4种常用低影响开发雨水管理技术研究进展

付恒阳， 李榜晏

(1.陕西理工大学 历史文化与旅游学院， 陕西 汉中 723000；2.秦巴环境与旅游开发协同创新中心， 陕西 汉中 723000；3.西安建筑科技大学 建筑学院， 陕西 西安 710055)

低影响开发(Low Impact Development，LID)雨水管理技术[1]于20世纪90年代初在美国马里兰州乔治王子县首次采用，旨在要求土地开发中尽可能维持和保护场地自然水文功能。其核心是利用分散的小型控制设施，通过入渗、过滤和蒸发等方式模拟自然水文条件，从源头管理雨水径流，有效缓解不透水面积增加所造成的水文及生态环境影响，实现降低径流量、预防城市内涝、降低径流污染负荷和保护受纳水体的目的[2]。近年来，在海绵城市的持续推广下，低影响开发技术在我国已被诸多城市接受和应用[3]。

现有的研究表明，与传统的雨水管理技术相比，LID显示了其径流量控制和水质改善的优越性和价值[4]。然而，由于场地和实验条件不同，得出的结论各异，故围绕不同LID应用及其有效性的争论仍在继续。为此，本研究通过梳理国内外相关研究文献，系统论述LID雨水管理技术的研究进展，提出未来的研究方向，为进一步研究和开发LID提供借鉴。

1 几种常用LID评述

LID的主要目标包括径流减少、渗透增加、地下水补给、水质保护等[5]。根据建设目标，LID可归类为结构性和非结构性两种[6]。结构性措施包括生物滞留池、渗透沟、雨水湿地、湿塘、透水铺装/路面、下凹式绿地、屋顶绿化、生态植草沟、植被过滤带和雨水收集系统(雨水桶/水箱)；非结构性措施包括尽量减少场地扰动、保护场地的自然特征、减少不透水面积、原生植被利用、土壤修复等。现实中LID使用最多的有生物滞留池(雨水花园)、屋顶绿化、透水铺装、下凹式绿地。本研究仅对这些常用LID进行评述。

1.1 生物滞留池

生物滞留池也叫雨水花园。该系统通过模拟流域自然状态，利用系统内的覆盖层、人工填料层、砾石层以及各种植被，有效地捕获径流、促进渗透、补给地下水、降低径流峰值和流量等[7]。

大量研究表明，生物滞留系统能够使径流量减少10%～97%，峰值流量减少8%～90%[8]。例如，薛天一等[9]在宜兴市城区的雨水模拟实验中发现，生物滞留措施下，雨水径流量减少了12%，峰值流量降低了8%。Hunt等[10]在马里兰州的一系列降雨事件监测中发现，生物滞留池的平均峰值流量减少超过55%。王建婷等[11]模拟生物滞留池的水文效应发现，洪峰消减率为26.15%～30.17%。胡作鹏等[12]在天津市空港经济区雨水模拟实验中发现，生物滞留池减少了2年重现期雨水径流的75%。Debusk等[13]在一个停车场实地研究中发现，通过改良的生物滞留系统可以减少97%～99%的径流量。Davis[14]认为，径流量和速率的减少取决于降雨事件的大小，在小型降雨事件中，生物滞留设施可以轻松滞留所有流入滞留系统的雨水。王建婷等[11]、颜乐等[15]认为生物滞留池的水文效应与雨水重现期负相关，洪峰消减率随降雨重现期的增大而减小。

生物滞留池的重金属浓度去除率在10%～99%之间[26-27]。甚至有学者通过场地实验发现，生物滞留池对径流中Pb、Cu、Zn去除率接近100%[28]。Li等[27]模拟径流事件中发现生物滞留池的土壤层可使雨水径流的重金属减少88%～97%。Sun等[29]认为系统中的植被可吸收径流中0.5%～3.3%的重金属。Zhang等[30]研究发现，可通过向生物滞留池介质中添加粉煤灰提高系统的重金属去除性能。

相关研究表明，生物滞留系统对大肠菌群和粪大肠菌群等病原微生物的去除有较好的效果[31]。Rusciano等[32]模拟实验发现，生物滞留系统对粪大肠菌群的平均去除率达91.6%。王建军等[33]通过生物滞留实验发现，总大肠菌群去除率为92.4%～99.5%。张军等[34]研究发现，生物滞留设施对粪大肠菌群和大肠杆菌去除率可达70%。采用新型填料介质，有利于提高对病原微生物的去除能力。如Lau等[35]、Mohanty等[36]研究表明，生物滞留系统中添加改良的生物炭，可实现92%～98%的大肠杆菌去除率。Zhang等[37]研究发现，生物滞留设施的使用时间与其细菌滞留能力呈正相关，系统使用6个月后，大肠杆菌O157：H7菌株B6914的去除率从投入使用之初的72%提高到97%。此外，生物滞留设施暴露于阳光下也能增加其微生物去除率[38]。

