海绵城市建设中低影响开发的应用及研究进展

2022-09-09刘发欣贾如宾杜长铃

净水技术 2022年9期

刘发欣，程文,*，刘昕，贾如宾，杜长铃，王敏

(1.西北旱区生态水利国家重点实验室，西安理工大学水利水电学院, 陕西西安 710048；2.北京中环瑞德环境工程技术有限公司，北京 100176；3.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043；4.中电建铁路建设投资集团有限公司，北京 100070)

在气候变化影响下，伴随着我国城市化进程，洪涝积水、河流水系生态恶化、水体富营养化、水污染等问题日益加剧。实现一种活泼、安全、可持续、健康的城市愿景已经成为所有人一致和迫切的需求[1]。近年来，我国针对点源污染的治理力度不断加大，而非点源污染带来的危害越来越大，非点源污染的产生以及发展过程存在极大的不确定性，其典型特点包括滞后性、潜伏性、隐蔽性，以及污染范围广、治理难度较大[2]等。

国外从20世纪70年代就开始重视城市雨洪控制。美国最先提出了最佳管理实践(best manage-ment practices，BMPs)，它是通过灰、绿色基础设施的建设[3]，对雨水径流采取截取、滞留、蓄集、渗透等方式降低雨水径流速度、延长径流路径、增加径流渗透等，从而达到调控雨水径流峰值时间和降低峰值量的目的。低影响开发(low impact development，LID)被认为是第二代BMPs，是协调解决雨洪问题和水污染问题的可持续城市雨洪管理模式，可缓解快速城市化产生的负面影响，减少城市内涝，降低下游洪水风险和雨洪面源污染，实现人与自然的和谐可持续发展[4-5]。我国积极借鉴国外经验，2013年正式开展“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市建设，大规模推广应用LID技术，结合城市水系、道路、广场、居住区和商业区、园林绿地等空间载体，建成低影响的雨洪调控与利用系统[6]。2015年以来，先后有30个城市入选了国家海绵城市建设试点；2021年开始系统化全域推进海绵城市建设，首批确定了20个示范城市。因此，本文拟对海绵城市建设中主要LID技术的应用、截流去污效果和机制、模型应用现状、综合效益评估方面进行综述，并在此基础上提出相关建议，以期为未来LID技术在海绵城市建设的应用和效果评估等方面提供借鉴。

1 海绵城市建设中典型LID技术介绍

本研究利用标准布尔逻辑关系词在Web of Science进行检索，运用VOS viewer进行关键词叠加分析聚类，分析结果如图1所示。由检索结果可知，我国海绵城市建设在LID研究方面的文献中，LID措施中的可渗透路面(permeable pavement)、绿色屋顶(green roof)、雨水花园(rain garden)、生物滞留池(bioretention)应用较多；模型中暴雨管理模型(SWMM)出现频率较高；广州、厦门、武汉、济南4个城市出现频率较高；植物、土壤和基质出现频率较高；政府、管理、规划和研究也出现了较高的频率。

图1 我国海绵城市建设中LID关键词叠加分析聚类Fig.1 Overlay Analysis of Keywords Related to LID of Sponge City Construction at Home

李雯[7]运用文献计量法，根据关键词共现分析，利用文献计量软件Cite Space对2019年及以前的711篇海绵城市建设相关文献进行关键词分析，其中LID出现频次较高，说明LID技术在海绵城市建设中得到了广泛应用。LID提倡因地制宜，在径流产生的源头部位设计各种低影响/绿色设施，引导雨水径流遵循自然循环过程，进行生态化、低能耗处理，不仅能削减径流总量、减小径流峰值、延长径流产生时间、减少雨水污染负荷和补充地下水，还能最大程度地降低城市建设中土地开发利用对周围生态环境的影响[8]。LID技术既适用于新城开发，又适用于旧城改造[9]。生物滞留设施(雨水花园)[4,10]、植草沟[11]、下沉式绿地、可渗透路面[12]、屋顶花园[13]以及其他各种小型措施都是LID在海绵城市建设中的典型应用，主要通过沉淀、渗透、过滤、截留和微生物降解[14]等过程，充分发挥滞留和净化雨水的功能，达到径流削减、污染控制、雨水回用，从而实现“渗、滞、蓄、净、用、排”的功能[15]，如图2所示。

