雨水生物滯留系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究進(jìn)展

段小龍，李家科，蔣春博

(西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

在快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，城市不透水地面不斷增加，水文循環(huán)過程嚴(yán)重受阻，由此引發(fā)了城市洪澇、徑流污染等日益嚴(yán)重的水危機(jī)[1]。為了應(yīng)對(duì)水危機(jī)，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，其中低影響開發(fā)(Low Impact Development,LID)技術(shù)是雨水控制與利用的有效手段。LID技術(shù)發(fā)源于美國馬里蘭州，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，我國海綿城市建設(shè)也以其為核心[2]。隨著LID技術(shù)理論和實(shí)踐的發(fā)展，其控制措施已拓展至源頭減排、中途轉(zhuǎn)輸和末端調(diào)蓄等多種手段，其中應(yīng)用最為廣泛的有雨水生物滯留系統(tǒng)、下凹式綠地、綠色屋頂?shù)确稚⒉贾迷谠搭^減排環(huán)節(jié)的LID設(shè)施。這類設(shè)施的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)城鎮(zhèn)區(qū)域?qū)τ晁刂婆c利用的要求，合理確定設(shè)施的規(guī)模、填料、植物、布局等[3-4]。近年來，針對(duì)雨水生物滯留系統(tǒng)的研究主要偏向于去除機(jī)理，對(duì)設(shè)施組成及設(shè)計(jì)參數(shù)的研究相對(duì)較少[5],且現(xiàn)有選擇和確定該系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素的體系也不夠完善，導(dǎo)致其發(fā)展和應(yīng)用受到限制。因此，本文在綜述國內(nèi)外雨水生物滯留系統(tǒng)研究成果的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了雨水生物滯留系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)理論及方法，著重探討了雨水生物滯留系統(tǒng)的規(guī)模、填料、植物、布局等關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素的選擇和確定方法，并總結(jié)了特殊地區(qū)面臨的LID雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題和解決辦法，以期為雨水生物滯留系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 雨水生物滯留系統(tǒng)的規(guī)模設(shè)計(jì)

雨水生物滯留設(shè)施規(guī)模是影響雨水生物滯留系統(tǒng)削減雨水徑流量與提高徑流污染物去除能力以及降低建造和維護(hù)成本等的重要因素。雨水生物滯留系統(tǒng)的規(guī)模設(shè)計(jì)可分為面積設(shè)計(jì)和容積設(shè)計(jì)，國內(nèi)外對(duì)此做了大量的研究工作，提出了匯水面積比例法、推理公式法、初期徑流儲(chǔ)存量法和目標(biāo)污染物削減法等雨水生物滯留系統(tǒng)規(guī)模設(shè)計(jì)方法[6-7]。面積設(shè)計(jì)主要基于初期沖刷效應(yīng)，即在降雨初期污染物集中在初始徑流之中[6]，以徑流污染控制為目的進(jìn)行雨水生物滯留系統(tǒng)設(shè)施規(guī)模設(shè)計(jì)，如12.7 mm儲(chǔ)存法[見表1中公式(1)]、達(dá)西徑流頻率波譜法[見表1中公式(2)]和SCS徑流深法[見表1中公式(3)]等[7]。另外，有適用于砂質(zhì)土壤的基于Darcy定律的滲濾法[見表1中公式(4)]，適用于填料黏土較多的蓄水層有效容積法[見表1中公式(5)]以及適用于粗略計(jì)算基于匯水面積的比例估算法[見表1中公式(6)][8]。容積設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)施水質(zhì)改善能力考慮較少，大多是基于徑流削減率進(jìn)行設(shè)計(jì)的，一般采用容積法[見表1中公式(7)與公式(8)]和水量平衡法[見表1中公式(9)]等[9]。上述雨水生物滯留系統(tǒng)規(guī)模設(shè)計(jì)方法的計(jì)算公式見表1，相關(guān)參數(shù)值可通過實(shí)地測算或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估算以及在設(shè)計(jì)工作中通過試算來確定，也可采用圖解法[10]通過繪圖計(jì)算來確定。

表1 雨水生物滯留系統(tǒng)規(guī)模設(shè)計(jì)方法的計(jì)算公式Table 1 Calculation formula of the scale design method of stormwater bioretention system

