生物滞留设施对雨水径流控制研究进展

周抒宇，赵乐军，宋现财

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津300392）

近年来，“海绵城市”建设在我国逐步展开，借鉴低影响开发（Low Impact Development,LID）方法，采用多样分散的海绵设施，通过渗滞蓄净用排等作用，实现对雨水的控制与利用[1]。海绵设施包括透水铺装、生物滞留设施等可增强雨水渗透的单项市政设施，其中生物滞留设施作为目前使用较多的单项技术之一，近年来受到较多关注。本文从生物滞留设施对雨水径流和雨水水质控制两方面切入，梳理设施设计计算、结构、填料、植物4方面的优化方案，为今后生物滞留设施的研究与应用提供借鉴。

1 生物滞留设施对雨水径流及水质控制的研究

1.1 径流总量及峰值流量

生物滞留技术对消纳、净化降水径流和削减峰值流量具有重要作用[2～3]。降雨过程中，雨水在汇水区内形成径流汇入设施，生物滞留技术通过“蓄水—渗透—渗管缓释”的方式削减径流水量[4]。

蔡家珍等[5]通过SWMM模型模拟漳州市区4场降雨事件，得出不同重现期降雨生物滞留的径流削减率和峰值削减率均高于同等条件下另一种“海绵设施”——透水铺装，表明生物滞留设施比透水铺装对雨水径流及峰值流量的削减效果更好；同时，该项研究发现生物滞留设施在降雨重现期越短时对雨水径流的削减效果越好。田妍等[6]通过从小雨到大暴雨的5次实际降雨事件，证明生物滞留设施在降雨量较小时对雨水水量的控制效果更好，可以完全消纳降雨量＜36.1 mm的降雨，但随着降雨量增加径流控制率逐渐降低，大暴雨状态下降至53%。此外，不同规模的生物滞留设施也具有不同的雨洪控制效果，宋奔奔等[7]应用SWMM模型得出在同一重现期下，规模较大的生物滞留设施对雨洪控制效果更佳。

1.2 污染物

关于生物滞留设施对雨水径流中污染物的去除效率已有大量的试验研究，成果主要集中于对总悬浮颗粒物(TSS)、总氮(TN)、总磷(TP)、油脂类以及致病菌等成分的去除。

1）对总悬浮颗粒物(TSS)的去除。理想状态下，生物滞留设施对TSS具有较好的去除效果，胡爱兵等[8]通过模拟生物滞留池净化道路雨水径流，得到的TSS去除率均为90%以上，最高可达98.5%；但也有研究表明生物滞留设施对TSS的去除效果并不稳定，Chi-hsu Hsieh等[9]通过试验得出生物滞留设施对TSS的除率在29%～96%区间内大幅变化。此外，还需关注截留的悬浮颗粒物对生物滞留设施堵塞的影响，此类问题目前没有较好的解决办法，所以生物滞留设施去除TSS的作用还需进一步探讨[10]。

2）对重金属的去除。有研究表明生物滞留设施对城市雨水径流中重金属的去除效果较好，主要通过设施内部滞留介质对重金属的吸附以及设施表面颗粒物的拦截使净化后的雨水中重金属含量降低[10]，此外，植物对重金属的吸收能力虽小但也不能忽略[11]。

3）对氮和磷的去除。雨水径流中氮元素以有机氮和无机氮形式存在，磷元素以固态磷和液态磷的形式存在，氮和磷在环境中存在形式复杂多样，造成生物滞留设施对氮和磷的去除效果并不稳定[12]。

对氮的去除效果不稳定主要是生物滞留设施内部环境导致。一般情况下在带有负电荷的土壤中被吸附和转化；而生物滞留设施内为好氧环境，会被转化为极难被还原去除的针对该问题，有研究提出可通过在生物滞留设施内设置蓄水层在厌氧条件下去除，然而此类办法仍存在争议[10]。但生物滞留设施在氮去除过程中还是有一定优势，陈垚等[14]研究发现生物滞留设施中的植物可有效去除氮，氮元素可以在植物中“同化-矿化-释放”，最终得以去除。

生物滞留设施可有效吸附过滤固态磷和吸收去除液态磷，但在厌氧情况下，微生物会释放体内储存的磷，从而造成去除效果被影响[10]。该问题可通过对设施内部条件的改造解决，例如仇付国等[15]在生物滞留设施的砂土基质中加入铝污泥，强化基质对磷的吸附固定能力，使磷的去除率达到99%以上。

