許浩浩，呂偉婭

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816)

隨著我國城市規(guī)模的擴大和城市化進程的加快，地表不透水面積比例迅速增長，造成地表徑流量急劇增加，縮短了洪峰產(chǎn)生的時間，而傳統(tǒng)市政管網(wǎng)系統(tǒng)無法及時排走匯聚的雨水，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)、面源污染嚴重和水資源短缺的大背景下，各國相繼開發(fā)出多種新型的城市雨洪管理技術(shù)。例如美國低影響開發(fā)模式及暴雨最佳管理措施、澳大利亞水敏性城市設(shè)計和英國可持續(xù)城市排水系統(tǒng)等。作為低影響開發(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，鑒于下凹式綠地在控制城市降雨徑流、補給地下水及美化環(huán)境等方面的良好效果，其已被美國等其他發(fā)達國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，主要通過蒸發(fā)、下滲、截留和調(diào)蓄等作用減少徑流外排量，同時通過土壤和介質(zhì)的過濾與吸附、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

大量研究顯示[4]，下凹式綠地設(shè)計的重要參數(shù)有：設(shè)計暴雨重現(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間。其中，下凹深度和下凹綠地面積比例是設(shè)計過程中的關(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降雨徑流的控制。

焦勝等[5]研究長沙某住宅小區(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，下凹式綠地可以完全消納1 h降雨產(chǎn)生的場地徑流。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，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，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，研究在不同暴雨強度下的減流效果，得出當(dāng)下凹式綠地面積達到30%時，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)下凹式綠地面積達到20%時，5 cm和8 cm的雨水口對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]，植物耐水淹的時間會限制綠地下凹深度，由于植物耐水淹的時間有限，因此不能無限制地提高綠地下凹深度，如當(dāng)植物耐淹時間為1～3 d時，北京下凹式綠地的下凹深度在5～25 cm適宜。國外一般要求下凹式綠地的積水深度不低于15 cm，且不超過23 cm[9]。Xie等[10]通過理論計算得出，北京市的下凹式綠地設(shè)計深度為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]通過理論計算得出，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，應(yīng)考慮基質(zhì)的滲透性能及對污染物的削減效果，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 下凹式綠地對徑流量的削減效果

由于各地區(qū)的降雨強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，但對于滲透系數(shù)、設(shè)計暴雨重現(xiàn)期、植物耐淹時間等因素對綠地蓄滲能力影響的研究相對較少，應(yīng)對其開展更為細致的研究。

2.2 下凹式綠地對降雨徑流的調(diào)蓄作用

眾多學(xué)者采用試驗裝置、單體野外觀測、模型模擬等方法對下凹式綠地的調(diào)蓄作用進行了大量的研究。Cong等[14]運用SWMM模型對北京某小區(qū)進行模擬分析，結(jié)果表明，當(dāng)暴雨重現(xiàn)期為10 a時，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)計降雨頻率的情況下，濟南市城區(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]對西北大學(xué)長安校區(qū)的下凹式綠地進行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，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；在降雨強度為9.69 mm/h，降雨量為27.5 mm時，系統(tǒng)減少10.17%的洪峰流量，延遲洪峰時間為0.16 h。宋召鳳等[17]對下凹式綠地在不同設(shè)計暴雨條件下的減洪效果的計算結(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，下凹式綠地對重現(xiàn)期小于4 a的降雨徑流的削減率均高達100%。Yi等[18]設(shè)計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，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，會發(fā)生溢流現(xiàn)象，產(chǎn)流時間為29 min，延緩峰現(xiàn)時間為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徑流地調(diào)蓄。

基質(zhì)層厚度和植物種類也會對下凹式綠地調(diào)蓄徑流產(chǎn)生一定的影響。Yue等[19]通過實驗室土柱模擬試驗，研究下凹式綠地土壤厚度對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，約2～3 h能完全攔蓄厚度為10 mm的降雨。Zhang等[20]在實驗室搭建下凹式綠地研究對徑流削減效果，試驗表明，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的下凹式綠地對短歷時和長歷時降雨有更好的削減徑流量和延遲峰值的效果，徑流峰值延緩的時間達到了24～30 min。William等[21]研究顯示，在植物選擇時，應(yīng)選用耐寒抗鹽、抗旱耐澇、根莖茂密發(fā)達、適應(yīng)力強、生長速度較快的本土植物物種，同時注重植物的種植密度及多樣性搭配，以達到美觀的效果。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，綠色屋頂與下凹式綠地串聯(lián)對洪峰流量的降低幅度高達41.1%，徑流系數(shù)降低至0.279，降低幅度高達49.9%，且隨著降雨頻率的增高，串聯(lián)的優(yōu)勢更加明顯。

下凹式綠地對較小降雨重現(xiàn)期下的徑流量的削減率最高可達100%[17]，最低也達到了43%[8]，洪峰延遲時間為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攔蓄降雨徑流、削減洪峰流量、滯后洪峰到達時間以及補充城市地下水。但目前研究大多為模型模擬或?qū)嶒炇倚∶娣e實驗，限制因素較多，今后應(yīng)加強對大面積下凹式綠地的野外觀測及穩(wěn)定性運行方面的研究。

3 下凹式綠地削減徑流污染

3.1 凈化機理

研究表明[11]，下凹式綠地對降雨徑流中的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制有所不同。氮的去除主要通過氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌的降解；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?。挥袡C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，下凹式綠地對雨水徑流有良好的凈化效果，但對每種污染物的削減率有所差異，對COD和TSS的削減效果最好，其次是TP和重金屬，對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度、降雨歷時、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，其中降雨強度和植被類型對污染物的凈化效果顯著，凈化效果隨降雨強度的增大而減小。

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)國內(nèi)外對下凹式綠地在降雨徑流控制方面的研究進展，提出未來以下幾個方向：①明確下凹式綠地的調(diào)蓄能力過程、削減徑流污染的能力、凈化機理及影響因素，如土壤基質(zhì)、植物和微生物對綠地調(diào)蓄凈化徑流的影響，同時加大對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，在不降低進水負荷前提下提高對氮磷等污染物的去除效果和對暴雨徑流的調(diào)控能力；③下凹式綠地長期運行穩(wěn)定性的研究，通過有效地運行維護技術(shù)，保持下凹式綠地良好的蓄滲及水質(zhì)凈化功能。