城市雨洪管理低影响开发技术研究与利用进展

绿色屋顶和透水路面)对暴雨径流和主要 介绍了 LID 技术体系,综述了国外关于 3 类典型 LID 设施(生物滞留池、 污染物的消减效果研究,以及 LID 技术在模型模拟、成本效益分析和管理体系等方面的研究成果和经验;并在此 基础上分析了目前 LID 技术存在的问题和研究的不足;最后从 LID 技术的研究方向、合理设计和科学管理等方 面提出建议.旨在通过国外研究的成果和经验为 LID 技术在国内的标准制定和广泛实践提供科学依据和建议. 关键词 低影响开发; 暴雨径流; 生物滞留池; 绿色屋顶; 透水路面 TV122.1; X321 文献标识码 A 中图分类号

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAC13B04)资助。 通讯作者. E-mail: wpchen@ 2014-07-18 收稿，2015-02-06 接受。 1

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LID 技术体系 LID技术提倡因地制宜，强调雨洪控制设施的设计应贯穿于整个场地规划设计过程之中。 它采用分散的小规模措施对雨水径流进行源头控制，模拟雨水的自然循环过程，尽可能使区域 开发后的水文状况与开发前一致(图 1)。LID技术也能有效地在源头去除雨水中的营养物质、重 金属和病原体等。渗入地下的雨水还可以为河湖提供一定的地下水补给，而且最大程度地减少 和降低土地开发对于周围生态环境的影响，对改善城市的生态环境具有重要作用和意义[2]。
Advances in low impact development technology for urban stormwater management. LIU Wen, CHEN Wei-ping, PENG Chi (State Key Laboratory for Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China) Abstract: Low impact development (LID), as an innovative technology for stormwater management, is effective to mitigate urban flooding and to detain pollutants. This paper systemically introduced the LID technology system, and summarized the reduction effects of three typical LID facilities (i.e., bio-retention, green roof and permeable pavement) on stormwater runoff and main pollutants in recent literature, as well as research outcomes and experiences of LID technology on model simulation, cost-benefit analysis and management system. On this basis, we analyzed the problems and limitations of current LID technology studies. Finally, some suggestions about future research directions, appropriate design and scientific management were put forth. This work intended to provide scientific basis and suggestions for widespread use and standard setting of LID technology in China by referencing overseas studies. Key words: low impact development (LID); stormwater; bio-retention; green roof; permeable pavement.
图 2 生物滞留池结构图[12] Fig.2 Structure chart of a bio-retention[12]. 2
生物滞留池系统对径流体积的消减效果在50%~97%(表1)。 径流量和流速的消减作用取决于 降雨事件的大小。在小的降雨事件下，生物滞留池能够容易地截留全部的入流量[10]。渗透和蒸 散发过程对径流滞留起重要作用。Chapman等[13]研究表明，48%~74%的径流流过生物滞流系统 时以渗透和蒸发的形式消散。 生物滞留池对地表径流的水质也有很好的净化效果，其对总悬浮物(TSS)、总氮(TN)和总磷 (TP)的消减范围分别在55%~100%、32%~99%和31%~100%(表1)。这些研究显示，生物滞留池对 悬浮物和大部分营养物质的消减效果显著，但对硝态氮(NO3--N)效果不显著。如Davis等[14]的研 究结果表明，总磷(TP)的去除率在70%~85%，总凯氏氮(TKN)的去除率在55%~65%，但对硝态 氮的去除率很低(小于20%)， 这可能是由于带有负电荷的硝酸根ietz等 和Hunt等[17]研究发现，土壤中含有饱和区的生物滞留系统可以提高营 养物质的滞留效果。Hsieh等[18]和Ergas等[19]认为，通过在生物滞留池系统的介质中引入缺氧区 域可以促进硝化和反硝化过程。Kim等[20]指出，饱和土壤中存在有利于反硝化的缺氧区，且报 纸屑是很好的反硝化反应的碳源，通过在沙层中混合报纸创造缺氧区的生物滞留池可以实现较 高的硝态氮去除率。 