下凹式綠地用于城市雨水徑流控制淺析

李 宏，黃 明

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

1 概 述

隨著中國進入城鎮(zhèn)高速發(fā)展的階段，城市不透水面積增加，土地植被覆蓋率下降，使得城市雨水徑流量增加，在遇到暴雨或連續(xù)降雨時，容易引發(fā)洪澇災害，此外，城市地表面的重金屬、氮磷、病原微生物、油脂及有毒物質(zhì)等會隨著雨水進入城市排水系統(tǒng)，導致水體水質(zhì)惡化。與此同時，我國水資源短缺的問題也日趨嚴重，所以對徑流雨水進行有效的管理和控制顯得尤為重要。

下凹式綠地是一種綠地高度低于周圍地面高度的雨水管理系統(tǒng)的統(tǒng)稱。下凹式綠地具有狹義和廣義之分，廣義的下凹式綠地泛指具有一定的調(diào)蓄容積并可蓄滯和凈化徑流雨水的綠地，包括了生物滯留設(shè)施、雨水濕地、滲透塘、濕塘、調(diào)節(jié)塘等[1]；狹義的下凹式綠地即指低于周邊道路或地面200mm以內(nèi)的綠地（見圖1）。在降雨過程中，下凹式綠地可替代傳統(tǒng)的排水管網(wǎng)，使地面雨水徑流匯入其中，并通過下滲、滯留、吸附等作用實現(xiàn)削減徑流雨水、補充地下水的目的。由于其可以靈活應用于城市道路、公園、居民小區(qū)、學校等，還具有較好的景觀功能以及滯塵減噪、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、遏制城市熱島效應等環(huán)境調(diào)節(jié)功能，因此，在海綿城市建設(shè)中得到了廣泛的應用。

圖1 狹義的下凹式綠地

本文對下凹式綠地的應用、蓄滯和去污性能及影響因素進行了歸納總結(jié)，以期為綠地的設(shè)計和運行、改良和提效提供參考。

2 下凹式綠地的應用

下凹式綠地將徑流雨水先匯流至綠地內(nèi)暫時蓄滯起來，削減路面徑流量，然后通過土壤的滲透性能使雨水下滲，同時通過植物、土壤基質(zhì)和微生物的共同作用削減雨水中的污染物質(zhì)[2]。根據(jù)功能不同，可分為凈化型、蓄滯型和綜合功能型等。凈化型下凹式綠地適用于廣場、道路、停車場等污染較嚴重的區(qū)域；蓄滯型適用于地表徑流較大、但徑流污染較輕的場地，如公園綠地；綜合功能型適用于帶狀公園、街旁綠地、居住區(qū)綠地等徑流量較大且污染較嚴重的區(qū)域。其中，對于道路下凹式綠地，通常設(shè)置在道路的中央或兩側(cè)，雨水依靠道路坡度通過開孔路緣石匯流至綠地，綠地內(nèi)通常設(shè)有礫石緩沖帶，防止雨水直接沖刷綠地影響植被生長。道路下凹式綠地除具有雨水調(diào)控能力外，還具有分隔人行道與行車道之間的噪聲，便于設(shè)置港灣式公交停車站和避免排水管道維修對道路交通的影響等優(yōu)點[3]，但在建設(shè)過程中需要在綠地與道路路基之間做防滲處理，以防雨水滲入路基影響其穩(wěn)定性從而影響行車安全。對于公園下凹式綠地，可以通過調(diào)整綠地下凹深度、改良下滲層材料、優(yōu)化植物配置等措施來應對公園內(nèi)地表徑流較大的問題[4]。對于居住區(qū)、街區(qū)旁等下凹式綠地，由于地形條件、布局安排、匯水面積、景觀要求各異，可以因地制宜靈活布置。此外，下凹式綠地在應用過程中還要注意防止匯集路面垃圾、綠化效果欠佳等問題。

