城市雨水低影響開發研究進展

羅賢達 李翠梅

摘要 隨著城市的快速發展，傳統的“末端”雨水處理措施已經不適用。低影響開發（Low Impact Development，LID）是一種通過源頭分散控制理念實現雨水控制與利用的雨水管理理念。總結了低影響開發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，提出了低影響開發在推廣過程中的解決方案，展望了低影響開發技術在我國的應用前景。

關鍵詞 低影響開發；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

隨著經濟社會的快速發展，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，將會給人民的生產生活帶來巨大的威脅和損失。因此城市的發展需要具有可持續性的雨洪管理新措施，低影響開發（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“可持續性排水系統”（Sustainable Urban Discharge System，SUDS）等，都是基于此理念開發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，不僅改善了經濟發展與環境保護中的矛盾，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、本地化的技術來維持開發前原有水文條件，盡量減少開發場地的不透水面積，控制徑流污染、減少污染排放，實現開發區域的可持續水循環。

1 低影響開發（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、居住區和商業區等場所。來自強降雨過程中不透水路面的雨水流入生物滯留區，經土壤、微生物、植物的一系列生物、物理、化學作用實現雨洪滯蓄和水質處理。生物滯留技術將雨水管理技術與景觀設計相結合，在滯留雨水的同時又可提供景觀價值。

通過生物滯留技術既可減少地表徑流量，又可減少市政雨水管網承擔的負荷，通過減少溢流發生，可保護受納水體水質和減少河岸侵蝕。已有研究表明使用生物滯留系統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現，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。滲透和蒸發作用在滯留徑流的過程中起到很重要的作用，Chapman等發現通過生物滯留系統的滲透和蒸發作用可以減少48%～74%的徑流量[3]。

從現有研究成果可以發現，生物滯留系統對各污染物的平均去除效果較顯著[4]。其中總懸浮物（TSS）滯留率最高且穩定，生物滯留區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性（P<0.01）[7]。但生物滯留系統中的介質對重金屬的吸附能力是有限的，當生物滯留系統使用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去除營養物質的能力[10]。研究發現：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，已有研究發現生物滯留池能去除大部分的氮化合物，但硝態氮（NO3-N）的去除率很低只有不到20%，入流強度和持續時間的不同，硝態氮的去除效果也會不同。為了提高生物滯留系統硝態氮的去除率，Kim等指出飽和土壤中存在有利于反硝化的缺氧區，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氮的去除率，可以達到80%[11]。但Henderson等在實驗室中發現沒有種植植物的生物滯留系統比種植了植物的系統能釋放更多的氮和磷[12]。研究者們在尋找生物滯留系統對營養物質吸收的最佳條件時發現：植物種類對生物滯留系統的設計有很重要的意義。

生物滯留介質的成分在系統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的去除效率會逐漸降低，這是由基質有限的生物可持續活性決定的。Lucas等建議改善生物滯留介質的磷吸附材料可以增強系統減少磷復合的能力[14]。

建筑活動也是會影響生物滯留的性能，在生物滯留系統中，介質成分、設計配置、系統大小、植被和位置的選擇都在系統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、土壤、排水層及防水層等多層材料構成，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，在屋頂能自我發展，自我維持，需要的生長介質重量輕，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護，需要較厚的生長介質，經常要灌溉，對屋頂要求較高。

綠色屋頂對雨水的滯留是通過介質的儲存和植物的蒸發共同實現的，研究發現，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、提高空氣質量和改善雨水水質及促進能量轉換。對于不同植物和介質層，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]。不同的介質厚度和屋頂坡度會影響綠色屋頂的滯留能力，Van Woert等研究發現較緩的坡度和較厚的介質更有利于雨水的蓄存，其中對于中強度降雨事件，坡度為2%，介質厚度為4 cm的屋頂有很好的蓄存效果（P≤0.05）[15]。研究發現增加綠色屋頂土壤層厚度可以提高系統系能，但整體上介質厚度對于蓄存能力的提高效果并不明顯，一般而言，介質厚度在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方面的研究數據還是比較匱乏的。在美國北卡羅納州一項實驗研究[16]中發現綠色屋頂的出水中總磷（TP）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、屋頂過濾系統等原因有關。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外，綠色屋頂還有很多節能環保優勢：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的壓力；②降低溫度。可以降低夏天陽光直射下的屋頂溫度，從而減少建筑吸收熱量，降低溫度；③節能減排。可以通過吸收和反射熱量可在夏天降低空調成本，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。可以通過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。可以起到吸收噪音、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）是指通過各種技術手段使不可滲路面變為透水路面，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具有一定的凈化作用。可滲透路面有水泥孔磚或網格磚、塑料網格磚、透水瀝青、透水混凝土等。可滲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%被多孔介質截留，另外的25%形成徑流[17]。Collins等發現透水混凝土路面和混凝土格網路面可以截留6 mm的降雨量，而不產生徑流[18]。同一地區的進一步試驗證實，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，發現前者產生的徑流比后者少93%[19]。

