海綿城市建設中低影響開發的應用及研究進展

劉發欣，程 文,*，劉 昕，賈如賓，杜長鈴，王 敏

(1.西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安理工大學水利水電學院, 陜西西安 710048；2.北京中環瑞德環境工程技術有限公司，北京 100176；3.機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710043；4.中電建鐵路建設投資集團有限公司，北京 100070)

在氣候變化影響下，伴隨著我國城市化進程，洪澇積水、河流水系生態惡化、水體富營養化、水污染等問題日益加劇。實現一種活潑、安全、可持續、健康的城市愿景已經成為所有人一致和迫切的需求[1]。近年來，我國針對點源污染的治理力度不斷加大，而非點源污染帶來的危害越來越大，非點源污染的產生以及發展過程存在極大的不確定性，其典型特點包括滯后性、潛伏性、隱蔽性，以及污染范圍廣、治理難度較大[2]等。

國外從20世紀70年代就開始重視城市雨洪控制。美國最先提出了最佳管理實踐(best manage-ment practices，BMPs)，它是通過灰、綠色基礎設施的建設[3]，對雨水徑流采取截取、滯留、蓄集、滲透等方式降低雨水徑流速度、延長徑流路徑、增加徑流滲透等，從而達到調控雨水徑流峰值時間和降低峰值量的目的。低影響開發(low impact development，LID)被認為是第二代BMPs，是協調解決雨洪問題和水污染問題的可持續城市雨洪管理模式，可緩解快速城市化產生的負面影響，減少城市內澇，降低下游洪水風險和雨洪面源污染，實現人與自然的和諧可持續發展[4-5]。我國積極借鑒國外經驗，2013年正式開展“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市建設，大規模推廣應用LID技術，結合城市水系、道路、廣場、居住區和商業區、園林綠地等空間載體，建成低影響的雨洪調控與利用系統[6]。2015年以來，先后有30個城市入選了國家海綿城市建設試點；2021年開始系統化全域推進海綿城市建設，首批確定了20個示范城市。因此，本文擬對海綿城市建設中主要LID技術的應用、截流去污效果和機制、模型應用現狀、綜合效益評估方面進行綜述，并在此基礎上提出相關建議，以期為未來LID技術在海綿城市建設的應用和效果評估等方面提供借鑒。

1 海綿城市建設中典型LID技術介紹

本研究利用標準布爾邏輯關系詞在Web of Science進行檢索，運用VOS viewer進行關鍵詞疊加分析聚類，分析結果如圖1所示。由檢索結果可知，我國海綿城市建設在LID研究方面的文獻中，LID措施中的可滲透路面(permeable pavement)、綠色屋頂(green roof)、雨水花園(rain garden)、生物滯留池(bioretention)應用較多；模型中暴雨管理模型(SWMM)出現頻率較高；廣州、廈門、武漢、濟南4個城市出現頻率較高；植物、土壤和基質出現頻率較高；政府、管理、規劃和研究也出現了較高的頻率。

圖1 我國海綿城市建設中LID關鍵詞疊加分析聚類Fig.1 Overlay Analysis of Keywords Related to LID of Sponge City Construction at Home

李雯[7]運用文獻計量法，根據關鍵詞共現分析，利用文獻計量軟件Cite Space對2019年及以前的711篇海綿城市建設相關文獻進行關鍵詞分析，其中LID出現頻次較高，說明LID技術在海綿城市建設中得到了廣泛應用。LID提倡因地制宜，在徑流產生的源頭部位設計各種低影響/綠色設施，引導雨水徑流遵循自然循環過程，進行生態化、低能耗處理，不僅能削減徑流總量、減小徑流峰值、延長徑流產生時間、減少雨水污染負荷和補充地下水，還能最大程度地降低城市建設中土地開發利用對周圍生態環境的影響[8]。LID技術既適用于新城開發，又適用于舊城改造[9]。生物滯留設施(雨水花園)[4,10]、植草溝[11]、下沉式綠地、可滲透路面[12]、屋頂花園[13]以及其他各種小型措施都是LID在海綿城市建設中的典型應用，主要通過沉淀、滲透、過濾、截留和微生物降解[14]等過程，充分發揮滯留和凈化雨水的功能，達到徑流削減、污染控制、雨水回用，從而實現“滲、滯、蓄、凈、用、排”的功能[15]，如圖2所示。