有研究者發(fā)現(xiàn)，沖刷效應(yīng)會(huì)受到下墊面、降雨和污染物的影響，在某些區(qū)域不明顯甚至不存在[11];滲濾法忽略了填料空隙儲(chǔ)水量以及植被對(duì)蓄水層的影響；有效容積法未考慮設(shè)施的滲透能力和空隙儲(chǔ)水量；匯水面積法計(jì)算結(jié)果的精度不夠，適應(yīng)性較差；容積法計(jì)算時(shí)假設(shè)在設(shè)計(jì)降雨量情景下蓄水層的水量不外排，僅計(jì)算滲透和蒸發(fā)；水量平衡法假設(shè)滲蓄率為100%以及下滲量僅按設(shè)施面積及其土壤的滲透系數(shù)確定等[12-13]。由此可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過簡化和假設(shè)建立的雨水生物滯留系統(tǒng)規(guī)模設(shè)計(jì)方法均存在一定的局限性，導(dǎo)致理論與實(shí)際設(shè)計(jì)目標(biāo)之間存在一定的誤差[12]。此外，雨水生物滯留系統(tǒng)規(guī)模設(shè)計(jì)無法計(jì)算分析場地內(nèi)復(fù)雜的水文過程。因此，有必要不斷完善雨水生物滯留系統(tǒng)規(guī)模設(shè)計(jì)各方面的研究，進(jìn)一步減少理論與實(shí)際工程設(shè)計(jì)的誤差，以提高生物滯留設(shè)施的雨水徑流調(diào)控能力和成本效益。

2 雨水生物滯留系統(tǒng)的填料設(shè)計(jì)

填料是影響雨水生物滯留系統(tǒng)對(duì)徑流污染物去除效果的關(guān)鍵因素，填料設(shè)計(jì)不僅影響雨水生物滯留設(shè)施的水力特性，而且影響污染物的去除效果[14]。在傳統(tǒng)滲滯類設(shè)施填料設(shè)計(jì)中，一般就地選用滲透性良好的天然土壤，如目前很多地區(qū)仍采用的沙質(zhì)壤土和壤質(zhì)砂土等，但傳統(tǒng)填料存在生物活性弱與污染物去除效率不高等問題。

國內(nèi)外學(xué)者通過向傳統(tǒng)填料中摻加具有優(yōu)秀性能的材料來改良雨水生物滯留系統(tǒng)的填料性能，常見改良劑的基本特性和優(yōu)缺點(diǎn)見表2[15-21]。如：吸附能力強(qiáng)的多孔活性炭或沸石等可以提高填料的吸附能力；珍珠巖或蛭石具有良好的孔隙度和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),能夠保持設(shè)施的滲透性能和保水能力[15]。此外，添加特定材料可有針對(duì)性地去除雨水徑流中的有機(jī)物、氮磷營養(yǎng)鹽、重金屬等污染物。如O’Neill等[16]研究指出，為提高生物滯留設(shè)施對(duì)有機(jī)碳的去除率，可在填料中摻加5%～8%的黏土、椰殼炭和給水廠污泥(WTR),可去除雨水徑流中94%的磷，并能減少養(yǎng)分淋失；Paus等[17]研究發(fā)現(xiàn)，堆肥中的大量官能基團(tuán)可吸附金屬離子，摻加堆肥到填料中可提高生物滯留設(shè)施對(duì)重金屬Cu和Zn的去除率；Blecken等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在有450 mm內(nèi)部儲(chǔ)水區(qū)(IWS)的生物滯留設(shè)施中添加報(bào)紙作為碳源和電子供體，能完全去除雨水徑流中的硝態(tài)氮和超過70%的總氮以及去除95%的重金屬Cu。近年來，一些學(xué)者開始研究如何利用填料去除雨水徑流中的持久性有機(jī)物等新型污染物。如王建龍等[19]研究發(fā)現(xiàn)，爐渣、砂土、陶粒和沸石大約能去除雨水徑流中50%的PAHs，且填料類型對(duì)PAHs的凈化效果具有一定的選擇性。