Myers等通過研究發現，滲透路面在經過144 h后Zn、Cu和Pb的去除率可以達到94%～99%[20]，其他也有研究發現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現，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，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，將雨水收集統一排放，這在一定程度上解決了局部區域積水的問題。但這種傳統的雨水排放系統以迅速匯集、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，由此會引發地面沉降、地下水位線下降等生態環境問題，可滲透性路面系統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構，通過摩擦和空氣運動的粘滯阻力，將部分聲能轉變為熱能，從而起到吸聲降噪的作用。

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，地表徑流以較低流速經植草溝滯留、植物過濾和滲透，使雨水徑流中的大多數懸浮顆粒污染物和部分溶解態污染物有效去除[22]，主要作用是降低徑流流速和提高雨水水質。它一般適用于居民區、商業區和工業區等區域，可以同雨水管網聯合運行，在條件合適的情況下可以代替傳統的雨水管道，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，將集水區的徑流引導和傳輸到其他地表水處理設施[23]，一般應用于適合高速公路的排水系統，可在徑流量小及人口密度較低的居民區、工業區或商業區代替路邊的排水溝或雨水管理系統。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，以加強雨水的傳輸、過濾和滲透能力。濕植草溝與傳統傳輸植草溝類似，主要是溝渠型濕地系統，長期處于潮濕狀態，由于會產生異味及蚊蠅等衛生問題，所以不適用于居民區。

植草溝中的污染物在過濾、滲透、吸收及生物降解的聯合作用下被去除，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，如當地飼養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的發展障礙、局限性與解決方案

雖然目前國內已有一些實際工程使用了低影響開發技術，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的市政工程范疇，而是更多地涉及到城市規劃與土地利用、交通規劃、建筑設計、景觀設計等城市管理的各個方面。同時國內與低影響開發配套的產業剛起步，相關從業人員缺乏經驗、國內相關標準規范不完善，在實際應用過程中配套政策不完善、缺乏技術指導，推廣也缺乏政策依據。

從目前國內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。植物是低影響開發技術不可或缺的環節，所選取的植物應適合各地實際情況和不同季節的氣候條件，使設施全年都能較穩定的運行；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，使其盡量達到開發前的自然水文狀態，因此在雨季容易導致害蟲類滋生。

針對LID的發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驗和標準，在現有研究的基礎上加快創建適合我國的低影響開發示范區，努力在全國建成具有代表性的低影響開發示范區，在此過程中不斷總結、完善和制訂符合國內的低影響開發技術相關標準規范；②探索制訂符合各地實際情況的低影響開發相關法律法規，為低影響開發模式的推廣應用提供政策依據；③探索和開發有效的低影響開發（LID）模型和評估工具，使其能更有效地為低影響開發技術工程應用提供設計指導；④加強低影響開發理念的宣傳普及，使各層次相關從業人員接受低影響開發理念。加強宣傳可以有助于市民更好地接受和理解低影響開發理念，加強對相關從業人員的專業技術培訓，可以確保雨洪利用設施正常運行。

3 小結

根據國內外大量的研究與實際應用經驗來看，低影響開發技術具有廣泛的環境、經濟和社會效益，是一種可持續性、生態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。盡管生物滯留系統有著很好的去除效果，但低影響開發的其他措施如綠色屋頂和植被淺溝還需要更多的現場實驗數據，在低影響開發中尤其是要提高微生物的去除效率。所有的低影響開發技術通過合理的設計、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。

低影響開發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技術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濟增長點。

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