基于SWMM模型探究LID对排水设施的碳排放量影响

邓倩倩，黄 明，卢靖宇 ，陈 帅

(1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院,安徽 合肥 230601;2.北京清控人居环境研究院有限公司,北京 100083)

CO2作为引起温室效应的主要气体，过度排放导致海平面上升、冰川融化、降雨失衡等自然灾害频发，因此碳减排、碳增汇行动的落实成为关键，我国在此背景下提出碳达峰碳中和的目标。为早日实现“双碳”战略，同时推动低碳城市建设，学者们在碳排放的时空演变及影响因素等方面进行了多层次、全方位的分析与研究，并进一步分析我国CO2排放现状、核算方法以及通过技术减排的可能途径。经研究，我国目前占比最大的碳排放是由能源活动所致，因此供排水等各行业都需更新现有的技术路线、工艺以及设备，通过削减能耗以实现碳减排[1]。

城市雨水管网运行阶段中产生的碳排放量可通过建设LID(Low Impact Development，低影响开发措施)进行削减。LID在降雨过程中能有效拦截初期雨水、蓄滞雨水、减少城市径流，进而减缓污水厂处理的污水量、缩减排水泵站的运行时间，通过降低排水及水处理设施的能源消耗来达到碳减排的目的。本文以铜陵枞阳县为研究对象，通过SWMM模型的搭建对其现状和LID开发模式下产生的碳排放量进行研究，探讨LID对城市排水设施的碳排放量影响。

1 研究区域概况

枞阳县隶属于安徽省铜陵市，总面积1 473.43 km2，水资源丰富。境内有四大水系，河网密度为2.2×103m2，水系发达、雨量充沛。县内降雨时空分布不均，年降雨量一般为1 000 ～1 600 mm，丰枯水年降水量相差约2.7倍，暴雨多出现于每年6～8月份。在枞阳城区建设过程中，部分排水管网因排水能力不足，雨季时仍有内涝灾害存在的可能。

2 SWMM模型搭建

2.1 模型简介

1971年SWMM(Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型)由美国环保署开发并在几十年间不断进行升级和完善， 2022年最新版本已更新至SWMM5.2。SWMM作为一套功能齐全的动态降雨-径流模拟软件，能够模拟径流的产生与输送、评价与径流相关的污染物负荷，广泛应用于城市地区雨水径流、排水系统的规划、分析和设计等方面。

2.2 数据提取

当前研究或工程所用图纸多为CAD格式，数据繁多难以直接导入SWMM中。为减少模型搭建过程的工作量，使数据转化更为快捷、准确，将CAD图纸数据经预处理后利用ArcGIS软件独特的数据处理与空间分析功能进行管网数据提取、区域流向分析、坡度坡向计算。子汇水区可人工划分或采用GIS软件的泰森多边形功能进行初步划分，为提高模型精确度，需结合管网实际走向和下垫面特点等进行局部调整。结合枞阳县遥感影像资料分析城区研究范围时，由于CAD转换的矢量数据与栅格数据坐标系一般不同，需借助地理配准工具对栅格数据与矢量数据进行匹配，如图1所示。

图1 GIS数据图

SWMM模型依据降雨数据、管网数据、下垫面参数等相关的水文、水力数据进行建模。模型搭建与实际情况略有不同，为简化研究，可忽略一些影响小的因子，对研究区域进行适当的概化。本SWMM模型搭建总计划分220个子汇水区，1 267个节点，111个出水口及1 178条管渠。研究选用HORTON下渗模型，模型中各参数依据铜陵市六个土壤类型及其饱和导水率，并参照SWMM手册进行取值，最大入渗率40 mm/hr，最小入渗率15 mm/hr，衰减系数4。由于枞阳与安庆两地相距较近，对照两地近十几年的降雨量纪录，两地降雨量及降雨特征基本相近，故枞阳县降雨数据可采用安庆市暴雨强度公式进行计算(重现期P=3 a)，即

(1)

式中：q为暴雨强度，L/(S.hm2)；t为降雨历时，min。利用芝加哥雨型生成器选用暴雨历时120 min，峰值比例r取0.4，生成的暴雨曲线如图2所示，以此降雨数据作为SWMM模型的时间序列定义至雨量计。

