生物滯留設(shè)施對(duì)雨水徑流控制研究進(jìn)展

周抒宇，趙樂軍，宋現(xiàn)財(cái)

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300392）

近年來，“海綿城市”建設(shè)在我國逐步展開，借鑒低影響開發(fā)（Low Impact Development,LID）方法，采用多樣分散的海綿設(shè)施，通過滲滯蓄凈用排等作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的控制與利用[1]。海綿設(shè)施包括透水鋪裝、生物滯留設(shè)施等可增強(qiáng)雨水滲透的單項(xiàng)市政設(shè)施，其中生物滯留設(shè)施作為目前使用較多的單項(xiàng)技術(shù)之一，近年來受到較多關(guān)注。本文從生物滯留設(shè)施對(duì)雨水徑流和雨水水質(zhì)控制兩方面切入，梳理設(shè)施設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)、填料、植物4方面的優(yōu)化方案，為今后生物滯留設(shè)施的研究與應(yīng)用提供借鑒。

1 生物滯留設(shè)施對(duì)雨水徑流及水質(zhì)控制的研究

1.1 徑流總量及峰值流量

生物滯留技術(shù)對(duì)消納、凈化降水徑流和削減峰值流量具有重要作用[2～3]。降雨過程中，雨水在匯水區(qū)內(nèi)形成徑流匯入設(shè)施，生物滯留技術(shù)通過“蓄水—滲透—滲管緩釋”的方式削減徑流水量[4]。

蔡家珍等[5]通過SWMM模型模擬漳州市區(qū)4場降雨事件，得出不同重現(xiàn)期降雨生物滯留的徑流削減率和峰值削減率均高于同等條件下另一種“海綿設(shè)施”——透水鋪裝，表明生物滯留設(shè)施比透水鋪裝對(duì)雨水徑流及峰值流量的削減效果更好；同時(shí)，該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)生物滯留設(shè)施在降雨重現(xiàn)期越短時(shí)對(duì)雨水徑流的削減效果越好。田妍等[6]通過從小雨到大暴雨的5次實(shí)際降雨事件，證明生物滯留設(shè)施在降雨量較小時(shí)對(duì)雨水水量的控制效果更好，可以完全消納降雨量＜36.1 mm的降雨，但隨著降雨量增加徑流控制率逐漸降低，大暴雨?duì)顟B(tài)下降至53%。此外，不同規(guī)模的生物滯留設(shè)施也具有不同的雨洪控制效果，宋奔奔等[7]應(yīng)用SWMM模型得出在同一重現(xiàn)期下，規(guī)模較大的生物滯留設(shè)施對(duì)雨洪控制效果更佳。

1.2 污染物

關(guān)于生物滯留設(shè)施對(duì)雨水徑流中污染物的去除效率已有大量的試驗(yàn)研究，成果主要集中于對(duì)總懸浮顆粒物(TSS)、總氮(TN)、總磷(TP)、油脂類以及致病菌等成分的去除。

1）對(duì)總懸浮顆粒物(TSS)的去除。理想狀態(tài)下，生物滯留設(shè)施對(duì)TSS具有較好的去除效果，胡愛兵等[8]通過模擬生物滯留池凈化道路雨水徑流，得到的TSS去除率均為90%以上，最高可達(dá)98.5%；但也有研究表明生物滯留設(shè)施對(duì)TSS的去除效果并不穩(wěn)定，Chi-hsu Hsieh等[9]通過試驗(yàn)得出生物滯留設(shè)施對(duì)TSS的除率在29%～96%區(qū)間內(nèi)大幅變化。此外，還需關(guān)注截留的懸浮顆粒物對(duì)生物滯留設(shè)施堵塞的影響，此類問題目前沒有較好的解決辦法，所以生物滯留設(shè)施去除TSS的作用還需進(jìn)一步探討[10]。

2）對(duì)重金屬的去除。有研究表明生物滯留設(shè)施對(duì)城市雨水徑流中重金屬的去除效果較好，主要通過設(shè)施內(nèi)部滯留介質(zhì)對(duì)重金屬的吸附以及設(shè)施表面顆粒物的攔截使凈化后的雨水中重金屬含量降低[10]，此外，植物對(duì)重金屬的吸收能力雖小但也不能忽略[11]。