圖2 LID在海綿城市建設中的應用及主要功能Fig.2 Application and Main Function of LID in Sponge City Construction

2 典型LID徑流削減和污染控制研究進展

2.1 徑流削減效果和污染去除效果

我國很多學者的研究顯示，LID作為一種生態、低成本、景觀化的城市雨洪管理方法，具有顯著削減雨水徑流水量與調控雨水污染負荷作用。

典型LID設施如雨水花園、植草溝、透水鋪裝等都被證實具有較好的徑流削減和污染物去除效果。李家科等[16]以西安市某片區降雨徑流及污染削減為研究對象，在2～20年一遇的降水條件下，雨水花園對城市暴雨所形成的徑流量與水質都有較好的控制效果，能夠減少徑流總量和徑流峰值，同時削減污染物濃度峰值和負荷。唐雙成等[17]通過在黃土地區開展雨水花園對雨水徑流及污染物降解的試驗發現，雨水花園對入流中總磷和總氮的去除率很低，平均值僅為6.3%和2.7%，但因截留了很大比例的入流(平均削減率為51.5%)，其對氮、磷污染物總負荷的削減率分別達到52.5%和51.5%；但是優先流現象導致雨水花園出流速度較快，水力停留時間較短，影響雨水花園的總體效果。Yuan等[18]研究發現，植草溝可有效去除污水中的總懸浮固體、化學需氧量、總氮、總磷，而且夏季去除效果優于冬季。張紫陽等[19]研究發現3種透水鋪裝系統對5種徑流重金屬都有較好的去除效果，其中陶瓷透水磚的去除效果最好且最穩定。綜合實地試驗研究和模型模擬研究都證明，LID設施具有良好的減少地表徑流和污染物去除作用，但隨著降雨強度的增加，調控效果會有所降低。Kong等[20]綜合分析了重慶悅來4個試點地區LID建設后的污染物特征、凈化過程和環境影響等因素，發現以高密度土壤和綠色植物為基礎的LID對減少地表徑流和緩解初期沖刷效應都十分有效，氨氮、硝酸鹽氮、總氮、總磷、總懸浮固體、化學需氧量污染物負荷每年分別降低2 137、1 041、4 296、371、204 360、246 850 kg/km2。宋鴻婕[21]應用SWMM模型模擬在沈陽農業大學研究區域(6.757×105m2)中運用LID措施，LID面積為4.551×105m2(67.35%)，其中綠色屋頂占20.6%、雨水桶占20.7%、透水鋪裝占46.3%、雨水花園占12.4%，設計降雨量為25.7 mm；此設計方案對兩年一遇重現期的徑流量削減率達到88.4%以上，徑流系數為0.45以下，研究區域的徑流量和峰值量的削減率都很明顯。表1以生物滯留池(雨水花園)為例，總結部分文獻研究結果中徑流量削減以及各種污染物去除效果，其在徑流削減方面可達到40%左右，污染物去除率方面可達到40%～80%。

表1 生物滯留池(雨水花園)污染物去除效果Tab.1 Pollutants Removal Effect of Bioretention Pond (Rain Garden)

2.2 污染物去除機理及優化建議

LID技術通過滯留和凈化雨水，達到徑流削減、污染控制、雨水回用的目的，從而實現“滲、滯、蓄、凈、用、排”的功能。城市地表徑流水需要經過物理、化學、生物等復雜反應，以及吸附、沉淀、吸收、降解等過程，利用植物作用、土壤(基質)作用、微生物作用以及三者的協同作用來完成處理。因此，從某種意義上來說，海綿城市中的大多數LID技術是人工濕地的延伸和應用。