表2 常見改良劑的基本特性Table 2 Basic characteristics of common modifiers

組合填料有利于不同材料發(fā)揮各自作用，對(duì)污染物的處理效果明顯好于單一材料。如潘俊奎等[15]通過向生物滯留設(shè)施種植土中摻加木屑堆肥以及在砂濾層中摻加無煙煤和天然沸石的方式對(duì)傳統(tǒng)砂土填料進(jìn)行了改良，結(jié)果發(fā)現(xiàn)組合填料能夠去除84%～93%的COD、82%～92%的總磷、80%～95%的氨氮、24%～90%的硝態(tài)氮。組合填料可以提高生物滯留設(shè)施對(duì)污染物的綜合去除效果，但填料配比十分關(guān)鍵。目前，雨水生物滯留系統(tǒng)填料配比還無統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，一般填料的配比組成包括改良土壤、有機(jī)質(zhì)和改良劑。Jay等[20]推薦的填料配比組成為60%～80%的砂粒、5%～10%的有機(jī)質(zhì)以及小于5%的黏土，并取得了較好的水質(zhì)凈化效果。但是，填料中有機(jī)質(zhì)含量偏高可能會(huì)降低填料中營養(yǎng)物的淋洗作用，而填料中有機(jī)質(zhì)含量偏低又會(huì)影響植物生長，相關(guān)研究推薦填料中有機(jī)質(zhì)含量維持在5%為宜[21]。有研究表明，填料中黏土含量也應(yīng)保持在質(zhì)量比約5%，因?yàn)轲ね梁窟^高會(huì)降低填料的滲透性，導(dǎo)致生物滯留設(shè)施無法正常工作[22]。

合理設(shè)計(jì)填料的厚度也是填料改良的有效方法，不同厚度的填料對(duì)污染物的去除效果不盡相同：30 cm厚度的填料可去除90%的SS，大部分重金屬在距表面20 cm內(nèi)可被去除;90 cm厚度的填料可去除59%～75%的總氮和86%～90%的總磷[23]。較大的填料厚度能夠增加徑流處理時(shí)間和提高水文性能。Li等[24]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),填料厚度為1.2 m和0.6 m時(shí)出水指標(biāo)達(dá)標(biāo)率分別為80%和40%，為保證凈化效果和方便連接排水系統(tǒng)，推薦的填料厚度以0.7～1 m之間為宜。更厚的填料可采用上層種植土和下層過濾的雙層填料以更有利于污染物的去除，或設(shè)置內(nèi)部儲(chǔ)水區(qū)(IWS)以防磷滲出和增強(qiáng)反硝化能力[25]。填料的滲透性也會(huì)影響生物滯留設(shè)施削減徑流的效果，一般采用經(jīng)濟(jì)易得且滲透性較好的砂類基質(zhì)來改良土壤的滲透性，為保證透水孔隙的有效性，填料應(yīng)以有全部級(jí)配的顆粒為宜。

許多研究評(píng)估了填料對(duì)各種污染物去除效果的影響，其中污染物大多數(shù)僅考慮重金屬、總氮和總磷等水質(zhì)指標(biāo)，對(duì)各種污染物混合去除時(shí)的相互作用機(jī)理和去除效果的影響研究相對(duì)有限。改良填料的污染物去除效果因目標(biāo)污染物不同而存在較大的差異，這種不確定性使得改良填料在實(shí)際運(yùn)用中存在一定的問題。此外，很少有學(xué)者研究填料去除污染物的長期性能，而其他外界影響因素與填料之間的相互作用對(duì)污染物去除的影響也未得到很好的量化分析。因此，各種影響因素之間相互作用對(duì)填料性能的影響程度也應(yīng)該通過進(jìn)一步的研究來確定，在平衡好土壤滲透性和去污能力的基礎(chǔ)上，提升填料的性能是未來填料研究的關(guān)鍵。

3 雨水生物滯留系統(tǒng)的植物選擇與設(shè)計(jì)

3.1 雨水生物滯留系統(tǒng)中植物的作用

雨水生物滯留系統(tǒng)中的植物有截留滲透雨水、吸收凈化徑流中的污染物以及維持土壤的滲透性等功能。已有研究發(fā)現(xiàn)，與沒有植被的生物滯留設(shè)施相比，有植被的生物滯留設(shè)施可以更顯著地去除雨水中的氮磷污染物[26]。此外，沒有植被的土壤滲透性能會(huì)逐漸下降且不易自我恢復(fù)，種植植物后土壤滲透率會(huì)隨著植物根系的生長慢慢恢復(fù)甚至超過初始土壤滲透率[27]。在生物滯留設(shè)施表層，植物采用交錯(cuò)布局或維持較高種植密度能夠有效減緩水流速度，實(shí)現(xiàn)水流均勻分布，同時(shí)還能夠過濾沉積物。在生物滯留設(shè)施內(nèi)部，植物根系不僅可以通過孔隙通道形成優(yōu)先流或者形成基質(zhì)空隙來維持土壤的滲透性能，而且還能輸送氧氣供微生物生長，從而有利于污染物的降解[28]。植物對(duì)雨水徑流中的懸浮物、有機(jī)物、重金屬具有截留與吸附作用，特別是對(duì)重金屬的去除效果顯著，長勢良好的植物能夠去除微生物不能降解的重金屬。此外，植物蒸騰作用可以減少雨水徑流量，而且植被豐富度越高對(duì)地表徑流量的削減作用越明顯。但是在干熱的旱季植物蒸騰作用加劇，對(duì)植物的生長十分不利甚至?xí)?dǎo)致植物死亡[29]。由此可見，植物在生物滯留設(shè)施中起著重要的作用，但復(fù)雜多變的自然環(huán)境時(shí)刻影響著植物的生長，因此雨水生物滯留系統(tǒng)中植物的選擇就顯得非常重要。