3）對(duì)氮和磷的去除。雨水徑流中氮元素以有機(jī)氮和無機(jī)氮形式存在，磷元素以固態(tài)磷和液態(tài)磷的形式存在，氮和磷在環(huán)境中存在形式復(fù)雜多樣，造成生物滯留設(shè)施對(duì)氮和磷的去除效果并不穩(wěn)定[12]。

對(duì)氮的去除效果不穩(wěn)定主要是生物滯留設(shè)施內(nèi)部環(huán)境導(dǎo)致。一般情況下在帶有負(fù)電荷的土壤中被吸附和轉(zhuǎn)化；而生物滯留設(shè)施內(nèi)為好氧環(huán)境，會(huì)被轉(zhuǎn)化為極難被還原去除的針對(duì)該問題，有研究提出可通過在生物滯留設(shè)施內(nèi)設(shè)置蓄水層在厭氧條件下去除，然而此類辦法仍存在爭議[10]。但生物滯留設(shè)施在氮去除過程中還是有一定優(yōu)勢，陳垚等[14]研究發(fā)現(xiàn)生物滯留設(shè)施中的植物可有效去除氮，氮元素可以在植物中“同化-礦化-釋放”，最終得以去除。

生物滯留設(shè)施可有效吸附過濾固態(tài)磷和吸收去除液態(tài)磷，但在厭氧情況下，微生物會(huì)釋放體內(nèi)儲(chǔ)存的磷，從而造成去除效果被影響[10]。該問題可通過對(duì)設(shè)施內(nèi)部條件的改造解決，例如仇付國等[15]在生物滯留設(shè)施的砂土基質(zhì)中加入鋁污泥，強(qiáng)化基質(zhì)對(duì)磷的吸附固定能力，使磷的去除率達(dá)到99%以上。

4）對(duì)有機(jī)污染物的去除。由于有機(jī)污染物種類較多且不斷產(chǎn)生新型物質(zhì)，因此生物滯留設(shè)施對(duì)有機(jī)污染物的去除主要按照多環(huán)芳烴、油脂類物質(zhì)兩大類進(jìn)行研究。多環(huán)芳烴主要通過揮發(fā)擴(kuò)散、生物滯留設(shè)施中填料吸附、微生物降解和植物吸收去除[16]，研究表明，生物滯留設(shè)施中的植物對(duì)萘的總?cè)コ士蛇_(dá)到93%[17]。Hong E等[18]研究發(fā)現(xiàn)，生物滯留設(shè)施覆蓋層可吸附萘、甲苯、油和顆粒狀萘等物質(zhì)并在幾天內(nèi)被覆蓋層中的細(xì)菌生物降解去除。有試驗(yàn)表明，生物滯留設(shè)施對(duì)油脂類物質(zhì)去除率高達(dá)96%以上[8]。

5）對(duì)致病菌的去除。雨水徑流中的病原微生物主要包括病毒、病原菌等，會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重威脅。研究認(rèn)為，生物滯留設(shè)施去除病原微生物主要是通過過濾、填料吸附截留、微生物群落間的競爭和捕食關(guān)系、太陽輻射和溫度變化等多種作用完成[10，19～20]。目前，我國對(duì)去除雨水徑流中病原微生物的研究不多，但國外的研究人員通過試驗(yàn)證明生物滯留設(shè)施對(duì)某些致病菌有較好的去除效果，例如G.M.Rusciano等[21]得到生物滯留設(shè)施對(duì)雨水中糞大腸肝菌去除率達(dá)到91.6%。

2 生物滯留設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)展

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

在進(jìn)行生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要考慮水文地質(zhì)情況、徑流量、設(shè)施調(diào)蓄容積和滲透能力等多重因素，因此設(shè)計(jì)方案與參數(shù)的選取對(duì)雨水徑流的削減有關(guān)鍵作用?！逗＞d城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》中提出低影響開發(fā)設(shè)施3種平面設(shè)計(jì)方法，即容積法、流量法、水量平衡法。見表1。

表1 低影響開發(fā)設(shè)施有效表面積計(jì)算方法

隨著生物滯留設(shè)施應(yīng)用逐漸成熟，設(shè)計(jì)計(jì)算方法也逐漸得到優(yōu)化。孟瑩瑩等[22]提出生物滯留設(shè)施應(yīng)按照基于單場次降雨和基于長系列降雨兩種情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于單場次降雨分析的設(shè)計(jì)應(yīng)以防澇功能為主，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮蓄水層的儲(chǔ)水性和基質(zhì)的入滲性；而基于長系列降雨統(tǒng)計(jì)的設(shè)計(jì)應(yīng)以水量滯蓄功能為主，設(shè)計(jì)時(shí)考慮蓄水層和基質(zhì)層的儲(chǔ)水性能，該建議使設(shè)施對(duì)雨量控制更具針對(duì)性。

