王生愿，陈江海，陈小龙

1.北京清控人居环境研究院有限公司

2.上海勘测设计研究院有限公司

低影响开发（low impact development，LID）设施是海绵城市建设的重要组成部分，其以“慢排缓释”和“源头分散”控制为主要规划设计理念，实现对环境影响特别是雨洪资源和分布格局影响的最小化[1-4]。LID理念起源于20世纪80年代美国乔治王子郡，之后迅速在美国其他州（市）得到应用[5-6]。德国、澳大利亚、韩国、新西兰等国也相继将LID技术融入到综合雨洪管理措施中，并取得良好的经济效益、环境效益和社会效益[7-9]。自2012年4月海绵城市理念提出以来，我国开始将LID设施应用于控制雨水径流、修复城市水生态、涵养水资源、增强城市防涝能力、治理黑臭水体等方面[10-15]。相关部门和学者也同步关注LID设施在改善城市水环境、水生态、水资源以及水安全等方面的效果评估[16]。当前，对于径流污染负荷削减率指标的评估方法主要有3种，即基于监测试验的径流污染物浓度削减率评估[17-18]、基于与传统开发项目对比监测的场次评估[19]和基于数学模型的设计降雨评估[20]。其中，基于监测试验的径流污染物浓度削减评估方法仅考虑了LID设施对污染物浓度的削减，未考虑LID设施通过控制雨水径流量降低了随雨水携带污染物的能力，即部分污染物随雨水一起滞蓄在设施内部[21]；基于与传统开发项目对比监测的场次评估未考虑降水量差异所引起的地表冲刷强度和径流携带能力的影响[22]；基于数学模型的设计降雨评估方法除受模型本身约束外[23]，其中的降水量数据受暴雨强度公式形式、参数选取等因素限制[24]。以与传统开发项目对比监测评估方法为基础，按照场次降水等级差异分别计算不同等级降雨情境下的LID小区雨水径流污染负荷削减率，再结合典型年降雨数据加权核算年雨水径流污染负荷削减率，即为降水等级分异方法。该方法既能充分考虑LID设施对污染物浓度净化和污染物总量蓄滞的能力，又能解决污染物的降水等级差异和模型的不确定问题，能够更为精准地评估LID设施年径流总量污染负荷削减率。

嘉兴市位于浙江省东北部、长江三角洲杭嘉湖平原腹心地带，2015年4月，嘉兴市入选第一批全国海绵城市建设试点，以试点建设为契机，嘉兴市制定了立足于改善水环境、重点控制雨水径流污染的海绵城市系统化建设方案。为定量化评估LID设施控制雨水径流污染的效果，笔者以嘉兴市基于LID理念建设的小区（2018年建成）和基于传统理念建设的小区（2017年建成）为研究对象，监测2个小区的同时段降雨、流量和水质数据，并依托相关标准划分场次降水等级，采用降水等级分异方法计算LID小区年径流污染负荷削减率，以期有效解决降水等级对地表污染物冲刷和携带能力的差异影响，为精确地评估地表径流污染负荷削减率和系统化全域推进海绵城市建设提供技术方法。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

根据小区建设改造的方式，将基于LID理念建设的柳岸禾丰小区定义为LID小区，传统开发模式建设的浅水湾小区称为传统小区。LID小区位于嘉兴市秀洲区，用地面积为 42 834.9 m2，地块建筑密度为18.67%，绿地率为40.2%，新建透水铺装面积为2 409 m2、广义下凹绿地面积为 4 183 m2，设计年径流总量控制率为67%，对应的降水量为15.5 mm，雨水径流污染削减率为40%（以SS计）。传统小区位于 LID 小区东侧，用地面积为 50 195.40 m2，地块建筑密度为18.87%，绿地率为41.04%。2个小区排水系统均为雨污分流制，因建设年代较近，排水设施整体状态完好。根据排水管线的拓扑关系，LID小区和传统小区分别可划分为5个和3个排水分区，基于成本及研究目标，分别选取LID小区排水分区2（SF 分区 2）外排口（管径 500 mm）、传统小区排水分区3（DB分区3）外排口(管径 500 mm)进行对比监测，其中 SF 分区 2 面积为 14 876 m2，建筑面积为4 016 m2（占比为 27%），道路面积为 4 910 m2（占比为 33%），绿化面积为 5 950 m2（占比为 40%），径流系数为0.63，新建透水铺装面积为875 m2，广义下凹绿地面积为 1 422 m2。DB 分区 3 面积为 16 771 m2，建筑面积为 4 696 m2（占比为 28%），道路面积为5 199 m2（占比为 31%），绿化面积为 6 878 m2（占比为41%），径流系数为0.62。LID小区及传统小区地理位置及监测布点如图1所示。

