城市低影响开发面源污染治理措施研究进展与展望

李定强 ，刘嘉华 ，袁再健 *，梁晨 ，聂小东 ，马东方

1. 广东工业大学环境科学与工程学院，广东 广州 510006；

2. 广东省生态环境技术研究所/广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650；

3. 广东省面源污染防治技术工程中心，广东 广州 510650

近年来由于中国城市化进程加快，部分城市水体污染退化的主要原因逐渐由点源污染转变为面源污染（倪艳芳，2008），部分城市的雨水径流污染负荷已达到生活污水的1.7倍之多（Tian et al.，2009；），由雨水径流与地表污染物引起的城市面源污染问题得到越来越多的关注。相比城市点源污染，城市面源污染随机性强、污染范围广泛而难以控制，其污染程度随晴天地表污染物的积累和城市不透水面积比例增加而严重。城市面源污染发生机理为地表积累的污染物与大气沉降物在降雨的淋洗和冲刷作用下，以溶解、扩散的形式进入城市受纳水体，引起城市大面积的水体热污染、富营养化、重金属污染等环境问题（李小静等，2013）。

目前为止，人们主要依靠分散的、小规模的LID措施来调节雨水径流量、削减污染物、解决大概率小降雨引起的城市面源污染问题（唐克旺，2016；王虹等，2015）。虽然在上海、北京、广州、苏州、西安、深圳等大中城市采取了一些工程措施治理当地面源污染，但LID治理措施的应用区域面积较小、对污染物针对性较差，且受环境、材料堵塞、植物耐受性不足等因素影响部分措施并未得到推广。因此，本文就目前城市面源污染中常见污染物的来源进行评述，分别对几种LID措施（生物滞留、透水铺装、绿色覆盖以及人工湿地等）从基质与植物优选、添加剂选用、与其他措施联用以及改进前后治理效果对比等方面进行详细总结，分析各种LID措施在实际应用中存在的问题，并提城市LID面源污染治理措施的改进展望。

1 城市面源污染物的来源

据美国环保署调查，城市雨水径流中出现重点污染物超过60种（Gromaire-Mertz et al.，1999；Davis et al.，2010），这些污染物来源广泛、类型多样、成分复杂，可分为氮磷污染物、重金属污染物、有机污染物、生物性污染物及悬浮物等（陆松柳等，2018）。

氮磷污染物的来源与土地利用密切相关，工业区与交通要道径流中的含氮污染物往往处于较高水平（蒋海燕等，2002；王吉苹等，2009）。城市水生态氮和磷的主要来源为城市活动（Carpenter et al.，1998），而街道地表径流中的硝态氮污染物的来源依次为大气沉降、化学氮肥、土壤和有机氮，占比分别为 35%—64%、1%—39%与 7%—33%（Yang et al.，2017）。土壤也是氮磷污染物的重要来源（Wang et al.，2012），原因是城市绿地土壤在长期的灌溉与施肥下累积大量的氮磷污染物，并在暴雨的淋洗和径流的冲刷下释放污染物使得绿地径流污染程度加剧。径流中氮磷污染物浓度过高时，容易引起其受纳水体富营养化，水体沉积物释放有毒物质，造成鱼类死亡，形成黑臭水体（王淑芳，2005）。

在过去几十年的研究中发现，全球雨水径流重金属浓度升高（Göbel et al.，2007；Helmreich et al.，2010）。人类活动和大气沉降仍然是重金属污染物的2个主要来源，其中大气沉积是径流中镉、铜、铅的重要来源，而车辆制动、轮胎磨损分别是铜和锌污染物的重要来源（Davis et al.，2001），且道路重金属污染物中的锌所占比例最高（Liu et al.，2018）。尽管城市除道路径流外，其他下垫面的雨水径流中重金属污染浓度普遍不高，但是仍然具有较高的污染总量，能够污染城市周边的水体。并且人体一旦摄入过多不可降解的重金属污染物，能直接损害人体的细胞和器官，危害人体健康。