目前大多數(shù)的生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)計(jì)算方法只注重控制雨水徑流量，忽視了對(duì)污染物的去除能力，王淼等[23]根據(jù)這一問題提出以污染物去除率和徑流削減率為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)曲線法，該計(jì)算方法主要通過雨水模型MUSIC軟件，模擬計(jì)算導(dǎo)出“設(shè)計(jì)面積與匯水區(qū)面積比值-污染物去除率/徑流削減率”曲線，得到最佳生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)面積，既達(dá)到徑流削減目標(biāo)，又滿足污染物去除要求，同時(shí)操作更為簡單，結(jié)果也更精確。

參數(shù)選取是設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。田妍等[6]通過KOSIM水文模型評(píng)估平臺(tái)，結(jié)合南寧市海綿化改造項(xiàng)目，模擬評(píng)價(jià)不同參數(shù)下生物滯留設(shè)施對(duì)雨水徑流的消納情況，發(fā)現(xiàn)有效調(diào)蓄容積的增大對(duì)提高徑流控制率影響顯著，但增大到一定程度控制率提高幅度變小，表明設(shè)計(jì)前應(yīng)根據(jù)模擬結(jié)果選擇經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)的有效調(diào)蓄容積作參數(shù)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)硬化區(qū)域(道路)與非硬化區(qū)域(綠地)終端徑流系數(shù)增大，造成雨水徑流控制率下降；而種植土層滲透系數(shù)升高，徑流控制率呈升高趨勢。

此外，排空時(shí)間是生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。為防止蚊蠅滋生、提高雨水凈化效果，梁小光等[24]認(rèn)為生物滯留設(shè)施的排空時(shí)間應(yīng)設(shè)置上下限，我國生物滯留設(shè)施排空時(shí)間上限應(yīng)在24～48 h，下限值為6～12 h。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響著生物滯留設(shè)施的工作性能，主要包括平面優(yōu)化和立面優(yōu)化兩方面內(nèi)容。關(guān)于生物滯留設(shè)施立面，林宏軍等[25]提出通過倒置生物滯留技術(shù)來提高設(shè)施對(duì)水質(zhì)、水量的控制效果，將填料層置于表層，在提高徑流總量控制率、峰值削減率的同時(shí)，也明顯提升對(duì)等污染物去除效果，該措施還有效緩解生物滯留設(shè)施的水土流失問題。

除對(duì)生物滯留設(shè)施內(nèi)層調(diào)整外，設(shè)施外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化也尤為重要。范秀磊等[26]設(shè)計(jì)了一種高效削減徑流流速和污染物的環(huán)形雨水花園，在普通生物滯留設(shè)施的基礎(chǔ)上由外緣至內(nèi)部做分功能區(qū)處理，外部邊緣區(qū)域主要用于過濾和防止雨水沖刷，然后雨水經(jīng)過種植陸生植物的花園單元，最終進(jìn)入蓄水池，該結(jié)構(gòu)可有效減緩徑流沖刷力、提高蓄凈水能力。關(guān)于生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的研究相對(duì)較少且此類設(shè)計(jì)專利目前應(yīng)用不夠普遍，結(jié)論還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.3 填料組成

填料作為生物滯留設(shè)施的重要組成，是設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。為保證生物滯留設(shè)施的運(yùn)行效果，應(yīng)選擇孔隙率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、吸附能力強(qiáng)、使用壽命長的填料。關(guān)于生物滯留設(shè)施中填料對(duì)雨水水量控制方面的研究主要是通過改變填料滲透系數(shù)提高雨水入滲率，一般情況下，砂類基質(zhì)的滲透性能優(yōu)于壤土。殷瑞雪等[27]應(yīng)用HYDRUS-1D軟件模擬發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)填料生物滯留設(shè)施添加大粒徑填料能夠顯著增加下滲量，減少積水時(shí)間；但大粒徑填料在延緩產(chǎn)流和洪峰削減效果方面表現(xiàn)較差。