图2 降雨历时-降雨强度变化曲线

2.3 LID措施

LID以一种分散的、小规模的源头控制来有效控制污染、减少降雨径流量、推动城市弹性的提高[2]。本次研究选取的低影响开发措施主要为雨水花园及透水铺装，搭建的SWMM概化模型如图3所示。

图3 SWMM模型概化

雨水花园作为生物滞留网格的一类，在削减径流总量、控制污染、改善径流雨水水质等方面都发挥着重要的作用，它的蓄水和入渗能力是其水文效益的主要来源[3]。雨水花园的年均径流量削减率大多呈现先增加后减少的趋势，其入渗能力因基质土壤堵塞等因素而逐年降低[4]，但在植物根系生长、无脊椎动物活动产生孔洞以及动物自身为雨水花园土壤提供养分的综合作用下[5]，入渗率得以提升。因此，雨水花园可形成稳定的生态系统，后续维护管理较为便捷。

透水铺装可从源头控制降雨径流、增加透水面积占比、降低管网运行能耗，通过其运行中的吸附、过滤、降解等过程达到水质净化功能并广泛应用于海绵城市建设中。赵飞等[6]通过室内人工降雨模拟试验发现，透水铺装在无排水措施的条件下径流削减率为30%～80%，在有排水措施条件下削减率为40%～90%，在水质净化方面也有很好的应用。

依据影像地图设置LID，将部分绿地改造为雨水花园，在道路人行道处设置透水铺装。本研究区域总汇水面积1.298 37×107m2，共计设置雨水花园2.551 4×106m2，透水铺装8.756×104m2。LID 主要通过表面层、铺装层、土壤层、蓄水层、管渠层等水平层各参数的选取进行设置，雨水花园无需设置蓄水层、管渠层。模型中LID各参数设置参考SWMM用户手册及相关文献[7-8]，LID基本参数如表1所示。

表1 LID参数设置

3 碳排放量核算

CO2排放的核算过程主要包含界定核算对象、确定核算方法、获取活动数据和选取排放因子。本研究中的主要核算内容包括材料生产过程、人员活动过程与排水泵站电耗过程三个方面产生的CO2排放量。目前对于碳排放的研究方法，应用较广的是全生命周期评价法，它是一种“从开始到结束”的全过程计算方法。故采用生命周期法分析建设、运行及拆除回收三个阶段产生的碳排放量[9]，拆除阶段本次不计，雨洪系统中碳排放量核算各阶段如图4所示。

图4 碳排放量核算

本文各阶段的碳排放量均采用排放因子法进行核算，它是IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change，联合国政府间气候变化专门委员会)提出的第一种碳排放估算方法，也是适用范围最广泛的方法[10]，计算公式如下：

E=AD×EF，

(2)

式中：E为碳排放量；AD为活动数据；EF为排放因子。文中采用的排放因子主要为建材生产、建材运输、施工现场各机械设备的碳排放因子及电网的碳排放因子等。各类排放因子与相应的建材使用量、机械设备的总工作量与雨水输送总能耗等活动数据进行乘积以计算其碳排放量数据。

3.1 建设过程产生的碳排放量

建设阶段内产生的碳排放主要来自于构筑物以及附属构筑物建设过程中的能耗。添加LID措施后，材料的生产、运输、施工及维护等过程中较未添加措施前会产生更多的能耗，直接或间接地造成碳排放量的增加。但在后续运行过程中，LID能减少径流污染，存储与利用雨水，有效缓解排水管网运行的压力，具有可持续减排特性。SWMM模型模拟结果如表2所示。由表中数据可知，排水管网地表径流为56.162×104m3，添加LID后地表径流量为43.09×104m3，减少了约23.3%且蓄水量增加。

研究表明，LID措施各建设阶段中，雨水花园在运输中产生的碳排放远超于其它生产阶段，可达96%。而透水铺装在材料生产中的碳排放可达建设阶段的71%[11]。生产阶段的碳排放量由各建材使用量与其对应的碳排放因子结合计算所得。假定建设雨水花园所需部分土壤及植被可就近进行开采以减少其运输及材料成本，则雨水花园材料生产过程中的主要碳排放由0.25 m厚度的砾石产生，共需2.94×106t。透水铺装的材料主要为透水混凝土、砂及碎石等，其建造结构、材料及密度等依据文献进行选择[12-13]。结合城区中LID设置的面积计算求得透水铺装建材总计1.2×105t。