水体中有机污染物包括脂肪、蛋白质等常见有机污染物与微量有机污染物。径流中多环芳烃（PAHs）、双酚基丙烷（BPA）等有机污染物来源途径有腐殖质、农药、人类活动及大气沉降等，而最主要的来源人类活动机动车排放与化石燃料的不完全燃烧（李立青等，2006）。1984年世界卫生组织解释了有机污染物PAHs有2个主要来源，分别为道路来源（街道上的沥青和汽车轮胎和磨损）和燃烧来源（自然燃烧和集中加热）（Krein et al.，2000）。在人类活动与交通频繁的地段，有机微污染物的含量高且分布特征明显（陈丽旋等，2005；于振亚等，2018），其中大气沉降对 PAHs、BPA的贡献约为10%—38%（Gasperi et al.，2014）；化石燃料的不完全燃烧与机动车排放对北京、温州等地区的道路径流有机微污染贡献率约 54%—60%（韩景超等，2012；张巍等，2008）。径流中的有机物占比不大，但一旦进入城市水体后，会快速消耗溶解氧，产生难闻气体及有毒物质，影响水体鱼类的生产，间接威胁到人类健康。

2 城市面源污染主要治理措施

人是一切治理措施的实施者和受益者，治理措施实施最大的障碍是人们意识、成本和接受度，但是大多数人们对城市面源污染缺乏了解（Cote et al.，2014）。政府和专业人员在约束污染行为方面发挥重要作用，但在部分城市对面源污染治理缺乏严格的法律法规要求，比如美国华盛顿和马里兰州（Roy et al.，2008）。因此在人们将低影响开发城市治理措施概括为非工程措施和工程措施2个部分。非工程措施，包括3个方面：（1）提高政府管理，制定法规；（2）提高群众的水环境保护意识：如开展环保宣传教育；（3）改善与修正已发生的污染问题：如定期清扫街道路（王和意等，2003）。

工程措施主要为LID措施，分为：源头控制、迁移控制和末端治理措施。源头控制措施指在各污染发生地拦截净化地表径流污染物的一系列措施，如生物滞留系统、绿色覆盖措施等；迁移控制措施指在城市径流产生后到受纳水体间的过程中加以控制，如透水铺装措施等；末端控制措施指在地表径流与受纳水体在水陆交错带相遇处进行控制和净化治理，如人工湿地措施等（曹仲宏等，2012）。以下是4种主要LID治理措施去污效果整理表（表1）与研究进展的整理。

2.1 生物滞留系统

生物滞留系统一般结构为植被层、种植土层、填料层和砾石层。生物滞留系统依靠植物同化与吸收作用、底泥微生物修复作用、填料层物理过滤作用、吸附、离子交换以及砾石的固体沉淀作用等净化雨水中的污染物质。在去除污染物方面，该措施对TP、TN去除率范围在20%—100%与70%—100%之间（Hsieh et al.，2005；胡爱兵等，2011）；该措施对常见重金属污染物去除范围在 50%—100%之间，如付恒阳等（2017）研究发现其对 Zn、Cu与Pb的去除效率均大于90%。在病原体微生物方面，由于受空气湿度影响大，其对大肠杆菌的去除去除率只有 2 log，但对产气荚膜梭菌和 F-RNA coliphages的去除率超过3 log（Li et al.，2012）。可见生物滞留系统措施对不同污染物的去除效果差异较大。

表1 4种LID治理措施对径流污染物的去除率Table 1 Removal rate of runoff pollutants by 4 LID control measures

