城市雨水低影響開發(fā)研究進展

羅賢達 李翠梅

摘要 隨著城市的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的“末端”雨水處理措施已經(jīng)不適用。低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）是一種通過源頭分散控制理念實現(xiàn)雨水控制與利用的雨水管理理念?？偨Y(jié)了低影響開發(fā)的主要措施及研究進展，討論了其在推廣過程中的障礙和局限性，提出了低影響開發(fā)在推廣過程中的解決方案，展望了低影響開發(fā)技術(shù)在我國的應用前景。

關(guān)鍵詞 低影響開發(fā)；雨水管理；研究進展；應用前景

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05203-04

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市化過程不斷擴張，不透水面積逐漸增加，一方面導致地表徑流和洪峰流量增加，徑流系數(shù)增大，匯流時間縮短，地下水補給量減少；另一方面影響城市氣候特性，導致城市“熱島”效應。在暴雨過程中，地表徑流的增大增加了洪澇災害的可能性，將會給人民的生產(chǎn)生活帶來巨大的威脅和損失。因此城市的發(fā)展需要具有可持續(xù)性的雨洪管理新措施，低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）就是基于此基礎而提出的一種新的雨水管理理念，最早于20世紀90年代初由美國馬里蘭州的王子喬治郡以雨水花園為基礎提出的[1]，目前在一些發(fā)達國家如美國、加拿大、澳大利亞和英國等國家都得到很廣泛的實際工程應用。如美國的“最佳管理措施”（Best Management Practices，BMP），澳大利亞的“水敏感性城市設計”（Water Sensitive Urban Design，WSUD），英國的“可持續(xù)性排水系統(tǒng)”（Sustainable Urban Discharge System，SUDS）等，都是基于此理念開發(fā)出來的雨洪管理措施。

LID從源頭分散控制污染并利用雨水資源，不僅改善了經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護中的矛盾，也在水資源短缺的情況下提高雨水利用效率。它是通過采用各種分散、小型、多樣、本地化的技術(shù)來維持開發(fā)前原有水文條件，盡量減少開發(fā)場地的不透水面積，控制徑流污染、減少污染排放，實現(xiàn)開發(fā)區(qū)域的可持續(xù)水循環(huán)。

1 低影響開發(fā)（LID）措施

1.1 生物滯留 生物滯留（Bioretention），又稱雨水花園，一般由礫石層、砂層、種植土壤層和蓄水層等組成，通常設置在停車場、居住區(qū)和商業(yè)區(qū)等場所。來自強降雨過程中不透水路面的雨水流入生物滯留區(qū)，經(jīng)土壤、微生物、植物的一系列生物、物理、化學作用實現(xiàn)雨洪滯蓄和水質(zhì)處理。生物滯留技術(shù)將雨水管理技術(shù)與景觀設計相結(jié)合，在滯留雨水的同時又可提供景觀價值。

通過生物滯留技術(shù)既可減少地表徑流量，又可減少市政雨水管網(wǎng)承擔的負荷，通過減少溢流發(fā)生，可保護受納水體水質(zhì)和減少河岸侵蝕。已有研究表明使用生物滯留系統(tǒng)對減少徑流量和洪峰有很好的效果，通過對停車場的實地研究發(fā)現(xiàn)，生物滯留可以減少97%～99%的地表徑流量和洪峰流量[2]。在小強度降雨事件中，生物滯留可以完全滯留徑流流量。滲透和蒸發(fā)作用在滯留徑流的過程中起到很重要的作用，Chapman等發(fā)現(xiàn)通過生物滯留系統(tǒng)的滲透和蒸發(fā)作用可以減少48%～74%的徑流量[3]。

