生物滯留設(shè)施的碳減排效益研究

摘要：通過碳減排效益探究生物滯留設(shè)施碳減排量和成本的關(guān)系，以我國西北某市為例，對生物滯留設(shè)施建設(shè)和運行期間的蓄水層高、滲透系數(shù)、布設(shè)面積和氣候條件4個影響因素對碳減排效益的影響情況進行研究。結(jié)果表明，布設(shè)面積對碳減排效益的影響較強，且布設(shè)面積變化與碳減排效益呈負相關(guān)，氣候條件、蓄水層高和滲透系數(shù)的變化與碳減排效益呈正相關(guān)。相同布設(shè)面積下，氣候條件為降雨量增加20%時碳減排效益最高，為1.94 kgCO2/元，說明生物滯留設(shè)施碳減排的經(jīng)濟有效性高，有著較好的經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：海綿城市；生物滯留設(shè)施；

碳排放；碳減排

引言

生物滯留設(shè)施是海綿城市建設(shè)中常用的低影響開發(fā)設(shè)施[1][2]，通過模擬自然生態(tài)系統(tǒng)，促使城市雨水自然滯留和滲透，同時利用土壤中的微生物來分解雨水中的污染物，設(shè)施投入使用，不僅可以減輕城市排水系統(tǒng)負擔、提高地下水位，而且在改善城市生態(tài)環(huán)境方面也具有一定作用。一是在碳減排方面，生物滯留設(shè)施可以通過增加城市綠地和植被，增強植被對大氣中二氧化碳（CO2）的吸收能力，并將其儲存在植物體內(nèi)。二是減少雨水徑流量，使得雨水處理對污水處理廠的依賴性降低，從而促使在該過程中的碳排放量下降[3]。由于包括基礎(chǔ)建設(shè)、植被選擇、土壤改良、設(shè)備安裝和定期維護等費用在內(nèi)的全生命周期成本是建設(shè)生物滯留設(shè)施時所必需考慮的因素[4]，因而本文參考費效比理念，使用碳減排效益探究生物滯留設(shè)施碳減排量和成本的關(guān)系進行研究，結(jié)果可以為生物滯留池碳減排效益評估提供數(shù)據(jù)支撐與參考。

1研究材料概況與模型構(gòu)建

1.1研究材料概況

本文選用位于我國西北某市新建小區(qū)中的一個匯水分區(qū)（簡稱“研究區(qū)”）作為研究材料。研究區(qū)面積為2930 m2，用地類型包括建筑用地、綠地和道路用地（混凝土路面和塊石鋪砌路面）。根據(jù)研究區(qū)高程及管道走向，設(shè)置排水管道與排水口。自然排水方向為西北至東南，如圖1所示。

1.2模型構(gòu)建

1.2.1設(shè)計降雨強度

西北某市暴雨強度模型如式（1）所示。

式中 q—暴雨強度，L/（s·ha）；p—設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，a；t—降雨歷時，min。

利用芝加哥雨型生成軟件，雨峰系數(shù)取0.398，根據(jù)式（1）生成重現(xiàn)期為0.5a、1a、2a、3a、5a、10a、20a和50a降雨歷時120min的短歷時降雨，降雨曲線如圖2所示。

1.2.2 InfoWorks ICM模型構(gòu)建與參數(shù)率定

選用城市綜合流域排水模型InfoWorks ICM軟件，可對城市雨水循環(huán)系統(tǒng)的全流程進行模擬，并對多種雨水調(diào)蓄、利用設(shè)施的運行效果等進行模擬與評估，從而為預防城市內(nèi)澇、控制初期雨水和利用雨水資源提供技術(shù)支持[5]。對研究區(qū)建模，將其概化為1個子匯水區(qū)、4個節(jié)點、4根管道、1個排出口，詳見圖1。

根據(jù)《室外排水設(shè)計標準》（GB 50014-2021），結(jié)合實際場地下墊面位置、土質(zhì)的特點，建筑用地的屋面徑流系數(shù)取0.95，混凝土路面取0.80，塊石鋪砌路面取0.62，綠地取0.13，通過面積加權(quán)計算得到場地的綜合徑流系數(shù)為0.65。對場地建立模型后，使用2a重現(xiàn)期常規(guī)降雨情景下22.06 mm的降雨量進行模擬驗證，最后得到研究區(qū)徑流系數(shù)為0.65，驗證了本研究設(shè)定的模型參數(shù)的合理性。