结构、填料类型和植物种类显著影响该措施的除污效果。在结构方面，有相关实验模拟了壤砂种植紫穗狼尾草、壤砂种植紫穗狼尾草设置饱和带、壤砂种植紫穗狼尾草设置饱和带并添加10%木块的3种不同结构生物滞留池，在进水 NH4+浓度(5.88±2.32) mg·L-1情况下，3种结构措施对该污染物的去除率分别为31.3%、85.7%和95.6%（李立青等，2017）。在填料方面，常用填料介质有沙土分层、黄土、粗砂、细砂等，分层填料介质对径流水量截留效果优于黄土填料介质，截留率可达到44%（唐双成等，2016）；含生物炭基质的生物滞留系统较无生物炭基质的生物滞留系统分别能减少87%的TP与 52%的 TP（Spolek，2011）。此外，组合措施能够显著提高生物滞留系统的去污率，以透水路面—生物滞留池措施为例，入河径流经该组合措施净化后污染物SS、TN、TP的平均污染负荷分别下降至地表冲刷污染负荷的4.05%、43.47%、24.39%，高于单一措施的净化效果（宫曼莉等，2018）。此外，投入添加剂能够提高去污效果，比如添加低成本、高性价比且可释放碳源的淀粉类可降解的餐盒（SMB），据相关实验发现经过微生物强化的 SMB生物滞留系统对有机污染物与硝态氮去除率理想，去除率分别达到89.26%与74%（彭博，2018）。但是该措施仍然存在局限性，建设与后期维护成本高，影响了在城市推广。

2.2 绿色覆盖

绿色覆盖是利用在城市不透水面种植绿色植物净化污染物的源头控制措施，包括绿色屋顶与城市绿地。城市绿地通过降低地表绿地高度使得周边的雨水自动汇集，绿色屋顶则绿化各类建筑物的顶部和天台，均起到增加雨水入渗、减少径流量及净化雨水径流作用（冼丽铧等，2013；Berndtsson，2010）。据调查，屋面约占城市不透水区域总面积的40%—50%，是受城市面源污染较为严重的区域（Boulanger et al.，2010）。绿色覆盖措施对雨水径流中的大部分污染物有较好的净化效果，如下沉式绿地对路面径流 SS的去除率高达 94.5%，而对COD、TN、NH4+、TP的平均削减率介于 47%—80%（陈祎璠等，2014；Hou et al.，2014），再如绿色屋顶对径流COD、TN、TP去除率均大于65%（Harper et al.，2015）。

植物的类型、土壤基质与湿及渗透时间等因素均影响绿色覆盖措施对污染物的去除率，因此学者们在渗透时间、植物类型与土壤方面上做了大量的研究。从时间角度来看，高含量有机质的绿色措施可以适当延长雨水径流在土壤基质的渗透时间，能够提高削减部分污染物效果（Liang et al.，2012）。从土壤基质类别与深度角度来看，改良土壤、丰富土壤成分、增加厚度，均能提高去污效果（Ju et al.，2015；王晓晨等，2015），沈庆然等（2016）对绿色屋顶有机污染物多环芳香烃的控制研究结果显示，增加绿色覆盖措施的基质厚度能够提高 PAHs去除率。在基质类别方面，丰富的土壤基质净化效果较好，如含沸石基质对氮磷污染去除率较高，含高矿炉渣基质对磷去除率较高，而混合基质与改良基质对多种污染物去除率均提高（Berndtsson，2010）。郑美芳等（2013）比较了混合基质（含碳渣和田园土）与人工基质两种屋顶的水质净化效果，后者水质中的TP总负荷则上升了11.04%，而前者屋顶对TN、CODCr、TP的削减率分别达到84.2%、61.4%、19.0%，因此得出以碳渣和田园土为混合基质的绿色屋顶的净化效果更为出色的结论。Wang et al.（2017）研究使用了含珍珠岩和蛭石为吸附基质的活性炭混合物双基层的绿色屋顶对污染物的浸出能力实验，在实验中未发现污染物的初期冲刷效应，且该改良措施将雨水pH 5.6左右提高到6.5—7.6。另外，丰富土壤基质搭配与优化植被设计，既能高效去除污染物，又能提高措施的观赏性，如添加生物炭的土壤搭配种植景天属植物或黑麦草等植物（Spolek，2011）。整体而言，绿色覆盖措施设计与构造较透水铺装措施与生物滞留措施简单，具有成本低、占地面积小及观赏价值高等优点，因此可以将此措施视为最为简单、较为理想措施。