2.2.1 土壤(基質)的調蓄與滯留作用

土壤(基質)是LID實現調蓄入滲、滯留、緩釋雨水徑流的水文調節和吸附、過濾、降解徑流污染物的重要場所。在人工濕地中，基質在污染物削減方面發揮了主要作用。陳韜等[24]的研究發現，城市土壤特征從不同程度上影響其對降雨徑流的傳輸和處理效果，徑流量的控制與土壤質地、容重、孔隙度密切相關。師曉陽等[25]以廈門市海滄區馬鑾灣試點區為例，研究發現雨水花園適合在學校、停車場等面積較大地區進行布設，而生物滯留設施則適合應用在道路和居住小區綠化帶等面積較小、坡度較小的區域。許目瑤等[26]在揚州市開展雨水花園集中入滲試驗，研究發現土壤水的變化受雨前土壤水分、入滲水量、非飽和區土層深度等因素的綜合影響，研究結果可為同類雨水花園的設計和建設提供參考。因此，在建設LID設施前，須對場地土壤特征進行詳細調查和分析：若土壤具有很好的導水性能，則建議布置的LID措施應以下滲為主；若土壤具有一定的持水性能，則LID措施應以去除污染負荷為主要作用；若當地土壤不能直接使用，則需進行土壤改良，確保能發揮好土壤自身及生物棲息地作用，兼具LID措施所需功能[24]。因此，在海綿城市LID建設過程中，應充分開展土壤現狀調研，結合當地土壤特征，以及所處地形、地質、水文、氣象等條件，選擇合適的LID措施，設置LID布置的優化條件參數，并對不同LID措施進行優化布局。

近年來，濕地和人工浮床技術的相關研究較多，側重不同基質或基質組合對污染物的去除效果，而磷的高效去除主要依靠基質的攔截吸附和絡合沉淀等[27]。因此，未來工程應用成熟的基質或基質組合將在海綿城市建設的LID技術實施中發揮重要作用。

2.2.2 植物的滯留、吸收與景觀作用

植物是雨水花園、植草溝、下沉式綠地、綠色屋頂等典型LID技術的重要組成部分，有多方面作用：降低地表雨水徑流與水力負荷；吸收、吸附污水中的污染物，并具有氧氣傳輸功能，利于有氧微生物的生長以及氧化、還原反應的進行，促進污染物削減[28]；此外，還具有景觀效益以及一定的經濟價值等。

很多研究發現，與未種植植物的LID相比，種植植物的LID對氮、磷等污染物質的去除率更高，說明植物對LID設施中營養物質的去除具有重要作用[28-29]。Henderson等[30]觀察合成雨水的生物滯留土柱試驗，發現沒有植物的系統出現了氮、磷的淋溶現象，而有植物的系統中近乎沒有出現氮、磷的淋出。劉志寬[31]對植物的根系泌氧的特征與總氮、總磷去除效果進行綜合分析得出：濕地植物根系的泌氧速率與總氮、總磷的去除率存在正相關關系，即泌氧速率越高，總氮、總磷去除率越大。江福英[28]研究水培條件下，15種濕地植物對氮、磷的吸收和積累效果，發現美人蕉對溶液中氨氮、硝酸鹽氮和磷的去除率較高，且植物體內對氮、磷積累量較高，對污染水體中凈化效果明顯。汪文強[32]研究了4種水生植物對富營養水體養分去除及對水體胞外酶活性的影響，發現鳳眼蓮和空心菜較其他植物具有更強的凈化能力。左杰等[33]選取水芹作為濕地植物，發現當環境溫度低于適宜水芹生長的溫度時，浮床種植法比沙基種植法更有利于水芹植物總生物量的增加，尤其是植株根系生物量的增加。鄧志強[34]應用模擬試驗和野外試驗綜合比較美人蕉和蘆葦作為浮床植物的成本，得出蘆葦浮床成本低30%以上。郭亞平等[35]發現伴隨濕地植物生長的季節性，其處理系統的去污能力也出現季節性差異。另外，夏季收割植物的地上部分有利于提高植物水下溶解氧濃度，進而提高系統污染物去除效率[36]。可見，有無植物、植物類型、種植方式、季節等因素都會對植物的去污效果產生影響，且浮床種植法及經濟植物蘆葦等都可以作為LID技術中植物部分的較好選擇。