图 1 LID小区及传统小区监测点位Fig.1 Map of monitoring points in LID community and traditional community

1.2 研究方法

分别在SF分区2和DB分区3外排口安装在线流量计，实时采集排口流量数据。降雨时在2个排口同步开展水质采样工作，按监测点出现径流后0、5、10、20、30、60、90、120 min进行采样。如果降雨历时较长，则根据实际情况，产流后的0.5 h内取样不低于2次，前1 h不低于4次，之后的采样间隔适当增大，累计采样数量不低于8个。

通过对监测时段内（2020年6月1日—9月30日）获取的数据进行分析，选取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场降雨分别作为小雨、中雨、大雨（含暴雨）的代表。

根据不同时段雨水排放口的雨水流量和水质浓度，近似计算出大雨、中雨、小雨情况下LID小区和传统小区的雨水径流污染负荷，并计算TP的平均污染负荷削减率。根据气象部门认定的典型年降雨数据中的大雨、中雨、小雨降水量分配，近似得出LID技术对 TP 的年污染负荷削减率〔式（1）～式（6）〕。

式中：Lsf、Ldb分别为LID小区、传统小区单场降雨单位面积雨水径流污染物负荷，kg/m2；Asf、Adb分别为LID小区、传统小区监测雨水排放口服务面积，m2；q（sf）i、q（db）i分别为第i时段 LID 小区、传统小区雨水排放口出水平均流量，L/s；C（sf）i、C（db）i分别为第i时段LID小区、传统小区雨水排放口出水TP浓度，mg/L；△ti为第i时段监测步长，min；T为监测取样总时长，min；N1、N2、N3为实际监测的大雨、中雨、小雨场次，次；η大、η中、η小为大雨、中雨、小雨情况下TP的平均污染负荷削减率，%；x、y、z为典型年大雨、中雨、小雨累计降水量，mm；η年为年TP污染负荷削减率，%。

1.3 数据来源

降雨数据来源于嘉兴市气象局。由嘉兴市气象局通过对嘉兴市多年降水量的统计分析后认定，2014年为嘉兴市降雨典型年。流量在线监测数据和水质数据来源于嘉兴市海绵城市建设指挥部办公室，由其根据《海绵城市建设绩效评价与考核办法（试行）》要求委托第三方开展在线监测和人工采样获取。

2 结果与分析

2.1 典型年降水数据

根据中国气象局《降水强度等级划分标准》对嘉兴市典型年降水数据进行等级划分。2014年，嘉兴年总降水量为 1 269.3 mm，降水天数 136 d，其中大雨、中雨、小雨分别为15、24和97 d；大雨、中雨、小雨累计降水量分别为577.3、371.1和320.9 mm（图 2 和表 1）。

表 1 嘉兴市典型年份（2014年）降水等级划分Table 1 Rainfall grade division of Jiaxing in typical year (2014)

2.2 不同降水等级下的单位面积产流量

分别对2020年6月15日（日累计降水量17.4 mm），2020 年7 月 2 日(日累计降水量 62.4 mm)，2020年9月10日（日累计降水量6.4 mm）3场降雨进行分析，降水量、流量及不同等级降水情景下的单位面积产流量如图3所示。

小雨情景下，LID小区未出流〔图3（a）〕，而传统小区累计出流1 860.90 L，单位面积产流 0.11 L/m2图3（d）〕。在中雨情景下，与传统小区相比，LID小区径流出现时间较晚，且径流量明显较小，尤其是洪峰流量削减最为明显，即LID设施削峰作用明显〔图 3（b）〕。其中，传统小区累计出流 12 334.95 L，单位面积产流 0.74 L/m2；LID 小区累计出流4 507.20L，单位面积产流0.30 L/m2。大雨情景下，LID小区对洪水消峰作用较为明显，最大瞬时流量约为传统小区的35%〔图3（c）〕。其中，传统小区累计出流457 359.00 L，单位面积产流 27.27 L/m2；LID 小区累计出流 240 629.74 L，单位面积产流 16.18 L/m2。可见，低影响开发设施应用能够较好地削减小区单位面积的雨水产流量，达到控制雨水径流量的目的。

