城市雨水低影响开发研究进展

罗贤达 李翠梅

摘要 随着城市的快速发展，传统的“末端”雨水处理措施已经不适用。低影响开发（Low Impact Development，LID）是一种通过源头分散控制理念实现雨水控制与利用的雨水管理理念。总结了低影响开发的主要措施及研究进展，讨论了其在推广过程中的障碍和局限性，提出了低影响开发在推广过程中的解决方案，展望了低影响开发技术在我国的应用前景。

关键词 低影响开发；雨水管理；研究进展；应用前景

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）16-05203-04

随着经济社会的快速发展，城市化过程不断扩张，不透水面积逐渐增加，一方面导致地表径流和洪峰流量增加，径流系数增大，汇流时间缩短，地下水补给量减少；另一方面影响城市气候特性，导致城市“热岛”效应。在暴雨过程中，地表径流的增大增加了洪涝灾害的可能性，将会给人民的生产生活带来巨大的威胁和损失。因此城市的发展需要具有可持续性的雨洪管理新措施，低影响开发（Low Impact Development，LID）就是基于此基础而提出的一種新的雨水管理理念，最早于20世纪90年代初由美国马里兰州的王子乔治郡以雨水花园为基础提出的[1]，目前在一些发达国家如美国、加拿大、澳大利亚和英国等国家都得到很广泛的实际工程应用。如美国的“最佳管理措施”（Best Management Practices，BMP），澳大利亚的“水敏感性城市设计”（Water Sensitive Urban Design，WSUD），英国的“可持续性排水系统”（Sustainable Urban Discharge System，SUDS）等，都是基于此理念开发出来的雨洪管理措施。

LID从源头分散控制污染并利用雨水资源，不仅改善了经济发展与环境保护中的矛盾，也在水资源短缺的情况下提高雨水利用效率。它是通过采用各种分散、小型、多样、本地化的技术来维持开发前原有水文条件，尽量减少开发场地的不透水面积，控制径流污染、减少污染排放，实现开发区域的可持续水循环。

1 低影响开发（LID）措施

1.1 生物滞留 生物滞留（Bioretention），又称雨水花园，一般由砾石层、砂层、种植土壤层和蓄水层等组成，通常设置在停车场、居住区和商业区等场所。来自强降雨过程中不透水路面的雨水流入生物滞留区，经土壤、微生物、植物的一系列生物、物理、化学作用实现雨洪滞蓄和水质处理。生物滞留技术将雨水管理技术与景观设计相结合，在滞留雨水的同时又可提供景观价值。

通过生物滞留技术既可减少地表径流量，又可减少市政雨水管网承担的负荷，通过减少溢流发生，可保护受纳水体水质和减少河岸侵蚀。已有研究表明使用生物滞留系统对减少径流量和洪峰有很好的效果，通过对停车场的实地研究发现，生物滞留可以减少97%～99%的地表径流量和洪峰流量[2]。在小强度降雨事件中，生物滞留可以完全滞留径流流量。渗透和蒸发作用在滞留径流的过程中起到很重要的作用，Chapman等发现通过生物滞留系统的渗透和蒸发作用可以减少48%～74%的径流量[3]。

从现有研究成果可以发现，生物滞留系统对各污染物的平均去除效果较显著[4]。其中总悬浮物（TSS）滞留率最高且稳定，生物滞留区的微生物降解过程也能很好地去除粪大肠杆菌（FC）[5]和石油类[6]。金属的平均去除率一般在30%～99%，且土壤中较高的有机物含量与金属滞留量具有很高的相关性（P<0.01）[7]。但生物滞留系统中的介质对重金属的吸附能力是有限的，当生物滞留系统使用15～20年后，其累积的重金属量可能会威胁人们的健康[8]。因此可通过选择种植植物种类和定期修复土壤来减少土壤中重金属累积量，植物对重金属的吸附量一般占总金属滞留总量的0.5%～3.3%[9]，但植物与土壤中重金属累积量对生态的影响及解决办法仍需进一步研究。