從現(xiàn)有研究成果可以發(fā)現(xiàn)，生物滯留系統(tǒng)對各污染物的平均去除效果較顯著[4]。其中總懸浮物（TSS）滯留率最高且穩(wěn)定，生物滯留區(qū)的微生物降解過程也能很好地去除糞大腸桿菌（FC）[5]和石油類[6]。金屬的平均去除率一般在30%～99%，且土壤中較高的有機物含量與金屬滯留量具有很高的相關(guān)性（P<0.01）[7]。但生物滯留系統(tǒng)中的介質(zhì)對重金屬的吸附能力是有限的，當生物滯留系統(tǒng)使用15～20年后，其累積的重金屬量可能會威脅人們的健康[8]。因此可通過選擇種植植物種類和定期修復土壤來減少土壤中重金屬累積量，植物對重金屬的吸附量一般占總金屬滯留總量的0.5%～3.3%[9]，但植物與土壤中重金屬累積量對生態(tài)的影響及解決辦法仍需進一步研究。

Davis等在實驗室研究了生物滯留系統(tǒng)去除營養(yǎng)物質(zhì)的能力[10]。研究發(fā)現(xiàn)：總磷（TP）的去除率在70%～85%之間，總凱氏氮（TKN）的去除率在55%～65%之間，已有研究發(fā)現(xiàn)生物滯留池能去除大部分的氮化合物，但硝態(tài)氮（NO3-N）的去除率很低只有不到20%，入流強度和持續(xù)時間的不同，硝態(tài)氮的去除效果也會不同。為了提高生物滯留系統(tǒng)硝態(tài)氮的去除率，Kim等指出飽和土壤中存在有利于反硝化的缺氧區(qū)，同時指出報紙屑是很好的反硝化反應的碳源，這能較好地提高硝態(tài)氮的去除率，可以達到80%[11]。但Henderson等在實驗室中發(fā)現(xiàn)沒有種植植物的生物滯留系統(tǒng)比種植了植物的系統(tǒng)能釋放更多的氮和磷[12]。研究者們在尋找生物滯留系統(tǒng)對營養(yǎng)物質(zhì)吸收的最佳條件時發(fā)現(xiàn)：植物種類對生物滯留系統(tǒng)的設計有很重要的意義。

生物滯留介質(zhì)的成分在系統(tǒng)的性能方面起著重要的作用，Hsieh等證明在生物滯留池中加入砂介質(zhì)可以有很好的污染物去除能力[13]。然而，隨著時間的推移砂介質(zhì)的去除效率會逐漸降低，這是由基質(zhì)有限的生物可持續(xù)活性決定的。Lucas等建議改善生物滯留介質(zhì)的磷吸附材料可以增強系統(tǒng)減少磷復合的能力[14]。

建筑活動也是會影響生物滯留的性能，在生物滯留系統(tǒng)中，介質(zhì)成分、設計配置、系統(tǒng)大小、植被和位置的選擇都在系統(tǒng)中起到非常重要的作用。

1.2 綠色屋頂 綠色屋頂（Green Roof）由植被層、介質(zhì)、土壤、排水層及防水層等多層材料構(gòu)成，一般綠色屋頂可分為拓展型綠色屋頂和密集型綠色屋頂。拓展型屋頂幾乎不需要管理養(yǎng)護，不需要人工灌溉，對屋頂要求不高；在植物選擇上，這類植物幾乎不需要修剪，植物屬于自然類型，在屋頂能自我發(fā)展，自我維持，需要的生長介質(zhì)重量輕，厚度薄。而密集型屋頂則類似于屋頂花園可以為人類提供可活動的花園，它需要像地面花園般的精心養(yǎng)護，需要較厚的生長介質(zhì)，經(jīng)常要灌溉，對屋頂要求較高。

綠色屋頂對雨水的滯留是通過介質(zhì)的儲存和植物的蒸發(fā)共同實現(xiàn)的，研究發(fā)現(xiàn)，綠色屋頂能較好地削減徑流量、延遲徑流匯集時間、減少洪峰量、提高空氣質(zhì)量和改善雨水水質(zhì)及促進能量轉(zhuǎn)換。對于不同植物和介質(zhì)層，綠色屋頂夏天一般可滯留70%～90%的降雨，冬季可滯留25%～40%的降雨[4]。不同的介質(zhì)厚度和屋頂坡度會影響綠色屋頂?shù)臏裟芰Γ琕an Woert等研究發(fā)現(xiàn)較緩的坡度和較厚的介質(zhì)更有利于雨水的蓄存，其中對于中強度降雨事件，坡度為2%，介質(zhì)厚度為4 cm的屋頂有很好的蓄存效果（P≤0.05）[15]。研究發(fā)現(xiàn)增加綠色屋頂土壤層厚度可以提高系統(tǒng)系能，但整體上介質(zhì)厚度對于蓄存能力的提高效果并不明顯，一般而言，介質(zhì)厚度在2～12 cm之間不會導致較明顯的滯留量。