3.2 雨水生物滯留系統(tǒng)中植物的選擇

我國大部分地區(qū)旱季雨季分明，雨季時(shí)雨水生物滯留系統(tǒng)中的植物經(jīng)常處于被淹狀態(tài)，而在旱季植物長期處于干旱缺水狀態(tài)，且城市地表雨水徑流中又含有多種污染物，因此雨水生物滯留系統(tǒng)中植物選擇的主要原則是既能短時(shí)間耐澇又要長時(shí)間耐旱，且對(duì)各種污染物具有耐受力。不同植物的抗逆性、根系深度、生物量等不盡相同，且植物在不同季節(jié)以及植物的收割次數(shù)對(duì)污染物的去除效果也存在差異，所以選擇植物時(shí)應(yīng)結(jié)合植物自身特性和生物滯留設(shè)施的功能需求來綜合考慮，具體選擇依據(jù)[30-33]見表3。

表3 雨水生物滯留系統(tǒng)中植物的選擇依據(jù)Table 3 Plant selection criteria of stormwater bioretention system

雨水生物滯留系統(tǒng)中種植多物種植物可提高生物滯留設(shè)施植物群落的穩(wěn)定性，同一生物滯留設(shè)施內(nèi)植物物種數(shù)應(yīng)大于4種，且應(yīng)超過一半的功能物種為宜。不同地區(qū)的生物滯留設(shè)施對(duì)植物選擇有一定的傾向性，劉晶晶等[34]通過環(huán)境脅迫試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),北方植物對(duì)干旱脅迫最為敏感，建議北方干旱地區(qū)進(jìn)行植物選擇時(shí)應(yīng)著重植物的耐旱能力。由于雨水生物滯留系統(tǒng)中植物有很強(qiáng)的地域性，導(dǎo)致目前對(duì)植物選擇的研究比較少，且對(duì)植物設(shè)計(jì)研究也主要為定性研究，定量化研究比較薄弱。近年來已有一些學(xué)者開始利用多目標(biāo)復(fù)雜問題的定性與定量相結(jié)合的方法和模型對(duì)雨水生物滯留系統(tǒng)中植物的選擇進(jìn)行了研究。如：梁彥蘭等[35]采用AHP層次分析法對(duì)豫北地區(qū)雨水花園植物進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)千屈菜、狼尾草、花葉芒等是豫北地區(qū)雨水生物滯留系統(tǒng)首選植物，且耐旱性、耐淹性、景觀特性、去污降污能力是影響雨水生物滯留系統(tǒng)中植物選擇的關(guān)鍵因素，并建議根據(jù)不同植物的耐淹、耐旱特性和種植區(qū)不同的水淹情況進(jìn)行合理配植；Yang等[36]基于動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了一種評(píng)價(jià)理論框架用于選取雨水生物滯留系統(tǒng)中最佳的植物，在針對(duì)7類不同污染物的測試中發(fā)現(xiàn)車前草和馬唐是最佳的植物。

在生物滯留設(shè)施的設(shè)計(jì)過程中，植物及其選擇對(duì)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的是至關(guān)重要的。植被可以減少生物滯留設(shè)施表面的侵蝕，增強(qiáng)填料滲透性，防止填料堵塞。一般建議種植生物量高、根系粗大以及具有較高的養(yǎng)分吸收能力的植物，以提高其對(duì)污染物的去除率、增強(qiáng)蒸騰作用和防止填料堵塞。但現(xiàn)有的研究缺乏長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，無法更好地量化各種植物對(duì)生物滯留設(shè)施中發(fā)生的水文和水質(zhì)過程的影響。此外，在植物的季節(jié)性維護(hù)方面也存在研究空白。因此，應(yīng)準(zhǔn)確研究各種植物對(duì)生物滯留設(shè)施中發(fā)生的水文和水質(zhì)過程的影響，以及植物富集/釋放污染物隨時(shí)間的變化規(guī)律，以保持植物對(duì)污染物的去除性能，避免雨水的二次污染。

