付恒陽， 李榜晏

(1.陜西理工大學(xué) 歷史文化與旅游學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.秦巴環(huán)境與旅游開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心， 陜西 漢中 723000；3.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院， 陜西 西安 710055)

低影響開發(fā)(Low Impact Development，LID)雨水管理技術(shù)[1]于20世紀(jì)90年代初在美國馬里蘭州喬治王子縣首次采用，旨在要求土地開發(fā)中盡可能維持和保護(hù)場地自然水文功能。其核心是利用分散的小型控制設(shè)施，通過入滲、過濾和蒸發(fā)等方式模擬自然水文條件，從源頭管理雨水徑流，有效緩解不透水面積增加所造成的水文及生態(tài)環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)降低徑流量、預(yù)防城市內(nèi)澇、降低徑流污染負(fù)荷和保護(hù)受納水體的目的[2]。近年來，在海綿城市的持續(xù)推廣下，低影響開發(fā)技術(shù)在我國已被諸多城市接受和應(yīng)用[3]。

現(xiàn)有的研究表明，與傳統(tǒng)的雨水管理技術(shù)相比，LID顯示了其徑流量控制和水質(zhì)改善的優(yōu)越性和價(jià)值[4]。然而，由于場地和實(shí)驗(yàn)條件不同，得出的結(jié)論各異，故圍繞不同LID應(yīng)用及其有效性的爭論仍在繼續(xù)。為此，本研究通過梳理國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)，系統(tǒng)論述LID雨水管理技術(shù)的研究進(jìn)展，提出未來的研究方向，為進(jìn)一步研究和開發(fā)LID提供借鑒。

1 幾種常用LID評(píng)述

LID的主要目標(biāo)包括徑流減少、滲透增加、地下水補(bǔ)給、水質(zhì)保護(hù)等[5]。根據(jù)建設(shè)目標(biāo)，LID可歸類為結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性兩種[6]。結(jié)構(gòu)性措施包括生物滯留池、滲透溝、雨水濕地、濕塘、透水鋪裝/路面、下凹式綠地、屋頂綠化、生態(tài)植草溝、植被過濾帶和雨水收集系統(tǒng)(雨水桶/水箱)；非結(jié)構(gòu)性措施包括盡量減少場地?cái)_動(dòng)、保護(hù)場地的自然特征、減少不透水面積、原生植被利用、土壤修復(fù)等。現(xiàn)實(shí)中LID使用最多的有生物滯留池(雨水花園)、屋頂綠化、透水鋪裝、下凹式綠地。本研究僅對(duì)這些常用LID進(jìn)行評(píng)述。

1.1 生物滯留池

生物滯留池也叫雨水花園。該系統(tǒng)通過模擬流域自然狀態(tài)，利用系統(tǒng)內(nèi)的覆蓋層、人工填料層、礫石層以及各種植被，有效地捕獲徑流、促進(jìn)滲透、補(bǔ)給地下水、降低徑流峰值和流量等[7]。

大量研究表明，生物滯留系統(tǒng)能夠使徑流量減少10%～97%，峰值流量減少8%～90%[8]。例如，薛天一等[9]在宜興市城區(qū)的雨水模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生物滯留措施下，雨水徑流量減少了12%，峰值流量降低了8%。Hunt等[10]在馬里蘭州的一系列降雨事件監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，生物滯留池的平均峰值流量減少超過55%。王建婷等[11]模擬生物滯留池的水文效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，洪峰消減率為26.15%～30.17%。胡作鵬等[12]在天津市空港經(jīng)濟(jì)區(qū)雨水模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生物滯留池減少了2年重現(xiàn)期雨水徑流的75%。Debusk等[13]在一個(gè)停車場實(shí)地研究中發(fā)現(xiàn)，通過改良的生物滯留系統(tǒng)可以減少97%～99%的徑流量。Davis[14]認(rèn)為，徑流量和速率的減少取決于降雨事件的大小，在小型降雨事件中，生物滯留設(shè)施可以輕松滯留所有流入滯留系統(tǒng)的雨水。王建婷等[11]、顏樂等[15]認(rèn)為生物滯留池的水文效應(yīng)與雨水重現(xiàn)期負(fù)相關(guān)，洪峰消減率隨降雨重現(xiàn)期的增大而減小。