盡管綠色屋頂在減少降雨徑流方面非常有效，但對綠色屋頂出水水質(zhì)方面的研究數(shù)據(jù)還是比較匱乏的。在美國北卡羅納州一項實驗研究[16]中發(fā)現(xiàn)綠色屋頂?shù)某鏊锌偭祝═P）的濃度高于降雨中的濃度，并且綠色屋頂出水的TP與普通屋頂基本沒有差別，這可能與施肥、土壤、屋頂過濾系統(tǒng)等原因有關(guān)。所以綠色屋頂在植物和土壤的選取時都要注意，應盡量選取施肥量少、蓄水能力強、耗水量低的植物。

除了能減少降雨徑流量和改善降雨徑流水質(zhì)外，綠色屋頂還有很多節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢：①儲存雨水。在建筑物承重量允許下通過土壤層和排水層存儲更多的雨水，滿足灌溉，同時也可以減少城市下水道排水系統(tǒng)的壓力；②降低溫度?？梢越档拖奶礻柟庵鄙湎碌奈蓓敎囟?，從而減少建筑吸收熱量，降低溫度；③節(jié)能減排。可以通過吸收和反射熱量可在夏天降低空調(diào)成本，冬天通過增加額外的絕熱層從而降低取暖成本；④凈化空氣?？梢酝ㄟ^減少溫室氣體的排放，還可以通過植物自身的光合作用吸收二氧化碳，釋放氧氣；⑤降低噪音?？梢云鸬轿赵胍?、隔音的作用；⑥降低城市“熱島”效應等。

1.3 可滲透路面 可滲透路面（Permeable Pavers）是指通過各種技術(shù)手段使不可滲路面變?yōu)橥杆访?，直接減少地表徑流的工程性措施。可滲透路面可有效降低不透水面積，增加雨水下滲能力，同時對雨水徑流水質(zhì)具有一定的凈化作用。可滲透路面有水泥孔磚或網(wǎng)格磚、塑料網(wǎng)格磚、透水瀝青、透水混凝土等?？蓾B透路面適用于交通負荷較低的地方，比如停車場、人行道、自行車道等區(qū)域。

滲透路面對徑流的平均削減率在50%～93%之間，Hunt等在一個透水停車場的研究表明降雨中的75%被多孔介質(zhì)截留，另外的25%形成徑流[17]。Collins等發(fā)現(xiàn)透水混凝土路面和混凝土格網(wǎng)路面可以截留6 mm的降雨量，而不產(chǎn)生徑流[18]。同一地區(qū)的進一步試驗證實，透水路面不僅可以減少徑流，也可以消除徑流的產(chǎn)生，Dreelin等在降雨量和降雨強度都較小的情況下，比較了透水路面停車場和瀝青路面停車場的徑流量，發(fā)現(xiàn)前者產(chǎn)生的徑流比后者少93%[19]。

Myers等通過研究發(fā)現(xiàn)，滲透路面在經(jīng)過144 h后Zn、Cu和Pb的去除率可以達到94%～99%[20]，其他也有研究發(fā)現(xiàn)Zn、Cu和Pb的去除率都在80%以上，明顯要好于瀝青路面。Collins等通過對4種類型的滲透路面研究發(fā)現(xiàn)，滲透路面去除氨氮（NH4-N）和總凱氏氮（TKN）的效果比瀝青路面要好[21]。但是對TP和NO3-N的去除效果卻不理想，甚至會出現(xiàn)TP和NO3-N的釋放。