因此，應結合當地氣候特點，考慮季節性因素，通過合理搭配設計擴大LID設施中植物季節選擇性，并綜合考慮經濟適用性原則，優先選用當地優勢植物。LID植物選擇的原則為：植物的抗逆性強、既耐旱又耐澇、季節適應性廣、植物根系發達，且去污能力強、生物量大、景觀效果佳、成本低、具有一定的經濟價值、能增加系統的生物多樣性等。

2.2.3 微生物的降解吸收關鍵作用

研究表明，污染水體凈化是植物、土壤(基質)、根際微生物共同作用的結果，而根際微生物的存在是能夠凈化水質的關鍵因素之一[37]。

微生物在氮、磷的循環中起著十分重要的作用。有機氮化合物在微生物作用下轉化為氨或氨鹽基，氨或氨鹽基被氧化為硝酸鹽氮，硝酸鹽氮通過反硝化作用轉化為氮氣。有機磷一方面被微生物固定隨著其死亡可重新釋放轉變為植物可利用的磷，另一方面，土壤中存在的解磷菌或溶磷菌能夠將植物難以吸收利用的磷轉化為可吸收利用的形態，供植物吸收利用[14]。植物根系具有泌氧功能，促使植物根區形成好氧-缺氧-厭氧的區域[38]，不同含氧區域為不同的微生物提供了生長條件，有利于不同微生物生長和代謝，豐富了根區微生物的種類和數量，有利于增加脫氮除磷微生物的種類和數量，從而達到良好的脫氮除磷效果。不同植物根系的泌氧速率不同，形成的不同根際微環境導致其根際微生物種群產生差異，從而產生不同的去污能力。江福英[28]研究發現4種濕地植物的根際土壤脲酶、磷酸酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶活性都較非根際高，說明因為根際微生物的存在，加速了介質中氮、磷的轉化效率。另外，基質可以為微生物提供附著面，不同的濕地植物基質中，其根際與非根際的微生物數量特征呈現出明顯的差異[28]。

因此，微生物降解對LID中污染物的去除發揮著不容忽視的作用，植物的不同會對根際微生物產生影響，篩選LID植物時，也應考慮到其根際微生物特征。另外，可以考慮在LID設施內設置曝氣管道或者改變設施內進水出水方式等，改變基質和根際微環境，增加微生物的種群和數量。

總的來說，LID設施減少雨洪徑流和污染物去除的機理主要包括3個方面(圖3)：(1)土壤(基質)吸附過濾截留功能是蓄滯地表徑流和去除污染物的主要因素之一；(2)設施內生長的植物在削減地表徑流、吸收吸附雨水污染物中發揮重要作用；(3)微生物的特別作用可降解有機物轉化為無機物，為植物提供無機養分，促進設施中的植物生長和有機循環[23]。

圖3 LID徑流削減、污染控制、雨水回用的機理Fig.3 Mechanism of LID in Runoff Reduction, Pollution Control and Rainwater Reuse

2.3 雨洪控制模型在LID中的應用現狀

模型能夠有效模擬海綿城市中LID技術的實施效果，且能夠對模擬效果進行量化，對促進我國LID措施的推廣應用和城市雨洪控制系統的合理規劃具有重要指導意義。國內外對城市雨洪與面源污染模型的研究已相當廣泛，代表性模型有SWMM、SWAT、SUSTAIN等[39]。