生物滯留池的重金屬濃度去除率在10%～99%之間[26-27]。甚至有學(xué)者通過場地實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物滯留池對(duì)徑流中Pb、Cu、Zn去除率接近100%[28]。Li等[27]模擬徑流事件中發(fā)現(xiàn)生物滯留池的土壤層可使雨水徑流的重金屬減少88%～97%。Sun等[29]認(rèn)為系統(tǒng)中的植被可吸收徑流中0.5%～3.3%的重金屬。Zhang等[30]研究發(fā)現(xiàn)，可通過向生物滯留池介質(zhì)中添加粉煤灰提高系統(tǒng)的重金屬去除性能。

相關(guān)研究表明，生物滯留系統(tǒng)對(duì)大腸菌群和糞大腸菌群等病原微生物的去除有較好的效果[31]。Rusciano等[32]模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物滯留系統(tǒng)對(duì)糞大腸菌群的平均去除率達(dá)91.6%。王建軍等[33]通過生物滯留實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，總大腸菌群去除率為92.4%～99.5%。張軍等[34]研究發(fā)現(xiàn)，生物滯留設(shè)施對(duì)糞大腸菌群和大腸桿菌去除率可達(dá)70%。采用新型填料介質(zhì)，有利于提高對(duì)病原微生物的去除能力。如Lau等[35]、Mohanty等[36]研究表明，生物滯留系統(tǒng)中添加改良的生物炭，可實(shí)現(xiàn)92%～98%的大腸桿菌去除率。Zhang等[37]研究發(fā)現(xiàn)，生物滯留設(shè)施的使用時(shí)間與其細(xì)菌滯留能力呈正相關(guān)，系統(tǒng)使用6個(gè)月后，大腸桿菌O157：H7菌株B6914的去除率從投入使用之初的72%提高到97%。此外，生物滯留設(shè)施暴露于陽光下也能增加其微生物去除率[38]。

介質(zhì)的組成對(duì)生物滯留系統(tǒng)的去污性能發(fā)揮重要作用。填料中添加沸石、活性炭、鐵屑、方解石、陶粒等都有助于提高滯留系統(tǒng)的營養(yǎng)物或重金屬去除率[39]。Hsieh等[40]證實(shí)了生物滯留系統(tǒng)中添加砂介質(zhì)能提高其污染物去除能力。然而，由于介質(zhì)持續(xù)的生物活性有限，砂介質(zhì)的去污效率會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低。在典型的雨水徑流事件下，砂介質(zhì)在生物滯留池中可能會(huì)在5年內(nèi)喪失其污染物滯留能力。

1.2 屋頂綠化

屋頂綠化是對(duì)屋頂、露臺(tái)、天臺(tái)、陽臺(tái)、墻體等一切不與地面相連接的各類建筑物和構(gòu)筑物的綠化。屋頂綠化已被證實(shí)具有控制徑流量、改善空氣質(zhì)量、節(jié)約能源等功能[41]。根據(jù)頂層的厚度和所需的維護(hù)難易度，屋頂綠化可分為“密集型”或“粗放型”[42]。前者通常種植密集、生長低、抗旱植被，一般適用于單戶和多戶住宅建筑；后者對(duì)植被的要求不太嚴(yán)格，廣泛應(yīng)用于商業(yè)建筑。