图2 LID在海绵城市建设中的应用及主要功能Fig.2 Application and Main Function of LID in Sponge City Construction

2 典型LID径流削减和污染控制研究进展

2.1 径流削减效果和污染去除效果

我国很多学者的研究显示，LID作为一种生态、低成本、景观化的城市雨洪管理方法，具有显著削减雨水径流水量与调控雨水污染负荷作用。

典型LID设施如雨水花园、植草沟、透水铺装等都被证实具有较好的径流削减和污染物去除效果。李家科等[16]以西安市某片区降雨径流及污染削减为研究对象，在2～20年一遇的降水条件下，雨水花园对城市暴雨所形成的径流量与水质都有较好的控制效果，能够减少径流总量和径流峰值，同时削减污染物浓度峰值和负荷。唐双成等[17]通过在黄土地区开展雨水花园对雨水径流及污染物降解的试验发现，雨水花园对入流中总磷和总氮的去除率很低，平均值仅为6.3%和2.7%，但因截留了很大比例的入流(平均削减率为51.5%)，其对氮、磷污染物总负荷的削减率分别达到52.5%和51.5%；但是优先流现象导致雨水花园出流速度较快，水力停留时间较短，影响雨水花园的总体效果。Yuan等[18]研究发现，植草沟可有效去除污水中的总悬浮固体、化学需氧量、总氮、总磷，而且夏季去除效果优于冬季。张紫阳等[19]研究发现3种透水铺装系统对5种径流重金属都有较好的去除效果，其中陶瓷透水砖的去除效果最好且最稳定。综合实地试验研究和模型模拟研究都证明，LID设施具有良好的减少地表径流和污染物去除作用，但随着降雨强度的增加，调控效果会有所降低。Kong等[20]综合分析了重庆悦来4个试点地区LID建设后的污染物特征、净化过程和环境影响等因素，发现以高密度土壤和绿色植物为基础的LID对减少地表径流和缓解初期冲刷效应都十分有效，氨氮、硝酸盐氮、总氮、总磷、总悬浮固体、化学需氧量污染物负荷每年分别降低2 137、1 041、4 296、371、204 360、246 850 kg/km2。宋鸿婕[21]应用SWMM模型模拟在沈阳农业大学研究区域(6.757×105m2)中运用LID措施，LID面积为4.551×105m2(67.35%)，其中绿色屋顶占20.6%、雨水桶占20.7%、透水铺装占46.3%、雨水花园占12.4%，设计降雨量为25.7 mm；此设计方案对两年一遇重现期的径流量削减率达到88.4%以上，径流系数为0.45以下，研究区域的径流量和峰值量的削减率都很明显。表1以生物滞留池(雨水花园)为例，总结部分文献研究结果中径流量削减以及各种污染物去除效果，其在径流削减方面可达到40%左右，污染物去除率方面可达到40%～80%。

表1 生物滞留池(雨水花园)污染物去除效果Tab.1 Pollutants Removal Effect of Bioretention Pond (Rain Garden)

2.2 污染物去除机理及优化建议

LID技术通过滞留和净化雨水，达到径流削减、污染控制、雨水回用的目的，从而实现“渗、滞、蓄、净、用、排”的功能。城市地表径流水需要经过物理、化学、生物等复杂反应，以及吸附、沉淀、吸收、降解等过程，利用植物作用、土壤(基质)作用、微生物作用以及三者的协同作用来完成处理。因此，从某种意义上来说，海绵城市中的大多数LID技术是人工湿地的延伸和应用。

2.2.1 土壤(基质)的调蓄与滞留作用

土壤(基质)是LID实现调蓄入渗、滞留、缓释雨水径流的水文调节和吸附、过滤、降解径流污染物的重要场所。在人工湿地中，基质在污染物削减方面发挥了主要作用。陈韬等[24]的研究发现，城市土壤特征从不同程度上影响其对降雨径流的传输和处理效果，径流量的控制与土壤质地、容重、孔隙度密切相关。师晓阳等[25]以厦门市海沧区马銮湾试点区为例，研究发现雨水花园适合在学校、停车场等面积较大地区进行布设，而生物滞留设施则适合应用在道路和居住小区绿化带等面积较小、坡度较小的区域。许目瑶等[26]在扬州市开展雨水花园集中入渗试验，研究发现土壤水的变化受雨前土壤水分、入渗水量、非饱和区土层深度等因素的综合影响，研究结果可为同类雨水花园的设计和建设提供参考。因此，在建设LID设施前，须对场地土壤特征进行详细调查和分析：若土壤具有很好的导水性能，则建议布置的LID措施应以下渗为主；若土壤具有一定的持水性能，则LID措施应以去除污染负荷为主要作用；若当地土壤不能直接使用，则需进行土壤改良，确保能发挥好土壤自身及生物栖息地作用，兼具LID措施所需功能[24]。因此，在海绵城市LID建设过程中，应充分开展土壤现状调研，结合当地土壤特征，以及所处地形、地质、水文、气象等条件，选择合适的LID措施，设置LID布置的优化条件参数，并对不同LID措施进行优化布局。

