1、基于“海綿城市”理念下生物滯留設(shè)施的研究進(jìn)展摘要：隨著我國城市化進(jìn)程的加快，由城市下墊面改變和降水徑流引發(fā)的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，作為低影響開發(fā)措施之一，生物滯留技術(shù)對(duì)于消納、凈化降水徑流具有重要作用1-2。通過對(duì)生物滯留系統(tǒng)去除污染物存在的問題和國內(nèi)外現(xiàn)在研究的解決方案綜合分析。為進(jìn)一步深入研究生物滯留系統(tǒng)提供參考性建議。關(guān)鍵詞：生物滯留設(shè)施；雨水污染；雨洪管理隨著城市化進(jìn)程加快，由雨水引發(fā)的城市水質(zhì)惡化、洪澇災(zāi)害等問題日益凸顯。一方面，由于城市開發(fā)不合理，可滲透地表面積越來越少，由暴雨徑流產(chǎn)生的面源污染已成為城市水環(huán)境惡化的重要原因。降雨徑流中含有懸浮物、耗氧物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、有毒物質(zhì)、油脂類物

2、質(zhì)等多種污染物，這些污染物隨徑流流進(jìn)江河湖泊，造成了水污染。美國國家環(huán)保署把城市降雨徑流列為導(dǎo)致全美河流、湖泊污染第三大污染源，城市雨水徑流對(duì)河流污染的貢獻(xiàn)占9%，129種重點(diǎn)污染物中約有50%在城市徑流中出現(xiàn)，在一些州，城市徑流和其他非農(nóng)業(yè)的面源被列為主導(dǎo)污染源，城市水體BOD年負(fù)荷40%-80%來自雨水徑流5。我國90%以上城市水體污染嚴(yán)重，很多城市水體有黑臭或水華現(xiàn)象發(fā)生，嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。針對(duì)城市徑流污染及相應(yīng)的雨洪管理，傳統(tǒng)的末端治理設(shè)施占地面積大、建設(shè)集中、卻無法改善城市環(huán)境。受全球氣候變化影響，強(qiáng)降雨引發(fā)的城市地表徑流強(qiáng)烈波動(dòng)，使城市洪澇問題面臨不斷加劇的風(fēng)險(xiǎn)。目前，城

3、市發(fā)展迫切需要可持續(xù)性的雨洪管理新策略，低影響開發(fā)就是目前國際上城市水環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的于洪管理新策略。低影響開發(fā)（lowimpactdevelopment,簡(jiǎn)稱LID）就是目前國際上城市水環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的雨洪管理新策略。LID措施于20世紀(jì)90年代發(fā)源于美國馬里蘭州，主要采用分散。多樣。小型、本地化的技術(shù)從源頭上儲(chǔ)存、滲濾、蒸發(fā)以及截留雨水，最大程度地保護(hù)開發(fā)改造地區(qū)水文機(jī)制，減少負(fù)面環(huán)境影響，其主要包括生物滯留、綠色屋頂、可滲透路面鋪裝等措施，均是通過減少不透水面積、增加雨水滲濾，利用雨水資源實(shí)現(xiàn)可持續(xù)雨洪管理。其中，生物滯留技術(shù)目前較流行，其凈化水質(zhì)效果在美國及其他發(fā)達(dá)國家得到

4、廣泛認(rèn)同和應(yīng)用，但在國內(nèi)尚屬于新興領(lǐng)域。1生物滯留設(shè)施內(nèi)涵生物滯留技術(shù)指在地勢(shì)較低的區(qū)域，通過植物、土壤和微生物系統(tǒng)蓄滲、凈化徑流雨水的技術(shù)。生物滯留設(shè)施分為簡(jiǎn)易型生物滯留設(shè)施和復(fù)雜型生物滯留設(shè)施，按應(yīng)用位置不同又稱作雨水花園如圖1、生物滯留帶、高位花壇、生態(tài)樹池等。生物滯留系統(tǒng)如圖2所示，由表面雨水滯留層、種植土壤覆蓋層、植被及種植土層、砂率層和雨水收集等部分組成8:（1）表面雨水滯留層在系統(tǒng)表面留有一定低于周邊地表標(biāo)高的空間，用以收集徑流雨水以及當(dāng)徑流量大時(shí)暫時(shí)儲(chǔ)存雨水。（2）種植土壤覆蓋層在種植土表層鋪樹葉、樹皮等覆蓋物，防止雨水徑流對(duì)表面土層的直接沖刷，減少水土流失。還可以使植物根部保