2.3 透水铺装

透水铺装措施一般结构为面层、找平层、基层和土基（张巨松等，2007），主要通过多种透水材料促进路面雨水下渗，利用各层结构的物理截留、化学吸附、生物与植物吸收等净化作用，达到削减地表径流量与净化雨水径流的目的，常见类型有：混凝土铺装、砖铺装、沥青铺装等（Wang et al.，2015）。在去污方面，该措施对不同污染物的净化效果大相径庭，如渗透性沥青路面对径流重金属污染物的去除效果理想，但对有机污染物的去除率相对较低（Jiang et al.，2015）。

只犹豫了片刻，他便有了主意，乘人力车直奔警察局。虽然他不喜欢石警官，但通过警员来问四小姐的住址，显然是行之有效的办法。还好，他没遇见石西岳。面对他的提问，一名警员上上下下打量他几眼，才笑着说：“四小姐都不知道？陈司令家的千金，就在隔壁大院。”

常见的改良方法有：在水泥、粗骨料和面层等原有材料基础上添加或更换材料、改变各种材料的配合比，以及增加材料比表面积（王俊岭等，2016；Park et al.，2004）。首先使用添加剂，如粉煤灰、膨润土（Hu et al.，2006）等，有相关研究结果表明含粉煤灰的混凝土透水铺装比未含粉煤灰的透水铺砖材料对CODCr和TP的去除效果更为出色（徐大勇等，2013）。再者，使用沸石、陶粒等骨料改性材料，国内有学者对比浮石、钢渣、沸石以及砾石4种多孔混凝土材料对氮磷污染物的吸附效果，发现沸石对氨氮的吸附效果最佳，浮石次之；而浮石对TN的吸附效果最佳，钢渣次之（张政科等，2012）。此外，含膨润土和沸石的混凝土透水铺装措施对COD、TP、Cu的去除效果令人满意，而添加沸石后对TN的去除效果更为理想（王俊岭等，2017）。优化透水铺装措施的面层材料配比、增加土壤与基质的孔隙度也是提高透水铺装措施净化效果的两条有效途径。有学者研究发现当水、灰、骨料配合比为0.28:1:8，其中骨料为20—30 mm的粒径沸石时，该措施对氨氮的吸附量达到最大（岳衡等，2012）。许国东等（2007）对比了两种填粒径分别为10—20 mm与5—10 mm对氮磷去除效果，结果表明粒径为10—20 mm的骨料多孔混凝土对TP去除率较高，而当将孔隙率设置为25%时，该配料的透水铺装对TN的去除率最高。综上分析，该措施可采用 10—20 mm沸石作为粗骨料，将水、灰、骨料配合比为0.28:1:8，将孔隙率设置为25%。但是人们对改良型透水铺装措施认识依然不足，只在公园、人行道、停车场等低流量小范围地方建设低成本简易型措施，不能充分凸显透水铺装措施的治理效果。

