下凹式绿地用于城市雨水径流控制浅析

李 宏，黄 明

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

1 概 述

随着中国进入城镇高速发展的阶段，城市不透水面积增加，土地植被覆盖率下降，使得城市雨水径流量增加，在遇到暴雨或连续降雨时，容易引发洪涝灾害，此外，城市地表面的重金属、氮磷、病原微生物、油脂及有毒物质等会随着雨水进入城市排水系统，导致水体水质恶化。与此同时，我国水资源短缺的问题也日趋严重，所以对径流雨水进行有效的管理和控制显得尤为重要。

下凹式绿地是一种绿地高度低于周围地面高度的雨水管理系统的统称。下凹式绿地具有狭义和广义之分，广义的下凹式绿地泛指具有一定的调蓄容积并可蓄滞和净化径流雨水的绿地，包括了生物滞留设施、雨水湿地、渗透塘、湿塘、调节塘等[1]；狭义的下凹式绿地即指低于周边道路或地面200mm以内的绿地（见图1）。在降雨过程中，下凹式绿地可替代传统的排水管网，使地面雨水径流汇入其中，并通过下渗、滞留、吸附等作用实现削减径流雨水、补充地下水的目的。由于其可以灵活应用于城市道路、公园、居民小区、学校等，还具有较好的景观功能以及滞尘减噪、调节区域气候、遏制城市热岛效应等环境调节功能，因此，在海绵城市建设中得到了广泛的应用。

图1 狭义的下凹式绿地

本文对下凹式绿地的应用、蓄滞和去污性能及影响因素进行了归纳总结，以期为绿地的设计和运行、改良和提效提供参考。

2 下凹式绿地的应用

下凹式绿地将径流雨水先汇流至绿地内暂时蓄滞起来，削减路面径流量，然后通过土壤的渗透性能使雨水下渗，同时通过植物、土壤基质和微生物的共同作用削减雨水中的污染物质[2]。根据功能不同，可分为净化型、蓄滞型和综合功能型等。净化型下凹式绿地适用于广场、道路、停车场等污染较严重的区域；蓄滞型适用于地表径流较大、但径流污染较轻的场地，如公园绿地；综合功能型适用于带状公园、街旁绿地、居住区绿地等径流量较大且污染较严重的区域。其中，对于道路下凹式绿地，通常设置在道路的中央或两侧，雨水依靠道路坡度通过开孔路缘石汇流至绿地，绿地内通常设有砾石缓冲带，防止雨水直接冲刷绿地影响植被生长。道路下凹式绿地除具有雨水调控能力外，还具有分隔人行道与行车道之间的噪声，便于设置港湾式公交停车站和避免排水管道维修对道路交通的影响等优点[3]，但在建设过程中需要在绿地与道路路基之间做防渗处理，以防雨水渗入路基影响其稳定性从而影响行车安全。对于公园下凹式绿地，可以通过调整绿地下凹深度、改良下渗层材料、优化植物配置等措施来应对公园内地表径流较大的问题[4]。对于居住区、街区旁等下凹式绿地，由于地形条件、布局安排、汇水面积、景观要求各异，可以因地制宜灵活布置。此外，下凹式绿地在应用过程中还要注意防止汇集路面垃圾、绿化效果欠佳等问题。