根据国家统计局数据显示，截止2019年，我国公路货物平均运距为174 km，柴油因其马力较大、提速较快的特点而被工程用车及大型运输车广为使用，故假定在运输阶段采用柴油卡车进行174 km的公路运输，并以柴油货车二级公路运输标准13.4 kg/(100 t·km)[14]的碳排放因子进行运输总碳排放的计算。

施工阶段产生的能耗主要来自施工人员的活动，如场地清扫、土方开挖、供电等。养护阶段，为提高入渗率以便使低影响开发措施长期有效地运行，需定期对雨水花园进行一定的修剪、灌溉等，透水铺装则需要对铺装层中的堵塞物质进行日常清扫、冲洗等养护工作，进而产生CO2。LID各阶段单位面积材料生产、运输及维护的碳排放量参考文献[12],[15]进行计算，结果如表3所示。

表3 LID设施建设单位面积碳排放清单

透水铺装取代普通人行道增加8.67 kgCO2/m2的建设碳排放[15]，由表中数据计算所得建设雨水花园与透水铺装较未建设LID前增加了9.9×104tCO2。

3.2 运行过程产生的碳排放量

由于大气中污染物随雨水的降落以及道路表面的冲刷作用，致使初期雨水在汇水面形成的初期径流携有大量污染物，未经处理的初期雨水若直接排入水体会导致较大的水体污染，因此需将初期雨水截流输送至污水处理厂进行处理，剩余水体随排水管网排至附近河道或湖泊。当管网暴雨强度超过管网的负荷能力时产生溢流，积水部分也需经过抽取排至附近水体。因此在运行阶段中产生的碳排放主要来源于两个方面，即将初期雨水输送到污水处理厂过程中产生的碳排放以及将管网溢流抽取到附近河流而产生的碳排放[16]。

枞阳县隶属于安徽省，可参考华东区域电网的平均碳排放因子值 0.703 5 kgCO2/kW·h。研究区域距污水处理厂约2 700 m，假定输水管道为混凝土管道，管径为1 500 mm。本研究以截留5 mm的初期径流为条件，基于SWMM进行模拟得出初期雨水截流量。城区共13个点位由于地势低洼或管道排水能力不足造成排水不畅，产生的溢流均计于本次溢流分析中。单位能耗计算公式[16]如下：

(3)

式中：E为单位雨水输送产生能耗，kW·h/m3；Hn为输水起止点的高程差， m；Hl=0.001 24v2Ld-1.33为管网沿程损失，m，其中v、d、L分别为输水管道的流速、管径与管长，单位分别是m/s、m、m；η为水泵效率，取0.6；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/ s2。

初期雨水截流与排涝输送过程中单位能耗均以上述公式进行计算，输水起止点的高程差分别为8 m和2 m。单位雨水输送能耗与输水量乘积计算总耗能并通过排放因子法计算得出截流与溢流过程碳排放量如表4所示。

表4 研究区域各流量及对应碳排放量

低影响开发措施借助其较强的下渗与蓄水能力，共降低23.31%的地表径流总量，进而减少初期雨水截流量、溢流量，通过能耗的减少以达到减排的目的。数据表明，管网运行过程中总碳排放量减少了5.68×103kg，碳排放量削减达到了62.7%。经分析可知，增加低影响开发措施可从源头上减少场地的雨水径流量，净化径流中的污染，削减峰值流量，大幅削减管网运行产生的碳排放，充分做到节能减排。

4 结论与建议

1) 以重现期3a降雨数据为例，在SWMM模型中增设占枞阳城区汇水总面积约为20.4%的LID设施进行模拟碳排放量的计算。结果表明，LID可有效减少地表径流、降低能耗，添加LID后的管网在运行阶段中总碳排放量减少了5.68×103kg，碳排放量削减率达62.7%。

2) 本文仅对建设与运行阶段产生的碳排放量进行核算，总计设置雨水花园2.551 4×106m2，透水铺装8.756×104m2，由碳排放量核算数据表明，LID在建设阶段中较原始管网增加了9.9×104tCO2。城市排水设施虽在建设阶段产生的碳排放量增加，但运行阶段对碳排放量削减效果较好。