盡管不透水路面的主要作用是削減雨水徑流和提高雨水水質(zhì)，但不透水路面還有其他作用：①保持水土。目前我國的雨水排放主要方法是建設雨水收集系統(tǒng)，將雨水收集統(tǒng)一排放，這在一定程度上解決了局部區(qū)域積水的問題。但這種傳統(tǒng)的雨水排放系統(tǒng)以迅速匯集、排除地面雨水徑流為目標，加速了雨水徑流匯流速度，縮短匯流歷時。雨水下滲量減少，地下水得不到及時補給，由此會引發(fā)地面沉降、地下水位線下降等生態(tài)環(huán)境問題，可滲透性路面系統(tǒng)可以在很大程度上解決這一問題。②延長路面壽命。對于一般路面道板的鋪裝，由于其墊層大多為不透水的混凝土基礎，在雨季，雨水無法及時排走，道板長時間浸泡在水中，基礎易損壞，致使道板松動，減少路面壽命。滲透性鋪裝系統(tǒng)的滲透性可使道板避免雨水浸泡，在一定程度上對延長路面壽命起到重要作用。③降低交通噪聲。透水性路面依靠其特有的多孔結(jié)構(gòu)，通過摩擦和空氣運動的粘滯阻力，將部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩鸬轿暯翟氲淖饔谩?/p>

1.4 植草溝 植草溝（Grass Swale）指種植植被的景觀性地表溝渠排水系統(tǒng)，地表徑流以較低流速經(jīng)植草溝滯留、植物過濾和滲透，使雨水徑流中的大多數(shù)懸浮顆粒污染物和部分溶解態(tài)污染物有效去除[22]，主要作用是降低徑流流速和提高雨水水質(zhì)。它一般適用于居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)等區(qū)域，可以同雨水管網(wǎng)聯(lián)合運行，在條件合適的情況下可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雨水管道，在完成輸送排放功能的同時達到雨水的收集與凈化處理要求。

根據(jù)地表徑流在植草溝中的傳輸方式不同，植草溝分為3種類型：標準傳輸植草溝（Standard Conveyance Swales）、干植草溝（Dry Swales）、濕植草溝（Wet Swales）[22]。標準傳輸植草溝是開闊的淺植物性溝渠，將集水區(qū)的徑流引導和傳輸?shù)狡渌乇硭幚碓O施[23]，一般應用于適合高速公路的排水系統(tǒng)，可在徑流量小及人口密度較低的居民區(qū)、工業(yè)區(qū)或商業(yè)區(qū)代替路邊的排水溝或雨水管理系統(tǒng)。干植草溝是指開闊的、覆蓋著植被的水流輸送渠道，包括過濾層及地下排水系統(tǒng)，以加強雨水的傳輸、過濾和滲透能力。濕植草溝與傳統(tǒng)傳輸植草溝類似，主要是溝渠型濕地系統(tǒng)，長期處于潮濕狀態(tài)，由于會產(chǎn)生異味及蚊蠅等衛(wèi)生問題，所以不適用于居民區(qū)。

植草溝中的污染物在過濾、滲透、吸收及生物降解的聯(lián)合作用下被去除，植被同時也降低了雨水流速，使顆粒物得到沉淀，達到控制雨水徑流水質(zhì)的目的。不同類型的植草溝對污染物的去除效果都不同（見表1）。由表1可知，植草溝可以有效地去除懸浮固體顆粒、有機物和金屬，干植草溝的去除效果要比標準傳輸植草溝和濕植草溝要好，標準傳輸植草溝對金屬的去除效果要比濕植草溝要好，處理過程中濕植草溝有溶解性磷釋放。3種植草溝對細菌輸出的原因還不清楚，目前對其解釋一種可能是植草溝的環(huán)境有利于細菌的繁殖；另一種可能是未考慮細菌的其他來源，如當?shù)仫曫B(yǎng)寵物的植草溝的活動[24]。

另外，光照強度、水力停留時間、植草溝長度、水流時間、有效水深和植被種類會影響植草被對污染物的去除效果，因此在實際應用過程中，應綜合考慮各種因素的影響，從而達到最佳去除效果。