4 雨水生物滯留系統(tǒng)優(yōu)化模型與布局優(yōu)化

4.1 雨水生物滯留系統(tǒng)優(yōu)化模型

目前有許多軟件可用于模擬雨水生物滯留系統(tǒng)中發(fā)生的水文和水質(zhì)過程，以及預(yù)測不同設(shè)計(jì)情景下生物滯留設(shè)施的性能，以為生物滯留設(shè)施的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和預(yù)測提供參考。模型模擬可概化為兩類：單項(xiàng)設(shè)施模擬和區(qū)域設(shè)施模擬，前者可用于指導(dǎo)單項(xiàng)設(shè)施的設(shè)計(jì)和預(yù)測，后者可用于區(qū)域尺度LID模塊模擬計(jì)算。單項(xiàng)設(shè)施模擬設(shè)計(jì)中常用的模擬軟件主要有DRAINMOD、RECARGA和HYDRUS等模型，區(qū)域尺度模擬軟件主要有SWMM、Inforworks ICM、Digital water等模型，其中以SWMM模型運(yùn)用最為廣泛，這些模擬軟件在雨水生物滯留設(shè)施模擬設(shè)計(jì)的方法、原理與參數(shù)方面基本相同。上述雨水生物滯留系統(tǒng)常用優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)和功能[37-39]，見表4。

表4 雨水生物滯留系統(tǒng)常用優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)和功能Table 4 Structure and function of the optimization model commonly used for stormwater bioretention system

利用上述模型可以定量地模擬各介質(zhì)層在不同情景下的性能，可為生物滯留設(shè)施的填料、匯水面積、下凹深度、表面積等設(shè)計(jì)要素提供合理的優(yōu)化方案。李家科等[40]利用HYDRUS-1D模型結(jié)合生物滯留池中試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填料為粉煤灰和沙時(shí)對(duì)城市路面徑流中污染物的處理效果較好，可以削減71%的徑流量和83%的污染物負(fù)荷量，當(dāng)填料層厚度增加到50 cm時(shí)，可以削減64%的徑流量和78%的污染物負(fù)荷量；朋四海等[41]利用RECARGA模型對(duì)生物滯留設(shè)施進(jìn)行了模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)施的匯水面積比取5%～7%、蓄水深度取15～20 cm為宜，且設(shè)置內(nèi)部儲(chǔ)水區(qū)可顯著減少排水量；權(quán)全等[42]利用DRAINMOD模型對(duì)生物滯留設(shè)施進(jìn)行了模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)城區(qū)透水面的面積占比增加為53.1%和下凹深度加深到15 cm時(shí)，能明顯改善雨水的就地下滲和顯著削減雨水徑流量。此外，針對(duì)生物滯留設(shè)施表面積的模擬發(fā)現(xiàn)，生物滯留池的表面積是影響其徑流削減效果、地下水補(bǔ)給效果和積水時(shí)間的最重要因素。也有研究者認(rèn)為，生物滯留設(shè)施表面積是最敏感的設(shè)計(jì)因素，礫石深度是不敏感的設(shè)計(jì)因素，土壤填料的飽和入滲率是較為敏感的設(shè)計(jì)因素[43]。隨著研究的深入，不再局限于利用模型對(duì)雨水生物滯留系統(tǒng)中發(fā)生的水文和水質(zhì)過程進(jìn)行優(yōu)化模擬，而是將模型模擬與其他方法相結(jié)合，以期得到生物滯留設(shè)施最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。Eckart等[44]將SWMM模型與多目標(biāo)進(jìn)化算法集成用于確定加拿大安大略省溫莎市的LID設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)果表明可使徑流量峰值減少29%，徑流總量減少13%；Bacchin等[45]整合了ArcGIS和SWMM模型，用于評(píng)估巴西阿雷格里港的雨水生物滯留系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)；Zhang等[46]將遺傳算法與SWMM模型相耦合，以建設(shè)成本和徑流削減量作為目標(biāo)函數(shù)，在場地內(nèi)設(shè)計(jì)出高性價(jià)比的LID設(shè)施優(yōu)化方案。

