生物滯留設施對雨水徑流控制研究進展

周抒宇，趙樂軍，宋現財

（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津300392）

近年來，“海綿城市”建設在我國逐步展開，借鑒低影響開發（Low Impact Development,LID）方法，采用多樣分散的海綿設施，通過滲滯蓄凈用排等作用，實現對雨水的控制與利用[1]。海綿設施包括透水鋪裝、生物滯留設施等可增強雨水滲透的單項市政設施，其中生物滯留設施作為目前使用較多的單項技術之一，近年來受到較多關注。本文從生物滯留設施對雨水徑流和雨水水質控制兩方面切入，梳理設施設計計算、結構、填料、植物4方面的優化方案，為今后生物滯留設施的研究與應用提供借鑒。

1 生物滯留設施對雨水徑流及水質控制的研究

1.1 徑流總量及峰值流量

生物滯留技術對消納、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，雨水在匯水區內形成徑流匯入設施，生物滯留技術通過“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4場降雨事件，得出不同重現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“海綿設施”——透水鋪裝，表明生物滯留設施比透水鋪裝對雨水徑流及峰值流量的削減效果更好；同時，該項研究發現生物滯留設施在降雨重現期越短時對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次實際降雨事件，證明生物滯留設施在降雨量較小時對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，大暴雨狀態下降至53%。此外，不同規模的生物滯留設施也具有不同的雨洪控制效果，宋奔奔等[7]應用SWMM模型得出在同一重現期下，規模較大的生物滯留設施對雨洪控制效果更佳。

1.2 污染物

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

1）對總懸浮顆粒物(TSS)的去除。理想狀態下，生物滯留設施對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98.5%；但也有研究表明生物滯留設施對TSS的去除效果并不穩定，Chi-hsu Hsieh等[9]通過試驗得出生物滯留設施對TSS的除率在29%～96%區間內大幅變化。此外，還需關注截留的懸浮顆粒物對生物滯留設施堵塞的影響，此類問題目前沒有較好的解決辦法，所以生物滯留設施去除TSS的作用還需進一步探討[10]。

2）對重金屬的去除。有研究表明生物滯留設施對城市雨水徑流中重金屬的去除效果較好，主要通過設施內部滯留介質對重金屬的吸附以及設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，植物對重金屬的吸收能力雖小但也不能忽略[11]。

3）對氮和磷的去除。雨水徑流中氮元素以有機氮和無機氮形式存在，磷元素以固態磷和液態磷的形式存在，氮和磷在環境中存在形式復雜多樣，造成生物滯留設施對氮和磷的去除效果并不穩定[12]。

對氮的去除效果不穩定主要是生物滯留設施內部環境導致。一般情況下在帶有負電荷的土壤中被吸附和轉化；而生物滯留設施內為好氧環境，會被轉化為極難被還原去除的針對該問題，有研究提出可通過在生物滯留設施內設置蓄水層在厭氧條件下去除，然而此類辦法仍存在爭議[10]。但生物滯留設施在氮去除過程中還是有一定優勢，陳垚等[14]研究發現生物滯留設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。

生物滯留設施可有效吸附過濾固態磷和吸收去除液態磷，但在厭氧情況下，微生物會釋放體內儲存的磷，從而造成去除效果被影響[10]。該問題可通過對設施內部條件的改造解決，例如仇付國等[15]在生物滯留設施的砂土基質中加入鋁污泥，強化基質對磷的吸附固定能力，使磷的去除率達到99%以上。

4）對有機污染物的去除。由于有機污染物種類較多且不斷產生新型物質，因此生物滯留設施對有機污染物的去除主要按照多環芳烴、油脂類物質兩大類進行研究。多環芳烴主要通過揮發擴散、生物滯留設施中填料吸附、微生物降解和植物吸收去除[16]，研究表明，生物滯留設施中的植物對萘的總去除率可達到93%[17]。Hong E等[18]研究發現，生物滯留設施覆蓋層可吸附萘、甲苯、油和顆粒狀萘等物質并在幾天內被覆蓋層中的細菌生物降解去除。有試驗表明，生物滯留設施對油脂類物質去除率高達96%以上[8]。

5）對致病菌的去除。雨水徑流中的病原微生物主要包括病毒、病原菌等，會對人體造成嚴重威脅。研究認為，生物滯留設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證明生物滯留設施對某些致病菌有較好的去除效果，例如G.M.Rusciano等[21]得到生物滯留設施對雨水中糞大腸肝菌去除率達到91.6%。

2 生物滯留設施優化設計進展

2.1 設計計算

在進行生物滯留設施設計計算時，需要考慮水文地質情況、徑流量、設施調蓄容積和滲透能力等多重因素，因此設計方案與參數的選取對雨水徑流的削減有關鍵作用。《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》中提出低影響開發設施3種平面設計方法，即容積法、流量法、水量平衡法。見表1。