4）对有机污染物的去除。由于有机污染物种类较多且不断产生新型物质，因此生物滞留设施对有机污染物的去除主要按照多环芳烃、油脂类物质两大类进行研究。多环芳烃主要通过挥发扩散、生物滞留设施中填料吸附、微生物降解和植物吸收去除[16]，研究表明，生物滞留设施中的植物对萘的总去除率可达到93%[17]。Hong E等[18]研究发现，生物滞留设施覆盖层可吸附萘、甲苯、油和颗粒状萘等物质并在几天内被覆盖层中的细菌生物降解去除。有试验表明，生物滞留设施对油脂类物质去除率高达96%以上[8]。

5）对致病菌的去除。雨水径流中的病原微生物主要包括病毒、病原菌等，会对人体造成严重威胁。研究认为，生物滞留设施去除病原微生物主要是通过过滤、填料吸附截留、微生物群落间的竞争和捕食关系、太阳辐射和温度变化等多种作用完成[10，19～20]。目前，我国对去除雨水径流中病原微生物的研究不多，但国外的研究人员通过试验证明生物滞留设施对某些致病菌有较好的去除效果，例如G.M.Rusciano等[21]得到生物滞留设施对雨水中粪大肠肝菌去除率达到91.6%。

2 生物滞留设施优化设计进展

2.1 设计计算

在进行生物滞留设施设计计算时，需要考虑水文地质情况、径流量、设施调蓄容积和渗透能力等多重因素，因此设计方案与参数的选取对雨水径流的削减有关键作用。《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》中提出低影响开发设施3种平面设计方法，即容积法、流量法、水量平衡法。见表1。

表1 低影响开发设施有效表面积计算方法

随着生物滞留设施应用逐渐成熟，设计计算方法也逐渐得到优化。孟莹莹等[22]提出生物滞留设施应按照基于单场次降雨和基于长系列降雨两种情况进行设计，基于单场次降雨分析的设计应以防涝功能为主，设计时主要考虑蓄水层的储水性和基质的入渗性；而基于长系列降雨统计的设计应以水量滞蓄功能为主，设计时考虑蓄水层和基质层的储水性能，该建议使设施对雨量控制更具针对性。

目前大多数的生物滞留设施设计计算方法只注重控制雨水径流量，忽视了对污染物的去除能力，王淼等[23]根据这一问题提出以污染物去除率和径流削减率为数据基础的设计曲线法，该计算方法主要通过雨水模型MUSIC软件，模拟计算导出“设计面积与汇水区面积比值-污染物去除率/径流削减率”曲线，得到最佳生物滞留设施设计面积，既达到径流削减目标，又满足污染物去除要求，同时操作更为简单，结果也更精确。

参数选取是设计中的重要内容。田妍等[6]通过KOSIM水文模型评估平台，结合南宁市海绵化改造项目，模拟评价不同参数下生物滞留设施对雨水径流的消纳情况，发现有效调蓄容积的增大对提高径流控制率影响显著，但增大到一定程度控制率提高幅度变小，表明设计前应根据模拟结果选择经济性较强的有效调蓄容积作参数；同时发现硬化区域(道路)与非硬化区域(绿地)终端径流系数增大，造成雨水径流控制率下降；而种植土层渗透系数升高，径流控制率呈升高趋势。

此外，排空时间是生物滞留设施设计的重要参数。为防止蚊蝇滋生、提高雨水净化效果，梁小光等[24]认为生物滞留设施的排空时间应设置上下限，我国生物滞留设施排空时间上限应在24～48 h，下限值为6～12 h。

2.2 结构设计

结构设计影响着生物滞留设施的工作性能，主要包括平面优化和立面优化两方面内容。关于生物滞留设施立面，林宏军等[25]提出通过倒置生物滞留技术来提高设施对水质、水量的控制效果，将填料层置于表层，在提高径流总量控制率、峰值削减率的同时，也明显提升对等污染物去除效果，该措施还有效缓解生物滞留设施的水土流失问题。