近年来，湿地和人工浮床技术的相关研究较多，侧重不同基质或基质组合对污染物的去除效果，而磷的高效去除主要依靠基质的拦截吸附和络合沉淀等[27]。因此，未来工程应用成熟的基质或基质组合将在海绵城市建设的LID技术实施中发挥重要作用。

2.2.2 植物的滞留、吸收与景观作用

植物是雨水花园、植草沟、下沉式绿地、绿色屋顶等典型LID技术的重要组成部分，有多方面作用：降低地表雨水径流与水力负荷；吸收、吸附污水中的污染物，并具有氧气传输功能，利于有氧微生物的生长以及氧化、还原反应的进行，促进污染物削减[28]；此外，还具有景观效益以及一定的经济价值等。

很多研究发现，与未种植植物的LID相比，种植植物的LID对氮、磷等污染物质的去除率更高，说明植物对LID设施中营养物质的去除具有重要作用[28-29]。Henderson等[30]观察合成雨水的生物滞留土柱试验，发现没有植物的系统出现了氮、磷的淋溶现象，而有植物的系统中近乎没有出现氮、磷的淋出。刘志宽[31]对植物的根系泌氧的特征与总氮、总磷去除效果进行综合分析得出：湿地植物根系的泌氧速率与总氮、总磷的去除率存在正相关关系，即泌氧速率越高，总氮、总磷去除率越大。江福英[28]研究水培条件下，15种湿地植物对氮、磷的吸收和积累效果，发现美人蕉对溶液中氨氮、硝酸盐氮和磷的去除率较高，且植物体内对氮、磷积累量较高，对污染水体中净化效果明显。汪文强[32]研究了4种水生植物对富营养水体养分去除及对水体胞外酶活性的影响，发现凤眼莲和空心菜较其他植物具有更强的净化能力。左杰等[33]选取水芹作为湿地植物，发现当环境温度低于适宜水芹生长的温度时，浮床种植法比沙基种植法更有利于水芹植物总生物量的增加，尤其是植株根系生物量的增加。邓志强[34]应用模拟试验和野外试验综合比较美人蕉和芦苇作为浮床植物的成本，得出芦苇浮床成本低30%以上。郭亚平等[35]发现伴随湿地植物生长的季节性，其处理系统的去污能力也出现季节性差异。另外，夏季收割植物的地上部分有利于提高植物水下溶解氧浓度，进而提高系统污染物去除效率[36]。可见，有无植物、植物类型、种植方式、季节等因素都会对植物的去污效果产生影响，且浮床种植法及经济植物芦苇等都可以作为LID技术中植物部分的较好选择。

因此，应结合当地气候特点，考虑季节性因素，通过合理搭配设计扩大LID设施中植物季节选择性，并综合考虑经济适用性原则，优先选用当地优势植物。LID植物选择的原则为：植物的抗逆性强、既耐旱又耐涝、季节适应性广、植物根系发达，且去污能力强、生物量大、景观效果佳、成本低、具有一定的经济价值、能增加系统的生物多样性等。

