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可持续雨洪管理新策略 ———低影响开发雨洪管理

       针对城市雨洪管理以及相应的城市径流污染,传统的“末端治理”雨洪处理设施占地面积大、建设集 中、造价高,虽然在一定程度上保障了城市安全,却无法改善城市生态环境。随着城市的发展,流域不透水面 积逐渐增加,一方面导致更强的地表径流,减少地下水补给,从而加大对水渠和河道的侵蚀;另一方面影 响城市热辐射平衡,进一步增强城市热岛效应. 并且,受全球气候变化影响,强降雨过程引起城市地表径流的强烈波动使城市洪涝问题面临着不断加剧的风险,将给人民生产生活带来更大的威胁和损失。 城市的发展 需要具有可持续性的雨洪管理新策略。低冲击雨洪管理从源头分散控制污染、利用雨水资源,不仅能改善经 济发展与环境保护中的矛盾,还能使得保护环境成为更经济可行的社会发展手段。

引言

       低影响开发雨洪管理策略(Low Impact Development LID) 首先于20世纪90年代初在美国Maryland逐步展开实施,目前在美、英、澳大利亚、新西兰等国家均有针对其场地设计、实验监测及水文模拟、数据模型展开研究。其设计思路就是通过采用各种分散、小型、多样、本地化的技术以模拟场地开发前的水文 状况,尽量减少开发场地的不透水面积,对暴雨产生的径流实施小规模的源头控制。
       相比传统最佳管理策略(BMP)技术,LID技术的优点在于尽量减少对传统大规模雨水传输管道和末端 治理系统的依赖,不仅减少占用土地资源,还能与景观相结合实现对源污染的处理。如果将几项 LID技术综合运用、设计得当,则最后的效果会非常接近区域原有自然水文功能,保持当地径流、贮存、蒸发、蒸腾、渗滤、 地下水补给等之间的水平衡。 通过 LID 技术,径流对受纳水体水质、水量的负面影响将会降低,并维持基流接近原有水平。
       巧妙的LID设计还可以显著降低开发区建设费用,如减少不透水路面面积以及路缘、排水沟的建设;减少排水管道、进水口设施的使用;消除或减小大型雨洪储水池的尺寸等;有效减缓洪峰,从而减轻合流制污水溢流(Combined Sewer Overflows,CSOs) 和生活污水溢流(Sanitary Sewer Overflows,SSOs)等问题带来的损失,节省建设大型集中式的雨洪设施费用。同时,LID措施可以美化环境,为社区提供休闲娱乐场 所,从而提高土地价值;优质的生态环境可以有效改善人们心理健康,提高生活质量。因此其整体造价将低于BMP。
       无论在新城开发还是在旧城改造中,LID措施都可充分利用当地条件发挥可持续管理利用,雨水的作用。但是在大流域尺度内应用LID的有效性还有待进一步研究。

1 LID综合管理措施(Integrated Management Practices,简称IMPs)
       LID措施的主要类型有:生物滞留设施(Bioretention Facilities)、绿色屋顶(Green Roof)、透水路面(Peameable Pavement)、植草沟(Grass Swales)以及其他小型辅助设施。

1.1 生物滞留设施(Bioretention Facilities)