屋頂綠化對(duì)降雨徑流削減率在2%～100%之間[43-44]。然而研究表明，屋頂綠化的徑流削減率隨著降雨量的增加而減少[45]。在降雨事件中，一旦超過屋頂材料的持水能力，多余的水就會(huì)轉(zhuǎn)化為徑流[45]。Zhang等[43]研究表明粗放型屋頂花園滯留降雨徑流的能力從12 mm降雨事件的90%下降到50 mm降雨事件的39%。其他研究證實(shí)屋頂綠化土層的深度以及植被的組成對(duì)系統(tǒng)的持水性和釋放量有很大影響[46-47]，故增加綠化屋頂土層深度可以提高系統(tǒng)的性能[48]。

屋頂綠化去除雨水徑流中的氮、磷效果不太理想。Buccola等[47]發(fā)現(xiàn)，屋頂綠化出水中TP和TN并沒有明顯減少。其他研究也報(bào)道了在屋頂綠化材料中高濃度的TP、NO3-N和TN會(huì)隨雨水徑流而流失[46]。這表明在屋頂綠化中施肥可能會(huì)加劇長時(shí)間P、N的浸出對(duì)徑流水質(zhì)的污染風(fēng)險(xiǎn)[50]。Aitkenhead等[51]報(bào)道，屋頂綠化的植物生長培養(yǎng)基可能會(huì)導(dǎo)致NO3-N滲入徑流。為了提高屋頂綠化的TP去除效果，彭航宇等[52]研究發(fā)現(xiàn)，在屋頂綠化基質(zhì)中添加生物炭，能有效緩解出水中TN、NO3-N的淋出，另外，添加浮石吸附層可減少TP、COD的淋出。鐘興等[53]研究發(fā)現(xiàn)，屋頂綠化設(shè)施采用泥炭土作為有機(jī)質(zhì)改良填料可提高出水TN去除率，但其出水中COD和TP累計(jì)淋出量卻增高。席夢涵等[54]研究發(fā)現(xiàn)采用椰糠、泥炭土、珍珠巖、蛭石作為屋頂綠化配方基質(zhì)材料，可有效提高T、P去除率。

多數(shù)研究表明，屋頂綠化對(duì)雨水中重金屬去除率并不理想。如Alsup等[55]報(bào)道，粉煤灰、陶粒、膨脹頁巖等屋頂綠化材料可能會(huì)成為徑流中重金屬的來源。Berndtsson[56]等研究顯示，屋頂綠化為徑流中的Cd、Cr、Cu、Fe、K、Mn、Pb、Zn提供了來源。屋頂綠化的介質(zhì)選擇對(duì)于最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的污染物去除性能至關(guān)重要，因?yàn)槲蓓斁G化對(duì)污染物的滯留和釋放依賴于其介質(zhì)組成和降雨量[57]。故屋頂綠化建成后，需要采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)或彌補(bǔ)措施，以減少屋頂綠化介質(zhì)對(duì)雨水徑流的污染。例如，將屋頂綠化與其他LID相結(jié)合(如通過雨水花園過濾屋頂綠化的雨水徑流)，可以改善徑流水質(zhì)[58]。

1.3 透水鋪裝/路面

透水鋪裝包括透水磚、鏤空普通磚、多孔瀝青和多孔混凝土。研究表明，透水鋪裝的平均徑流量減少在13%～93%之間[59-60]。趙沛等[61]在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)模擬試驗(yàn)表明，透水鋪裝可使徑流總量削減23%～51%，洪峰流量削減28%～56%。Hunt[62]在北卡羅來納州一個(gè)滲透性停車場的兩年監(jiān)測研究中發(fā)現(xiàn)，透水鋪裝可減少75%的降雨徑流。Dreelin等[60]也證明了多孔路面可用于控制小降雨事件，并能夠在較大的降雨事件中滯留“初期雨水”徑流。透水鋪裝的徑流削減率還受底土性質(zhì)和排水措施的影響，底土滲透性越好，透水鋪裝的徑流削減率越高[63]。Bean等[64]發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)水層較深、底土為砂壤土且表面無細(xì)顆粒物的透水磚鋪裝截流效果最好。趙飛等[65]、Drake等[66]研究發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)水底基層中配置排水管道的透水鋪裝，其地表徑流和洪峰削減率高于無排水措施的鋪裝系統(tǒng)。