2.2.3 微生物的降解吸收关键作用

研究表明，污染水体净化是植物、土壤(基质)、根际微生物共同作用的结果，而根际微生物的存在是能够净化水质的关键因素之一[37]。

微生物在氮、磷的循环中起着十分重要的作用。有机氮化合物在微生物作用下转化为氨或氨盐基，氨或氨盐基被氧化为硝酸盐氮，硝酸盐氮通过反硝化作用转化为氮气。有机磷一方面被微生物固定随着其死亡可重新释放转变为植物可利用的磷，另一方面，土壤中存在的解磷菌或溶磷菌能够将植物难以吸收利用的磷转化为可吸收利用的形态，供植物吸收利用[14]。植物根系具有泌氧功能，促使植物根区形成好氧-缺氧-厌氧的区域[38]，不同含氧区域为不同的微生物提供了生长条件，有利于不同微生物生长和代谢，丰富了根区微生物的种类和数量，有利于增加脱氮除磷微生物的种类和数量，从而达到良好的脱氮除磷效果。不同植物根系的泌氧速率不同，形成的不同根际微环境导致其根际微生物种群产生差异，从而产生不同的去污能力。江福英[28]研究发现4种湿地植物的根际土壤脲酶、磷酸酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性都较非根际高，说明因为根际微生物的存在，加速了介质中氮、磷的转化效率。另外，基质可以为微生物提供附着面，不同的湿地植物基质中，其根际与非根际的微生物数量特征呈现出明显的差异[28]。

因此，微生物降解对LID中污染物的去除发挥着不容忽视的作用，植物的不同会对根际微生物产生影响，筛选LID植物时，也应考虑到其根际微生物特征。另外，可以考虑在LID设施内设置曝气管道或者改变设施内进水出水方式等，改变基质和根际微环境，增加微生物的种群和数量。

总的来说，LID设施减少雨洪径流和污染物去除的机理主要包括3个方面(图3)：(1)土壤(基质)吸附过滤截留功能是蓄滞地表径流和去除污染物的主要因素之一；(2)设施内生长的植物在削减地表径流、吸收吸附雨水污染物中发挥重要作用；(3)微生物的特别作用可降解有机物转化为无机物，为植物提供无机养分，促进设施中的植物生长和有机循环[23]。

图3 LID径流削减、污染控制、雨水回用的机理Fig.3 Mechanism of LID in Runoff Reduction, Pollution Control and Rainwater Reuse

2.3 雨洪控制模型在LID中的应用现状

模型能够有效模拟海绵城市中LID技术的实施效果，且能够对模拟效果进行量化，对促进我国LID措施的推广应用和城市雨洪控制系统的合理规划具有重要指导意义。国内外对城市雨洪与面源污染模型的研究已相当广泛，代表性模型有SWMM、SWAT、SUSTAIN等[39]。

康宏志等[40]总结了主要模型的基本功能和适用情况，及其在国内外的研究进展和实践情况，并简要分析了各模型在我国海绵城市建设模拟中的适用情况，为海绵城市雨洪控制模型的选择提供一定的参考。由图1可知，SWMM是海绵城市建设中运用最为广泛的雨洪管理模型。李雯[7]运用文献计量法进行关键词分析，SWMM出现频次最高，也证明了这一点。SWMM可用于海绵城市建设LID设施的规划、设计和评估，且新版SWMM 5.1中特别引入LID模块，模拟LID设施对径流量的削减和污染物负荷减少的有效性，能很好实现一些常用LID措施如雨水花园、透水路面、绿色屋顶、植草沟、雨水装置等的模拟和设计功能。很多学者采用SWMM进行模拟，分析不同LID设施对场地雨水径流和峰值控制，都取得了很好的效果[16,21,41]。黄筱[42]采用SWMM对大浦镇设计的雨水管道进行模拟，并根据模拟结果对原有设计方案进行改进，同时加入LID措施，分析不同情境下雨洪设施对场地雨水径流和峰值的控制效果，探索出一套复杂地形LID技术应用流程，可以为具有复杂地形的小城镇雨水系统规划提供思路和借鉴。其他雨洪控制模型也得到了一定应用，尤其是SWAT[43-45]应用较多，它可以根据流域非点源负荷输出污染源组成、空间特征、地势地形特点，从源头控制与过程控制两方面设置不同LID措施，对各类措施的环境效益进行评估。李伟等[46]以美国德克萨斯州哈里斯县区域为例，挑选了雨水花园、雨水仓库和渗水路面3种常见的LID技术，基于SWAT软件优化了针对地表径流和污染物含量设定的5个方案，优化设计评估，提出了节流减排的目标。SUSTAIN模型能模拟城市雨水径流的水量和水质，广泛应用在BMPs/LID措施的选择、评估和布局，但更多侧重于BMPs[47-49]。缪遇虹[50]运用SUSTAIN模型优化模块NSGA-II算法对各个布局可能性进行最优化计算，得到一系列成本效益最佳的布局方案。贾海峰等[51]运用SUSTAIN系统进行LID/BMPs措施的筛选，并支持了措施的选址、布局研究。其他模型如MIKE SCAD[40]、RECARGA[22]、HYDRUS-1D[52]等也在相关研究中有一定的应用。