3 下凹式绿地的水文效应研究

下凹式绿地通过其低于地面一定高度的蓄水层的蓄滞、植被对雨水径流的拦截和土壤基质的渗透共同实现其水文效应，主要体现在削减雨水径流流量、洪峰流量，延迟洪峰出现时间等方面，下凹式绿地的下凹深度、占地面积、植物、填料等都会对水文效应产生影响。李港妹等[5]计了0.15、0.2m三种下凹深度和10%、20%、30%、40%四种绿地率，发现拦蓄效果和减峰效果都在99.2%以上，其结果还表明，当绿地率一定时，下凹式绿地的渗蓄率与下凹深度成正比，但下凹深度过高时对植物的耐淹能力要求较高，并存在安全隐患。常江等[6]选取了五个不同耐淹时间的植物和五种不同渗透系数的土壤，对溢流口高度和下凹深度进行了研究。结果表明，绿地下凹深度不仅受植物耐淹时间和土壤渗透率的影响，还与设计暴雨强度和溢流口雨水篦的性能有关。裔士刚等[7]构建的改良型下凹式绿地装置中，基质土壤层由1∶1～1∶1.5体积比混合的细砂和粘土组成，还设置了15 cm厚的陶粒层，结果表明，此改良型下凹式绿地装置能够应对2 a和3 a重现期的降雨不产生溢流，而当重现期达到5 a时，会产生溢流，产流时间为29min，延缓峰现时间14min。赵庆俊等[8]建立了水平高渗透、垂直高渗透、组合高渗透3种结构优化型下凹式绿地，并在不同降雨重现期和降雨历时下与普通下凹式绿地的雨水径流削减作用进行了对比研究，结果表明，当绿地率为25%时，普通下凹式绿地的径流总量削减率为23.14%～67.04%，径流峰值削减率为1.41%～100%，而组合高渗透下凹式绿地系统的径流总量削减率为39.93%～89.87%，径流峰值削减率为6.54%～100%。

4 下凹式绿地的净化效果研究

下凹式绿地对径流雨水中污染物的削减效果，主要受系统中植物、填料和微生物等多方面的影响。植物通过根部的同化吸收作用去除径流雨水中的氮、磷等营养物质，填料能通过吸附、过滤和离子交换等作用实现去污功能，土壤中的微生物可以通过修复、转化等作用去除径流雨水中的重金属和有毒有机物等。

4.1 植物

王国庆等[9]考察了无植被覆盖和种植了高羊茅和狗牙根时下凹式绿地的去污效果，结果表明，种植植被后装置对污染物的去除率明显提升，尤其是种植高羊茅的装置去污效果较优，对COD、NH3-N和TP的去除率分别达到66.78%、89.98%和96.92%。李畅等[10]分别种植了高羊茅、鼠尾草、鸢尾和以及三种混合植物，研究了四种植被种植情况下系统对NH3-N、TP、COD、重金属的去除情况。结果发现，种植高羊茅的系统对NH3-N和TP的去除效果最佳，去除率分别为57.3%和56.4%。混合种植三种植物的系统对于COD有较高的去除率，为39.4%。相比之下，鼠尾草的去污效果欠佳，但四种植物配置的下凹式绿地对Cu Pb Zn三种重金属均有较好的削减效果，达到95%以上。潘晓等[11]研究了花叶艳山姜、姜花、翠芦莉、一叶兰、沿阶草、美人蕉和鸢尾7种下凹式绿地草本植物对径流雨水中SS、NH4+-N、TN、TP、COD的去除效果，结果表明，7种植物对SS的去除效果没有显著性差异，去除率都在30%左右；花叶艳山姜对NH4+-N的去除效果最好，去除率为59.35%；翠芦莉对TN的去除率相对较高，为55.05%，鸢尾的除氮效果较差，去除率仅为18.81%；姜花的除磷效果最好，去除率约67.63%；7种植物中，翠芦莉对COD的去除率相对较高，为55.46%。

植物在下凹式绿地净化雨水时起着至关重要的作用。但在去除总氮的过程中，植物主要为微生物生长输送氧气，微生物通过氨化、硝化、反硝化作用除氮；对总磷而言，植物可以直接通过根系吸收作用除磷[12]。不同科属的植物，茎叶、根系生长情况不同，而且对填料的适应性也有所差异，所以在拦截和净化雨水时发挥的效果也各不相同。国内有许多学者研究了植物在下凹式绿地中的作用以及不同植物种类对水文效应和净化效果的影响，但对植物的根系密度、种植组合等却缺乏研究，有研究人员表明，植物的多样性还可以显著提升雨水滞留率[13]，因此，可以考虑加强对植物多样性和根系密度等的研究，有利于对植物进行优化配置以提升下凹式绿地对雨水的控制效果。