       生物滞留(或称雨水花园,Rain Garden)采用低于路面的小面积洼地,种植当地原生植物并培以腐土及 护根覆盖物等,成为开发区园林景观的一部分,雨天则可成为贮留雨水的浅水洼。一般建设在停车场或居民 区附近,通过入水口导引不透水面产生的降雨径流进入生物滞留区,由土壤、微生物、植物的一系列生物、物 理、化学过程实现雨洪滞留和水质处理,视实地情况还可铺设底层导水设施和暗沟等。该系统的每一个部 分——入水口的植草沟预处理过滤带、洼地、植物、土壤、暗渠、溢流出水口等——都可起到去除污染物、减弱雨水径流的作用。总体设计结构依据当地土壤类型、环境状况和土地利用方式而定。总面积一般在0.5~1hm2之间,但是该设计尺寸标准仍有争议,美国New Jersey甚至规定生物滞留区面积需达到8hm2以上。
       经过对目前已出版文献数据的统计,生物滞留区各污染物 平均去除效果显著,见图1。其中总悬浮物(TSS)滞留率最高且稳定。生物区中的微生物降解过程也能很好地去除粪大肠杆菌(FC)和石油类。重金属去除率一般能达到90%以上,且土壤中较高的有机 物质含量与金属滞留量具有很高的相关性(P<0.01)。但生物滞留介质对重金属的持久吸附能力是有限的,在15~20年的使用后,其累 积的重金属量可能会达到威胁人们健康的水平,因此可通过选择种植植物种类减少土壤中重金属累积量并定期修复土壤。植物对重金属的吸收量一般占总金属滞留量的0.5~3.3%。植物与土壤中重金属累积量对生态的影响及解决办法仍需进一步研究。

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图1 生物滞留区雨水处理平均效果(%)

       生物滞留区对磷的滞留率最不稳定,虽然总磷滞留率平均可达到70%以上,但在一些研究中几乎不能 甚至增加出水中的磷含量,原因可能是由于实验区工程结构和施肥导致。氮的滞留率变化也比较 大,这是因为氮在土壤和水中的迁移转化较复杂。土壤中阳离子置换能力可增强对氨氮的处理,有机物质可增加对有机氮的吸收,并且可通过满足反硝化反应条件以提高生物滞留区处理氮的能力。不同研究区采用的植物种类、土壤介质和当地气候环境的不同可导致各最终结果的差异,在采用生物滞留技术时要注意。
       研究表明,生物滞留区可维持出水pH值在7.1~7.3之间,但区域中土壤对氢离子的吸附和重金属淋溶现象可能会导致出水呈弱碱性。
       生物滞留措施在提高雨水径流水质的同时,对减少降雨径流、滞后并减弱洪峰流量也非常有效(图1)。因此,作为可持续雨洪管理主要措施之一,生物滞留技术是值得研究应用与发展的。

1.2 绿色屋顶(Green Roof)

                                                                       
       绿色屋顶通过在屋顶种植绿色植物实现滞留雨水,同时实现其他如降低室温等功能以节约能源,是 LID管理策略中主要措施之一。根据不同植物和介质层,绿色屋顶在夏天一般可滞留 70%~90%的降雨,冬季可滞留25%~40%的降雨量。降雨强度和绿色屋顶的结构对雨水滞留率有显著影响,且滞留率随降 雨强度的增加而减少,见图2。同时,施肥、土壤、屋顶结构等原因 造成绿色屋顶会释放N,P以及重金属等污染物。因此安装绿色屋顶尽管能截流降雨,但要注意总氮总磷的输出。在大部分研究分析中认为,截留的降雨量可以弥补这一点缺陷,最好选择不需要太多施肥的植物。绿色屋顶介质对污染物输出的效能以及重金属处理和输出方面的研究还很匮乏.
       屋顶作为不透水面可以达到城市不透水面总面积的40%~50%。因此,如果在土地紧张的城市中利用好这些屋顶,则会对雨水资源管理与利用产生非常显著的效果,而减少的雨水径流将极大减轻CSOs的负担。这样产生的效益可以弥补建设绿色屋顶的成本。

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图2 绿色屋顶在不同降雨量 情况下的降雨滞留率

1.3 可渗透/漏路面铺装系统(PPS)

