郭 超，王璐瑤，謝 瀟，牛 巖，王益權

(1.陜西省土地工程建設集團 自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設集團 陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075；3.陜西省土地工程建設集團 自然資源部土地工程技術創(chuàng)新中心，陜西 西安 710075；4.西北農(nóng)林科技大學，陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

城市化進程加快，地面硬化帶來的城市內(nèi)澇、水環(huán)境污染、地下水補給匱乏、誘發(fā)城市地質災害和建筑物安全等嚴峻的世界性難題，已經(jīng)得到世界各國的重視。面對城市化存在的此類問題，國內(nèi)外提出了許多應對之策，如美國的低影響開發(fā)(low impact development，LID)、英國的可持續(xù)城市排水系統(tǒng)(sustainable urban drainage systems，SUDS)、澳大利亞的水敏感城市設計(water sensitive urban design，WSUD)等[1]，我國提出了建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，均取得了良好效果。

在我國海綿城市建設過程中，對雨水花園、生物滯留設施、植草溝等LID設施的應用較多。這類設施也稱為海綿設施、海綿體或雨水徑流集中入滲設施，是人為設計的用于處理降雨徑流的綠色基礎設施[2-3]，具有導水[4]、滲水[5-6]、去污[7-8]、蓄水[9-10]等綜合功能。LID設施結構簡單，在一定縱向深度范圍內(nèi)(小于1 m)填充天然填料或人工合成填料，利用填料的導水性能、可滲透性能、污染物凈化性能以及蓄積水量的性能，將降雨徑流導入地下或蓄積起來，并且將徑流攜帶的污染物經(jīng)填料吸附、過濾、離子交換、微生物降解等物理、化學、生物作用使其得以自然凈化。LID設施的應用如同給硬化地面打開了一扇扇“窗戶”，增加了可透水區(qū)域的面積，可有效緩減城市內(nèi)澇、凈化水質和涵養(yǎng)地下水資源[11-12]，是目前城市雨水處理較為有效的工程技術措施。由于城市雨水徑流存在嚴重的面源污染，并且LID設施集中入滲有別于大規(guī)模城市化以前的面源入滲[13]，其入滲水量和污染負荷強度大，入滲水量通常為自身面積的5～20倍[14]。因此，LID設施長期受納降雨徑流集中入滲時，其填料的機械組成、孔隙度、團聚體狀態(tài)和飽和導水率等理化性質會發(fā)生改變[15-16]，造成填料堵塞、污染物吸附飽和等眾多難題，降低設施削減水量和去除污染物的運行效率，縮短其使用壽命等，這些科學與技術難題已引起了眾多專家的極大關注。目前，國內(nèi)外主要針對LID設施結構設計與優(yōu)化、不同填料對水量和污染物削減效果、影響機制、關鍵技術與模型模擬等開展了大量研究[17-19]，而對LID設施填料理化性質的演變規(guī)律、入滲性能改變及污染物吸附飽和等問題缺乏系統(tǒng)研究，對海綿城市LID設施運行效率的階段性、動態(tài)化衰減過程研究鮮見報道，嚴重影響了這類技術的合理使用和海綿城市的縱深發(fā)展。而海綿城市建設既存在共性，也存在特殊性和復雜性，需對不同城市進行規(guī)劃和設計[20]。對于我國分布廣泛的黃土有其特殊性——質地均一、結構疏松、孔隙發(fā)育、下滲能力強，富含SiO2、Al2O3和CaO等礦物，對調(diào)控雨洪和凈化污染物起著重要作用。因此，對于資源型和水質型缺水、地下水補給不足的黃土地區(qū)，海綿城市LID設施具有良好的適用性。但黃土遇水具有濕陷性，且黃土地區(qū)徑流雨水中含有大量泥沙、黏土顆粒等，理化性狀易改變[21]。此外，黃土地區(qū)的水中富含游離的可溶性重質碳酸鈣，降雨徑流經(jīng)過LID設施不同填料界面時，一般情況流速會發(fā)生改變，引起重質碳酸鈣中的CO2溢出，形成碳酸鈣沉淀，從而沉積在設施的不同填料界面，引起填料堵塞。故開展黃土地區(qū)海綿城市LID設施填料理化性質演變規(guī)律、入滲堵塞及污染物吸附飽和等方面的研究具有重要意義，以滿足黃土地區(qū)海綿城市建設實踐的迫切需要。

