基于雨水径流的生态城市研究

孙海兰

摘要：城市雨水径流污染控制及利用于生态城市化中一个多学科交叉的边缘学科领域，是一个复杂的系统工程，也是目前国内外研究的热点问题。本文首先阐述雨水径流控制对生态城市发展的作用，进而分析生态城市下的雨水径流处理原则，重点对基于生态城市下的雨水径流控制措施，通过雨水径流控制有效提高城市生态环境，有助于生态城市的构建。

关键词：雨水径流；控制；生态城市

中图分类号： S891 文献标识码： A

前言

进入 21 世纪后，世界城市生态问题呈现出愈演愈烈的态势。基于工业文明

的传统城市发展模式已举步维艰、难以为继，生态问题和环境压力促使人们必

须考虑在城市化进程中应该选择怎样的发展路线图,实施怎样的缓解生态压力的基本策略，生态城市概念应运而生。发达国家的实践表明，充分利用雨水生态化技术对城市雨水径流进行渗透、调蓄以及净化，是解决城市化带来城区水文、水质条件恶化问题的一个重要途径，也是减少城区面源污染的重要措施。在土地资源紧张的城市，基于雨水径流控制措施空间合理利用的雨水生态来构建城市生态环境具有污染物处理能力强、维护管理成本低等诸多优点。此外，将城市屋面、绿地等下垫面的较清洁雨水简单处理后存储，并用于浇灌、道路冲洗等市政工程用水，能节约大量优质自来水，不仅有利于生态城市的构建，也符合当前节约型社会的理念。

一、雨水径流控制对生态城市发展的重要性

对于一般城区而言，雨水径流污染是城市非点源污染的重要组成部分之一，其通过天然降雨及形成的雨水径流的淋洗、冲刷作用，使空气、地面、表层土壤中的悬浮或沉积的污染物质，被雨水径流携入各类地表水体。影响城市雨水径流污染的主要因素有地表堆积物、大气污染状况及雨水径流量。城市地表堆积了大量的污染物质，包括颗粒物质、重金属、营养物质、耗氧物质、细菌及其它污染物，这些地表堆积物就是城市非点源污染的最初来源。地表堆积物通过降雨径流进入受纳水体，造成水体富营养化及其他形式的污染，进而破坏水生动植物的生存环境，导致水体水环境质量恶化。而城市地表积累的污染物数量与积累时间呈正比，因此，雨前晴天数对径流中的污染物浓度影响较大。大气污染状况雨水中的污染物浓度有一定的贡献，但与地表径流冲刷相比，该项影响不是很大，可忽略不计。径流量与降雨强度、降雨量、降雨历时以及城市地表的不透水程度有关。降雨强度是影响雨水径流对地表污染物质冲刷程度的决定性因素，降雨量大小则表征径流中污染物的稀释水平，城市地表的不透水程度决定污染物稀释水量的大小，降雨历时既为地表径流对污染物的冲刷时间，也是降雨期间污染物向受纳水体输送的时间。雨水径流污染是城市面源污染的重要组成部分，调查分析城市典型下垫面的雨水径流污染状况是了解城市面源污染状况的关键环节，为控制城市径流污染，缓解面源污染提供了必要前提。

随着我国城镇化水平的不断提高，城区人口数量、活动强度和非渗透性区域面积比例随之增加，由此引发的城区水文、水质条件恶化，城市内涝、面源污染和水资源短缺等问题日益凸显，亟需寻找技术经济合理的解决方案。欧美等发达国家的理论研究和实践经验表明，充分利用城市雨水径流的生态化利用技术，综合利用城市发展所产生的非渗透区域的雨水是缓解土地开发带来的上述问题的重要途径之一。城市雨水径流的生态化利用不但是能缓解水资源的短缺，更能提高城市绿化率与生态环境，是构建生态城市必不可少的环节。

二、基于生态城市下的雨水径流处理原则

2014年 11月，住房与城乡建设部发布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》。指南中提出，在城市建设中应该把雨水留下，建设成自然留存、自然渗透、自然净化的海绵城市。建立“渗，蓄，滞，用，排”五位一体的新型城市雨水处理系统，把80%左右的雨水留住，以便涵养水源，改善城市生态效益。