4.2 填料

下凹式绿地中的填料主要通过过滤和吸附作用去除污染物，填料的种类、配比、填料层的高度等因素都会影响去污效果。

张成等[14]分别研究了经素土回填、陶粒改良、沸石改良的下凹式绿地对污染物的削减效果，结果表明，利用陶粒对填料改良有利于提升TP的去除效果，沸石有利于TN的去除，而三种不同填料的下凹式绿地对COD、SS的去除效果没有明显区别。吴建等[15]将砂和黏土按质量比80∶20混合，并分别按砂土质量的1%、3%、5%、7%、9%掺加了钢渣和腐殖酸，对Pb、Cd、Zn进行了吸附实验。研究结果表明，掺加钢渣能显著提升Pb、Cd、Zn的去除率，尤其是对Cd、Zn，当钢渣的掺量从0增加至5%时，Cd、Zn的去除率分别从28.88%和29.29%增加至100%；腐殖酸的掺加对Pb的去除效果影响很小，掺量较大时还会降低Cd、Zn的去除率。Xiaoju Z等[16]分别装填了20、40、60 cm土壤基质，研究了下凹式绿地对污染物的削减效果。研究发现，污染物的去除效果随着土壤基质层厚度的增加而提升。其中提升效果最明显的是TP和SS，基质层厚度从20到60 cm，TP的去除率从48.4%提到至72.1%，SS的去除率从39.7%增加到74.3%。

下凹式绿地填料的选择需要满足蓄渗和去污两方面的要求。目前以提升去污效果为目的的填料改良研究逐渐广泛，但是大多都是单一的填料改良，而不同填料对不同污染物发挥的效果各不相同，因此，可以根据建设地区的水质情况和净化目标，选用各类污染物对应的去除效果最优的填料，如掺加沸石提高氨氮的去除率[17]，掺加粉煤灰、给水污泥等提升除磷效果[18-19]，利用复合填料进行改良，使多种填料共同发挥去污作用，在最大程度上提升下凹式绿地的净化效果。

4.3 微生物

雨水径流中除了N、P、COD、SS等常规污染物以外，还有很多特殊污染物，如多环芳烃、三氯苯胺、乙烯、除草剂、杀虫剂等。有机物不完全燃烧、交通排放和石油泄漏等都会排放出有毒污染物[20]，这些污染物经过雨水冲刷进入到城市水体中，势必威胁人类用水安全。近年来，国外学者致力于培养和驯化高效微生物来去除这类有毒污染物。Kanaly等[21]发现，细菌和真菌联合作用，可以高效降解5环以上的多环芳烃。Tartakovsky等[22]研究发现，需氧联苯降解菌Rhodococcus sp.M5可以通过氧化和还原降解机理，通过矿化作用实现对多氯联苯的降解。

国外学者在微生物的降解方面已经有了较为成熟的研究，包括降解菌种、降解条件、机理和影响因素等，相比之下，我国在这方面的研究还有很大的进步空间。

5 结论和展望

下凹式绿地在径流雨水的蓄渗和净化方面有着不可或缺的作用，我国在这两方面已经取得了较为丰硕的研究成果，但是在净化效果的提升上还有一定研究空间，主要体现在以下几个方面：

（1）加强对植物根系密度和多样性的研究，对植物进行优化配置，提高对雨水的拦截和净化效果。

（2）选用各类污染物对应去除效果最优的填料，进行复合填料改良，使多种填料共同发挥作用，在最大程度上提升下凹式绿地的净化效果。

（3）加强对微生物对特殊污染物降解机理、条件、影响因素等的研究，通过培养高效微生物进一步提升下凹式绿地的净化效果。