       PPS可有效降低不透水面积,增加雨水渗透,同时对径流水质具 有一定的处理。 目前有各种产品可替代传统沥青、水泥铺设路面,比如水泥孔砖或网格砖、塑料网格砖、透水沥青、透水水泥等。不同类型 的透水砖和不同的铺设方法可产生不同的雨水滞留率和污染物去除 率,包括对总石油类等污染物的生物降解。PPS遇到的一些问题主要有路面的堵塞、冬季性能表现、下垫面土壤及地下水的污染等。透水路面最适合在交通流量较低如停车场、便 道等区域使用,而海岸带地区由于沙质土壤和平坦的坡度条件可最好地发挥透水路面性能。

1.4 植草沟(Grass Swales)

       植草沟通常是作为疏导道路上产生的雨洪径流设施,可根据实际情况进行改良,一般沿居住区街道和公 路边建设。植草沟可滞留雨水径流中93%以上的SS,同时减少有机污染物,去除Pb,Zn,Cu,Al 等部分金属离子和油类物质。 由于城市径流中 SS 与 COD,TP,TN 等污染指标存在良好的相关性,在SS得到较高去除率的同时其他污染物也会得到相应的去除。植草沟可适应各种环境,设计变通性强,而且相对造价低。在小型具有缓坡的排水区域 效果更佳。路旁的植草沟可代替传统的雨水口和排水管网,由于植草沟中的污染物可见,因此植草沟代替传统地下排水 系统,可以从根本上解决传统雨水和污水管道混接和乱接的问题,有效控制及处理径流传输过程中以及进入受纳水体前的污染物。

1.5 其他措施

       除以上措施,L ID 还包括干井 (Dry Wells)、树盒 ( Tree boxes)、过滤带(Filter Strip)、植物缓冲区(Vege2 tated Buffers)、自然分流 (Lever Spreaders)、雨水桶(Rain Barrels)、蓄水池 ( Cist erns)、渗滤沟 ( Infiltration Trenche s) 等各种小型措施,根据各地条件的不同而选用。 它们之间相互联系,通过减少不透水面积、增加雨水渗滤、利用雨水资源,实现可持续雨洪管理。

2 LID应用中需注意的问题

       雨水侵蚀和沉积物控制与雨洪管理是紧密联系的。因此在实施LID措施时,尽量利用自然形成的水道作为疏导雨水径流的通道;结合当地的土壤状况而采用合适的措施;种植景观植物时尽量采用当地原生种类。尽管LID措施都具有控制沉积物的性能,但是必要时,还可利用一些碎木屑、卵石等物覆盖在地表之上控制水土流失。同时通过分散、延长径流排泄通道以最大控制沉积物,还可以在出水口设置石料、拦网或植被 缓冲区等以进一步控制沉积物。
       需要研究注意的是LID措施在各季节的性能表现及维护。 如在降雨时空分布不均的地区以及四季分明 的地区,如何更有效地发挥 LID 设施性能还需要更多的研究。
       另外,对公众的宣传教育是 LID IMPs的一个重要组成部分。 政府可以制定相关的鼓励政策,促进公众 的接受和支持,这样既能保证 IMPs 的良好运行,又能扩大 LID 的影响,从而有效保护环境。

结语

       虽然 LID 雨洪管理策略中所运用的部分技术并不陌生,甚至在中国已有少量应用,但相关的实验数据 少,不利推广 ;涉及的管理部门较多,缺乏相应建设标准,是管理层面应用的障碍。 同时,在城市建设中实施 LID,需要将城市规划、水文、环境工程技术、土木建筑、景观设计、环境经济学与环境管理等多学科相融合,综合宏观策略分析和微观工程管理,才能实现美观、有效、经济可行的雨洪管理。 中国是世界上 13 个最贫水的国家之一,是大国中唯一真正面临水危机的国家,所以,学习国外的先进管理策略,加快研究相关措施在我国应用的可行性,将其在国外发展的经验与我国实际国情相结合、加以改善,这对于我国城市新区开发和旧 城改造处理面源污染、提高生态环境质量具有很好的借鉴意义。

作者: 阿普贝思 日期 2015年01月23日

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