（1）因地制宜 不同的区域的雨水径流污染状况不尽相同，应根据各个区域的特点优先选用适合的技术方法，包括所在地的自然环境条件、水环境方案、经济技术水平等。

（2）有针对性地选择 不同的技术措施对不同污染物的处理效果相差很大，应根据各主要污染物有针对性的选择技术措施。

（3）优先选用 优先选用的措施可以是投资少、效果好且易于运行管理的技术方法。

三、基于生态城市下的雨水径流控制措施

（一）雨水源头

1 屋顶绿化

屋顶绿化是以绿色灌木植物为主要覆盖物，配以植物生存所需要的营养土层、蓄水层以及屋面所需要的植物根系阻拦层、排水层、防水层等共同组成，它可以有效改善城市生态环璄、调节小气候、净化空气、降低室温，同时还是消减雨水洪峰径流量，丰富城市景观、构建生态城市的一项重要举措。

绿化屋面宜用于平顶屋面，以及小坡度的坡屋面。屋面的植物种植土增加了建筑屋顶负荷、同时需要进行防水等特殊处理因此会增加建筑物的建设费用。城市区域的建筑屋面约占到城市总面积的 30%，屋顶绿化能够增加城市绿地面积，减小城市热岛效应，因此条件允许时应该优先采用屋顶绿化。

2 低势绿地

低势绿地是一种低于周围地面高程的、雨水渗透能力良好的绿地，不但可以汇集自身面积上的降雨，还可以消纳周围非渗透性铺面产生的雨水径流。应用低势绿地一方面可以削减洪峰流量、减轻洪涝灾害，增加地下水的入渗补给；另一方面绿地所汇集的径流经渗透、沉淀、截留作用，其中污染物得到部分去除，可减轻城镇非渗透性铺面的面源污染，因而低势绿地具有滞留利用雨水与控制面源污染的双重作用，是一种具有优良净化能力的绿地生态系统。

低势绿地具有投资少、蓄渗效果好、可净化径流雨水、不易堵塞等优点。低势绿地宜设置在建筑密度低且绿地空间较大的城镇区域，譬如居住区、大型公共绿地；其局限是在地下水埋深小、土壤粘重的地区应用，容易发生积水，影响绿地的景观生态效果。在相关地区应用低势绿地，需考虑改良土壤、使用下排水设施。

3 生物滞留设施

生物滞留设施是一种雨水砂滤和渗透技术，整合了两种技术的功能，在城市开发区域的低洼区域设置种有灌木、花草乃至树木的滤床，利用自然系统中生态作用对非渗透性铺面径流进行自然净化、消纳。这类设施主要通过土壤和植物的过滤作用、以及介质中微生物的作用净化雨水，同时通过将雨水暂时滞留而后逐渐渗入土壤以减少径流量，增加对地下水的补给与雨水资源的利用。生物滞留设施因其水量负荷较高、便于分散设置、维护管理简单，是当前发达国家城镇雨水径流源头分散控制中最受关注的设施。在城镇绿地中设置生物滞留设施，不仅可以增加绿地内部雨水的滞留利用，也有可能利用绿地空间改善绿地周边非渗透性铺面的径流控制。

生物滞留设施一般建在汇水区域内地势较低的区域，由耐淹植物、蓄水层、树皮覆盖层、种植填料层、砾石层组成，在设计、管理恰当的情况下可望获得良好的景观效果；通过装置中天然/人工土壤、植物、微生物的渗滤、截留、吸附，以及微生物的作用净化汇水区域上游非渗透性铺面的径流雨水；通过存储、滞留作用削减洪峰水量，可以同时达到净化水质、削减径流量、涵养地下水等目的。发达国家的研究表明生物滞留设施是一种高效的雨水径流污染控制措施，与下凹式绿地等相比，其运行负荷高、占用土地少，一般为汇水区域不透水面积的5~10%，生物滞留设施可建造在建筑、人口密度较高的城镇绿地空间，通过分散汇集处理方式，利用小尺度的分散绿地消纳、利用城镇绿地中道路、停车场、服务设施周边的非渗透性地块的径流。