生物滞留池对径流中铜 (Cu) 、铅 (Pb) 和锌 (Zn) 等金属的去除效率范围分别为 65%~99% 、 32%~100%和60%~99%(表1)。通过在介质(特别是在沙土壤介质)中加入粉煤灰可以提高生物滞 留池对金属的滞留能力[21]。但是，生物滞留介质对重金属的吸附能力有限，长年使用后，其累 积的重金属量可能会达到威胁人体健康的水平。因此，可通过选择种植重金属富集类植物减少 土壤中重金属累积量并定期修复土壤。 生物滞留池系统中介质的构成对该系统的性能起重要作用。Hsieh等[22]研究结果表明，沙介 质生物滞留单元具有很强的污染物去除能力。Lucas等[23]认为，改进生物滞留介质中磷吸附的材 料可提高系统的能力以降低径流中P的负荷。除了设计介质配置以外，系统大小、选择的植被种 类、开挖技术、选址位置的考虑和管理也对生物滞留系统发挥着重要和有益的作用[11,24-26]。
全球快速的城市化进程导致城市地区土地利用和植被覆盖的变化， 改变了城市下垫面条件， 破坏了原有的自然水文循环机制[1]。水文机制的受损导致城市地表径流污染、水资源短缺、洪 涝灾害和河道侵蚀等环境问题日益严重。为了解决这一系列负面效应，发达国家很早就开始了 雨水资源化利用与管理体系的研究。低影响开发(low impact development，LID)是 20 世纪 90 年 代末期，由美国东部马里兰州的普润丝乔治县和西北地区的西雅图、波特兰市共同提出的一种 概念。区别于传统的雨洪调控措施，LID 技术从源头上对径流进行调控，通过入渗、过滤和蒸 发等方式模拟自然水文条件，进而实现减少径流量、降低径流污染负荷和保护受纳水体的目标 [2] 。 类似概念还有英国的可持续城市雨水系统(sustainable urban drainage systems)、 澳大利亚的“水 敏感城市设计”(water sensitive urban design)和绿色基础设施(green infrastructure)等。相对于传统 的最佳管理措施(best management practices，BMPs)，LID 技术占地少、设施分散，并可与规划 中的景观建设相结合，所以造价比 BMPs 低。目前，在美国、澳大利亚、德国、瑞典、新西兰、 加拿大和日本等一些发达国家，LID 理念已被广泛应用于雨洪控制利用工程、老城区的改造、 新城规划以及区域开发设计中，形成了相应的设计标准。很多学者和机构针对 LID 技术，在场 地设计、实验监测及模型评估等方面开展了大量研究和广泛应用[3-4]。但迄今国内尚没有全面的 LID 技术标准和完善的管理体系，LID 技术在国内处于起步探索阶段[5-6]。 随着城市内涝和水体污染事件的频繁发生和日益严重，如何有效消减和滞留暴雨径流及其 污染物、保护收纳水体引起了学者和城市管理者的广泛关注。本文通过对LID技术研究内容和 相关研究成果的总结分析，提出了LID技术未来发展和研究的关键问题；并借鉴国外技术方法 和实践经验，提出研究建议，以期为国内LID技术研究、设计和管理提供参考，为我国城市暴 雨径流的管理和雨水资源的利用提供理论支撑和科学依据。
网络出版时间：2015-03-31 10:22 网络出版地址：/kcms/detail/21.1253.q.20150331.1022.009.html
城市雨洪管理低影响开发技术研究与利用进展
刘 文 陈卫平 彭 驰
(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085) 摘 要 低影响开发(LID)作为一种新兴雨水管理技术,在消减城市雨洪和滞留污染物等方面效果显著.本文系统
图1 LID技术理念[7] Fig.1 Technical concept of LID[7].
LID 技术包含的措施较广泛，不仅包括结构性基础设施，还包括非结构性措施。LID 技术 体系主要包括：1)保护性设计，包括改造车道、集中开发和限制路面宽度等，通过保护开放空 间，减小地面径流流量。2)渗透，包括绿色街道、渗透性铺装、渗透池和绿地渗透等，通过各 种工程构筑物或雨水自然渗透设施使雨水径流入渗、补充土壤水分和地下水。3)径流贮存，包 括蓄水池、雨水桶、绿色屋顶和低势绿地等，通过径流贮存实现雨水回用或通过渗滤处理用于 灌溉，适用于封闭性下垫面比较集中的地区。4)生物滞留，包括人工滤池、植被过滤带、植被 滤槽和雨水花园等，当发生强暴雨时，仅仅通过渗透和贮存技术很难将地面径流全部在原地处 理消纳，此时可采用生物滞留设施将汇集的径流进行疏导。5)过滤，包括植被浅沟、小型蓄水 池、植草洼地和植草沟渠等，使雨水通过滤料(如砂、沸石和粉煤灰等)或多孔介质(如土工布和 微孔材料等)截留水中的悬浮物质，从而达到净化雨水的目的。6)低影响景观，包括种植乡土植 物、更新林木、种植耐旱植物和改良土壤等，当进行景观设计时必须仔细选择和区分种植植物， 要选择适合当地气候和土壤的植物种类。通过生物吸收去除污染物，稳定本地土壤土质是低影 响景观的重要内容[2]。 2 典型LID设施消减径流和污染物的效果研究 2.1 生物滞留池 又称雨水花园(rain garden)或者生物入渗池(bio-infiltration)。 它采 生物滞留池(bio-retention)， 用低于路面的小面积洼地，种植当地乡土植物并培以腐土及护根覆盖物等，成为开发区园林景 观的一部分，降雨时可成为贮留雨水的浅水洼。生物滞留池的主要构造和功能(图2)包括：1)植 被通过蒸发蒸腾调节径流量，并通过与外界的氮循环降解污染物；2)有机覆盖层为生物滞留池 的植被提供生长的介质，并起到部分污染物的降解作用；3)植物生长介质层用来提供径流的贮 由于生物滞留池的运转类似于自然和非城市的区域[9]， 因此它 存以及被植物吸收的氮等元素[8]。 们可以有效地用来控制径流、促进渗透和蒸散发、补给地下水、消减洪峰、保护河流渠道和消 减污染物负荷等[3-4,10-11]。