海綿城市低影響開發(fā)措施控制效果研究進展

陳鑫 高紹智 馬中雨 李玲玲 陳興廳 李祥

【摘 ?要】為解決城市化進程中遇到的水生態(tài)、水安全和水環(huán)境問題，以低影響開發(fā)（LID）為核心理念，我國提出了海綿城市這一新型城市雨洪管理概念。本文針對適合海綿城市建設的，并具備有低影響開發(fā)設施模擬能力的城鎮(zhèn)尺度水文水力模型及軟件平臺進行梳理，總結典型海綿城市建設技術措施，在分析LID措施對城市降雨徑流流量和徑流水質控制原理的基礎上，對國內外的研究成果進行歸納，并提出海綿城市低影響開發(fā)方面注重多專業(yè)、技術融合，積累與挖掘城市基礎數據的建議。

【關鍵詞】海綿城市;低影響開發(fā);控制效果

城市化最顯著的變化是城區(qū)不透水硬化下墊面的擴張，城區(qū)下墊面硬化后改變了自然狀態(tài)下的水文機制，使得城市雨洪的水文過程較以前發(fā)生了很大程度的改變，降雨對地下水的補給量驟減，雨水徑流的匯流時間縮短，徑流量激增[1-2]。

近年來，我國每年遭受洪澇災害的城市都在數百座以上。與此同時，雨水徑流淋溶和沖刷下墊面的各種污染物，暴雨徑流中攜帶有濃度較高的磷、氮、細菌以及重金屬等污染物，污染較重的雨水徑流進入城市水體，使得城市水體惡化，直接影響公眾的日常生活，暴雨徑流污染被認為是除了農業(yè)排水以外的第二大非點源污染源，因此，控制暴雨徑流污染對防止城市水環(huán)境惡化有著十分重要的意義[3-4]。針對目前城市化進程加快引起的“水多、水少、水臟”等問題，需要摒棄降雨在城市內形成的徑流以快速排除為主的傳統(tǒng)理念，轉變思路，開始對城市降雨采取收集、利用、下滲等措施，對雨水進行管理，讓城市雨水資源化。

1.適用海綿城市的雨水管理模型概述

海綿城市的理念是中國在研究國外城市雨洪管理，水敏感城市設計、低影響開發(fā)等建設經驗基礎上，自主提出的具有創(chuàng)新性，契合度高的建設新理念，強調通過建設機制、統(tǒng)籌規(guī)劃、建設運行管理等全過程、多專業(yè)協(xié)調與管控，以及充分利用城市自然空間落實“滯、蓄、滲、凈、用、排”等具體手段，實現控制雨水徑流、促進水文良性循環(huán)等綜合目標 [5]。適用于中國海綿城市建設的，并具備有低影響開發(fā)設施模擬能力的城鎮(zhèn)尺度水文水力模型及軟件平臺主要包括[6-7]：SWMM（Storm Water Management Model）、Infoworks系列軟件族（如Infoworks CS等）、MOUSE（MIKE URBAN）等。各模型功能及模塊進行分析對比，如表1所示：

2.海綿城市低影響開發(fā)措施

雨洪災害主要體現在城市內澇和水體污染兩個方面，美國在1972年的《聯邦水污染控制法》及其之后的修正案中提出了最佳管理措施（Best Management Practices，BMPs）用于內澇和水體污染防治，對雨洪防治從設施的建設和運行管理方而提供技術和理論指導;20世紀80年代澳大利亞提出了水敏感城市設計理論（Water Sensitive Urban Design，WSUD），提倡將城市的發(fā)展和再開發(fā)與城市水循環(huán)系統(tǒng)整體考慮，在規(guī)劃和設計中綜合考慮供水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)和雨水系統(tǒng)的有機結合;美國馬里蘭州環(huán)境資源部門總結了世界各國的內澇與水體污染防治，于1990年提出了低沖擊開發(fā)理論（Low Impact Development，LID），其基本原理是通過分散的、小規(guī)模的源頭控制機制達到控制暴雨產生的徑流以及污染的目的，使區(qū)域在開發(fā)后盡量接近于開發(fā)前的自然水文循環(huán)狀態(tài);之后英國和新西蘭分別針對國情提出了可持續(xù)城市排水系統(tǒng)（Sustainable ?Urban Drainage Systems，SUDS）和低影響城市開發(fā)設計理論（Low Impact Urban Design and Development，LIUDD），二者均在LID理論的基礎上進行了改進，將環(huán)境因素和社會因素綜合考慮，同時關注城市的水質保證、水量保證、娛樂景觀價值和生物棲息價值[8]。