除对生物滞留设施内层调整外，设施外部结构设计优化也尤为重要。范秀磊等[26]设计了一种高效削减径流流速和污染物的环形雨水花园，在普通生物滞留设施的基础上由外缘至内部做分功能区处理，外部边缘区域主要用于过滤和防止雨水冲刷，然后雨水经过种植陆生植物的花园单元，最终进入蓄水池，该结构可有效减缓径流冲刷力、提高蓄净水能力。关于生物滞留设施结构设计优化方面的研究相对较少且此类设计专利目前应用不够普遍，结论还需进一步验证。

2.3 填料组成

填料作为生物滞留设施的重要组成，是设施优化设计重点关注内容。为保证生物滞留设施的运行效果，应选择孔隙率高、化学稳定性好、吸附能力强、使用寿命长的填料。关于生物滞留设施中填料对雨水水量控制方面的研究主要是通过改变填料渗透系数提高雨水入渗率，一般情况下，砂类基质的渗透性能优于壤土。殷瑞雪等[27]应用HYDRUS-1D软件模拟发现，传统填料生物滞留设施添加大粒径填料能够显著增加下渗量，减少积水时间；但大粒径填料在延缓产流和洪峰削减效果方面表现较差。

关于生物滞留设施中填料的组成研究集中于提高污染物去除效率。填料是去除雨水中污染物质的关键因素，生物滞留设施种植层的传统填料一般选用当地砂石和土壤等天然材料，但为了实现更好的污染物去除效果，需添加材料进行优化，如：添加沸石以提高氨氮吸附率[28]；添加粉煤灰以提高除磷率[29]；添加铁屑以提高营养物质和重金属的去除率；添加陶粒以去除多种有机物物质，特别相对分子质量＞10 000的有机物的去除效果更明显[30]。此外，郑爽等[31]将椰丝(CC)、沸石(ZE)、火山岩(SC)作为覆盖层与未设置覆盖层组（BK）进行对比，总污染物去除效能排序SC＞CC＞BK＞ZE；由于进水区的冲击负荷大，该项研究提出将材质轻的火山岩放置于非进水区，将椰丝放置于进水区，这样的搭配提高去污能力的同时还可以延长设施运行时间。

多项研究通过改变填料层组分和配比，提升设施对雨水水质的改善效果，见表2。

表2 填料层对雨水中污染物的去除影响研究实例

此外，多项发明设计将建筑垃圾、生活垃圾等废弃物引入生物滞留设施中充当填料，废物利用、保护环境的同时节省了建设费用。如高彦波等[37]将生物滞留设施填料层由上至下分为保湿层、基质层、垫层和基层，依次填入植物纤维毯、园林土混合污泥堆肥产品和菌糠、河沙、火山岩并将蚯蚓引入基质层防止板结，保证出水的同时有利于资源的再回收利用。

2.4 植物选择

生物滞留设施的特征之一是可种植多种类型的植物，既能观赏，又起到改善水文性能、净化雨水等作用。一般宜先选用本土、适应能力强、根系发达、耐涝抗旱的多年生植物。前期研究都是目的性的提出生物滞留设施中植物的配置选择，主要分为控制径流污染和控制径流量两个目的。见表3。

由于我国地域辽阔，在研究生物滞留设施的植物选择时需要考虑各地区的气候条件等要素。本文将我国分为东北部地区、中部沿海地区、南部地区、西南部地区和西北部地区5个区域，选定各区域代表性省市后，将5个城市的海绵城市建设导则和该城市的城市景观植物相结合进行植物选择，见表4。

表4 我国不同地区生物滞留设施植物选择建议

3 结论与建议

生物滞留设施作为一项重要的海绵城市低影响开发技术已在国内外有较为深入的研究，本文从生物滞留设施对雨水径流和水质控制两方面展开讨论。由于有填料和植物的共同作用，生物滞留设施对雨水径流总量及峰值的削减效果较好；但不同降雨重现期、不同位置及规模条件下的生物滞留设施对径流总量及峰值削减效果存在明显差异。对于雨水径流污染控制效果，生物滞留设施可有效去除总悬浮颗粒物(TSS)、重金属及部分有机污染物，如萘、甲苯、油等，但由于设施内部很难达到缺氧厌氧环境，造成氮和磷的去除效果不稳定，目前研究者已开始着手研究解决这一问题。此外，我国对生物滞留设施去除致病菌的研究内容较少，今后的研究工作可以关注此方面内容。