康宏志等[40]總結了主要模型的基本功能和適用情況，及其在國內外的研究進展和實踐情況，并簡要分析了各模型在我國海綿城市建設模擬中的適用情況，為海綿城市雨洪控制模型的選擇提供一定的參考。由圖1可知，SWMM是海綿城市建設中運用最為廣泛的雨洪管理模型。李雯[7]運用文獻計量法進行關鍵詞分析，SWMM出現頻次最高，也證明了這一點。SWMM可用于海綿城市建設LID設施的規劃、設計和評估，且新版SWMM 5.1中特別引入LID模塊，模擬LID設施對徑流量的削減和污染物負荷減少的有效性，能很好實現一些常用LID措施如雨水花園、透水路面、綠色屋頂、植草溝、雨水裝置等的模擬和設計功能。很多學者采用SWMM進行模擬，分析不同LID設施對場地雨水徑流和峰值控制，都取得了很好的效果[16,21,41]。黃筱[42]采用SWMM對大浦鎮設計的雨水管道進行模擬，并根據模擬結果對原有設計方案進行改進，同時加入LID措施，分析不同情境下雨洪設施對場地雨水徑流和峰值的控制效果，探索出一套復雜地形LID技術應用流程，可以為具有復雜地形的小城鎮雨水系統規劃提供思路和借鑒。其他雨洪控制模型也得到了一定應用，尤其是SWAT[43-45]應用較多，它可以根據流域非點源負荷輸出污染源組成、空間特征、地勢地形特點，從源頭控制與過程控制兩方面設置不同LID措施，對各類措施的環境效益進行評估。李偉等[46]以美國德克薩斯州哈里斯縣區域為例，挑選了雨水花園、雨水倉庫和滲水路面3種常見的LID技術，基于SWAT軟件優化了針對地表徑流和污染物含量設定的5個方案，優化設計評估，提出了節流減排的目標。SUSTAIN模型能模擬城市雨水徑流的水量和水質，廣泛應用在BMPs/LID措施的選擇、評估和布局，但更多側重于BMPs[47-49]。繆遇虹[50]運用SUSTAIN模型優化模塊NSGA-II算法對各個布局可能性進行最優化計算，得到一系列成本效益最佳的布局方案。賈海峰等[51]運用SUSTAIN系統進行LID/BMPs措施的篩選，并支持了措施的選址、布局研究。其他模型如MIKE SCAD[40]、RECARGA[22]、HYDRUS-1D[52]等也在相關研究中有一定的應用。

模型的發展為LID各種措施的優化配置提供了更加科學的指導和依據。模型應用的總體思路一般為：首先，研究區域特點(包括水文氣候、地形、土壤、非點源污染特性、經濟實力以及區域整體規劃等)，根據當地情況并結合經驗在空間上配置可選的LID，形成幾種LID優化配置的候選方案；然后通過模型模擬的方法對候選方案的削減效率及經濟成本進行評估；最后選取成本效益最佳的LID配置方案。但是，目前很多模擬工作都是根據經驗進行，與研究區域土地利用的實際規劃情況存在較大偏差，而且缺乏實際監測數據驗證，導致模擬結果準確性有待考察，無法很好地指導LID措施的設計、規劃與實施。因此，加強實際監測數據的收集、建立大數據庫功能、強化模型的驗證和率定、提高模擬準確度，應是未來模型研究工作中需要重點克服的難點。

3 LID設施綜合效益評估

隨著全國30個試點海綿城市建設工作的開展和逐步完成，海綿城市建設的綜合效益評估工作越來越重要，以期為后續全國其他城市開展海綿城市建設工作提供借鑒和指導意義。目前，針對海綿城市建設及雨水措施效益評價多集中在定性研究方面，近幾年開始嘗試對海綿城市的綜合效益開展定量化研究。