2 研究方法

生物滯留設(shè)施的碳減排活動主要包括綠地固碳、雨水利用、徑流削減和雨水凈化等4個方面。研究選擇碳減排效益作為衡量生物滯留設(shè)施碳減排情況的主要變量，分析碳減排活動與計算方法、碳減排效益計算方法。

2.1生物滯留設(shè)施的碳減排活動與計算方法

2.1.1綠地固碳碳減排

生物滯留設(shè)施中的植物和土壤均具有固碳作用。生物滯留設(shè)施相較于普通綠地內(nèi)植物多樣性豐富，可以更好地通過光合作用吸收大氣中的CO2，將碳固定在植物體內(nèi)。土壤中的有機質(zhì)不僅可以捕獲并固定大氣中的碳，對碳元素的儲存具有長期性，而且對土壤的肥力和結(jié)構(gòu)具有積極的影響[6]。

2.1.2雨水利用碳減排

雨水利用碳減排活動的核心，在于充分利用生物滯留設(shè)施收集的可利用水量[7]，在有效減輕雨水徑流對水體的沖擊的同時，并為城市提供一定數(shù)量的可再生水資源，減少水資源凈化過程中的碳排放，對緩解城市用水壓力、實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用等起到了重要作用。

2.1.3徑流削減碳減排

生物滯留設(shè)施的滯水作用好，蓄滲效果顯著，能有效控制部分地表徑流[8]。基于生物滯留設(shè)施在運行期間減少的雨水徑流量的徑流削減碳減排活動，能夠減輕市政管網(wǎng)尤其是提升泵站的運行負荷，從而降低相應的運行碳排放[9]。

2.1.4雨水凈化碳減排

雨水凈化碳減排活動主要是生物滯留設(shè)施對雨水中污染物的削減而產(chǎn)生的碳減排量[10]。通過對雨水中的沉積物、懸浮物和其它有機、無機物質(zhì)等污染物進行過濾和去除，能有效地凈化水質(zhì)、提高雨水質(zhì)量；同時，部分污染物所攜帶的有機碳也在此過程中得以去除，從而使得碳排放相應降低。

2.1.5碳減排量的計算方法

碳減排量的計算采用因子法[11]，將不同活動的碳減排因子乘以其活動量即得到其碳減排量，計算方法如式（2）所示。

式中 CSBio—生物滯留設(shè)施的碳減排量，kgCO2；n—全生命周期年限（取30），a； SFi—第i類碳減排活動的碳減排因子（i=1為綠地固碳、i=2為雨水利用、i=3為徑流削減、i=4為雨水凈化，取值見表1），kgCO2/（m2·a）； Si—第i類碳減排活動的活動量（i=1為生物滯留設(shè)施的面積，m2；i=2為生物滯留設(shè)施雨水利用量，m3；i=3為生物滯留設(shè)施徑流削減量，m3；i=4為生物滯留設(shè)施雨水凈化量，m3）。

SFi的取值和單位如表1所示，Si經(jīng)InfoWorks ICM軟件模擬計算得出。

2.2 碳減排效益計算方法

基于生命周期評價理論，參考費效比[14]計算方法，將生物滯留設(shè)施全生命周期的CO2減排量與全生命周期成本的比值作為碳減排效益，用于評價在全生命周期中生物滯留設(shè)施成本與其碳減排量之間關(guān)系，按式（3）和式（4）計算。

式中 E—碳減排效益，kgCO2/元；LCCBio—生物滯留設(shè)施全生命周期成本，元；LCC—生物滯留設(shè)施單位面積全生命周期成本（取 LCC =306.85元），m2/元；A—生物滯留設(shè)施布設(shè)面積，m2；其它符號含義同前。

