下凹式綠地用于城市降雨徑流控制研究進(jìn)展

許浩浩，呂偉婭

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816)

隨著我國(guó)城市規(guī)模的擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加快，地表不透水面積比例迅速增長(zhǎng)，造成地表徑流量急劇增加，縮短了洪峰產(chǎn)生的時(shí)間，而傳統(tǒng)市政管網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)排走匯聚的雨水，因此容易引發(fā)城市內(nèi)澇[1]。此外，降雨徑流中攜帶大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物固體、重金屬、油脂及致病菌等污染物，若這些污染物直接排入水體，會(huì)導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化。在城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)、面源污染嚴(yán)重和水資源短缺的大背景下，各國(guó)相繼開(kāi)發(fā)出多種新型的城市雨洪管理技術(shù)。例如美國(guó)低影響開(kāi)發(fā)模式及暴雨最佳管理措施、澳大利亞水敏性城市設(shè)計(jì)和英國(guó)可持續(xù)城市排水系統(tǒng)等。作為低影響開(kāi)發(fā)理念下的一種生態(tài)雨洪管控措施，下凹式綠地不僅可以有效削減降雨徑流總量和洪峰，而且可以有效改善降雨徑流的水質(zhì)。近年來(lái)，鑒于下凹式綠地在控制城市降雨徑流、補(bǔ)給地下水及美化環(huán)境等方面的良好效果，其已被美國(guó)等其他發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛使用在城市公園、住宅區(qū)、道路兩側(cè)及大學(xué)校園等領(lǐng)域[2-3]。

1 下凹式綠地技術(shù)介紹

下凹式綠地通常指內(nèi)設(shè)高程低于周邊路面200 mm的一類結(jié)構(gòu)特殊的綠地[2]，其內(nèi)設(shè)置雨水口的位置高于綠地高程但又低于周邊路面的高程，主要通過(guò)蒸發(fā)、下滲、截留和調(diào)蓄等作用減少?gòu)搅魍馀帕?，同時(shí)通過(guò)土壤和介質(zhì)的過(guò)濾與吸附、微生物的降解以及植物根系的吸收作用去除污染物。下凹式綠地一般下凹100～200 mm，表面種植植物，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自上而下依次為：蓄水層(100～200 mm)、種植土層(250 mm)和原土，雨水口高程一般高綠地50～100 mm[2]，底部一般設(shè)有排水系統(tǒng)，此外通常還包括進(jìn)水預(yù)處理的附屬設(shè)施。

2 下凹式綠地的水文效應(yīng)

2.1 下凹式綠地的設(shè)計(jì)

大量研究顯示[4]，下凹式綠地設(shè)計(jì)的重要參數(shù)有：設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期、土壤滲透系數(shù)、綠地下凹深度、下凹綠地面積比例、雨水口高度和植物耐淹時(shí)間。其中，下凹深度和下凹綠地面積比例是設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，下凹深度是決定綠地調(diào)蓄水量的主要參數(shù)之一，而較大的綠地面積可以有效保障其對(duì)降雨徑流的控制。

焦勝等[5]研究長(zhǎng)沙某住宅小區(qū)的下凹式綠地面積占總匯水區(qū)面積的適宜比值，結(jié)果表明，當(dāng)土壤穩(wěn)定入滲速率為5×10-8～5×10-6m/s，下凹深度為0.1～0.3 m，綠地面積占總匯水面積比為1.95%～22.09%時(shí)，下凹式綠地可以完全消納1 h降雨產(chǎn)生的場(chǎng)地徑流。程濤等[6]研究表明，當(dāng)小區(qū)建設(shè)有效面積不少于30%的綠地，且綠地下凹深度為5～10 cm時(shí)，下凹式綠地能有效控制降雨徑流量。黃民生等[7]選取華東師范大學(xué)校園內(nèi)的一處下凹式綠地進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，當(dāng)土壤穩(wěn)定入滲速率為5.0×10-7～5.0×10- 5m/s，下凹深度為0.1～0.3 m、面積比例為10%～30%時(shí)，下凹式綠地可以削減暴雨重現(xiàn)3 a連續(xù)1 h降雨產(chǎn)生的徑流。朱永杰等[8]采用人工模擬的下凹式綠地，研究在不同暴雨強(qiáng)度下的減流效果，得出當(dāng)下凹式綠地面積達(dá)到30%時(shí)，徑流系數(shù)在0.30以下，可以攔蓄3年和5年一遇的暴雨；當(dāng)下凹式綠地面積達(dá)到20%時(shí)，5 cm和8 cm的雨水口對(duì)3年和5年一遇的降雨徑流削減效果差異不明顯，削減率均在40%以上，徑流系數(shù)均在0.90以上，相比之下5 cm雨水口高度較為合理。