介质的组成对生物滞留系统的去污性能发挥重要作用。填料中添加沸石、活性炭、铁屑、方解石、陶粒等都有助于提高滞留系统的营养物或重金属去除率[39]。Hsieh等[40]证实了生物滞留系统中添加砂介质能提高其污染物去除能力。然而，由于介质持续的生物活性有限，砂介质的去污效率会随着时间的推移而降低。在典型的雨水径流事件下，砂介质在生物滞留池中可能会在5年内丧失其污染物滞留能力。

1.2 屋顶绿化

屋顶绿化是对屋顶、露台、天台、阳台、墙体等一切不与地面相连接的各类建筑物和构筑物的绿化。屋顶绿化已被证实具有控制径流量、改善空气质量、节约能源等功能[41]。根据顶层的厚度和所需的维护难易度，屋顶绿化可分为“密集型”或“粗放型”[42]。前者通常种植密集、生长低、抗旱植被，一般适用于单户和多户住宅建筑；后者对植被的要求不太严格，广泛应用于商业建筑。

屋顶绿化对降雨径流削减率在2%～100%之间[43-44]。然而研究表明，屋顶绿化的径流削减率随着降雨量的增加而减少[45]。在降雨事件中，一旦超过屋顶材料的持水能力，多余的水就会转化为径流[45]。Zhang等[43]研究表明粗放型屋顶花园滞留降雨径流的能力从12 mm降雨事件的90%下降到50 mm降雨事件的39%。其他研究证实屋顶绿化土层的深度以及植被的组成对系统的持水性和释放量有很大影响[46-47]，故增加绿化屋顶土层深度可以提高系统的性能[48]。

屋顶绿化去除雨水径流中的氮、磷效果不太理想。Buccola等[47]发现，屋顶绿化出水中TP和TN并没有明显减少。其他研究也报道了在屋顶绿化材料中高浓度的TP、NO3-N和TN会随雨水径流而流失[46]。这表明在屋顶绿化中施肥可能会加剧长时间P、N的浸出对径流水质的污染风险[50]。Aitkenhead等[51]报道，屋顶绿化的植物生长培养基可能会导致NO3-N渗入径流。为了提高屋顶绿化的TP去除效果，彭航宇等[52]研究发现，在屋顶绿化基质中添加生物炭，能有效缓解出水中TN、NO3-N的淋出，另外，添加浮石吸附层可减少TP、COD的淋出。钟兴等[53]研究发现，屋顶绿化设施采用泥炭土作为有机质改良填料可提高出水TN去除率，但其出水中COD和TP累计淋出量却增高。席梦涵等[54]研究发现采用椰糠、泥炭土、珍珠岩、蛭石作为屋顶绿化配方基质材料，可有效提高T、P去除率。

多数研究表明，屋顶绿化对雨水中重金属去除率并不理想。如Alsup等[55]报道，粉煤灰、陶粒、膨胀页岩等屋顶绿化材料可能会成为径流中重金属的来源。Berndtsson[56]等研究显示，屋顶绿化为径流中的Cd、Cr、Cu、Fe、K、Mn、Pb、Zn提供了来源。屋顶绿化的介质选择对于最大限度地发挥系统的污染物去除性能至关重要，因为屋顶绿化对污染物的滞留和释放依赖于其介质组成和降雨量[57]。故屋顶绿化建成后，需要采取适当的维护或弥补措施，以减少屋顶绿化介质对雨水径流的污染。例如，将屋顶绿化与其他LID相结合(如通过雨水花园过滤屋顶绿化的雨水径流)，可以改善径流水质[58]。

1.3 透水铺装/路面

透水铺装包括透水砖、镂空普通砖、多孔沥青和多孔混凝土。研究表明，透水铺装的平均径流量减少在13%～93%之间[59-60]。赵沛等[61]在河北农业大学校园内模拟试验表明，透水铺装可使径流总量削减23%～51%，洪峰流量削减28%～56%。Hunt[62]在北卡罗来纳州一个渗透性停车场的两年监测研究中发现，透水铺装可减少75%的降雨径流。Dreelin等[60]也证明了多孔路面可用于控制小降雨事件，并能够在较大的降雨事件中滞留“初期雨水”径流。透水铺装的径流削减率还受底土性质和排水措施的影响，底土渗透性越好，透水铺装的径流削减率越高[63]。Bean等[64]发现，储水层较深、底土为砂壤土且表面无细颗粒物的透水砖铺装截流效果最好。赵飞等[65]、Drake等[66]研究发现，储水底基层中配置排水管道的透水铺装，其地表径流和洪峰削减率高于无排水措施的铺装系统。