图 2 2014年嘉兴市5 min步长降水量分布Fig.2 Distribution map of 5 min step length rainfall in Jiaxing in 2014

图 3 3种情景下LID小区及传统小区的排口流量分布和单位面积产流量对比Fig.3 Comparison of Discharge distribution and yield per unit area between LID and traditional communities under three rainfall scenarios

2.3 不同降水等级下的污染物浓度及污染负荷

中雨和大雨情景下LID小区及传统小区TP浓度分布及TP负荷如图4所示。由图4(a)可知，中雨情景下，LID小区排口出水TP浓度均低于传统小区，LID小区和传统小区的TP平均浓度分别为0.10和0.12 mg/L，整体呈现初期雨水TP浓度较高，随降雨过程逐渐降低的趋势。但随着雨强加大，径流对地表的冲刷能力增大，TP浓度有所升高，最终趋于平稳。整体的TP污染负荷受污染物浓度和雨强的双重影响，径流量越大，其携带污染物的能力越强，水体中的TP浓度越高。降雨期间，LID小区TP的总负荷量为 491.10 mg，而传统小区为 1 481.07 mg。

由图4(b)可知，大雨情景下，LID小区出水TP浓度均低于传统小区，LID小区和传统小区的TP平均浓度分别为0.14和0.16 mg/L，整体呈现初期雨水TP浓度较高，随降雨过程逐渐降低的趋势。随着降水强度的增加，雨水径流量增大，将小雨时沉淀累积在管道中的沉积物瞬间冲出，使污染物浓度迅速升高，最终趋于平稳。另外，雨强的增加，雨水径流对地表的冲刷强度以及雨水径流的携带能力有所提升，对污染物的浓度有一定的影响。TP污染负荷主要受降水强度影响，其变化趋势与瞬时降水量基本一致。降雨期间LID小区TP的总负荷量为36 706.32 mg，传统小区为 77 233.10 mg。

图 4 中雨和大雨情景下LID小区及传统小区TP浓度分布及TP负荷量Fig.4 TP concentration distribution and TP load of LID and traditional communities under moderate rain and heavy rain

降水等级不同，单位面积污染负荷量不同。由不同降雨情景下LID小区及传统小区单位面积污染负荷量对比（图5）可知，在小雨、中雨和大雨这3种降水情景下，LID小区单位面积污染负荷量分别为0、0.03、2.47 mg/m2，而传统小区分别为 0.03、0.09、4.61 mg/m2，表明单位面积污染负荷量在不同降水等级下具有明显的分异性。

图 5 不同情景下LID小区及传统小区单位面积污染负荷量对比Fig.5 Comparison of pollution load per unit area between LID and traditional communities under different scenarios

2.4 典型年雨水径流污染负荷削减率

不同雨量情景下LID小区及传统小区污染负荷核算结果见表2～表4。小雨情景下，LID小区未出流，即单位面积污染负荷量为0 mg；传统小区在降雨期间累计出流 1 860.90 L，TP 平均浓度为 0.25 mg/L，总污染负荷量为291.32 mg，单位面积污染负荷量为0.03 mg/m2，TP污染负荷削减率为100%。中雨情景下，LID小区排口在降雨期间累计出流4 507.20 L，TP平均浓度为0.10 mg/L，总污染负荷量为491.10 mg，单位面积污染负荷量为0.03 mg/m2；传统小区排口在降雨期间累计出流12 344.95 L，TP平均浓度为0.12 mg/L，总污染负荷量为1 481.07 mg，单位面积污染负荷量为 0.09 mg/m2。TP污染负荷削减率为67%。大雨情景下，LID小区排口在降雨期间累计出流 240 629.74 L，TP 平均浓度为 0.12 mg/L，总污染负荷量为36 706.32 mg，单位面积污染物量为2.47 mg/m2；传统小区排口累计出流 457 359.00 L，TP平均浓度为 0.16 mg/L，总污染负荷量为 77 233.10 mg，单位面积污染负荷量为4.61 mg/m2。TP污染负荷削减率为46%。结合式（6）计算可知，LID小区年污染负荷削减率约为66%。