4 植被浅沟

植被浅沟是指在地表明沟（渠）中覆盖自然植被的一种工程性措施，该技术主要功能是在明沟（渠）重力排水的过程中，利用植物截留、土壤过滤等作用消减径流污染负荷。植被浅沟可以用作收集、输送雨水的生态措施，能够增强雨水下渗，降低流速，有利于污染的沉淀去除，并且浅沟内的植被能够吸附、降解污染物，同时节约管道建设费用。浅沟可用于道路排水以及建筑小区内的排水，在条件允许的情况下，应优先选用浅沟排水，只有在不适合采用浅沟时才应用管道排水系统。

5 透水铺装

透水铺装是用透水混凝土、透水砖等具有透水性能的铺装材料或采用草坪砖、碎石卵石铺面等透水的施工与铺装形式覆盖地表，从而大大提高地面的透水性能。透水铺装适用于人行道、停车场以及交通较少的道路。这些铺装完全能够取代传统的不透水铺装，其成本却不一定高。透水铺装能够有效促进雨水入渗，补给地下水，减少地面集水几率；径流量的消减还降低了雨水径流对硬化铺装的冲刷，污染物流失量得到控制。此外，嵌草砖里种植的植物，能更有效的净化径流雨水、调节大气温度和湿度、延缓径流速度及美化环境。

（二）雨水汇流

1 雨水截污挂篮与截污雨水井

雨水口为污染物进入管网的入口，污染物进入管道后会由于沉淀而沉积在管道内，有时会堵塞管道，长时间积累的污染物会发生腐化分解，在雨水的冲洗下排入水体。在雨水口设置截污挂篮可以截留雨水中的悬浮物（垃圾、树叶等），同时旱季进入雨水口的垃圾等能够被挂蓝收集，通过清扫易于清除，从而避免了管道内积累垃圾等对雨水的污染。

此外，对于特定排水区域，如未实现最终的污染物控制目标，可在雨水干管设置具有沉淀（过滤）作用的环保雨水井。雨水井内设置沉淀区域、或过滤设施，可去除较为细小的悬浮污染物质。雨水井左侧为沉淀、隔油区域，中间设置透水挡墙，右侧能够进一步取出更为细小的污染物质。道路、停车场加油站等区域的雨水沉淀井需要设置隔油区，住宅区、公园等无油类污染的区域则只需要设置沉淀区。

2 渗透渠（管）

渗透渠（管）是在传统雨水排水渠（管）的基础上通过在渠（管）体上打孔或采用多孔管材，并在渠（管）外围回填砾石等高孔隙填充物，改造为渗透渠或渗透管（穿孔管）。雨水径流进入渗透渠（管）后，首先向四周土层渗透，待径流量变大或图层含水率达到饱和时，径流才向下游排放。通过渗透和表层土壤过滤可去除雨水径流中的固体小颗粒污染物质，对营养物（氮、磷）、重金属及病原菌都有一定的处理效果，还可削减部分或全部径流量，如能对地下水进行一定的补给。

渗透（沟）渠适用于沿道路、建筑物、景观水体四周设置，其适用条件有以下几点：①渗透沟底应离季节性最高地下水位至少 0.6 米。②设施应设计在离水源地至少 120 米的地方，离化粪池系统 30 米远，且离建筑物地基至少 6 米。③渗透沟设置在离硬化面积至少 3 米的地方。