许多研究已经报道了透水路面有助于去除TSS和营养物质，平均去除范围为1%～94%[67]。Meysam等[68]研究发现，透水铺装对TSS、TP、NO3-N、NH4-N的去除率分别为72%～100%、9%～38%、3%～15%、68%～79%。宫曼莉等[69]研究发现，透水路面下渗、过滤作用对污染物SS、TN、TP的去除率分别为70.26%、46.29%、19.27%。解晓光等[70]研究发现，透水路面对COD的去除率为21.74%～53.62%，SS去除率为62.04%～64.77%。凌莉等[71]研究发现，草皮砖，透水花砖及透水沥青3种透水路面结构的TP和COD去除率分别在90%和50%左右，草皮砖和透水沥青的TN去除率在60%以上。蒋玮等[72]研究发现，多孔路面材料和厚度对地表径流中污染物的去除效果影响显著。

透水铺装对径流中重金属负荷削减率在10%～99%之间[73-74]。Myers等[75]报道，144 h后透水路面储存的水分中Cu、Pb和Zn含量减少了94%～99%。Liu等[76]实验发现透水铺装对Cu、Zn、Ni、Cr的负荷削减率约为60%～99%。然而，Kwiatkowski等[77]注意到重金属可以快速积聚在透水铺装的顶层，导致随后的径流事件造成更大的污染风险。因此，适当的维护对于实现透水铺装的高性能至关重要。

1.4 下凹式绿地

下凹式绿地是一种高程低于周围路面的公共绿地，具有较缓的坡度，内部植物多以本地草本为主。广义的下凹式绿地包括植草沟、干塘和湿塘等。旨在利用开放空间贮存雨水，通过渗透、沉淀和过滤，控制径流和改善水质[78-79]。下凹式绿地对径流的削减率在10%～100%之间[80-81]。Cong等[82]通过模拟试验发现，当降雨重现期为10年时，下凹式绿地的径流量减少了53%。Tian等[83]研究发现，下凹式绿地对降雨重现期为1年、3年的径流削减率分别为76.55%、63.45%。李港妹等[84]对不同暴雨重现期下的下凹式绿地雨水渗蓄率进行了计算，结果表明:当暴雨重现期为3年、5年和10年时，两种不同下凹深度(0.15 m、0.2 m)的拦蓄效果和减峰效果均能达到99.92%以上。

下凹式绿地对重金属的滞留效果研究结果差异很大。李畅等[90]采用室外种植箱的方式进行模拟试验发现，不同植物配置的下沉式绿地对重金属(Cu、Zn、Pb)的削减效果很好，达95%以上；而Marie等[91]试验研究结果发现下凹式绿地对重金属的滞留效果一般，对Cu、Zn、Pb的去除率分别为44%、24%、15%。研究结果的不同可能与下凹式绿地的土壤配置及植被种类有关。

2 LID的模拟研究

近年来，一些研究人员利用各种建模技术来评估LID实践于雨水管理中的有效性[92]。常用的建模方法为过程表征模拟，即通过模型模拟LID实践径流的渗透、滞留、吸附、沉降和污染物去除过程。常用的LID水文/水质模型主要有SWMM和SUSTAIN。这些模型在不断更新，由于融入了新的算法，使原模型的性能不断增强。然而，由于建模过程涉及广泛的计算和数据需求，因此数据的可用性和数据处理的准确性可能是影响模拟效果的一个主要问题。

2.1 SWMM模型

SWMM(EPA Stormwater Management Model)是水资源管理研究人员应用最广的径流模拟工具之一，该模型能够评价多种LID实践，如透水铺装、雨水花园、屋顶绿化、植被渗滤带、滞留池、下凹式绿地等。该软件应用空间较广，可以小到一个场地，也可以大到一个流域。SWMM模型相对较复杂，要求的输入参数包括流域面积、流域宽度、子流域坡度、降雨数据、不透水面积占汇水区的百分比等。由于该软件应用时需要使用者具备有关水文建模的基本知识，在一定程度上限制了该软件的广泛应用。