3 下凹式綠地的水文效應研究

下凹式綠地通過其低于地面一定高度的蓄水層的蓄滯、植被對雨水徑流的攔截和土壤基質(zhì)的滲透共同實現(xiàn)其水文效應，主要體現(xiàn)在削減雨水徑流流量、洪峰流量，延遲洪峰出現(xiàn)時間等方面，下凹式綠地的下凹深度、占地面積、植物、填料等都會對水文效應產(chǎn)生影響。李港妹等[5]計了0.15、0.2m三種下凹深度和10%、20%、30%、40%四種綠地率，發(fā)現(xiàn)攔蓄效果和減峰效果都在99.2%以上，其結(jié)果還表明，當綠地率一定時，下凹式綠地的滲蓄率與下凹深度成正比，但下凹深度過高時對植物的耐淹能力要求較高，并存在安全隱患。常江等[6]選取了五個不同耐淹時間的植物和五種不同滲透系數(shù)的土壤，對溢流口高度和下凹深度進行了研究。結(jié)果表明，綠地下凹深度不僅受植物耐淹時間和土壤滲透率的影響，還與設(shè)計暴雨強度和溢流口雨水篦的性能有關(guān)。裔士剛等[7]構(gòu)建的改良型下凹式綠地裝置中，基質(zhì)土壤層由1∶1～1∶1.5體積比混合的細砂和粘土組成，還設(shè)置了15 cm厚的陶粒層，結(jié)果表明，此改良型下凹式綠地裝置能夠應對2 a和3 a重現(xiàn)期的降雨不產(chǎn)生溢流，而當重現(xiàn)期達到5 a時，會產(chǎn)生溢流，產(chǎn)流時間為29min，延緩峰現(xiàn)時間14min。趙慶俊等[8]建立了水平高滲透、垂直高滲透、組合高滲透3種結(jié)構(gòu)優(yōu)化型下凹式綠地，并在不同降雨重現(xiàn)期和降雨歷時下與普通下凹式綠地的雨水徑流削減作用進行了對比研究，結(jié)果表明，當綠地率為25%時，普通下凹式綠地的徑流總量削減率為23.14%～67.04%，徑流峰值削減率為1.41%～100%，而組合高滲透下凹式綠地系統(tǒng)的徑流總量削減率為39.93%～89.87%，徑流峰值削減率為6.54%～100%。

4 下凹式綠地的凈化效果研究

下凹式綠地對徑流雨水中污染物的削減效果，主要受系統(tǒng)中植物、填料和微生物等多方面的影響。植物通過根部的同化吸收作用去除徑流雨水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，填料能通過吸附、過濾和離子交換等作用實現(xiàn)去污功能，土壤中的微生物可以通過修復、轉(zhuǎn)化等作用去除徑流雨水中的重金屬和有毒有機物等。

4.1 植物

王國慶等[9]考察了無植被覆蓋和種植了高羊茅和狗牙根時下凹式綠地的去污效果，結(jié)果表明，種植植被后裝置對污染物的去除率明顯提升，尤其是種植高羊茅的裝置去污效果較優(yōu)，對COD、NH3-N和TP的去除率分別達到66.78%、89.98%和96.92%。李暢等[10]分別種植了高羊茅、鼠尾草、鳶尾和以及三種混合植物，研究了四種植被種植情況下系統(tǒng)對NH3-N、TP、COD、重金屬的去除情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，種植高羊茅的系統(tǒng)對NH3-N和TP的去除效果最佳，去除率分別為57.3%和56.4%?；旌戏N植三種植物的系統(tǒng)對于COD有較高的去除率，為39.4%。相比之下，鼠尾草的去污效果欠佳，但四種植物配置的下凹式綠地對Cu Pb Zn三種重金屬均有較好的削減效果，達到95%以上。潘曉等[11]研究了花葉艷山姜、姜花、翠蘆莉、一葉蘭、沿階草、美人蕉和鳶尾7種下凹式綠地草本植物對徑流雨水中SS、NH4+-N、TN、TP、COD的去除效果，結(jié)果表明，7種植物對SS的去除效果沒有顯著性差異，去除率都在30%左右；花葉艷山姜對NH4+-N的去除效果最好，去除率為59.35%；翠蘆莉?qū)N的去除率相對較高，為55.05%，鳶尾的除氮效果較差，去除率僅為18.81%；姜花的除磷效果最好，去除率約67.63%；7種植物中，翠蘆莉?qū)OD的去除率相對較高，為55.46%。

植物在下凹式綠地凈化雨水時起著至關(guān)重要的作用。但在去除總氮的過程中，植物主要為微生物生長輸送氧氣，微生物通過氨化、硝化、反硝化作用除氮；對總磷而言，植物可以直接通過根系吸收作用除磷[12]。不同科屬的植物，莖葉、根系生長情況不同，而且對填料的適應性也有所差異，所以在攔截和凈化雨水時發(fā)揮的效果也各不相同。國內(nèi)有許多學者研究了植物在下凹式綠地中的作用以及不同植物種類對水文效應和凈化效果的影響，但對植物的根系密度、種植組合等卻缺乏研究，有研究人員表明，植物的多樣性還可以顯著提升雨水滯留率[13]，因此，可以考慮加強對植物多樣性和根系密度等的研究，有利于對植物進行優(yōu)化配置以提升下凹式綠地對雨水的控制效果。