表1 低影響開發設施有效表面積計算方法

隨著生物滯留設施應用逐漸成熟，設計計算方法也逐漸得到優化。孟瑩瑩等[22]提出生物滯留設施應按照基于單場次降雨和基于長系列降雨兩種情況進行設計，基于單場次降雨分析的設計應以防澇功能為主，設計時主要考慮蓄水層的儲水性和基質的入滲性；而基于長系列降雨統計的設計應以水量滯蓄功能為主，設計時考慮蓄水層和基質層的儲水性能，該建議使設施對雨量控制更具針對性。

目前大多數的生物滯留設施設計計算方法只注重控制雨水徑流量，忽視了對污染物的去除能力，王淼等[23]根據這一問題提出以污染物去除率和徑流削減率為數據基礎的設計曲線法，該計算方法主要通過雨水模型MUSIC軟件，模擬計算導出“設計面積與匯水區面積比值-污染物去除率/徑流削減率”曲線，得到最佳生物滯留設施設計面積，既達到徑流削減目標，又滿足污染物去除要求，同時操作更為簡單，結果也更精確。

參數選取是設計中的重要內容。田妍等[6]通過KOSIM水文模型評估平臺，結合南寧市海綿化改造項目，模擬評價不同參數下生物滯留設施對雨水徑流的消納情況，發現有效調蓄容積的增大對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，表明設計前應根據模擬結果選擇經濟性較強的有效調蓄容積作參數；同時發現硬化區域(道路)與非硬化區域(綠地)終端徑流系數增大，造成雨水徑流控制率下降；而種植土層滲透系數升高，徑流控制率呈升高趨勢。

此外，排空時間是生物滯留設施設計的重要參數。為防止蚊蠅滋生、提高雨水凈化效果，梁小光等[24]認為生物滯留設施的排空時間應設置上下限，我國生物滯留設施排空時間上限應在24～48 h，下限值為6～12 h。

2.2 結構設計

結構設計影響著生物滯留設施的工作性能，主要包括平面優化和立面優化兩方面內容。關于生物滯留設施立面，林宏軍等[25]提出通過倒置生物滯留技術來提高設施對水質、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，也明顯提升對等污染物去除效果，該措施還有效緩解生物滯留設施的水土流失問題。

除對生物滯留設施內層調整外，設施外部結構設計優化也尤為重要。范秀磊等[26]設計了一種高效削減徑流流速和污染物的環形雨水花園，在普通生物滯留設施的基礎上由外緣至內部做分功能區處理，外部邊緣區域主要用于過濾和防止雨水沖刷，然后雨水經過種植陸生植物的花園單元，最終進入蓄水池，該結構可有效減緩徑流沖刷力、提高蓄凈水能力。關于生物滯留設施結構設計優化方面的研究相對較少且此類設計專利目前應用不夠普遍，結論還需進一步驗證。

2.3 填料組成

填料作為生物滯留設施的重要組成，是設施優化設計重點關注內容。為保證生物滯留設施的運行效果，應選擇孔隙率高、化學穩定性好、吸附能力強、使用壽命長的填料。關于生物滯留設施中填料對雨水水量控制方面的研究主要是通過改變填料滲透系數提高雨水入滲率，一般情況下，砂類基質的滲透性能優于壤土。殷瑞雪等[27]應用HYDRUS-1D軟件模擬發現，傳統填料生物滯留設施添加大粒徑填料能夠顯著增加下滲量，減少積水時間；但大粒徑填料在延緩產流和洪峰削減效果方面表現較差。

關于生物滯留設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的關鍵因素，生物滯留設施種植層的傳統填料一般選用當地砂石和土壤等天然材料，但為了實現更好的污染物去除效果，需添加材料進行優化，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物質和重金屬的去除率；添加陶粒以去除多種有機物物質，特別相對分子質量＞10 000的有機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)作為覆蓋層與未設置覆蓋層組（BK）進行對比，總污染物去除效能排序SC＞CC＞BK＞ZE；由于進水區的沖擊負荷大，該項研究提出將材質輕的火山巖放置于非進水區，將椰絲放置于進水區，這樣的搭配提高去污能力的同時還可以延長設施運行時間。

多項研究通過改變填料層組分和配比，提升設施對雨水水質的改善效果，見表2。

表2 填料層對雨水中污染物的去除影響研究實例

此外，多項發明設計將建筑垃圾、生活垃圾等廢棄物引入生物滯留設施中充當填料，廢物利用、保護環境的同時節省了建設費用。如高彥波等[37]將生物滯留設施填料層由上至下分為保濕層、基質層、墊層和基層，依次填入植物纖維毯、園林土混合污泥堆肥產品和菌糠、河沙、火山巖并將蚯蚓引入基質層防止板結，保證出水的同時有利于資源的再回收利用。

2.4 植物選擇

生物滯留設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、適應能力強、根系發達、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目的。見表3。

由于我國地域遼闊，在研究生物滯留設施的植物選擇時需要考慮各地區的氣候條件等要素。本文將我國分為東北部地區、中部沿海地區、南部地區、西南部地區和西北部地區5個區域，選定各區域代表性省市后，將5個城市的海綿城市建設導則和該城市的城市景觀植物相結合進行植物選擇，見表4。

表4 我國不同地區生物滯留設施植物選擇建議

3 結論與建議

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