水径流进行有效收集. 初期雨水径流统一收集至初期雨水收集池， 部分未设置初期雨水收集池的企业则将初期雨水径流收纳至消防废水池， 占用体积不得超过1/3. 可见， 工业园区的LID设施以灰色设施为主， 尽量减少或避免雨水径流下渗. 因此， 本文采用污水收集较为容易的雨水槽作为主要的LID设施.

对照图4， 可以采用面积占比73.92%、径流削减率75%的雨水槽； 也可以采用调蓄面积占比25%、径流削减率75%的雨水槽与面积占比18.92%、径流削减率75%的透水路面的组合. 另外， 通过式（9）还可反推得到R地表 = 6 311 611.174 m3.

2.3 LID指數模型的适用性及局限性

若LID指数模型应用于其他区域， 模型中发生变化的有研究区域的面积、不透水面积、研究时段内的降雨强度、单位降雨量的污染物浓度， 这些值都可以通过区域工程信息及实际测算获得. 此外， 除了模型列举的6种LID设施， 还可以根据需要自行添加其他更多的LID设施， 只需要知道该设施能够实现的最大及最小径流削减能力即可. 由于数据限制， 本文选用TOC作为径流污染物， 实际应用中研究区域若能提供更多雨水污染物浓度数据， 计算结果将更能反映实际情况.

关于本文的局限性. 由于地表径流污染物浓度受下垫面、土壤、地表径流过程等影响， 空间差异性较为显著， 本文提供的方法仅为初步的选择， 对于具体采用何种LID设施或组合， 以及各种参数的设置， 应当根据研究区域的实际情况因地制宜， 根据土地类型、功能、预算等进行进一步的筛选.

3 结 论

本研究基于不同LID技术措施的径流削减效果的分析， 探索性地构建了LID指数模型， 采用图形对照的方法， 可根据径流污染削减目标而直观选取适宜LID设施类型及LID设施比例.

该模型具有如下特点： ①简化选择步骤， 为不同区域径流污染物削减目标下LID设施的优化选择提供方法借鉴； ②结果用查图的方法实现， 更为直观； ③揭示LID设施的数量或面积与削减效率之间的关系. 将图形对照法引入LID设施的筛选中. 本研究提出了一种区域LID设施建设的选择方法， 可为海绵城市建设项目设计提供一种直观、形象的方法探讨和应用借鉴.

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（责任编辑： 张 晶）