4.2 雨水生物滯留系統(tǒng)布局優(yōu)化

由于雨水生物滯留系統(tǒng)采用多源頭分散布局的方式，各種設(shè)施的組合和布局成為一個(gè)核心問題，場地內(nèi)不同的位置布置不同的雨水生物滯留設(shè)施，會(huì)產(chǎn)生不同的雨水控制效果，其合理的組合和布局可以進(jìn)一步提升雨水控制與利用的效果[47-48]。雨水生物滯留系統(tǒng)組合使用對(duì)徑流的調(diào)控效果，見表5[49-52]。Kwak等[53]研究指出，雨水生物滯留系統(tǒng)組合比單體設(shè)施可以更多地削減峰值流量，且滲透設(shè)施規(guī)劃面積是滯留設(shè)施的2倍時(shí)，對(duì)削減峰值流量有最佳的效果；Jia等[54]建立了一個(gè)多標(biāo)準(zhǔn)的選擇指標(biāo)系統(tǒng)(MCIS)，可以為場地選出最合適的生物滯留系統(tǒng)組合。

表5 雨水生物滯留系統(tǒng)組合使用對(duì)徑流的調(diào)控效果Table 5 Control effect of combining stormwater bioretention system on runoff

生物滯留設(shè)施布局設(shè)計(jì)是在單位成本徑流控制率的基礎(chǔ)上得出的，故確定雨水生物滯留系統(tǒng)布局實(shí)際上是一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化問題。Guo等[55]利用多目標(biāo)優(yōu)化方法在賓夕法尼亞州某流域提出具有成本效益的LID雨水系統(tǒng)設(shè)施設(shè)計(jì)方案，通過合理的LID雨水系統(tǒng)設(shè)施優(yōu)化布局降低了11%的峰值流量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模型與算法的耦合為LID雨水系統(tǒng)設(shè)施的優(yōu)化布局帶來了更有利的條件。Liu等[56]基于水文水質(zhì)模型、優(yōu)化算法以及成本效益設(shè)計(jì)出一套決策支持工具，以雨水控制和建設(shè)成本為目標(biāo)函數(shù)，取得了最佳的雨水生物滯留系統(tǒng)布局。城市暴雨處理及分析集成模型系統(tǒng)(SUSTAIN)作為分析設(shè)施組合的工具可對(duì)雨水生物滯留系統(tǒng)的位置和布局進(jìn)行評(píng)估，唐穎[57]利用SUSTAIN對(duì)雨水生物滯留系統(tǒng)進(jìn)行布局優(yōu)化設(shè)計(jì)和不同情景下模擬，以年徑流量削減作為優(yōu)化目標(biāo)，利用非點(diǎn)源遺傳算法為場地設(shè)計(jì)出最具成本效益的徑流控制方案。隨著越來越多的多目標(biāo)算法的提出，各種方法在雨水生物滯留系統(tǒng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)增強(qiáng)LID雨水系統(tǒng)性能和降低成本卓有成效。如Men等[58]利用偏好啟發(fā)式協(xié)同進(jìn)化算法(PICEA-g)優(yōu)化了萍鄉(xiāng)市的LIDs布局設(shè)計(jì)，使徑流量減少率提高了21.8%；Palermo等[59]通過聯(lián)合使用決策工具和粗糙集方法來優(yōu)化雨水生物滯留系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)，以確定減少徑流的最佳雨水利用方式。此外，考慮不同規(guī)模設(shè)施功效的差異性，運(yùn)用SWMM模型結(jié)合非支配排序遺傳算法(NSGA-II)也可對(duì)不同生物滯留設(shè)施情景下的配置方案進(jìn)行計(jì)算，以選擇具有成本效益的布局設(shè)計(jì)方案[60]。

綜上可見，對(duì)雨水生物滯留系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要集中在模型的研究和設(shè)施的布局，以及通過模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)LID雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案效益與成本的最佳平衡。

