葛盼穎，李 昂，巢 姣，劉加強(qiáng)，張惠芳，張 慧，李 亮

(1.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221000)

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和規(guī)模的擴(kuò)大，城市區(qū)域內(nèi)不透水面積亦在不斷增加，從而導(dǎo)致暴雨徑流量加大且匯流時(shí)間縮短[1-2]，由此引發(fā)了城市面源污染、城市內(nèi)澇、雨水資源流失、河流湖泊污染加劇以及自然生態(tài)退化等一系列環(huán)境問題。一方面，大量雨洪徑流通過城市雨洪管道在短時(shí)期內(nèi)排泄到河道，增加了城市排水管網(wǎng)的壓力[3]，另一方面，降雨徑流中含有的懸浮物、耗氧物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、有毒物質(zhì)、油脂類物質(zhì)等多種污染物隨徑流進(jìn)入江河湖泊，成為城市水環(huán)境惡化的重要原因[4]。

1 城市徑流的特點(diǎn)及危害

1.1 城市徑流的特點(diǎn)

在非點(diǎn)源污染中，城市地表徑流是僅次于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的第二大非點(diǎn)源[5]。城市地表徑流含有許多污染物，包括固體廢物碎片、化學(xué)品、空氣沉積和車輛排放。城市地表徑流中的SS、重金屬和烴類污染物濃度與未經(jīng)處理的城市污水基本相同[6]。由此可見，城市地表徑流污染種類繁多，并且不易處理。

1.2 城市徑流的危害

根據(jù)對滇池、太湖、淮河流域等主要江河湖泊的污染調(diào)查和處理的情況，我國深刻認(rèn)識到非點(diǎn)源污染的危害。滇池富營養(yǎng)化結(jié)果表明，工業(yè)廢水、城市污水和非點(diǎn)源污染的比例分別為9%、24%和67%[7]。根據(jù)國外資料，在一些污水(即地表水)經(jīng)過二次處理的城市，接收水體中每年的BOD負(fù)荷有40%～80%來自于地表徑流，由降雨產(chǎn)生。在強(qiáng)暴雨期，94%～95%的BOD直接來自路面徑流。在城市路面、屋面和綠地三種主要下墊面中，路面徑流水質(zhì)最差，是僅次于農(nóng)業(yè)面源污染的非點(diǎn)源污染[8]。

2 “海綿城市”和低影響開發(fā)技術(shù)

2.1 “海綿城市”的提出和特點(diǎn)

“海綿城市”是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用，遵循“生態(tài)優(yōu)先”等原則，將人工措施和自然途徑相結(jié)合，在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度的實(shí)現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的積存、滲透和凈化，促進(jìn)雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

2.2 低影響開發(fā)技術(shù)特點(diǎn)

低影響開發(fā)(LID)技術(shù)是目前國際社會(huì)城市水環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的新理念。該技術(shù)主要是通過在源頭、傳輸路徑、末端等環(huán)節(jié)采用多種分散式的技術(shù)措施蓄滯、緩流、滲透、凈化、回用雨水，以達(dá)到就地消納，減少徑流產(chǎn)生的目的。該技術(shù)主要包括生物滯留、綠色屋頂、可滲透/漏路面鋪裝系統(tǒng)等措施[9]，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[10]。

生物滯留措施是一種典型的低影響開發(fā)技術(shù)，具有削減城市雨洪徑流、凈化雨水水質(zhì)以及補(bǔ)給地下水等優(yōu)點(diǎn)，可劃分為雨水花園、生態(tài)濾溝/生物滯留帶、滯留花壇和樹池4種類型[11]。生態(tài)濾溝作為生物滯留設(shè)施的一種，其常見的組合為“濾料-植物-微生物”，該組合利用植物根系、濾料和附著在生物膜上的微生物三者互相作用來達(dá)到對水體凈化的目的，是物理、化學(xué)和生物三重作用的結(jié)果。

3 生物滯留技術(shù)在削減城市路面徑流、凈化污染物方面的研究進(jìn)展

Hsieh和Davis在2005年發(fā)現(xiàn)使用混合填料的柱狀滯留系統(tǒng)能夠去除城市徑流攜帶的96%以上的有機(jī)油[12-13]。由于覆蓋層中的原生微生物能在較短的時(shí)間內(nèi)降解捕獲的烴類，在新罕布什爾州的現(xiàn)場試驗(yàn)中，柴油中石油烴的去除率達(dá)到99%，且除烴主要發(fā)生在覆蓋層[14]。

李家科[15]以露天試驗(yàn)場為基礎(chǔ)，研究6條不同配置方式的生態(tài)濾溝對城市路面徑流中污染物的凈化效果及其影響因素。結(jié)果表明以粉煤灰為基質(zhì)的凈化效果較好，氨氮、總氮、可溶性正磷酸鹽、總磷的去除率可分別達(dá)到30%～45%、25%～30%、90%～95%、60%～90%；在有植被條件下對總氮的去除率可提高5%～30%，而對磷的凈化效果相差不大；生態(tài)濾溝對污染物的去除率隨入流水力負(fù)荷的增大而降低。