2 LID的發(fā)展障礙、局限性與解決方案

雖然目前國內(nèi)已有一些實際工程使用了低影響開發(fā)技術(shù)，但是總體上普及率還是比較低，因為LID理念很大部分已超出傳統(tǒng)的市政工程范疇，而是更多地涉及到城市規(guī)劃與土地利用、交通規(guī)劃、建筑設計、景觀設計等城市管理的各個方面。同時國內(nèi)與低影響開發(fā)配套的產(chǎn)業(yè)剛起步，相關(guān)從業(yè)人員缺乏經(jīng)驗、國內(nèi)相關(guān)標準規(guī)范不完善，在實際應用過程中配套政策不完善、缺乏技術(shù)指導，推廣也缺乏政策依據(jù)。

從目前國內(nèi)外的實際應用情況來看，LID在降雨量小和降雨強度較低時運行狀況較好，且夏季運行情況要比冬季好。在推廣的過程中它還是有很多方面的局限性：①地域方面。對于土壤滲透性不好的地區(qū)及地下水位的高低，LID措施都會受到一定影響；②植物選擇方面。植物是低影響開發(fā)技術(shù)不可或缺的環(huán)節(jié)，所選取的植物應適合各地實際情況和不同季節(jié)的氣候條件，使設施全年都能較穩(wěn)定的運行；③舒適度方面。由于LID的很多措施都是將綠色植物直接覆蓋在土地表面，使其盡量達到開發(fā)前的自然水文狀態(tài)，因此在雨季容易導致害蟲類滋生。

針對LID的發(fā)展障礙和推廣局限性，提出以下解決方案：①充分借鑒國外實踐經(jīng)驗和標準，在現(xiàn)有研究的基礎上加快創(chuàng)建適合我國的低影響開發(fā)示范區(qū)，努力在全國建成具有代表性的低影響開發(fā)示范區(qū)，在此過程中不斷總結(jié)、完善和制訂符合國內(nèi)的低影響開發(fā)技術(shù)相關(guān)標準規(guī)范；②探索制訂符合各地實際情況的低影響開發(fā)相關(guān)法律法規(guī)，為低影響開發(fā)模式的推廣應用提供政策依據(jù)；③探索和開發(fā)有效的低影響開發(fā)（LID）模型和評估工具，使其能更有效地為低影響開發(fā)技術(shù)工程應用提供設計指導；④加強低影響開發(fā)理念的宣傳普及，使各層次相關(guān)從業(yè)人員接受低影響開發(fā)理念。加強宣傳可以有助于市民更好地接受和理解低影響開發(fā)理念，加強對相關(guān)從業(yè)人員的專業(yè)技術(shù)培訓，可以確保雨洪利用設施正常運行。

3 小結(jié)

根據(jù)國內(nèi)外大量的研究與實際應用經(jīng)驗來看，低影響開發(fā)技術(shù)具有廣泛的環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益，是一種可持續(xù)性、生態(tài)性和低耗能的新型又高效的雨水管理理念，它能很好地削減洪峰流量、地表徑流、補充地下水和提高雨水水質(zhì)。盡管生物滯留系統(tǒng)有著很好的去除效果，但低影響開發(fā)的其他措施如綠色屋頂和植被淺溝還需要更多的現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，在低影響開發(fā)中尤其是要提高微生物的去除效率。所有的低影響開發(fā)技術(shù)通過合理的設計、安裝和維護都能有效地去除雨水徑流中的TSS、重金屬、油脂類及致病菌等污染物，來改善雨水徑流水質(zhì)。

低影響開發(fā)在城市雨洪管理方面有著廣闊的應用前景，因此我國應學習國外發(fā)達國家的先進雨水管理理念，解決城市化進程中所帶來的水資源短缺問題。必須加快低影響開發(fā)技術(shù)的研究和推廣應用力度，建立適合我國的雨洪管理措施，一方面可緩解城市發(fā)展過程中面臨的水資源短缺問題，另一方面也可以成為新的經(jīng)濟增長點。

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