本文主要通過文獻總結和分析目前國內(nèi)外雨水徑流集中入滲對LID設施填料影響的研究成果，分別從LID設施填料理化性質的變化規(guī)律，集中入滲對填料入滲性能及污染物吸附性能的影響研究，集中入滲條件下LID設施運行效能衰減機理及其運行壽命等方面，總結國內(nèi)外研究進展，對我國現(xiàn)有海綿城市建設過程中理論研究存在的問題與不足進行探索，提出未來海綿城市建設模式下雨水徑流集中入滲的發(fā)展方向。為城市雨水徑流集中入滲工程技術的合理配置與推廣應用提供科學依據(jù)，為我國海綿城市健康發(fā)展助一臂之力。

2 LID設施填料理化性質研究現(xiàn)狀

填料的理化性狀是維系“海綿體”各項功能的重要指標，在LID設施中填料的物理結構左右著地表徑流的下滲、土壤水的補給以及污染物凈化等。填料物理性質退化主要表現(xiàn)在飽和導水率、容重、孔隙、質地等方面的變異[22]，這些物理指標都與海綿城市建設體系中雨水滯留、滲透、蓄積等有著密切的相關性。已有研究表明，通過土壤結構性改善、孔隙結構調(diào)整等措施可以優(yōu)化土壤的理化性質，調(diào)節(jié)土壤水分的入滲能力，提高土壤持水、保水性能[23]。土壤容重是指示LID設施填料物理性質的重要指標，對土壤水分入滲能力有較大影響，土壤入滲能力隨容重增大而遞減[24]。城市綠地土壤的持水性能和雨水的滲透、滯留之間的相關性是海綿城市建設成效的關鍵，土壤結構、容重在海綿城市雨水滲透和滯留方面起著重要作用[25]。一些綠地土壤結構性差，土體緊實，容重較大，孔隙較少，水分難以入滲，持水力差[26]。土壤容重還對土壤飽和導水率起著很大的影響[27]。土壤有機碳對團聚體的形成和穩(wěn)定具有重要作用[14]。萬松華等[28]指出，土壤中有機質含量與團聚體呈正相關關系，有機質通過調(diào)節(jié)土壤孔隙的大小以及分布情況來影響水分在土體內(nèi)的傳導能力。因此，有機質含量對土壤的物理結構有很大的影響，并且通過改變土壤入滲率、飽和導水率等理化指標影響著城市雨水的徑流量。

海綿城市LID設施中通常添加粉煤灰、沸石、高爐渣等吸附性能強的材料，研究表明添加粉煤灰后，沙土的持水和保水能力提高了近10%，并且顯著提高了風沙土粉粒和粘粒含量，增加了沙土的穩(wěn)定性，減小了孔隙結構空間尺度變異性[29]。海綿城市LID設施長期處于干濕交替狀態(tài)，大量研究表明，干濕交替影響土壤團聚體與顆粒有機物和微生物群落之間的關系[30]，改變土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分循環(huán)[31]。土壤黏土礦物比表面積巨大、富電荷，具有較強的吸附性、復水性及離子交換性能[32]。黃土區(qū)土壤粘土顆粒含量較高，占10%～25%的土壤組成，土壤粘土礦物富含硅鋁酸鹽礦物，具有硅氧四面體和鋁氧八面體相互疊加的層狀結構，廣泛存在于各類地質體中，具有較強的吸附性、脫水、復水性能和膨脹、收縮性能等[33]。唐雙成[34]研究表明，雨水花園運行4年后，土壤顆粒中粘粒含量變化不明顯，而提高了砂粒含量的比例，研究區(qū)雨水徑流特性對雨水花園填料顆粒組分具有重要影響。LID設施填料中黏土礦物的比例影響水分的持留和有機污染物的吸附，對削減洪峰流量、凈化徑流污染極為重要[35]。孟凡旭等[36]指出，土體結構變密實，水分入滲能力就會下降，土壤的孔隙結構也是水分入滲能力的重要指示?！爸参铩⑼寥篮屯杆佈b”是海綿城市規(guī)劃設計的三要素，植物可截留降雨，土壤對水分起傳導作用，透水鋪裝結構及透水能力是水分持留、滲透的重要載體[37]。土壤 “滯、蓄”水分主要依靠土壤的持水能力，并且土壤持留的水分為植物生長提供水源，也為土壤中養(yǎng)分的溶解和轉移提供天然的溶劑[38]。