但有研究表明[4]，植物耐水淹的時(shí)間會(huì)限制綠地下凹深度，由于植物耐水淹的時(shí)間有限，因此不能無(wú)限制地提高綠地下凹深度，如當(dāng)植物耐淹時(shí)間為1～3 d時(shí)，北京下凹式綠地的下凹深度在5～25 cm適宜。國(guó)外一般要求下凹式綠地的積水深度不低于15 cm，且不超過(guò)23 cm[9]。Xie等[10]通過(guò)理論計(jì)算得出，北京市的下凹式綠地設(shè)計(jì)深度為15～20 cm，綠地率為20%，重現(xiàn)期為2～5 a，施工挖深為6～15 cm是比較合適的(表1)。Pan等[11]指出在1倍匯水面積的情況下，下凹式綠地對(duì)暴雨重現(xiàn)期為10、50、100 a的降雨削減率分別為87.15%、58.48%和50.75%。Dong等[12]通過(guò)理論計(jì)算得出，若要深度大于10 cm的下凹式綠地能滿足0.5～5 a重現(xiàn)期的100%下滲，則需保證土壤滲透率大于5.0×10-5m/s，且綠化率應(yīng)大于30%。Prince等[13]研究表明，選擇填料基質(zhì)時(shí)，應(yīng)考慮基質(zhì)的滲透性能及對(duì)污染物的削減效果，推薦選用壤土、砂質(zhì)壤土及壤質(zhì)砂土(最小吸水率分別為13、25、51 mm/ h)等滲透率高的天然土壤作為綠地填充基質(zhì)。

表1 下凹式綠地對(duì)徑流量的削減效果

由于各地區(qū)的降雨強(qiáng)度和土壤下滲率不同，綠地的下凹深度有所差異，北方下凹深度一般在10 cm以下，南方下凹深度一般大于10 cm，此外，綠地面積一般要達(dá)到集水面積比例10 %以上[11]，才能有效保障下凹式綠地的蓄滲效果。目前，對(duì)于下凹式綠地的下凹深度和綠地面積比例的研究較多，但對(duì)于滲透系數(shù)、設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期、植物耐淹時(shí)間等因素對(duì)綠地蓄滲能力影響的研究相對(duì)較少，應(yīng)對(duì)其開(kāi)展更為細(xì)致的研究。

2.2 下凹式綠地對(duì)降雨徑流的調(diào)蓄作用

眾多學(xué)者采用試驗(yàn)裝置、單體野外觀測(cè)、模型模擬等方法對(duì)下凹式綠地的調(diào)蓄作用進(jìn)行了大量的研究。Cong等[14]運(yùn)用SWMM模型對(duì)北京某小區(qū)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，當(dāng)暴雨重現(xiàn)期為10 a時(shí)，與凸式綠地相比，下凹式綠地的入滲量增加了36%，徑流量減少了53%，洪峰流量降低了35%。Tian等[15]分析在不同設(shè)計(jì)降雨頻率的情況下，濟(jì)南市城區(qū)的下凹式綠地的徑流削減效果，得出下凹式綠地的降雨攔蓄效果較為明顯，對(duì)降雨重現(xiàn)期為1、3 a的徑流削減率分別為76.55%、63.45%。曲嬋[16]對(duì)西北大學(xué)長(zhǎng)安校區(qū)的下凹式綠地進(jìn)行SWMM模型模擬，發(fā)現(xiàn)綠地的下凹深度為10 cm，綠地率為40%時(shí)，系統(tǒng)能完全消納周圍4.7 hm2不透水面積產(chǎn)生的88.54 m3徑流量；在降雨強(qiáng)度為9.69 mm/h，降雨量為27.5 mm時(shí)，系統(tǒng)減少10.17%的洪峰流量，延遲洪峰時(shí)間為0.16 h。宋召鳳等[17]對(duì)下凹式綠地在不同設(shè)計(jì)暴雨條件下的減洪效果的計(jì)算結(jié)果顯示，徑流削減率隨下凹深度的增加而升高，隨降雨重現(xiàn)期的增加而降低，下凹式綠地對(duì)重現(xiàn)期小于4 a的降雨徑流的削減率均高達(dá)100%。Yi等[18]設(shè)計(jì)了一種改良型下凹綠地，并在深圳市光明新區(qū)某綠色建筑小區(qū)進(jìn)行了中試研究，結(jié)果表明，當(dāng)下凹式綠地與徑流下墊面面積之比1∶2時(shí)，下凹式綠地能完全消納重現(xiàn)期為2 a或3 a的降雨徑流，但當(dāng)重現(xiàn)期為5 a時(shí)，會(huì)發(fā)生溢流現(xiàn)象，產(chǎn)流時(shí)間為29 min，延緩峰現(xiàn)時(shí)間為14 min，并提出了減小服務(wù)面積比及降雨重現(xiàn)期有利于下凹綠地對(duì)徑流地調(diào)蓄。