5、持潮濕，為生物生長(zhǎng)和分解有機(jī)物提供媒介，并過濾污染物。（3）砂率層在砂率層和種植土層間添加土工布防治土層被侵蝕進(jìn)入砂率層堵塞滲管。滲管開孔率不小于2%，砂率層采用黃豆大小的濾料。圖1雨水花園圖2生物滯留設(shè)施典型結(jié)構(gòu)2生物滯留對(duì)水質(zhì)凈化效果2.1對(duì)氮的去除效果LucasWC,GreenwayMio研究得出生物滯留技術(shù)對(duì)NH+4-N的去除效果最好，去除率大多在70%以上；分析認(rèn)為生物滯留系統(tǒng)中硝化反應(yīng)的發(fā)生以及土壤顆粒的吸附作用對(duì)氨氮的去除起到了重要作用。對(duì)TN的去除率大多在30%60%;對(duì)NO-3-N的去除效果最不穩(wěn)定，去除率為54%-90%。2.2對(duì)SS的去除效果通常情況下，在沉淀和過濾的作用

6、下，運(yùn)行穩(wěn)定、成熟的生物滯留系統(tǒng)對(duì)SS的去除非常有效。針對(duì)SS的去除率較低或出水負(fù)荷高于進(jìn)水的情況，在口0-11】中提到可能是填料填充時(shí)間較短，在沒有完全穩(wěn)定的情況下細(xì)骨料被沖出造成的。2.3對(duì)磷的去除效果系統(tǒng)中的磷主要通過植物吸收、微生物同化及填料吸附過濾去除，其中填料起到主要作用。粘粒含量較高的粘土對(duì)磷的吸附效果較好,但粘土含量過高會(huì)影響系統(tǒng)的滲透性能。為了提高生物滯留系統(tǒng)對(duì)TP的去除能力,Fletcher11-12等發(fā)現(xiàn)填料未添加腐殖土?xí)r（TP含量為150mg/kg）,對(duì)P的去除率高達(dá)86%88%,而添加腐殖土后（TP含量達(dá)380mg/kg）出現(xiàn)了嚴(yán)重的淋洗現(xiàn)象，這表明添加有機(jī)質(zhì)造成填料

7、中磷本底值過高，反而使出水水質(zhì)惡化，因此應(yīng)嚴(yán)格控制有機(jī)質(zhì)的添加量。此外，粘粒含量較高的粘土對(duì)磷的吸附效果較好，但粘土含量過高會(huì)影響系統(tǒng)的滲透性能。所以要根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕涤炅俊⒂晁|(zhì)、地勢(shì)等情況選擇合適的填料以及合適的填料比例。不同地區(qū)這些參數(shù)不一樣。但是可以通過實(shí)驗(yàn)給出情況相似地區(qū)的參數(shù)值范圍。2.4重金屬和其他污染物去除對(duì)重金屬的去除效果：有關(guān)資料提到生物滯留系統(tǒng)對(duì)Cu、Pb、Zn、Cd等4種金屬的去除率都很高，平均去除率在60%以上，絕大部分重金屬在填料表層2025cm內(nèi)被去除，顆粒態(tài)金屬被過濾截留吸附，溶解態(tài)金屬則被吸附或被植物吸收。有關(guān)資料證明提到，在裝置底部設(shè)置淹沒厭氧區(qū)及添加碳源的方