3 雨水渗透池（塘）

渗透塘/池是指利用地面低洼地、水塘或地下水池，收集、暂时贮存进入的雨水，并在24 小时里将其渗入地下的雨水渗透设施，通过土壤的过滤以及填料层生长的微生物作用去除水体中污染物质，雨水渗透池/塘对雨水径流中污染物及径流削减都有较好效果的措施，能有效地去除细小颗粒物、营养物、重金属、病原菌以及碳氢化合物等雨水径流中的污染物，同时也能补给地下水，保护开发地区的自然水循环，并降低下游地区的洪涝危险，并且减少对接受水体的热量影响。雨水渗透塘/池适用于对小区域的雨水径流进行水质、水量控制的离线式（off-line）汇流控制设施，不宜将其设置在污染严重的区域，宜设置在公园、小区等污染不严重的地区。

4 雨水过滤设施

雨水过滤池是使雨水通过砂、沸石、粉煤灰等滤料或土工布、微孔管等多孔介质的作用，截流水中的悬浮物质，从而消减雨水径流污染物的构筑物。雨水过滤池对污染物的去除效果好，如对SS的去除率较高，并能去除一定量的营养物质，对金属、细菌去除效果也比较高。同时雨水过滤设施还可以间接消减雨水洪峰流量，减小雨水径流量过大时，对下游排水设施的水力负荷。雨水过滤池宜应用于土地利用率高，高度发展的城区，可减少该区域的不透水面积率，如商业区、工业区和高速公路等场所。它也可应用于土地价值高或者由于土壤、地下水位比较高不宜采用其它设施的小城镇区域。

（三）雨水末端

1 雨水塘

雨水塘一般设置于雨水进入受纳水体前，雨水径流中的悬浮污染物可通过通过沉淀作用而去除。雨水塘可分为两类，一类为湿式塘，长期具有水域；另一类是只有在雨季才具有水域的干式塘。湿塘通过物理沉降、吸附、自然的化学絮凝、微生物的降解以及水生植物和藻类的吸收，达到去除城市暴雨径流中所挟带的污染物的目的。此外湿塘还可减少一定的径流量，降低下游洪涝风险，是潜在的野生动物栖息地，具有一定的景观价值和娱乐功能。干塘主要起控制雨水径流流速的作用，对暴雨径流的悬浮物有一定去除能力，对其他污染物的去除能力一般。

雨水塘一般是在线式（on-line）和管网终端雨水径流污染物控制措施。湿塘由于对污染物有较好的去除效果，一般可应用于住宅区、商业区和工业区等区域，也可以设置在控制雨水径流量的地区。干塘一般设在控制雨水径流量的区域。

2雨水湿地

雨水湿地是一种由人工建造和监督控制的与天然沼泽地类似的雨水生态处理系统，由人工将石、砂、土壤、煤渣等一种或几种介质按一定比例构成基质，并有选择性地植入植物而构成。目前，国内外表面流湿地和潜流湿地在污水处理领域已得到成功应用。然而，由于潜流湿地用于暴雨径流处理容易堵塞以及对径流高峰流量的调蓄能力差，国外一般使用表面流湿地处理雨水径流。雨水湿地主要由基质和植物组成，通过沉淀、过滤、吸附和微生物转化等多种方式联合作用消减径流污染物。同时还能达到削减洪峰流量，调蓄利用雨水资源的目的。

雨水湿地作为一种高效的雨水径流污染控制措施，具有污染物去除效果好，操作管理简单，维护运行费用低，可丰富城市生态多样性等优点。由于湿地本身是城镇绿地中的一个组成部分，特别是在丰水地区，暴雨湿地在城镇绿地雨水利用技术方面具有一定竞争力，在水量调蓄方面较其它技术具有优势。然而，湿地在城镇绿地中使用也存在一些局限，如占地面积大，在小块绿地区域内可能面积不够或破坏总体景观而不宜使用；而且，雨水湿地还容易出现干旱季节景观效果不佳等问题。此外，在土壤渗透性好、地下水位低的区域，为维持一定的水位，人工湿地需要做防渗处理，造价较高。

四、结束语

本文从雨水径流方面来进行研究，通过雨水径流的控制措施来构建生态城市，具有成本低、效果好、节约水资源等优点，生态城市是一个复杂的系统，本文仅从雨水径流层面阐述其原理与具体措施，存在一定的局限性，在后续研究中会继续加强，以促进我国生态文明城市的发展。

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