盡管BMPs，LID，SUDS，WSUD，LIUDD等技術體系有所差異，但核心都是一致的，即如何實現可持續(xù)的城市雨水系統(tǒng)設計。海綿城市建設措施從控制環(huán)節(jié)上分類，可以分為：源頭削減措施、過程控制措施及末端處理措施。其中源頭技術包括屋頂綠化、低勢綠地、透水鋪裝、雨水花園、植被淺溝、雨水桶等;中途技術包括截污雨水井、初期棄流、滲透溝（管）渠、雨水過濾池等;末端技術包括雨水塘、雨水濕地、緩沖帶、生態(tài)堤岸、生物浮島等。實踐經驗證明，海綿城市建設措施不僅可以最大限度地影響水滲透，減少徑流，達到蓄水泄洪和阻止水體污染物傳播的效果，還具有低成本、景觀效應好等經濟、環(huán)境和社會效應。表2是典型海綿城市建設技術措施評價一覽表[9]：

根據城市降雨過程，區(qū)域低影響開發(fā)技術主要分為截留技術、促滲技術和調蓄技術，如表3所示。其中，截留技術是通過材料或者結構，將降雨過程中雨水形成徑流的速度減緩，通過增加雨水匯集的面積來達到延緩徑流目的的技術，如綠色屋頂及植物群落冠層截留等;地表促滲技術是改變地面材料或結構能夠讓雨水透過自身的空隙或結構，下滲至場地內部，同時材料或是結構具有一定的過濾凈化作用，如包括透水鋪裝和綠色停車場等;調蓄技術能儲存一定量的雨水徑流，并對其進行凈化，當設施內的雨水達到飽和時，通過溢流口排入市政雨水管網，而干旱時可向周邊綠地提供水源，如生態(tài)溝、雨水花園、調蓄池、人工濕地等[10]。

3.徑流及水質的控制效果

3.1 控制原理

LID措施對城市降雨徑流流量和徑流水質的控制由一系列物理、化學和生物過程的組合而實現[11]，主要通過滯蓄、沉淀、生物吸附、入滲、過濾、微生物降解、植物吸收等機制消減洪峰、延緩徑流產生時間、去除徑流污染物。不同的LID措施因其結構特性的不同可能具備以上一種或多種降雨徑流控制機制，而這些機制對于降雨徑流流量和不同徑流污染物的控制和削減或去除也有著不同的效果[12]，表4對主要措施的原理進行了總結分析[8]：

3.2 控制效果

國外有關研究人員已對低影響開發(fā)措施控制效果進行了大量的研究：Damodaram 等人[13]研究表明 LID 措施下滲效果更好，BMP 措施在大雨量的徑流控制方面更強，將兩者結合能夠互補，產生更大的水文效益。David J.Rosa[14]等人對比分析10年、25年、50年和100年降雨重現期下傳統(tǒng)開發(fā)與低影響開發(fā)水文水質效益，并分析參數率定對模擬結果的影響。Mark J.Hood等人[15]研究結果表明相比于傳統(tǒng)開發(fā)模式，低影響開發(fā)能夠削減徑流洪峰、徑流系數和排放量，增加洪峰滯后時間。Berndtsson研究了綠色屋頂在夏天和冬天對降雨的截流效果，得出夏天能夠截流70%～90%，冬天能夠截流25%～40%[16]。國外除了對懸浮固體TSS、TP、NO3-N、NH-N、TN進行研究外，還加入對金屬離子Cu，Pb，Zn等的檢測，新興污染物也引起了關注[17]。

我國隨著海綿城市的建設，在北京、重慶、西安、宜興、青島、沈陽等不同城市也深入開展了相關研究：

通過北京未來科技城LID系統(tǒng)出水各綜合水質指標的比較，LID雨水系統(tǒng)（措施主要包括綠色屋面、植被淺溝和低勢綠地）可將天然雨水pH從5～6降至7～8，對于污染物質總磷、總氮、鐵、錳、鉛的去除率分別為21%、56%、62 %、85%、18%。LID雨水系統(tǒng)對雨水的pH具有顯著中和作用，對重金屬具有較好的截留，吸附作用，可以列入LID雨水系統(tǒng)污染負荷主成分分析項目，并作為衡量LID雨水系統(tǒng)效力的主要影響因子。天然雨水經LID雨水系統(tǒng)處置后可以基本達到“非直接接觸”的景觀用水水質標準，可以考慮將其做再處理后作為“非直接接觸”的景觀水回用，可以降低景觀用水成本，最大可能的實現回收利用[18]。