許多研究已經(jīng)報(bào)道了透水路面有助于去除TSS和營養(yǎng)物質(zhì)，平均去除范圍為1%～94%[67]。Meysam等[68]研究發(fā)現(xiàn)，透水鋪裝對(duì)TSS、TP、NO3-N、NH4-N的去除率分別為72%～100%、9%～38%、3%～15%、68%～79%。宮曼莉等[69]研究發(fā)現(xiàn)，透水路面下滲、過濾作用對(duì)污染物SS、TN、TP的去除率分別為70.26%、46.29%、19.27%。解曉光等[70]研究發(fā)現(xiàn)，透水路面對(duì)COD的去除率為21.74%～53.62%，SS去除率為62.04%～64.77%。凌莉等[71]研究發(fā)現(xiàn)，草皮磚，透水花磚及透水瀝青3種透水路面結(jié)構(gòu)的TP和COD去除率分別在90%和50%左右，草皮磚和透水瀝青的TN去除率在60%以上。蔣瑋等[72]研究發(fā)現(xiàn)，多孔路面材料和厚度對(duì)地表徑流中污染物的去除效果影響顯著。

透水鋪裝對(duì)徑流中重金屬負(fù)荷削減率在10%～99%之間[73-74]。Myers等[75]報(bào)道，144 h后透水路面儲(chǔ)存的水分中Cu、Pb和Zn含量減少了94%～99%。Liu等[76]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)透水鋪裝對(duì)Cu、Zn、Ni、Cr的負(fù)荷削減率約為60%～99%。然而，Kwiatkowski等[77]注意到重金屬可以快速積聚在透水鋪裝的頂層，導(dǎo)致隨后的徑流事件造成更大的污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，適當(dāng)?shù)木S護(hù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)透水鋪裝的高性能至關(guān)重要。

1.4 下凹式綠地

下凹式綠地是一種高程低于周圍路面的公共綠地，具有較緩的坡度，內(nèi)部植物多以本地草本為主。廣義的下凹式綠地包括植草溝、干塘和濕塘等。旨在利用開放空間貯存雨水，通過滲透、沉淀和過濾，控制徑流和改善水質(zhì)[78-79]。下凹式綠地對(duì)徑流的削減率在10%～100%之間[80-81]。Cong等[82]通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為10年時(shí)，下凹式綠地的徑流量減少了53%。Tian等[83]研究發(fā)現(xiàn)，下凹式綠地對(duì)降雨重現(xiàn)期為1年、3年的徑流削減率分別為76.55%、63.45%。李港妹等[84]對(duì)不同暴雨重現(xiàn)期下的下凹式綠地雨水滲蓄率進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明:當(dāng)暴雨重現(xiàn)期為3年、5年和10年時(shí)，兩種不同下凹深度(0.15 m、0.2 m)的攔蓄效果和減峰效果均能達(dá)到99.92%以上。

下凹式綠地對(duì)重金屬的滯留效果研究結(jié)果差異很大。李暢等[90]采用室外種植箱的方式進(jìn)行模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同植物配置的下沉式綠地對(duì)重金屬(Cu、Zn、Pb)的削減效果很好，達(dá)95%以上；而Marie等[91]試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)下凹式綠地對(duì)重金屬的滯留效果一般，對(duì)Cu、Zn、Pb的去除率分別為44%、24%、15%。研究結(jié)果的不同可能與下凹式綠地的土壤配置及植被種類有關(guān)。

2 LID的模擬研究

近年來，一些研究人員利用各種建模技術(shù)來評(píng)估LID實(shí)踐于雨水管理中的有效性[92]。常用的建模方法為過程表征模擬，即通過模型模擬LID實(shí)踐徑流的滲透、滯留、吸附、沉降和污染物去除過程。常用的LID水文/水質(zhì)模型主要有SWMM和SUSTAIN。這些模型在不斷更新，由于融入了新的算法，使原模型的性能不斷增強(qiáng)。然而，由于建模過程涉及廣泛的計(jì)算和數(shù)據(jù)需求，因此數(shù)據(jù)的可用性和數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性可能是影響模擬效果的一個(gè)主要問題。