Davis等在实验室研究了生物滞留系统去除营养物质的能力[10]。研究发现：总磷（TP）的去除率在70%～85%之间，总凯氏氮（TKN）的去除率在55%～65%之间，已有研究发现生物滞留池能去除大部分的氮化合物，但硝态氮（NO3-N）的去除率很低只有不到20%，入流强度和持续时间的不同，硝态氮的去除效果也会不同。为了提高生物滞留系统硝态氮的去除率，Kim等指出饱和土壤中存在有利于反硝化的缺氧区，同时指出报纸屑是很好的反硝化反应的碳源，这能较好地提高硝态氮的去除率，可以达到80%[11]。但Henderson等在实验室中发现没有种植植物的生物滞留系统比种植了植物的系统能释放更多的氮和磷[12]。研究者们在寻找生物滞留系统对营养物质吸收的最佳条件时发现：植物种类对生物滞留系统的设计有很重要的意义。

生物滞留介质的成分在系统的性能方面起着重要的作用，Hsieh等证明在生物滞留池中加入砂介质可以有很好的污染物去除能力[13]。然而，随着时间的推移砂介质的去除效率会逐渐降低，这是由基质有限的生物可持续活性决定的。Lucas等建议改善生物滞留介质的磷吸附材料可以增强系统减少磷复合的能力[14]。

建筑活动也是会影响生物滞留的性能，在生物滞留系统中，介质成分、设计配置、系统大小、植被和位置的选择都在系统中起到非常重要的作用。

1.2 绿色屋顶 绿色屋顶（Green Roof）由植被层、介质、土壤、排水层及防水层等多层材料构成，一般绿色屋顶可分为拓展型绿色屋顶和密集型绿色屋顶。拓展型屋顶几乎不需要管理养护，不需要人工灌溉，对屋顶要求不高；在植物选择上，这类植物几乎不需要修剪，植物属于自然类型，在屋顶能自我发展，自我维持，需要的生长介质重量轻，厚度薄。而密集型屋顶则类似于屋顶花园可以为人类提供可活动的花园，它需要像地面花园般的精心养护，需要较厚的生长介质，经常要灌溉，对屋顶要求较高。

绿色屋顶对雨水的滞留是通过介质的储存和植物的蒸发共同实现的，研究发现，绿色屋顶能较好地削减径流量、延迟径流汇集时间、减少洪峰量、提高空气质量和改善雨水水质及促进能量转换。对于不同植物和介质层，绿色屋顶夏天一般可滞留70%～90%的降雨，冬季可滞留25%～40%的降雨[4]。不同的介质厚度和屋顶坡度会影响绿色屋顶的滞留能力，Van Woert等研究发现较缓的坡度和较厚的介质更有利于雨水的蓄存，其中对于中强度降雨事件，坡度为2%，介质厚度为4 cm的屋顶有很好的蓄存效果（P≤0.05）[15]。研究发现增加绿色屋顶土壤层厚度可以提高系统系能，但整体上介质厚度对于蓄存能力的提高效果并不明显，一般而言，介质厚度在2～12 cm之间不会导致较明显的滞留量。

尽管绿色屋顶在减少降雨径流方面非常有效，但对绿色屋顶出水水质方面的研究数据还是比较匮乏的。在美国北卡罗纳州一项实验研究[16]中发现绿色屋顶的出水中总磷（TP）的浓度高于降雨中的浓度，并且绿色屋顶出水的TP与普通屋顶基本没有差别，这可能与施肥、土壤、屋顶过滤系统等原因有关。所以绿色屋顶在植物和土壤的选取时都要注意，应尽量选取施肥量少、蓄水能力强、耗水量低的植物。

除了能減少降雨径流量和改善降雨径流水质外，绿色屋顶还有很多节能环保优势：①储存雨水。在建筑物承重量允许下通过土壤层和排水层存储更多的雨水，满足灌溉，同时也可以减少城市下水道排水系统的压力；②降低温度。可以降低夏天阳光直射下的屋顶温度，从而减少建筑吸收热量，降低温度；③节能减排。可以通过吸收和反射热量可在夏天降低空调成本，冬天通过增加额外的绝热层从而降低取暖成本；④净化空气。可以通过减少温室气体的排放，还可以通过植物自身的光合作用吸收二氧化碳，释放氧气；⑤降低噪音。可以起到吸收噪音、隔音的作用；⑥降低城市“热岛”效应等。