重慶重光湖濱公園的開發(fā)建設突破了傳統(tǒng)方法，以“源頭削減—中途轉輸—末端調蓄”為主線，采用了低勢綠地、滲透鋪裝、綠色生態(tài)水渠、生態(tài)護岸及植被緩沖帶等措施，在保證公園景觀體系完整性的基礎上，兼顧雨水徑流污染控制及水量調控，實現雨水從源頭到末端的連續(xù)管理，確保水庫水質安全及水量平衡。實現了兩大環(huán)境目標，主要包括：①充分發(fā)揮海綿城市建設技術措施的收集、滲透、過濾及滯留等作用，實現對降雨徑流污染負荷的有效控制，保證清水入庫，使得開發(fā)后水庫水體質量變化不大，接近開發(fā)前的Ⅳ類水質;②降雨徑流的補給既要滿足水庫的生態(tài)需水量，又要保證水庫水量平衡，不至于出現洪澇及水庫功能退化。海綿城市建設為河流水質保持及水量控制提供了新的思路和方法，可以有效減少傳統(tǒng)開發(fā)建設模式帶來的水環(huán)境影響 [9]。

根據在西安市建造的三套不同類型的雨水花園試驗裝置開展了實地監(jiān)測和模型模擬研究，長期連續(xù)監(jiān)測了入滲型雨水花園入流與出流的水文過程，分析了其對雨水徑流的削減效果，并根據花園內土壤入滲率及顆粒組分隨時間的變化，討論了雨水花園運行效果的可持續(xù)性，預測了未來不同程度雨水花園建設規(guī)模對整個研究區(qū)域的水文效應;其次，監(jiān)測研究了不同填料排水型雨水花園對雨水徑流削減和污染物去除效果，分析了不同種類污染物在雨水花園內去除機理;最后，探討了優(yōu)先流存在情況下，路面徑流雨水花園對不同形態(tài)污染物的去除效果。研究成果可為研究區(qū)海綿城市各單項措施的設計，填料選擇、施工環(huán)節(jié)以及運行效果的綜合效益評估提供科學依據和技術指導[19]。

在宜興市中心城區(qū)某試驗區(qū)，以海綿城市建設中滲透性鋪裝、生物滯留池、雨水花園三種海綿體技術作為雨洪控制措施，運用SWMM模型對研究區(qū)域進行雨洪控制效果模擬，結果表明：滲透性鋪裝、生物滯留池、雨水花園及三種海綿體組合措施都可有效降低平均徑流量、峰值流量、平均徑流系數、節(jié)點溢流量及溢流個數并增加入滲量，對污染物SS，COD，TN，TP負荷總量亦有很好的控制效果，其整體控制效果排序為滲透性鋪裝>三種海綿體組合措施>雨水花園≈生物滯留措施[20]。

以青島市某建設分區(qū)為例，運用三級分解的方法對研究區(qū)域以“排水分區(qū)一用地性質一宗地”分解控制指標;利用SWMM軟件，以排水分區(qū)1為例進行模擬。結果發(fā)現：隨著降雨重現期的提高，低影響開發(fā)設施對于徑流的控制效果逐漸降低;在設計降雨量下，住宅區(qū)、公共管理區(qū)、商業(yè)區(qū)內對雨水徑流量控制、峰值污染物削減的總體效果為：住宅區(qū)>公共管理區(qū)>商業(yè)區(qū)[21]。

在沈陽市某實驗區(qū)域，利用SWMM模型模擬分析了城市化前、城市化后和實施LID措施后3種情景方案的水文水質過程，結果表明：隨著降雨重現期的增大，LID措施減少的徑流量逐漸增大，研究區(qū)徑流量基本達到城市化前的水平。LID措施對總懸浮顆粒物（TSS）、化學需氧量（COD）的去除量較大，但TSS和COD排放量仍然遠遠高于城市化前，總氮（TN）和總磷（TP）的污染物排放量接近于城市化前的自然狀態(tài)。隨著雨強的增大，徑流流速增大，LID措施消減的TSS，TP和COD量逐漸減小[22]。

4.研究展望

（1）多專業(yè)融合。當前海綿城市建設中，較側重于對低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的構建，忽略常規(guī)雨水徑流蓄排系統(tǒng)與超常規(guī)雨水蓄排系統(tǒng)的之間的耦合，未能有效控制城市內澇;此外，目前海綿城市通常以小區(qū)、公園、道路為小范圍試點進行建設，忽略與城市整體規(guī)劃與豎向設計等方面的協(xié)調，難以形成“海綿綜合體”。海綿城市的建設應由多專業(yè)相關人員，相互協(xié)作，統(tǒng)籌設計，共同參與完成。

（2）多技術融合，依靠遙感技術和衛(wèi)星技術提供的基礎數據，可以實時掌握地表類型、降雨分布等情況;而數據庫技術和地理信息系統(tǒng)技術的引入賦予模型對空間數據的存儲和處理能力，模型能自動提取所需的地形地貌、土地利用、土壤植被與河流等數據進行模擬。