5 特殊地區(qū)低影響開發(fā)(LID)雨水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題

5.1 寒冷地區(qū)LID雨水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題

各地區(qū)氣候特征差別很大，不同城市的LID雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的問題和需求也不盡相同。寒冷地區(qū)對(duì)生物滯留設(shè)施影響的主要因素是凍融和融雪劑。目前國內(nèi)對(duì)于寒冷地區(qū)LID雨水系統(tǒng)的研究主要集中在整體規(guī)劃層面，涉及設(shè)計(jì)方面的研究較少，同時(shí)也缺少具體設(shè)計(jì)要求[61]。國外對(duì)該課題的研究也比較有限，對(duì)寒冷氣候下雨水生物滯留系統(tǒng)填料結(jié)構(gòu)和污染物去除的影響機(jī)理尚不明確[62]。尤其對(duì)于冬季溫度經(jīng)常低于0℃的地區(qū)，明確寒冷氣候?qū)τ晁餃粝到y(tǒng)性能的影響是至關(guān)重要的。迄今為止，一些學(xué)者研究了寒溫帶雨水生物滯留系統(tǒng)的性能，但研究的填料溫度基本都大于0℃，許多研究空白仍然存在，特別是土壤反復(fù)凍融地區(qū)[63]。融雪徑流在生物滯留設(shè)施表面或內(nèi)部的孔隙中結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致設(shè)施凍脹開裂而影響其力學(xué)性能，甚至出現(xiàn)設(shè)施使用功能的喪失[64]。融雪劑的使用會(huì)導(dǎo)致土壤鹽化與板結(jié)、侵害植物和微生物以及污染地下水等問題，且融雪劑還會(huì)加劇凍融現(xiàn)象。

相關(guān)研究證明，加強(qiáng)抗凍融設(shè)計(jì)和融雪劑棄流設(shè)計(jì)可以有效解決寒冷帶來的問題。抗凍融設(shè)計(jì)的主要手段，一是加強(qiáng)生物滯留設(shè)施的抗凍能力，如設(shè)置變形縫和使用抗壓強(qiáng)度更高的材料；二是消解凍脹循環(huán)產(chǎn)生的破壞力，如調(diào)整生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)層防止凍脹。具體措施有通過設(shè)置砂墊層和排水帶及時(shí)將生物滯留設(shè)施內(nèi)部中的融雪水排走。寒冷地區(qū)生物滯留設(shè)施的填料層處于凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，滯留的雪水將難以下滲，建議將蓄水層高度增加200～300 mm以匯集雨雪，此外蓄水層厚度的增加對(duì)生物滯留設(shè)施內(nèi)植物和微生物有一定的保護(hù)作用[65]。融雪劑棄流設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于使用工程措施將初期雪水徑流及時(shí)排走，需在設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)化預(yù)處理，如在進(jìn)水口處設(shè)置棄流池或沉淀池再讓后期徑流進(jìn)入生物滯留設(shè)施[66]。

填料凍結(jié)期間由于孔隙可用性降低，雨水生物滯留系統(tǒng)入滲率降低，而解凍后雨水生物滯留系統(tǒng)入滲率又會(huì)增加；反復(fù)凍融會(huì)產(chǎn)生更大、更多的孔隙，提高了填料的入滲效率[63]。設(shè)計(jì)足夠深的填料厚度(40 cm以上)，可使大部分填料處于凍結(jié)鋒面以下，為去除氮磷提供有利的環(huán)境[62]。透水鋪裝在寒冷氣候下反復(fù)凍融，受凍脹作用的影響容易受到破壞，因此寒冷氣候下應(yīng)選擇抗凍性良好的透水鋪裝，如石材透水磚。Cahill[67]推薦了適合寒冷氣候下透水鋪裝的結(jié)構(gòu)：10～20 cm的碎石基層、20～30 cm的砂濾層、7.6 cm的過濾層以及碎石儲(chǔ)水層。雨水生物滯留系統(tǒng)通過種植植物蓄滯并過濾雪水徑流，但在氣候寒冷下植物易凍傷。為了應(yīng)對(duì)雨雪水對(duì)植被的破壞，可選擇種植一些具有耐寒抗鹽堿性能的植物，如地膚、大葉黃楊、忍冬、金森女貞、云杉、垂柳等，并可適當(dāng)增加覆蓋層厚度或增設(shè)保溫材料使植物安全越冬[68]。

5.2 濕陷性黃土地區(qū)LID雨水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題

國內(nèi)外對(duì)濕陷性黃土地區(qū)LID雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究主要集中在雨水生物滯留系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)、徑流量控制以及水質(zhì)凈化方面[69]，而針對(duì)黃土地區(qū)生物滯留設(shè)施的徑流入滲與水文地質(zhì)的相互作用以及徑流入滲影響范圍的研究比較有限。濕陷性黃土地區(qū)設(shè)計(jì)雨水生物滯留系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵問題是雨水入滲和地基濕陷變形會(huì)影響建筑物基礎(chǔ)安全[70]。目前，針對(duì)這類特殊地區(qū)的雨水生物滯留系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺乏相關(guān)技術(shù)指引，導(dǎo)致一些地區(qū)采取全面防滲甚至禁止建設(shè)的保守做法。國外的相關(guān)研究多集中在黃土濕陷特性與機(jī)理，以及生物滯留設(shè)施的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和徑流量控制方面，而針對(duì)雨水集中下滲對(duì)建筑物的影響還在起步階段[71]。