3 研究實驗設(shè)計

本研究從降雨和生物滯留設(shè)施2方面，探究氣候條件、蓄水層高、土壤滲透性能和布設(shè)面積等在碳減排效益層面，對生物滯留設(shè)施的影響情況。

4結(jié)果與分析

4.1氣候變化對碳減排效益的影響

將蓄水層高設(shè)定為200mm，滲透系數(shù)為50mm/h，布設(shè)面積91m2的生物滯留設(shè)施下針對5種氣候變化進行模擬的情景。C-20、C-10、C、C+10和C+20分別代表當?shù)乇┯陱姸裙綄涤炅康?0%、90%、100%、110%和120%。模擬結(jié)果如圖3 a所示，氣候情景由C-20到C+20變化期間，降雨量逐漸增加，生物滯留設(shè)施碳減排量為4.3×104～5.4×104kg CO2；碳減排效益值由C-20期間的1.54 kg CO2/元增加至C+20期間的1.94kgCO2/元。表明，生物滯留設(shè)施在外界氣候條件改變的情況下，設(shè)施有著良好的適應性。以C+10為例，在該氣候條件下，生物滯留設(shè)施每單位成本的可以帶來1.84kgCO2的碳減排效益，有著較好的經(jīng)濟價值。

4.2蓄水層高對碳減排效益的影響

在氣候條件為C，滲透系數(shù)為50，布設(shè)面積為91m2的情況下針對生物滯留設(shè)施不同的蓄水層高進行模擬，結(jié)果如圖3b所示，隨著生物滯留設(shè)施蓄水層高的提升，碳減排量由4.5×104kgCO2逐步增加至5.2×104kgCO2。與100mm蓄水層高相比，每提升50mm，可增加約4%～15.19%的碳減排效益，具體表現(xiàn)為在50～300mm的范圍內(nèi)，每提升50mm，碳減排效益值分別為1.62kgCO2/元、1.69kgCO2/元、1.75kgCO2/元、1.81kgCO2/元和1.87kgCO2/元。這是由于蓄水層高的增大使得生物滯留設(shè)施滯蓄的雨水量增大，雨水凈化、雨水利用等方面可以帶來的碳減排量增大，碳減排潛力更高。

4.3滲透系數(shù)對碳減排效益的影響

在氣候條件為C，蓄水層高為200mm，布設(shè)面積占綠地面積比為91m2的情況下對不同滲透系數(shù)的生物滯留設(shè)施進行模擬，模擬結(jié)果如圖3c所示，隨著滲透系數(shù)的提高，碳減排量隨之增加，碳減排效益由1.51kgCO2/元增加至1.91kgCO2/元，增幅為26%。生物滯留設(shè)施滲透系數(shù)的增加，提高了雨水下滲速度，縮短了雨水下滲至排水層的時間，由此可以提高雨水通過盲管排出設(shè)施的效率，并在滿足徑流總量控制的前提下，削減徑流峰值流量，從而帶來更多的徑流削減碳減排量。

4.4布設(shè)面積對碳減排效益的影響

在氣候條件為C，生物滯留設(shè)施的蓄水層高為200mm，滲透系數(shù)為50mm/hr的情況下對不同布設(shè)面積的設(shè)施進行模擬，結(jié)果如圖3d所示，隨著布設(shè)面積的增大，碳減排量由3.85×104kgCO2逐漸上升至7.37×104kgCO2。碳減排效益由布設(shè)面積45.50m2的2.76kgCO2/元逐漸下降至273m2的0.88kgCO2/元。因此，隨著布設(shè)面積的增大，碳減排效益逐漸減少。這是由于全生命周期成本的增幅，大于全生命周期碳減排量的增幅。

結(jié)論

綜上所述，生物滯留設(shè)施有利于碳減排的實現(xiàn)，帶來碳減排效益。影響因素變化時，碳減排效益的變化范圍分別是氣候變化26.46%、蓄水層高15.19%、下滲系數(shù)26.05%和布設(shè)面積68.09%，由此可以得到4種影響因素對碳減排效益的影響強弱為布設(shè)面積、氣候變化、下滲系數(shù)和蓄水層高。故生物滯留設(shè)施的碳減排效益除受外界環(huán)境變化的影響外，還受自身屬性影響，包括蓄水層高、滲透系數(shù)和布設(shè)面積等。布設(shè)面積對全生命周期成本有著較強影響，對碳減排效益的影響呈反比；氣候變化、蓄水層高和下滲系數(shù)對碳減排效益的影響呈正比。

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作者簡介

王清晨（1991—），男，漢族，甘肅秦安人，工程師，工學學士，主要研究方向為市政排水管網(wǎng)設(shè)計、濕陷性黃土地區(qū)海綿城市設(shè)計。

通信作者

劉建林（1980—），男，漢族，甘肅秦川人，教授級高級工程師，工學博士，主要研究方向為海綿城市建設(shè)。