1.3 可渗透路面 可渗透路面（Permeable Pavers）是指通过各种技术手段使不可渗路面变为透水路面，直接减少地表径流的工程性措施。可渗透路面可有效降低不透水面积，增加雨水下渗能力，同时对雨水径流水质具有一定的净化作用。可渗透路面有水泥孔砖或网格砖、塑料网格砖、透水沥青、透水混凝土等。可渗透路面适用于交通负荷较低的地方，比如停车场、人行道、自行车道等区域。

渗透路面对径流的平均削减率在50%～93%之间，Hunt等在一个透水停车场的研究表明降雨中的75%被多孔介质截留，另外的25%形成径流[17]。Collins等发现透水混凝土路面和混凝土格网路面可以截留6 mm的降雨量，而不产生径流[18]。同一地区的进一步试验证实，透水路面不仅可以减少径流，也可以消除径流的产生，Dreelin等在降雨量和降雨强度都较小的情况下，比较了透水路面停车场和沥青路面停车场的径流量，发现前者产生的径流比后者少93%[19]。

Myers等通过研究发现，渗透路面在经过144 h后Zn、Cu和Pb的去除率可以达到94%～99%[20]，其他也有研究发现Zn、Cu和Pb的去除率都在80%以上，明显要好于沥青路面。Collins等通过对4种类型的渗透路面研究发现，渗透路面去除氨氮（NH4-N）和总凯氏氮（TKN）的效果比沥青路面要好[21]。但是对TP和NO3-N的去除效果却不理想，甚至会出现TP和NO3-N的释放。

尽管不透水路面的主要作用是削减雨水径流和提高雨水水质，但不透水路面还有其他作用：①保持水土。目前我国的雨水排放主要方法是建设雨水收集系统，将雨水收集统一排放，这在一定程度上解决了局部区域积水的问题。但这种传统的雨水排放系统以迅速汇集、排除地面雨水径流为目标，加速了雨水径流汇流速度，缩短汇流历时。雨水下渗量减少，地下水得不到及时补给，由此会引发地面沉降、地下水位线下降等生态环境问题，可渗透性路面系统可以在很大程度上解决这一问题。②延长路面寿命。对于一般路面道板的铺装，由于其垫层大多为不透水的混凝土基础，在雨季，雨水无法及时排走，道板长时间浸泡在水中，基础易损坏，致使道板松动，减少路面寿命。渗透性铺装系统的渗透性可使道板避免雨水浸泡，在一定程度上对延长路面寿命起到重要作用。③降低交通噪声。透水性路面依靠其特有的多孔结构，通过摩擦和空气运动的粘滞阻力，将部分声能转变为热能，从而起到吸声降噪的作用。

1.4 植草沟 植草沟（Grass Swale）指种植植被的景观性地表沟渠排水系统，地表径流以较低流速经植草沟滞留、植物过滤和渗透，使雨水径流中的大多数悬浮颗粒污染物和部分溶解态污染物有效去除[22]，主要作用是降低径流流速和提高雨水水质。它一般适用于居民区、商业区和工业区等区域，可以同雨水管网联合运行，在条件合适的情况下可以代替传统的雨水管道，在完成输送排放功能的同时达到雨水的收集与净化处理要求。

根据地表径流在植草沟中的传输方式不同，植草沟分为3种类型：标准传输植草沟（Standard Conveyance Swales）、干植草沟（Dry Swales）、湿植草沟（Wet Swales）[22]。标准传输植草沟是开阔的浅植物性沟渠，将集水区的径流引导和传输到其他地表水处理设施[23]，一般应用于适合高速公路的排水系统，可在径流量小及人口密度较低的居民区、工业区或商业区代替路边的排水沟或雨水管理系统。干植草沟是指开阔的、覆盖着植被的水流输送渠道，包括过滤层及地下排水系统，以加强雨水的传输、过滤和渗透能力。湿植草沟与传统传输植草沟类似，主要是沟渠型湿地系统，长期处于潮湿状态，由于会产生异味及蚊蝇等卫生问题，所以不适用于居民区。