為了降低在該類地區(qū)建設(shè)雨水生物滯留系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，許多學(xué)者們進(jìn)行了有益的探索，發(fā)現(xiàn)濕陷性黃土地區(qū)雨水生物滯留系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在生物滯留設(shè)施的雨水滲漏防控和徑流向土層深處無組織入滲方面。馬越等[72]研究指出，在生物滯留設(shè)施內(nèi)部設(shè)置穿孔管可盡量縮短雨水蓄存時(shí)間，或取消礫石調(diào)蓄層以避免長時(shí)間蓄水，能有效降低生物滯留設(shè)施的滲漏風(fēng)險(xiǎn)，并建議匯水面積較大的生物滯留設(shè)施可通過設(shè)置兩根穿孔管排水(坡度控制在0.5%以上，開孔率保持在1%～3%為宜)，以提升其排泄能力。當(dāng)存在危害建筑物風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可設(shè)計(jì)安全防護(hù)距離，一般要求雨水生物滯留系統(tǒng)距離建筑物邊緣保持3 m以上的水平距離，距離不足時(shí)可通過防滲型傳輸設(shè)施將徑流引流使之遠(yuǎn)離建筑物；或者加強(qiáng)防滲設(shè)計(jì)，主要包括材料防滲如防水毯、防水土工布和防水水泥砂漿等，以及結(jié)構(gòu)防滲如常用防水磚墻、混凝土墻和防滲擋墻等，這兩種防滲設(shè)計(jì)通常聯(lián)合使用。此外，增強(qiáng)生物滯留設(shè)施土壤滲透性也是一種防止設(shè)施內(nèi)部長期存水的有效解決辦法，如改良填料或降低徑流污染控制率，以提升設(shè)施的滲排能力[73]。對(duì)于淺表性生物滯留設(shè)施一般采用在溝槽底部鋪設(shè)防滲土工布的方法來防止雨水滲漏，對(duì)于溢流井、雨水滲井、沉砂井等較深的生物滯留設(shè)施通常采取換填墊層的方法，如I級(jí)濕陷性黃土區(qū)域換填墊層的厚度控制在1～2 m為宜[74]。

6 結(jié)論與展望

雨水生物滯留系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)雨水控制與利用的有效手段，對(duì)其規(guī)模、填料、植物、布局等進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和選擇，可以有效地提高生物滯留設(shè)施對(duì)污染物的去除效率與對(duì)徑流的削減能力。通過對(duì)雨水生物滯留系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行深入的研究，可使其更好地達(dá)到預(yù)期目的，建議從以下幾個(gè)方面開展進(jìn)一步的研究工作：

(1) 在雨水生物滯留系統(tǒng)的規(guī)模設(shè)計(jì)中應(yīng)將更多的影響因素納入考慮，以提高方法的精度，減少設(shè)計(jì)與實(shí)際工程的誤差。此外，還需要加強(qiáng)填料的更換和飽和填料無害化處理以及預(yù)防生物滯留設(shè)施堵塞等問題的研究。

(2) 模型模擬中將單項(xiàng)設(shè)施和區(qū)域設(shè)施的模擬模型嵌套結(jié)合分析，對(duì)區(qū)域設(shè)施模擬設(shè)計(jì)具有重要的意義，開發(fā)出可以模擬不同種類污染物的徑流水質(zhì)與水量耦合的模型是未來研究的重點(diǎn)。

(3) 確定雨水生物滯留系統(tǒng)的滯蓄作用是否受凍融抑制，進(jìn)一步明確相關(guān)的機(jī)理。濕陷性黃土地區(qū)LID雨水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題需要結(jié)合巖土專業(yè)的知識(shí)開展融合研究，以分析徑流入滲量與地基變形之間的關(guān)系、水力優(yōu)化設(shè)計(jì)以及飽和-非飽和流固耦合分析等方面的內(nèi)容。

(4) 現(xiàn)有研究缺少與設(shè)計(jì)要素的關(guān)聯(lián)，宏觀和系統(tǒng)布局方面的研究也有限，可考慮從雨水生物滯留系統(tǒng)建設(shè)全生命周期出發(fā)，通過雨水生物滯留系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)成本、效益等方面的最優(yōu)化組合。