8、法對(duì)于持續(xù)干旱條件下重金屬的去除同樣有效，對(duì)Cu的去除率提高了12%,取得最佳去除效果的淹沒厭氧區(qū)深度是450mm或600mm。長(zhǎng)期運(yùn)行的生物滯留系統(tǒng),由于表層重金屬的富集，可能會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)構(gòu)成威脅，應(yīng)定期更換表層填料進(jìn)行維護(hù)13。重金屬和P一樣，除了植物吸收利用，其余的均富集在土壤里面，這樣指標(biāo)不治本，所以植物的選擇至關(guān)重要，從環(huán)境的角度看，植物的選擇、種植對(duì)N、P、重金屬等等污染物的去除是最重要的。對(duì)油脂類與致病菌的去除效果，相關(guān)研究M3表明徑流中油脂類污染物主要來自汽油燃燒及潤(rùn)滑油的泄漏，生物滯留系統(tǒng)對(duì)油脂類的去除率90%,并指出覆蓋層的截留吸附起到了主要作用。油脂類與SS較好的相關(guān)性是

9、其去除的主要原因。3生物滯留系統(tǒng)去除污染物改善措施對(duì)TN、NO-3-去除建議設(shè)置淹沒厭氧區(qū)，由于該系統(tǒng)不具備反硝化發(fā)生的條件，因此對(duì)硝態(tài)氮的去除效果較差。Hunt通過在設(shè)施底部設(shè)置淹沒厭氧區(qū)，使生物滯留系統(tǒng)對(duì)NO-3-N的去除率提高至75%（無這種設(shè)置時(shí)對(duì)硝態(tài)氮的去除率僅為13%）14。對(duì)TP污染物去除效果改善措施:更換填料Erickson在研究中摻加石英砂、石灰石、鋼絲絨等介質(zhì)以增大吸附面積，并得出添加2%的鋼絲絨可使系統(tǒng)對(duì)TP的去除率保持在80%?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)中較為推薦使用滲透性能良好、以土壤為基底、含一定有機(jī)質(zhì)的填料混合物。在美國設(shè)計(jì)手冊(cè)中幾乎都提到添加20%30%的腐殖質(zhì)（通常為硬木屑、草

10、桿、落葉堆肥等）來調(diào)理土壤。但這會(huì)使填料中的有機(jī)物含量高達(dá)35%65%，致使?fàn)I養(yǎng)物本底值過高而出現(xiàn)強(qiáng)烈的淋洗作用。目前這個(gè)問題已逐漸得到重視，如阿拉巴馬州、康涅狄格州的最新設(shè)計(jì)手冊(cè)都規(guī)定填料土壤中有機(jī)質(zhì)含量為1.5%-3%,FAWR15規(guī)定最多不超過5%。此此外，對(duì)填料中營養(yǎng)物含量也提出了要求，如FAWB規(guī)定氮含量1000mg/kg,磷含量80mg/kg,如種植了對(duì)磷敏感的植物，則磷含量應(yīng)小于20mg/kg。植物作用：植物的作用非常巨大，尤其是較為發(fā)達(dá)的根系可以促進(jìn)污染物的吸收、吸附，而且根系可以提供微生物生長(zhǎng)附著的載體，旺盛的微生物活動(dòng)也可以大大提高對(duì)污染物的降解去除。對(duì)于氮和磷，根系發(fā)達(dá)與

11、否會(huì)產(chǎn)生20%37%的去除率差異。有研究表明，在長(zhǎng)期的高負(fù)荷進(jìn)水后，未種植植物的系統(tǒng)其去除能力會(huì)逐漸衰減甚至完全消失，而種有植物的系統(tǒng)即使有部分吸附飽和現(xiàn)象發(fā)生，也可以維持較好的除污能力。通常植物根系需要占有一定的空間后才能發(fā)揮效果，而這也是系統(tǒng)成熟、穩(wěn)定的標(biāo)志，F(xiàn)AWB的研究者認(rèn)為至少需要7個(gè)月的時(shí)間。如果有成熟的植被，有維護(hù)較好的植物根區(qū)，可以大大提高生物滯留系統(tǒng)的除污效能，因此設(shè)計(jì)時(shí)要選擇耐旱、耐澇、根系發(fā)達(dá)的植物類型，注意對(duì)植物的養(yǎng)護(hù)等。千屈菜是適宜的植物物種：多年生草本，根莖橫臥于地下，粗壯；莖直立，多分枝，高30-100厘米，生于河岸、湖畔、溪溝邊和潮濕草地。喜強(qiáng)光，耐寒性強(qiáng)，喜水