2.1 SWMM模型

SWMM(EPA Stormwater Management Model)是水資源管理研究人員應(yīng)用最廣的徑流模擬工具之一，該模型能夠評(píng)價(jià)多種LID實(shí)踐，如透水鋪裝、雨水花園、屋頂綠化、植被滲濾帶、滯留池、下凹式綠地等。該軟件應(yīng)用空間較廣，可以小到一個(gè)場地，也可以大到一個(gè)流域。SWMM模型相對(duì)較復(fù)雜，要求的輸入?yún)?shù)包括流域面積、流域?qū)挾?、子流域坡度、降雨?shù)據(jù)、不透水面積占匯水區(qū)的百分比等。由于該軟件應(yīng)用時(shí)需要使用者具備有關(guān)水文建模的基本知識(shí)，在一定程度上限制了該軟件的廣泛應(yīng)用。

2.2 SUSTAIN模型

SUSTAIN(EPA System for Urban Stormwater Treatment and Analysis Integration)模型是美國國家環(huán)境保護(hù)局研發(fā)的一個(gè)基于ArcGIS的雨水管理決策支持系統(tǒng)。該模型支持的LID包括生物滯留濾池、人工濕地、下凹式綠地、綠色屋頂和透水路面等。模型所需的參數(shù)有土地利用數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)以及不同LID的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。該模型有助于根據(jù)不同LID的成本效益挑選最佳的雨水管理方案。由于SUSTAIN集成了GIS數(shù)據(jù)分析，使得模型的輸入?yún)?shù)要求更全面，并且復(fù)雜程度更高，因此，終端用戶需要有足夠的雨水管理知識(shí)和GIS應(yīng)用基礎(chǔ)。

3 研究展望

盡管LID的研究取得了很大進(jìn)展，但不同LID雨水處理的理論與實(shí)踐仍有許多挑戰(zhàn)，為了實(shí)現(xiàn)LID的廣泛采用。未來需要做好以下幾個(gè)方面的研究。

3.1 研究不同LID的水質(zhì)和水量控制機(jī)理

受實(shí)驗(yàn)條件的限制，不同LID雨水管理技術(shù)的污染物去除和徑流削減作用機(jī)理說法各異，沒有形成一致的見解和系統(tǒng)的理論。今后，應(yīng)深入研究系統(tǒng)尺寸、淹沒區(qū)的深度、填料層的厚度、碳源的投入量、植物選取及配置、選址、降雨間隔時(shí)間以及不同溫度等因素對(duì)不同LID雨水管理技術(shù)性能的影響；基于水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、土壤學(xué)和生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等理論，建立各種LID雨水管理技術(shù)性能與主要影響因素之間的耦合定量關(guān)系，厘清其水質(zhì)和水量控制機(jī)理，推動(dòng)雨水凈化與利用的全面可持續(xù)發(fā)展。

3.2 優(yōu)化LID的性能評(píng)價(jià)

目前，大多是根據(jù)進(jìn)水和出水中徑流量比值和污染物濃度比值來評(píng)估LID的性能。然而，McNett等[93]的研究表明，僅使用效率比(通常稱為去除百分比)來衡量LID的有效性可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。去除率在很大程度上依賴于單個(gè)雨水事件的雨量大小和降雨強(qiáng)度，并且不能為LID性能的長期績效評(píng)價(jià)提供任何依據(jù)[94]。新的測度和評(píng)價(jià)應(yīng)設(shè)法描述LID過程(例如滲透、蒸發(fā))的表現(xiàn)，明確LID雨水管理性能的閾值。不僅要分析LID系統(tǒng)中出水的數(shù)量和質(zhì)量，而且要量化LID對(duì)下游水質(zhì)的影響。