李家科[16]等設(shè)計(jì)了多組不同結(jié)構(gòu)的生物滯留小型試驗(yàn)柱，考察填料類型、填料厚度、淹沒區(qū)深度、植物種類等因素對生態(tài)滯留設(shè)施水質(zhì)凈化效果的影響。研究表明沙子和粉煤灰混合填料對污染物的綜合去除率為85.03%，凈化效果最佳；增加人工填料厚度可以提高對污染物濃度的凈化效果，填料厚度為60 cm時(shí)，綜合去除率為56.61%，污染物凈化效果最佳；淹沒區(qū)深度的變化對氮素凈化效果的影響比較明顯，40 cm淹沒區(qū)深度時(shí)TN去除率為50.84%，凈化效果最佳；黃楊和黑麥草植物組合凈化效果最佳，在NO3--N的凈化效果方面，相比于水蠟+麥冬草，前者可將凈化效果提升10%左右。

蔣春博[8]通過研究不同填料組合的生態(tài)濾溝中試試驗(yàn)裝置影響因素、間歇運(yùn)行效果等，考察氮素污染物在生態(tài)濾溝系統(tǒng)中的運(yùn)行效果，并探究影響因素與水量削減率和TN去除率之間的相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)以粉煤灰+沙為人工填料層的生態(tài)濾溝水量削減率和峰流量削減率比較穩(wěn)定，分別集中在58.59%～67.93%和71.99%～86.44%，而以高爐渣為人工填料層和填料層為純種植土的生態(tài)濾溝水量削減率和峰流量削減率波動(dòng)較大。三種填料生態(tài)濾溝系統(tǒng)對氮素污染物的負(fù)荷削減率較好，均在40%以上。人工填料下滲率是影響生態(tài)濾溝水量削減率最重要的影響因素，填料是影響生態(tài)濾溝氮素去除效果最重要的影響因素，TN去除率與填料因子大小和淹沒區(qū)高度成正相關(guān)，與雨前干燥期、入流濃度和入流水量成負(fù)相關(guān)。

楊茗[17]在2017年實(shí)驗(yàn)得出混合填裝的濾料對COD的去除率明顯高于比面填裝的濾料，混合填裝的濾料中去除率最高是礫石+爐渣，COD去除率達(dá)到83.34%。雷婷婷[18]用了三種填料(高爐渣、高爐渣+沙、種植土)來分析除磷效果，結(jié)果表明高爐渣作為填料的除磷率最高。趙靜[19]等通過生態(tài)濾溝土柱模擬徑流試驗(yàn)，分析了在3種填料中添加不同有機(jī)質(zhì)的生態(tài)濾溝對地表徑流中氮磷等物質(zhì)的去除和水文響應(yīng)效果，結(jié)果表明基質(zhì)為陶粒+碎木屑的系統(tǒng)有較好且穩(wěn)定的凈化效果，其COD、TN和TP平均去除率分別為86.4%、60.5%和97.9%，且碎木屑優(yōu)于草炭土；添加草炭土的系統(tǒng)有更高的TP去除率，但相差不大；生態(tài)濾溝對模擬徑流均有較好的滲透性能，添加草炭土能提高系統(tǒng)削峰減量效果；研究結(jié)果還提出在工程應(yīng)用中，可根據(jù)需求在填料中添加10%左右的有機(jī)質(zhì)，以提高生態(tài)濾溝對氮磷等物質(zhì)的去除及洪峰削減效果。

李鵬[20]等根據(jù)西安市降雨特征和道路雨水徑流水質(zhì)狀況，利用6條不同填料配置的生物滯留槽進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn)，探究填料種類、組合方式、厚度、污染物特性、植被條件對生物滯留槽凈化效果的影響，并將凈化效果與各因素之間的相互關(guān)系及協(xié)同作用進(jìn)行集成化模擬，發(fā)現(xiàn)以45cm粉煤灰為填料、黃楊+麥冬草為植被的組合形式對污染物的去除效果最好。

4 結(jié)語

生物滯留技術(shù)以其凈化水質(zhì)的高效性在美國等發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，但在我國對生物滯留技術(shù)的研究多數(shù)仍為模擬實(shí)驗(yàn)，主要研究內(nèi)容多以水量削減效果和水質(zhì)水量狀況、填料選擇等設(shè)計(jì)參數(shù)對污染物凈化效果的影響以及污染物凈化機(jī)理的研究，工程實(shí)踐研究尚少。在今后的研究過程中，如何積累更多充足有效的數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域氣候和城市規(guī)劃，合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，用于工程實(shí)踐，以達(dá)到良好的環(huán)境效益，應(yīng)該是生物滯留措施研究的熱點(diǎn)。