模型的发展为LID各种措施的优化配置提供了更加科学的指导和依据。模型应用的总体思路一般为：首先，研究区域特点(包括水文气候、地形、土壤、非点源污染特性、经济实力以及区域整体规划等)，根据当地情况并结合经验在空间上配置可选的LID，形成几种LID优化配置的候选方案；然后通过模型模拟的方法对候选方案的削减效率及经济成本进行评估；最后选取成本效益最佳的LID配置方案。但是，目前很多模拟工作都是根据经验进行，与研究区域土地利用的实际规划情况存在较大偏差，而且缺乏实际监测数据验证，导致模拟结果准确性有待考察，无法很好地指导LID措施的设计、规划与实施。因此，加强实际监测数据的收集、建立大数据库功能、强化模型的验证和率定、提高模拟准确度，应是未来模型研究工作中需要重点克服的难点。

3 LID设施综合效益评估

随着全国30个试点海绵城市建设工作的开展和逐步完成，海绵城市建设的综合效益评估工作越来越重要，以期为后续全国其他城市开展海绵城市建设工作提供借鉴和指导意义。目前，针对海绵城市建设及雨水措施效益评价多集中在定性研究方面，近几年开始尝试对海绵城市的综合效益开展定量化研究。

成本效益分析作为一种单目标决策分析方法，广泛应用于LID措施的筛选与评估。芦琳[53]从全过程生命周期成本效益进行分析，结果为雨水花园>渗透铺装+渗透管/井系统>传统雨水排水系统等。常舰[43]采用SWAT模型，运用成本效益法对各类措施的环境效益进行评估。Wang等[54]运用成本效益分析法，分析了在未来气候变化预期情景下，不同LID措施的实施效果，为决策者在选定合适的成本、径流及污染控制效益时提供参考方案。层次分析法(AHP)可以系统清晰地对海绵城市的综合效益进行评估，已得到广泛应用，发展比较成熟。罗玉婷[55]运用AHP，从适应能力、功能效益、经济投入3个方面建立适用于老城区的评价模型，并对其中的二级、三级标准进行说明阐述，然后进行评价指标的量化与标准化处理，建立矩阵和计算权重，最后根据综合评价模型进行整合并评价。俞茜等[56]为了在规划设计阶段全面评价LID设施的效益，分别从减灾效益、经济效益、环境效益和社会效益4个方面筛选了18个评估指标，构建了5类不同LID设施的综合效益评估指标体系，但其中大部分指标都是定性研究。Li等[57]选取南宁市体育场作为研究案例，选取5种LID措施对体育场进行改造，提出了5种不同的情景，每种情景中各种LID设施设置不同的建造比例，并运用AHP设计的评估体系，涵盖环境、经济和社会效益层级指标，最后对5种不同情景进行综合效益分析，结果表明在34.5%的滞留池设施和46%的下沉绿地情景下可得到最好的环境、经济和社会效益。此种情景分析法对于海绵城市建造适宜的LID设施布设面积和比例给出了很好的示范。另外，近年来相关学者开始进行海绵城市LID综合效益的货币化研究。李晨等[58]在北京市某建筑小区通过增设绿化屋顶、下沉式绿地、雨水调蓄池等雨水调控措施，对比增设设施前后外排量、节水量、污染削减量、节电量、固碳释氧量等的变化，评估其效益。孙文靖等[59]采用水量平衡法、影子工程法、替代工程法等环境经济方法，构建海绵城市建设效益的货币化测算方法，该研究将海绵城市建设的效益货币化，能更加直观地体现其综合价值及实际收益。

海绵城市建设LID综合效益涉及经济、生态环境、社会3个方面，较为复杂。因此，基于环境经济学原理，结合生命周期理论，运用AHP，建立合理的评价指标体系，建立准确、合理的效益识别和货币化的测算方法，从而对海绵城市的综合效益进行定性和定量分析，可以为未来海绵城市改造实践和已建成的海绵城市的效益评估提供参考。