3.3 改進(jìn)LID建模技術(shù)

近年來，對(duì)LID建模(如SWMM、SUSTAIN模型)的研究日益增多。模型研究為LID的水文和水質(zhì)效應(yīng)提供了參考，模擬結(jié)果也可以作為流域開發(fā)規(guī)劃和管理策略的指南。然而，大多數(shù)建模工作往往側(cè)重于不同方案模擬下LID有效性的比較。為了提高對(duì)模型預(yù)測的有效性，建模方法需要考慮能夠代表實(shí)際地面條件的設(shè)計(jì)因素和指導(dǎo)原則。另外，在評(píng)估和報(bào)告LID的有效性時(shí)，未來的研究還應(yīng)考慮對(duì)建模進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，這樣可以減少建模者的主觀性，提高建模結(jié)果的準(zhǔn)確性，使建模工作具有可復(fù)制性，并促進(jìn)研究結(jié)果在更廣泛的區(qū)域的對(duì)比和共享，從而促進(jìn)LID的推廣應(yīng)用。

3.4 擴(kuò)大LID的試驗(yàn)規(guī)模

目前許多LID只在單一場地進(jìn)行評(píng)價(jià)，大多數(shù)數(shù)據(jù)也是通過微觀監(jiān)測工作獲得。雖然LID的微觀尺度監(jiān)測對(duì)于理解水文過程及其在不同LID中的相互作用是必要的，但是由于地形、土壤和氣候極有可能影響LID的性能，LID在大規(guī)模上的集體效應(yīng)會(huì)存在時(shí)空上的變化，因此這些微觀尺度的研究結(jié)果普適性有限。將場地尺度的結(jié)果擴(kuò)大到更廣泛的區(qū)域(例如流域)將是LID推廣的關(guān)鍵，它有利于將特定雨水過程(如污染物的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化、匯流、初期沖刷和侵蝕)納入流域模型來準(zhǔn)確描述LID性能。

3.5 研究不同植物對(duì)徑流污染物的生物利用度

植物吸收污染物取決于植物對(duì)污染物的生物利用度，但對(duì)不同植物的污染物利用度的研究非常有限。未來需要進(jìn)一步研究草本植物、灌木、喬木等不同物種的污染物吸收性能，包括不同屬間以及同屬間不同物種的污染物生物利用度，找出污染物去除效果更好的植物物種，提高生物滯留系統(tǒng)的水質(zhì)凈化性能。

4 結(jié) 論

文獻(xiàn)研究表明，LID在減少徑流、降低峰值和改善水質(zhì)方面顯示了巨大的潛力。在徑流量控制方面，4種LID的效果都較為理想；在營養(yǎng)物去除方面，生物滯留池、透水鋪裝和下凹式綠地效果明顯，屋頂綠化對(duì)氮、磷等營養(yǎng)物去除效果較差，且存在徑流中氮、磷增加的風(fēng)險(xiǎn)；在重金屬去除方面，生物滯留池、透水鋪裝效果較好，下凹式綠地對(duì)重金屬的去除效果一般，屋頂綠化的材料可能會(huì)成為徑流中重金屬的來源。

比較而言，在諸多LID措施中，有關(guān)生物滯留系統(tǒng)的研究相對(duì)較多；在污染物去除方面，氮、磷及部分金屬污染物的研究偏多，微生物去除方面的研究較少；屋頂綠化的水質(zhì)改善研究結(jié)果分歧較大，其建設(shè)和實(shí)踐需要更多的科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

未來針對(duì)LID的研究還有很多工作要做，包括不同LID的水質(zhì)和水量控制機(jī)理、LID的性能評(píng)價(jià)的優(yōu)化、LID建模技術(shù)的改進(jìn)和完善、流域規(guī)模的LID試驗(yàn)、研究不同植物對(duì)徑流污染物的生物利用度等。