12、濕，對(duì)土壤要求不嚴(yán)，在深厚、富含腐殖質(zhì)的土壤上生長(zhǎng)更好。適合潮濕、雨水多的南方地區(qū)。防慘膜可選）穿孔排水管DN100T5C1接雨水管渠礫石層25Ci-3Q0mm復(fù)雜型生物滯留設(shè)施典型構(gòu)造示意圖4生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)計(jì)算生物滯留設(shè)計(jì)內(nèi)容：生物滯留池面積、生物滯留池容積、生物滯留池組成構(gòu)造的設(shè)計(jì)（植物選擇、蓄水深度、填料層設(shè)計(jì)、排水層設(shè)計(jì)）。（1）生物滯留池面積的確定早期有兩種方法，一種是采用可以處理匯水面上1.25cm徑流量所需的面積，另一種是用匯水面積與徑流系數(shù)乘積的5%-7%作為設(shè)施面積，這兩種方法較為簡(jiǎn)單。生物滯留池合理容積的確定在實(shí)際操作中一般是確定達(dá)到某一可以接受的污染物控制率。發(fā)達(dá)國家提

13、出了“水質(zhì)控制體積”（WQV）141式（1）所示的概念，WQV指為了達(dá)到控制徑流污染、保證水質(zhì)目標(biāo)所需處理的雨水的體積。WQV=10H屮F（1）WQV水質(zhì)控制體積，m3;H一設(shè)計(jì)降雨量，mm;屮一徑流系數(shù)；F一匯水面積，hm2;顯然，WQV的確定即轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)降雨量H的合理確定，而H是一個(gè)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義且主要取決于當(dāng)?shù)氐慕涤陾l件。（2）蓄水深度的確定蓄水層深度是影響設(shè)施儲(chǔ)水能力的主要因素，蓄水層越深，儲(chǔ)水能力越強(qiáng)。早期的設(shè)計(jì)手冊(cè)要求設(shè)施蓄水深度為150mm,馬里蘭州、特拉華州最新設(shè)計(jì)手冊(cè)允許300mm、450mm的最大蓄水深度。蓄水層積水深，積水時(shí)間長(zhǎng)對(duì)植物的選擇提出了更高要求，同時(shí)易造成蚊蠅滋

14、生。一般要求積水在24h內(nèi)排干，如蓄水層深度增加則要求更高滲透能力；同時(shí)蓄水深度增加，不利于植物生長(zhǎng)和景觀質(zhì)量。建議設(shè)計(jì)時(shí)選擇最大蓄水深度為150300mm，具體深度可根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤晏匦浴⒃瓲钔寥罎B透性能選定。在土壤粘粒含量較高、滲透性能較差的地區(qū)，建議選取150mm作為最大蓄水深度。（3）填料層設(shè)計(jì)填料層是雨水花園的主體部分，設(shè)施通過填料的物理、化學(xué)和其中微生物綜合作用削減徑流污染。早期的設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦用滲透速率較高的砂質(zhì)土壤作為填料，馬里蘭州、卡羅萊納州相繼提出50%砂、30%土壤、20%有機(jī)質(zhì)；85%88%砂、8%12%粘土和粉砂、3%5%有機(jī)質(zhì)作為改良填料。對(duì)粘粒含量高的土壤，需要添加大量

15、砂以改善其滲透速率。土壤摻砂會(huì)降低土壤的保水能力，不利于植物生長(zhǎng)。因此，除了向土壤添加砂以外，還應(yīng)添加鋸末、木屑等有機(jī)質(zhì)，提高保水性能，提供適宜植物生長(zhǎng)的條件15。填料深度首先要滿足植物生長(zhǎng)要求。同時(shí)，填料深度影響設(shè)施污染物去除和水量削減效果。雨水花園對(duì)不同污染物的去除機(jī)理不同，Davis等研究發(fā)現(xiàn)重金屬、PAH在填料上層20cm以內(nèi)基本得到去除；Sharkeyg的現(xiàn)場(chǎng)研究顯示75cm的填料深度對(duì)N、P的去除率可達(dá)60%以上。據(jù)此，北卡羅萊納州導(dǎo)則建議按照污染物類型選擇填料深度：重金屬、TN、TP、熱污染為目標(biāo)污染物時(shí)，最小填料設(shè)計(jì)深度分別為45cm、76cm、61cm、91cm。(4) 排水