提高暴雨徑流中泥沙和污染物的模擬能力，污染物與泥沙的相互作用和污染物的生化反應過程是研究的難點，同時也是準確模擬污染物負荷的關鍵之一。針對城市海綿系統(tǒng)具有很強的復雜性和不確定性，應加強隨機模型的研究。多技術融合可增強模型的輸入功能、空間分析和可視化等功能，大大提高建模效率和模擬精度。

（3）海綿城市低影響開發(fā)措施控制效果研究需要大量的基礎參數信息，許多城市往往沒有相應的基礎數據，如何在無資料或不完全信息下模擬和預測該地區(qū)降雨徑流流量和徑流水質，是研究的另一熱點和難點。同時應大力建設城市基礎數據監(jiān)測與收集系統(tǒng)，積累并挖掘分析有關數據，為海綿城市科學建設提供強有力的支撐。

參考文獻：

[1]Roy-Poirier A，Champagne P，Filion Y.Review of bioretention system research and design：past，present，and future [J].Journal of Environmental Engineering，2010，136（9）：878-889.

[2]Davis A.P.，Hunt W.F.，Traver R.G.，et al.Bioretention technology：Overview of current practice and future needs[J].Journal of Environmental Engineering，2009，135（3）：109-117.

[3] Hunt W.F.，Smith J.T.，Jadlocki S.J.，et al.Pollutant removal and peak flow mitigation by a bioretention cell in urban Charlotte，N.C.[J].Journal of Environmental Engineering，2008，134（5）：403-408.

[4] Roy-Poirier A，Champagne P，Filion Y.Bioretention processes for phosphorus pollution control[J].Environmental Reviews，2010，18（NA）：159-173.

[5]王文亮，李俊奇，王二松，等.海綿城市建設要點簡析[J].建設科技，2015（1）：19-21.

[6]王海潮，陳建剛，張書函，等.城市雨洪模型應用現狀及對比分析[J].水利水電技術，2011，11（42）：10-13.

[7]蔡凌豪.適用于海綿城市的水文水力模型概述[J].風景園林，2016（2）：33-43.

[8]李思，王榮合，羅靖，等.城市內澇與水體污染控制技術與管理措施[J].給水排水，2014，40：162-167.

[9]方俊華，廖建榮.海綿城市建設對河流水質水量影響的研究—以重慶重光湖濱公園為例[J].江漢大學學報（自然科學版），2016，44（1）：40-47

[10]車生泉，謝長坤，陳丹，等.海綿城市理論與技術發(fā)展沿革及構建途徑[J].中國園林，2015，（06）：11-15.

[11]Wijesiri B.，Egodawatta P.，Mcgree J.，et al.Process variability of pollutant build-up on urban road surfaces.Science of the total Environment，2015，518/519：434-440

[12] Jia H.F.，Wang X.W.，Ti C.P.，et al.Field monitoring of a LID-BMP treatment train system in China.Environmental Monitoring and Assessment，2015，187（6）：1-18

[13] Damodaram C.，Giacomoni M.H.，Khedun C.P.，et al.Simulation of combined best management practices and low impact development for sustainable stormwater management[J].Journal of the American Water Resources Association，2010，46（5）：907-918.

[14] Rosa D.J.，Clausen J.C.，Dietz M.E..Calibration and Verification of SWMM for Low Impact Development[J].Journal of the American Water Resources Association，2015，51（3）：746-757.

[15] Hood M.J.，Clausen J.C.，Warner G.S..Comparison of Stormwater Lag Times for Low Impact and Traditional Residential Development[J].Journal of the American Water Resources Association，2007，43（4）：1036-1046.

[16]Berndtsson J.C..Green roof performance towards management of runoff water quantity and quality：a review [J].Ecological Engineering，2010，36（4）：351-360.

[17] Laurent M.Ahiablame，Bernard A.Engel，Indrajeet Chaubey.Effectiveness of Low Impact Development Practices：Literature Review and Suggestions for Future Research [J].Water Air and Soil Pollution，2012，223（7）：4253-4273.

[18]趙華.低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)水質在海綿城市建設中的引導作用[J].給水排水，2016，42（10）：56-60

[19] 唐雙成.海綿城市建設中小型綠色基礎設施對雨洪徑流的調控作用研究[D].西安：西安理工大學，2016.

[20] 程桂.海綿城市水文水質過程模擬與關鍵技術研究一以宜興市某試驗區(qū)為例[D].蘇州：蘇州科技大學，2017.

[21]張倩.基于SWMM的海綿城市建設途徑研究-以青島市某區(qū)域為例[D].青島：青島理工大學，2016.

[22]李春林，劉淼，胡遠滿，等.基于暴雨徑流管理模型（SWMM）的海綿城市低影響開發(fā)措施控制效果模擬[J].應用生態(tài)學報，2017，28（8）：2405-2412.

（作者單位：1.濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司;2.山東省城市供排水水質監(jiān)測中心）