4.2 填料

下凹式綠地中的填料主要通過過濾和吸附作用去除污染物，填料的種類、配比、填料層的高度等因素都會影響去污效果。

張成等[14]分別研究了經(jīng)素土回填、陶粒改良、沸石改良的下凹式綠地對污染物的削減效果，結(jié)果表明，利用陶粒對填料改良有利于提升TP的去除效果，沸石有利于TN的去除，而三種不同填料的下凹式綠地對COD、SS的去除效果沒有明顯區(qū)別。吳建等[15]將砂和黏土按質(zhì)量比80∶20混合，并分別按砂土質(zhì)量的1%、3%、5%、7%、9%摻加了鋼渣和腐殖酸，對Pb、Cd、Zn進行了吸附實驗。研究結(jié)果表明，摻加鋼渣能顯著提升Pb、Cd、Zn的去除率，尤其是對Cd、Zn，當鋼渣的摻量從0增加至5%時，Cd、Zn的去除率分別從28.88%和29.29%增加至100%；腐殖酸的摻加對Pb的去除效果影響很小，摻量較大時還會降低Cd、Zn的去除率。Xiaoju Z等[16]分別裝填了20、40、60 cm土壤基質(zhì)，研究了下凹式綠地對污染物的削減效果。研究發(fā)現(xiàn)，污染物的去除效果隨著土壤基質(zhì)層厚度的增加而提升。其中提升效果最明顯的是TP和SS，基質(zhì)層厚度從20到60 cm，TP的去除率從48.4%提到至72.1%，SS的去除率從39.7%增加到74.3%。

下凹式綠地填料的選擇需要滿足蓄滲和去污兩方面的要求。目前以提升去污效果為目的的填料改良研究逐漸廣泛，但是大多都是單一的填料改良，而不同填料對不同污染物發(fā)揮的效果各不相同，因此，可以根據(jù)建設(shè)地區(qū)的水質(zhì)情況和凈化目標，選用各類污染物對應的去除效果最優(yōu)的填料，如摻加沸石提高氨氮的去除率[17]，摻加粉煤灰、給水污泥等提升除磷效果[18-19]，利用復合填料進行改良，使多種填料共同發(fā)揮去污作用，在最大程度上提升下凹式綠地的凈化效果。

4.3 微生物

雨水徑流中除了N、P、COD、SS等常規(guī)污染物以外，還有很多特殊污染物，如多環(huán)芳烴、三氯苯胺、乙烯、除草劑、殺蟲劑等。有機物不完全燃燒、交通排放和石油泄漏等都會排放出有毒污染物[20]，這些污染物經(jīng)過雨水沖刷進入到城市水體中，勢必威脅人類用水安全。近年來，國外學者致力于培養(yǎng)和馴化高效微生物來去除這類有毒污染物。Kanaly等[21]發(fā)現(xiàn)，細菌和真菌聯(lián)合作用，可以高效降解5環(huán)以上的多環(huán)芳烴。Tartakovsky等[22]研究發(fā)現(xiàn)，需氧聯(lián)苯降解菌Rhodococcus sp.M5可以通過氧化和還原降解機理，通過礦化作用實現(xiàn)對多氯聯(lián)苯的降解。

國外學者在微生物的降解方面已經(jīng)有了較為成熟的研究，包括降解菌種、降解條件、機理和影響因素等，相比之下，我國在這方面的研究還有很大的進步空間。

5 結(jié)論和展望

下凹式綠地在徑流雨水的蓄滲和凈化方面有著不可或缺的作用，我國在這兩方面已經(jīng)取得了較為豐碩的研究成果，但是在凈化效果的提升上還有一定研究空間，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）加強對植物根系密度和多樣性的研究，對植物進行優(yōu)化配置，提高對雨水的攔截和凈化效果。

（2）選用各類污染物對應去除效果最優(yōu)的填料，進行復合填料改良，使多種填料共同發(fā)揮作用，在最大程度上提升下凹式綠地的凈化效果。

（3）加強對微生物對特殊污染物降解機理、條件、影響因素等的研究，通過培養(yǎng)高效微生物進一步提升下凹式綠地的凈化效果。