16、層設(shè)計(jì)填料下層原狀土壤滲透速率一般小于填料層，因此當(dāng)?shù)叵滤^高時(shí)，為避免上層填料飽和，需設(shè)置排水層，存儲(chǔ)不能及時(shí)下滲的徑流。排水層常由砂或者砂礫組成，深度通常取150300mm。當(dāng)需增強(qiáng)脫氮時(shí)，可提高排水管出口高度，強(qiáng)制形成飽水層，營造適宜反硝化的環(huán)境。條件允許的地區(qū)，雨水花園作為“入滲”徑流處理設(shè)施更利于水文循環(huán)，并可減少建設(shè)費(fèi)用。5結(jié)束語國外已有研究結(jié)果表明，生物滯留技術(shù)對(duì)徑流中NH+4-N、SS、重金屬、油脂類及致病菌等污染物有很好的去除效果，對(duì)TN、N0-3-N、TP等營養(yǎng)物的去除不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)出水負(fù)荷高于進(jìn)水的情況，一方面由于向填料中添加有機(jī)質(zhì)的量較大造成營養(yǎng)物本底值過高，出現(xiàn)了較

17、強(qiáng)的淋洗作用；另一方面沒有足夠的反硝化發(fā)生條件也使得氮類污染物無法完全降解。可行的改善措施是通過設(shè)置淹沒厭氧區(qū)、添加適量有機(jī)質(zhì)的方法促進(jìn)反硝化的發(fā)生，以及添加吸附能力較強(qiáng)的介質(zhì)促進(jìn)污染物的吸附去除。生物滯留即使在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意設(shè)計(jì)規(guī)模、填料組成與深度、植物作用、目標(biāo)污染物、維護(hù)管理等因素，選擇適合當(dāng)?shù)貜搅魈攸c(diǎn)的設(shè)計(jì)構(gòu)型。參考文獻(xiàn)1 車伍，閆攀，趙楊.國際現(xiàn)代雨洪管理體系的發(fā)展及剖析J.中國給水排水.2014,30(18):45-512 CheW,ZhaoY,YangZ,etal.Integralstormwatermanagementmasterplananddesigninanecolog

18、icalcommunityJ.JournalofEnvironmentalSciences,2014,26(9):1818-1823.車伍，張錕，趙楊我國排水防澇及海綿城市建設(shè)中若干問題分析J.建設(shè)科技.2015(1):4USEPA.NationalWaterQualityInventory.ReporttoCongressEx-ecutiveSummaryM.WashingtonDC:USEPA，1995:344.汪慧貞，李憲法.北京城區(qū)雨水徑流的污染及控制J.城市環(huán)境與城市生態(tài)，2002，15(2):16-18.車伍，劉燕，李俊奇.國內(nèi)外城市雨水水質(zhì)及污染控制J.給水排水，2003,29(

19、10):38-42.7陳瑩，趙劍強(qiáng)，胡博.西安市城市主干道路面徑流污染特征研究J.中國環(huán)境科學(xué)，2011，31(5):781-788.楊德敏，曹文志，陳能汪，等.廈門城市降雨徑流氮、磷污染特征J.生態(tài)學(xué)雜志，2006，25(6):625-628.9 王文亮.雨水生物滯留技術(shù)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究D.北京：北京建筑工程學(xué)院，2011.10 DietzME，ClausenJC.AfieldevaluationofraingardenflowandpollutanttreatmenJ.WaterAirSoilPollution,2005，167(1/4):123138.11 SunX，DavisAP.Heavymetalfatesinlaboratorybioretentionsys-temsJ.Chemosphere，2007，66(9):1601160