植草沟中的污染物在过滤、渗透、吸收及生物降解的联合作用下被去除，植被同时也降低了雨水流速，使颗粒物得到沉淀，达到控制雨水径流水质的目的。不同类型的植草沟对污染物的去除效果都不同（见表1）。由表1可知，植草沟可以有效地去除悬浮固体颗粒、有机物和金属，干植草沟的去除效果要比标准传输植草沟和湿植草沟要好，标准传输植草沟对金属的去除效果要比湿植草沟要好，处理过程中湿植草沟有溶解性磷释放。3种植草沟对细菌输出的原因还不清楚，目前对其解释一种可能是植草沟的环境有利于细菌的繁殖；另一种可能是未考虑细菌的其他来源，如当地饲养宠物的植草沟的活动[24]。

另外，光照强度、水力停留时间、植草沟长度、水流时间、有效水深和植被种类会影响植草被对污染物的去除效果，因此在实际应用过程中，应综合考虑各种因素的影响，从而达到最佳去除效果。

2 LID的发展障碍、局限性与解决方案

虽然目前国内已有一些实际工程使用了低影响开发技术，但是总体上普及率还是比较低，因为LID理念很大部分已超出传统的市政工程范畴，而是更多地涉及到城市规划与土地利用、交通规划、建筑设计、景观设计等城市管理的各个方面。同时国内与低影响开发配套的产业刚起步，相关从业人员缺乏经验、国内相关标准规范不完善，在实际应用过程中配套政策不完善、缺乏技术指导，推广也缺乏政策依据。

从目前国内外的实际应用情况来看，LID在降雨量小和降雨强度较低时运行状况较好，且夏季运行情况要比冬季好。在推广的过程中它还是有很多方面的局限性：①地域方面。对于土壤渗透性不好的地区及地下水位的高低，LID措施都会受到一定影响；②植物选择方面。植物是低影响开发技术不可或缺的环节，所选取的植物应适合各地实际情况和不同季节的气候条件，使设施全年都能较稳定的运行；③舒适度方面。由于LID的很多措施都是将绿色植物直接覆盖在土地表面，使其尽量达到开发前的自然水文状态，因此在雨季容易导致害虫类滋生。

针对LID的发展障碍和推广局限性，提出以下解决方案：①充分借鉴国外实践经验和标准，在现有研究的基础上加快创建适合我国的低影响开发示范区，努力在全国建成具有代表性的低影响开发示范区，在此过程中不断总结、完善和制订符合国内的低影响开发技术相关标准规范；②探索制订符合各地实际情况的低影响开发相关法律法规，为低影响开发模式的推广应用提供政策依据；③探索和开发有效的低影响开发（LID）模型和评估工具，使其能更有效地为低影响开发技术工程应用提供设计指导；④加强低影响开发理念的宣传普及，使各层次相关从业人员接受低影响开发理念。加强宣传可以有助于市民更好地接受和理解低影响开发理念，加强对相关从业人员的专业技术培训，可以确保雨洪利用设施正常运行。

3 小结

根据国内外大量的研究与实际应用经验来看，低影响开发技术具有广泛的环境、经济和社会效益，是一种可持续性、生态性和低耗能的新型又高效的雨水管理理念，它能很好地削减洪峰流量、地表径流、补充地下水和提高雨水水质。尽管生物滞留系统有着很好的去除效果，但低影响开发的其他措施如绿色屋顶和植被浅沟还需要更多的现场实验数据，在低影响开发中尤其是要提高微生物的去除效率。所有的低影响开发技术通过合理的设计、安装和维护都能有效地去除雨水径流中的TSS、重金属、油脂类及致病菌等污染物，来改善雨水径流水质。

低影响开发在城市雨洪管理方面有着广阔的应用前景，因此我国应学习国外发达国家的先进雨水管理理念，解决城市化进程中所带来的水资源短缺问题。必须加快低影响开发技术的研究和推广应用力度，建立适合我国的雨洪管理措施，一方面可缓解城市发展过程中面临的水资源短缺问题，另一方面也可以成为新的经济增长点。

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