2.4 人工湿地系统

人工湿地系统是一种以人为设计方式实现自然湿地生态净化过程的系统，主要通过物理、化学以及微生物的代谢与降解作用达到除污目的（Greenway，2010）。人工湿地系统可分垂直流、水平潜流以及表面流等类型，单级人工湿地和由不同工艺组合成的复合式湿地系统，对污染物的整体净化效果与出水水质的稳定性由高到低依次为：复合式＞垂直流＞水平潜流＞表面流，如聂志丹等（2007）对这几种人工湿地对营养化的水体净化效果进行了比较实验，结果显示垂直流、水平潜流、表面流对水中氨氮、TP、TN的平均去除率依次减少，整体而言垂直流人工湿地系统净化营养物质的效果最佳；在对重金属的研究中，曹婷婷等（2017）研究发现复合式人工湿地系统对常见重金属污染物的去除率高于任一种单级人工湿地系统。除了几种湿地系统组合，湿地与其他措施组合同样具有不错的净化效果，以复合潜流人工湿地与塘的两种措施组合联用为例，有研究结果显示该组合措施对COD、TP、TN、SS的削减率均超过80%，长期运行能够维持削减效果，并且能够弹性适应水质水量变化（尹炜等，2006）。

在湿地系统植物与填料基质选择方面，植物类型以及基质成分类型都较为丰富，植物如芦苇、香蒲、菖蒲等，基质如沸石、粉煤灰、砾石等（张清，2011；邓辅唐等，2005）。杨敦等（2002）研究发现以芦苇或菖蒲为主要水生植物，以砾石或沸石为填料的4种人工湿地系统对TN、TP、CODCr的去除率均超过80%，其中砾石搭配菖蒲的湿地系统对磷的吸收净化效果显著。此外，适当添加辅助物质同样能够影响湿地系统的净化效果，如添加生物炭提高土壤的空隙度以及水质的氧化还原电位（邓朝仁等，2019），添加不同的生物促生剂能够提高湿地系统中的微生物活性，从而促进微生物的新陈代谢作用等（童伟军等，2019）。人工湿地系统也因覆盖区域大、植物类型丰富的特点，被视为景观措施的代表。

除外，渗滤池、植草沟措施、岸边护岸带措施、雨水调节池等措施同样能净化水质、削减流量（白瑶等，2011）。LID措施在治理过程中不但能保护城市原有的生态系统，而且综合考虑城市土壤与水体生态的内容，修复已被破坏的水体与自然环境，符合现代新型城市建设发展的需求。

3 已有LID治理措施存在的问题

尽管这些LID措施通过投入适当的添加剂、选择合适的基质材料以及种植适应性强植物等方式，因其特点在部分大中城市得到适当的应用，但同时也暴露了这些LID治理措施的存在问题，如堵塞、材料耐受性下降、植物腐烂以及温度影响大等问题，这些问题在不同程度上影响了治理措施净化效果，严重时可导致治理措施充当污染源，进一步可威胁当地水生态。

3.1 填料基质堵塞

渗透性良好的填料基质在LID治理措施生物净化过程中发挥重要的作用，既为微生物的生长繁殖提供场所，又为植物提供营养物，同时也是多种反应的界面。但随着运行时间变长，填料基质出现流失及植物叶片根系发生腐败，产生大量的有机与无机不可过滤物质（白少元等，2016；叶建锋等，2008），使基质层发生淤积、堵塞现象。填料基质堵塞是最为常见的问题，据美国环境保护署（USEPA）调查发现，100多个使用中的湿地系统约一半在使用后的 5年内出现堵塞现象（Agency，2000）。众多LID治理措施中均使用了渗透性填料基质，但防止填料基质堵塞的举措仍然较少，且已有的举措净化效果提升不明显。

3.2 温度影响大

含植物的LID措施往往受温度条件影响大，主要原因在于措施中的植物与微生物对周边环境的温度较为敏感，当温度发生变化时，水体中溶解氧含量也随之产生变化，微生物与植物体内酶活性受到抑制，从而影响着该措施对雨水径流生物净化效果。有研究表明，水温低于 10 ℃，绿色措施污染物地处理效率降低，在4 ℃左右微生物硝化作用趋于停止，脱氮效果下降（Cookson et al.，2002）。此外，温度过低能引起措施水流过慢、基质堵塞与铺装材料抗压能力下降等问题，温度过高能引起城市热污染、地表细菌繁殖速度加快等，因此温度变化不但加重径流污染负荷，而且还降低了LID措施的治理效果。