成本效益分析作為一種單目標決策分析方法，廣泛應用于LID措施的篩選與評估。蘆琳[53]從全過程生命周期成本效益進行分析，結果為雨水花園>滲透鋪裝+滲透管/井系統>傳統雨水排水系統等。常艦[43]采用SWAT模型，運用成本效益法對各類措施的環境效益進行評估。Wang等[54]運用成本效益分析法，分析了在未來氣候變化預期情景下，不同LID措施的實施效果，為決策者在選定合適的成本、徑流及污染控制效益時提供參考方案。層次分析法(AHP)可以系統清晰地對海綿城市的綜合效益進行評估，已得到廣泛應用，發展比較成熟。羅玉婷[55]運用AHP，從適應能力、功能效益、經濟投入3個方面建立適用于老城區的評價模型，并對其中的二級、三級標準進行說明闡述，然后進行評價指標的量化與標準化處理，建立矩陣和計算權重，最后根據綜合評價模型進行整合并評價。俞茜等[56]為了在規劃設計階段全面評價LID設施的效益，分別從減災效益、經濟效益、環境效益和社會效益4個方面篩選了18個評估指標，構建了5類不同LID設施的綜合效益評估指標體系，但其中大部分指標都是定性研究。Li等[57]選取南寧市體育場作為研究案例，選取5種LID措施對體育場進行改造，提出了5種不同的情景，每種情景中各種LID設施設置不同的建造比例，并運用AHP設計的評估體系，涵蓋環境、經濟和社會效益層級指標，最后對5種不同情景進行綜合效益分析，結果表明在34.5%的滯留池設施和46%的下沉綠地情景下可得到最好的環境、經濟和社會效益。此種情景分析法對于海綿城市建造適宜的LID設施布設面積和比例給出了很好的示范。另外，近年來相關學者開始進行海綿城市LID綜合效益的貨幣化研究。李晨等[58]在北京市某建筑小區通過增設綠化屋頂、下沉式綠地、雨水調蓄池等雨水調控措施，對比增設設施前后外排量、節水量、污染削減量、節電量、固碳釋氧量等的變化，評估其效益。孫文靖等[59]采用水量平衡法、影子工程法、替代工程法等環境經濟方法，構建海綿城市建設效益的貨幣化測算方法，該研究將海綿城市建設的效益貨幣化，能更加直觀地體現其綜合價值及實際收益。

海綿城市建設LID綜合效益涉及經濟、生態環境、社會3個方面，較為復雜。因此，基于環境經濟學原理，結合生命周期理論，運用AHP，建立合理的評價指標體系，建立準確、合理的效益識別和貨幣化的測算方法，從而對海綿城市的綜合效益進行定性和定量分析，可以為未來海綿城市改造實踐和已建成的海綿城市的效益評估提供參考。

4 結論與建議

LID技術作為我國海綿城市的主要雨洪調控措施，具有跨行業、跨部門、跨學科的特點，涉及規劃、建筑、排水、結構、道路、園林、水文等多個專業，需要國土、規劃、水務、林業、農業、環保、建設、管理等多部門的協調配合，是城市建設中的系統工程，需要建立系統的規劃、管理及評估體系。

(1)技術研究方面：應加強開展主要LID設施的專項研究，包括每個LID設施實施的適用條件，并在此基礎上結合具體地理特征和氣候條件等因素，對措施本身材料選擇和設計、組合式措施的布局方式、措施參數的選擇等給出建議；在此基礎上，制定全面的LID技術指導手冊、設計規范和標準。

(2)模型方面：在現有模型的基礎上，盡快開發和優化適合我國氣候、地質、水文、經濟等條件的專用模型，運用大數據庫加強模型的驗證和率定，提高模擬準確度；模型應涵蓋規劃、設計、施工、運營管理和評估等各個階段，可用于海綿城市全生命周期效果的模擬。

(3)成本與效益方面：應加入LID各項措施的使用壽命期，開展全生命周期的成本效益分析，建立整套系統的績效評價體系；同時，盡快研究制定出普適的綜合效益評估指標體系，建立準確、合理的效益識別和貨幣化的測算方法，為海綿城市LID綜合效益評估提供指導。