2.2 SUSTAIN模型

SUSTAIN(EPA System for Urban Stormwater Treatment and Analysis Integration)模型是美国国家环境保护局研发的一个基于ArcGIS的雨水管理决策支持系统。该模型支持的LID包括生物滞留滤池、人工湿地、下凹式绿地、绿色屋顶和透水路面等。模型所需的参数有土地利用数据、水文数据以及不同LID的设计细节。该模型有助于根据不同LID的成本效益挑选最佳的雨水管理方案。由于SUSTAIN集成了GIS数据分析，使得模型的输入参数要求更全面，并且复杂程度更高，因此，终端用户需要有足够的雨水管理知识和GIS应用基础。

3 研究展望

尽管LID的研究取得了很大进展，但不同LID雨水处理的理论与实践仍有许多挑战，为了实现LID的广泛采用。未来需要做好以下几个方面的研究。

3.1 研究不同LID的水质和水量控制机理

受实验条件的限制，不同LID雨水管理技术的污染物去除和径流削减作用机理说法各异，没有形成一致的见解和系统的理论。今后，应深入研究系统尺寸、淹没区的深度、填料层的厚度、碳源的投入量、植物选取及配置、选址、降雨间隔时间以及不同温度等因素对不同LID雨水管理技术性能的影响；基于水文学、生态学、水动力学、土壤学和生物反应动力学等理论，建立各种LID雨水管理技术性能与主要影响因素之间的耦合定量关系，厘清其水质和水量控制机理，推动雨水净化与利用的全面可持续发展。

3.2 优化LID的性能评价

目前，大多是根据进水和出水中径流量比值和污染物浓度比值来评估LID的性能。然而，McNett等[93]的研究表明，仅使用效率比(通常称为去除百分比)来衡量LID的有效性可能会产生误导。去除率在很大程度上依赖于单个雨水事件的雨量大小和降雨强度，并且不能为LID性能的长期绩效评价提供任何依据[94]。新的测度和评价应设法描述LID过程(例如渗透、蒸发)的表现，明确LID雨水管理性能的阈值。不仅要分析LID系统中出水的数量和质量，而且要量化LID对下游水质的影响。

3.3 改进LID建模技术

近年来，对LID建模(如SWMM、SUSTAIN模型)的研究日益增多。模型研究为LID的水文和水质效应提供了参考，模拟结果也可以作为流域开发规划和管理策略的指南。然而，大多数建模工作往往侧重于不同方案模拟下LID有效性的比较。为了提高对模型预测的有效性，建模方法需要考虑能够代表实际地面条件的设计因素和指导原则。另外，在评估和报告LID的有效性时，未来的研究还应考虑对建模进行标准化，这样可以减少建模者的主观性，提高建模结果的准确性，使建模工作具有可复制性，并促进研究结果在更广泛的区域的对比和共享，从而促进LID的推广应用。

3.4 扩大LID的试验规模

目前许多LID只在单一场地进行评价，大多数数据也是通过微观监测工作获得。虽然LID的微观尺度监测对于理解水文过程及其在不同LID中的相互作用是必要的，但是由于地形、土壤和气候极有可能影响LID的性能，LID在大规模上的集体效应会存在时空上的变化，因此这些微观尺度的研究结果普适性有限。将场地尺度的结果扩大到更广泛的区域(例如流域)将是LID推广的关键，它有利于将特定雨水过程(如污染物的运输和转化、汇流、初期冲刷和侵蚀)纳入流域模型来准确描述LID性能。

3.5 研究不同植物对径流污染物的生物利用度

植物吸收污染物取决于植物对污染物的生物利用度，但对不同植物的污染物利用度的研究非常有限。未来需要进一步研究草本植物、灌木、乔木等不同物种的污染物吸收性能，包括不同属间以及同属间不同物种的污染物生物利用度，找出污染物去除效果更好的植物物种，提高生物滞留系统的水质净化性能。

4 结 论

文献研究表明，LID在减少径流、降低峰值和改善水质方面显示了巨大的潜力。在径流量控制方面，4种LID的效果都较为理想；在营养物去除方面，生物滞留池、透水铺装和下凹式绿地效果明显，屋顶绿化对氮、磷等营养物去除效果较差，且存在径流中氮、磷增加的风险；在重金属去除方面，生物滞留池、透水铺装效果较好，下凹式绿地对重金属的去除效果一般，屋顶绿化的材料可能会成为径流中重金属的来源。

比较而言，在诸多LID措施中，有关生物滞留系统的研究相对较多；在污染物去除方面，氮、磷及部分金属污染物的研究偏多，微生物去除方面的研究较少；屋顶绿化的水质改善研究结果分歧较大，其建设和实践需要更多的科学数据支撑。

未来针对LID的研究还有很多工作要做，包括不同LID的水质和水量控制机理、LID的性能评价的优化、LID建模技术的改进和完善、流域规模的LID试验、研究不同植物对径流污染物的生物利用度等。