3.3 植物腐烂

大部分LID治理措施需要种植单一或多种挺水植物，然而这些植物往往难以抵挡秋冬季节的变化和部分有害细菌的危害，经长时间的浸泡后发生腐烂分解。有研究指出，在植物腐烂分解过程中会释放 TP、TN、有机质等化学物质以及其他的克生物质，影响周边植物的生长和去污，同时也由此成为污染源（范云爽等，2010）。此外，植物的腐烂后枯枝落叶容易阻碍其自身新芽的萌发和生长（邵丽等，2009），并且堵塞基质填料的缝隙，成为基质堵塞的原因之一。

3.4 材料性质局限

部分LID治理措施的使用寿命缩短，工程材料性质不可忽视。据了解，透水铺装治理措施中绝大多数的路面材料的损坏都是压力过大折断引起的，特别是遇到地基建筑不均匀和铺装材料尺寸过大的情况（李俊奇等，2019）。同时，该措施雨水径流通道—铺装材料孔隙结构也会因为气候变化产生小幅度的热胀冷缩，在高温条件和寒冷条件均会导致其渗透性和耐受性等性质能力下降。因此，材料的局限性在一定条件下也会影响工程措施效果。

此外，治理措施的设计仍存在问题，如：在治理措施设计与应用前，对当地自然条件与污染状况缺少了解，且缺失长期的数据，直接套用或混用经验公式进行设计。此外，投加肥料、喷洒除草剂和除虫剂的行为易导致这些治理措施的土壤在暴雨发生时充当污染源释放污染物，加重当地的面源污染。

4 展望

近年来，城市低影响开发面源污染治理措施经不断优化后提升了净化效果，但依然有改进发展空间，为此对提出如下展望：

（1）创新治理技术。过去多采用惰性、成本低廉的基质填料、吸收能力一般的植物以及单一的搭配方式，对氮磷污染物的净化效果往往不稳定。因此，需要对传统治理措施进行优化改良以创新治理技术，如探索新的促渗材料、基质填料，具体例子如：往填料基质中添加含铝污泥、沸石以及SMB，采用渗透系数介于200—400 mm·h-1的填料。

（2）植物选择、种植方式与植物管理。采取群植和2种以上植物混植种植方式，一方面可适当增强LID治理措施净化能力，另一方面也能丰富措施的生态服务功能，如鉴赏功能。选择耐受性强、耐污能力强且能抗病虫的植物，比如选择对某种污染物有较强抵抗性的植物（如臭椿，抗烟尘粉尘，具有较强杀菌灭虫能力），能够保持长期一定净化能力。此外，在后续的维护管理中需要对枯萎的植物进行清理。

（3）缓解基质的堵塞问题。堵塞问题不可避免，解决堵塞问题也是延长措施使用寿命的最有效方法。堵塞主要发生在基质结构表层的0—15 cm处，更换表层基质的方法能够维持措施的稳定运行，但是该方法时间成本高、工作量大且易重复引发基质堵塞的问题。因此，往后的措施应探索合适粒径的基质材料，此外附加搭配简易的预处理措施和辅助性措施，如设置初沉池等。

（4）提高材料的适应能力。透水铺装广泛应用于商业区与居民区，往往需要渗透净化较大雨水径流量和承担巨大交通量。尽管已有相关改进研究并取得一定的效果，但是经长时间的水浸泡和干燥期，路面的结构与土基层整体强度和稳定性仍然大大下降。因此，该类措施今后的发展方向更应该围绕提高材料的渗透性、耐浸泡性、耐磨性以及耐压性。

要完全解决城市面源污染问题对我们来说仍然任重而道远，但最根本方法是减少人为污染，如减少日常的生活垃圾、工业污染排放以及汽车尾气排放等，尽量使用清洁能源。