表 2 小雨情景下传统小区污染负荷核算Table 2 Pollution load calculation of traditional communities under light rain

表 3 中雨情景下LID小区及传统小区污染负荷核算Table 3 Pollution load accounting of LID and traditional communities under moderate rain

表 4 大雨情景下LID小区及传统小区污染负荷核算Table 4 Pollution load calculation of LID community and traditional communities under heavy rain

3 讨论

对比传统开发模式，LID技术的应用对下垫面单位面积的产流量、排口出水污染物浓度削减具有明显效果。在大雨、中雨、小雨情景下，传统小区单位面积产流量分别为 27.27、0.74、0.11 L/m2，LID 小区单位面积产流量分别 16.18、0.30、0 L/m2，分别降低了41%、59%和100%；在大雨、中雨情景下，传统小区雨水径流TP平均浓度分别为0.16和0.12 mg/L，而LID小区雨水径流TP平均浓度分别降低26%、13%。在不同等级降水情景下，LID设施对于污染负荷的削减率呈现出明显的差异性：小雨时，LID设施消纳了其服务范围内的所有径流及其所携带的污染物，实现了污染负荷削减率100%；随着降水量不断增加，地表径流超出LID设施所能容纳的范围且地表径流所携带的污染物超出了LID设施净化功能的阈值时，径流开始外排，污染物削减率开始降低，中雨时，污染负荷削减率约为67%；大雨时，污染物削减率进一步减弱，为46%；年径流污染负荷削减率为66%。

基于降水等级分异的评估方法，能够减少径流污染负荷削减评估过程中因降水等级差异所引起的误差，弥补监测试验法、对比分析法和模型评估法的不足。文献[1]通过设施规模和设施的污染物去除率来估算LID设施对雨水径流污染的削减率的方法受地域、设施本身的结构、径流污染的随机性等因素影响难以量化评估；毛月鹏等[17]基于试验监测的方法评估了LID设施结构和进水方式对污染物浓度的影响，但是未考虑径流携运能力；任兵战[25]采用对比方法评估了LID设施在场次降雨的径流污染负荷削减率，但未能定量评估LID 设施的年径流污染削减率；毕军鹏等[20]通过构建研究区SWMM模型研究了不同降水强度下LID方案对氨氮、硝态氮和总氮等污染物的控制效应，受基础资料、实测资料、暴雨强度公式形式、参数选取等因素的影响，其结果的可靠性存疑。本研究采用的基于降水等级分异的评估方法，以典型年的降水数据为输入条件，充分考虑降水等级分异影响下的污染负荷削减率的差异性，能够定量评估LID设施的年雨水径流污染负荷削减率，也是对对比分析法和模型评估法研究的很好补充。

科学评估LID设施建设效果是推进海绵城市理念扎根城市建设的重要技术支撑。将海绵城市理念融入到城市建设中是未来城市开发的基本思路，科学评估海绵城市建设效果，特别是对LID设施应用效果的精确评估是积累海绵城市建设的本土参数，引导城市规划、设计以及建设过程对LID设施选取、布局的技术支撑。

4 结论

（1）LID设施通过削减雨水径流量以及雨水径流污染物浓度实现了对下垫面雨水径流污染负荷的削减，相较于传统小区，LID小区年雨水径流污染负荷削减率达到66%。

（2）在不同的降水等级情境下，LID设施对雨水径流污染负荷的削减率表现出明显的差异性特征，相较于监测试验的径流污染物浓度削减评估方法、与传统开发项目对比监测的场次评估方法和基于数学模型的设计降雨评估方法，基于降水等级分异的雨水径流污染负荷削减评估方法能够减少因降水量对地表冲刷及其径流携带能力的差异影响所造成的误差，确保评估结果的精确程度。

（3）受工程建设影响，本研究收集的场次数据较少，仅将降水等级划分为3级，LID设施对于雨水径流污染负荷削减所发挥作用的持续性还需要通过进一步的监测分析。我国幅员辽阔，各地降水强度差异很大，各地气象部门对当地各类降水等级标准有所差异，降水等级划分需要因地制宜。