關(guān)于生物滯留設(shè)施中填料的組成研究集中于提高污染物去除效率。填料是去除雨水中污染物質(zhì)的關(guān)鍵因素，生物滯留設(shè)施種植層的傳統(tǒng)填料一般選用當(dāng)?shù)厣笆屯寥赖忍烊徊牧?，但為了?shí)現(xiàn)更好的污染物去除效果，需添加材料進(jìn)行優(yōu)化，如：添加沸石以提高氨氮吸附率[28]；添加粉煤灰以提高除磷率[29]；添加鐵屑以提高營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬的去除率；添加陶粒以去除多種有機(jī)物物質(zhì)，特別相對(duì)分子質(zhì)量＞10 000的有機(jī)物的去除效果更明顯[30]。此外，鄭爽等[31]將椰絲(CC)、沸石(ZE)、火山巖(SC)作為覆蓋層與未設(shè)置覆蓋層組（BK）進(jìn)行對(duì)比，總污染物去除效能排序SC＞CC＞BK＞ZE；由于進(jìn)水區(qū)的沖擊負(fù)荷大，該項(xiàng)研究提出將材質(zhì)輕的火山巖放置于非進(jìn)水區(qū)，將椰絲放置于進(jìn)水區(qū)，這樣的搭配提高去污能力的同時(shí)還可以延長設(shè)施運(yùn)行時(shí)間。

多項(xiàng)研究通過改變填料層組分和配比，提升設(shè)施對(duì)雨水水質(zhì)的改善效果，見表2。

表2 填料層對(duì)雨水中污染物的去除影響研究實(shí)例

此外，多項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)將建筑垃圾、生活垃圾等廢棄物引入生物滯留設(shè)施中充當(dāng)填料，廢物利用、保護(hù)環(huán)境的同時(shí)節(jié)省了建設(shè)費(fèi)用。如高彥波等[37]將生物滯留設(shè)施填料層由上至下分為保濕層、基質(zhì)層、墊層和基層，依次填入植物纖維毯、園林土混合污泥堆肥產(chǎn)品和菌糠、河沙、火山巖并將蚯蚓引入基質(zhì)層防止板結(jié)，保證出水的同時(shí)有利于資源的再回收利用。

2.4 植物選擇

生物滯留設(shè)施的特征之一是可種植多種類型的植物，既能觀賞，又起到改善水文性能、凈化雨水等作用。一般宜先選用本土、適應(yīng)能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、耐澇抗旱的多年生植物。前期研究都是目的性的提出生物滯留設(shè)施中植物的配置選擇，主要分為控制徑流污染和控制徑流量兩個(gè)目的。見表3。

由于我國地域遼闊，在研究生物滯留設(shè)施的植物選擇時(shí)需要考慮各地區(qū)的氣候條件等要素。本文將我國分為東北部地區(qū)、中部沿海地區(qū)、南部地區(qū)、西南部地區(qū)和西北部地區(qū)5個(gè)區(qū)域，選定各區(qū)域代表性省市后，將5個(gè)城市的海綿城市建設(shè)導(dǎo)則和該城市的城市景觀植物相結(jié)合進(jìn)行植物選擇，見表4。

表4 我國不同地區(qū)生物滯留設(shè)施植物選擇建議

3 結(jié)論與建議

生物滯留設(shè)施作為一項(xiàng)重要的海綿城市低影響開發(fā)技術(shù)已在國內(nèi)外有較為深入的研究，本文從生物滯留設(shè)施對(duì)雨水徑流和水質(zhì)控制兩方面展開討論。由于有填料和植物的共同作用，生物滯留設(shè)施對(duì)雨水徑流總量及峰值的削減效果較好；但不同降雨重現(xiàn)期、不同位置及規(guī)模條件下的生物滯留設(shè)施對(duì)徑流總量及峰值削減效果存在明顯差異。對(duì)于雨水徑流污染控制效果，生物滯留設(shè)施可有效去除總懸浮顆粒物(TSS)、重金屬及部分有機(jī)污染物，如萘、甲苯、油等，但由于設(shè)施內(nèi)部很難達(dá)到缺氧厭氧環(huán)境，造成氮和磷的去除效果不穩(wěn)定，目前研究者已開始著手研究解決這一問題。此外，我國對(duì)生物滯留設(shè)施去除致病菌的研究內(nèi)容較少，今后的研究工作可以關(guān)注此方面內(nèi)容。