基質(zhì)層厚度和植物種類也會(huì)對(duì)下凹式綠地調(diào)蓄徑流產(chǎn)生一定的影響。Yue等[19]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室土柱模擬試驗(yàn)，研究下凹式綠地土壤厚度對(duì)積水滲透特性的影響，結(jié)果表明，下凹式綠地土壤厚度大于1.7 cm時(shí)，約2～3 h能完全攔蓄厚度為10 mm的降雨。Zhang等[20]在實(shí)驗(yàn)室搭建下凹式綠地研究對(duì)徑流削減效果，試驗(yàn)表明，與基質(zhì)厚度為20 cm和40 cm的下凹式綠地相比，基質(zhì)厚度為60 cm的下凹式綠地對(duì)短歷時(shí)和長(zhǎng)歷時(shí)降雨有更好的削減徑流量和延遲峰值的效果，徑流峰值延緩的時(shí)間達(dá)到了24～30 min。William等[21]研究顯示，在植物選擇時(shí)，應(yīng)選用耐寒抗鹽、抗旱耐澇、根莖茂密發(fā)達(dá)、適應(yīng)力強(qiáng)、生長(zhǎng)速度較快的本土植物物種，同時(shí)注重植物的種植密度及多樣性搭配，以達(dá)到美觀的效果。馬姍姍等[22]采用InfoWorks CS 軟件模擬天津某大學(xué)生活區(qū)的排洪能力，結(jié)果表明，當(dāng)降雨頻率為20%時(shí)，綠色屋頂與下凹式綠地串聯(lián)對(duì)洪峰流量的降低幅度高達(dá)41.1%，徑流系數(shù)降低至0.279，降低幅度高達(dá)49.9%，且隨著降雨頻率的增高，串聯(lián)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

下凹式綠地對(duì)較小降雨重現(xiàn)期下的徑流量的削減率最高可達(dá)100%[17]，最低也達(dá)到了43%[8]，洪峰延遲時(shí)間為9.6[16]～30 min[20]，洪峰流量削減率也在10.17%以上[16]，因此下凹式綠地能很好地?cái)r蓄降雨徑流、削減洪峰流量、滯后洪峰到達(dá)時(shí)間以及補(bǔ)充城市地下水。但目前研究大多為模型模擬或?qū)嶒?yàn)室小面積實(shí)驗(yàn)，限制因素較多，今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)大面積下凹式綠地的野外觀測(cè)及穩(wěn)定性運(yùn)行方面的研究。

3 下凹式綠地削減徑流污染

3.1 凈化機(jī)理

研究表明[11]，下凹式綠地對(duì)降雨徑流中的TSS、TP、COD和重金屬等污染物具有良好的凈化效果，其去除機(jī)理主要是土壤、植物和微生物共同作用的結(jié)果，涉及物理、化學(xué)和生物作用。但是不同污染物的去除機(jī)制有所不同。氮的去除主要通過(guò)氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的降解；磷的去除主要依靠植物根莖的吸收以及與金屬離子(鈣、鐵、鋁)形成螯合態(tài)或絡(luò)合態(tài)化合物被固定在土壤中，還有小部分被聚磷菌類微生物攝取；有機(jī)物的去除主要依靠土壤吸附和微生物降解；TSS的去除主要通過(guò)植被根系和土壤截留；重金屬的去除主要依靠土壤介質(zhì)的吸附作用。也有研究表明[23-24]，下凹式綠地對(duì)COD的去除作用主要依靠土壤膠體顆粒吸附、植物的吸收吸附以及微生物降解。

3.2 凈化效果

表2 下凹式綠地削減徑流污染效果 %

上述研究表明，下凹式綠地對(duì)雨水徑流有良好的凈化效果，但對(duì)每種污染物的削減率有所差異，對(duì)COD和TSS的削減效果最好，其次是TP和重金屬，對(duì)氮的削減率相比其他污染物較低。此外，下凹式綠地的凈化效果受降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、綠地覆蓋度、土壤類型、植被類型、下凹深度及面積等因素的影響，其中降雨強(qiáng)度和植被類型對(duì)污染物的凈化效果顯著，凈化效果隨降雨強(qiáng)度的增大而減小。

4 結(jié)論與展望

隨著城市化的不斷發(fā)展，下凹式綠地將在控制城市內(nèi)澇與城市面源污染方面發(fā)揮更大的作用。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)下凹式綠地在降雨徑流控制方面的研究進(jìn)展，提出未來(lái)以下幾個(gè)方向：①明確下凹式綠地的調(diào)蓄能力過(guò)程、削減徑流污染的能力、凈化機(jī)理及影響因素，如土壤基質(zhì)、植物和微生物對(duì)綠地調(diào)蓄凈化徑流的影響，同時(shí)加大對(duì)下凹式綠地在室外的研究，尤其是在較大區(qū)域下凹式綠地在徑流控制及改善城市水循環(huán)等方面的研究；②優(yōu)化下凹式綠地對(duì)降雨徑流的控制效果，從植被覆蓋度、草地類型、下凹深度及面積等影響因素考慮，優(yōu)化下凹式綠地的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在不降低進(jìn)水負(fù)荷前提下提高對(duì)氮磷等污染物的去除效果和對(duì)暴雨徑流的調(diào)控能力；③下凹式綠地長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性的研究，通過(guò)有效地運(yùn)行維護(hù)技術(shù)，保持下凹式綠地良好的蓄滲及水質(zhì)凈化功能。