顯然，國內(nèi)外研究大多集中在土壤的某一屬性對徑流的作用強度，或對水文條件、土壤屬性等某一區(qū)域特性進行分析研究，對海綿城市LID設施填料理化性質的演變規(guī)律研究較少。LID設施填料是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，需就多個屬性對城市雨洪和徑流污染影響進行對比研究，將填料理化性質研究由定態(tài)向動態(tài)演變規(guī)律研究轉變。

3 LID設施水分入滲性能及污染物凈化能力研究進展

3.1 LID設施水分入滲性能研究進展

在海綿城市建設模式下，對于LID設施的應用較多，雨水徑流主要以點狀集中入滲。一般情況下LID設施的匯流比為5∶1～20∶1，這說明LID設施要匯集其自身面積5～20倍的徑流總量，入滲的水量明顯增加[13]，并且城市雨水徑流面源污染嚴重。因此，LID設施集中入滲的水量負荷與污染負荷強度均很大，長期集中入滲將改變LID設施填料的機械組成、孔隙度、團聚體、飽和導水率等理化性質，造成填料堵塞、污染物吸附飽和等。不同填料的表面電場不同，而土壤顆粒的表面電場對團聚體穩(wěn)定性具有很大的影響，從而會改變土壤孔隙通道，影響水分入滲過程[39-40]。

通過國內(nèi)外文獻分析發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)領域水分入滲試驗與實踐研究較多，如王艷陽等[41]依據(jù)農(nóng)田試驗，通過施加不同量的生物炭，研究了土壤水分入滲及其分布特性，結果表明生物炭添加能夠改善黑土區(qū)土壤持水能力和水分入滲特性。曹崇文等[42]基于大田土壤水分入滲試驗與相關參數(shù)研究，探討了耕作層土壤水分入滲能力的衰減過程，揭示了耕作層土壤水分入滲能力衰減機理，發(fā)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期內(nèi)，耕作層土壤水分入滲能力變化較大。吳丹[43]研究表明隨著灌溉水中的懸浮固體濃度的增大，受灌土壤的入滲性能就會降低，而土壤容重增加、孔隙率降低，優(yōu)先流的非均勻特征就會明顯增大。馮錦萍[44]研究表明影響大田土壤水分入滲特性的直接影響因素有土壤結構、質地、含水率、表土結皮和板結等，農(nóng)業(yè)耕作措施和土壤水的相變等間接影響水分入滲性能。Wang等[45]根據(jù)美國伍德蘭茲社區(qū)土壤的水分入滲特征，提出了以雨洪管理為目標的生態(tài)規(guī)劃方法，為我國海綿城市建設提供了依據(jù)。通過調(diào)節(jié)土壤粉粒、黏粒比例，可提高水分入滲率，構建“滲透型”土壤結構[46]。楊珊[47]基于海綿型生態(tài)綠地建設理念，以陜西省龍湖灣別墅區(qū)為例，提出對于住宅綠地，應構建基于現(xiàn)狀條件的水循環(huán)體系。

綜上所述，國內(nèi)外對LID設施或海綿城市入滲性能的研究還是初步的，缺乏系統(tǒng)研究，迫切需要加強分析LID設施入滲性能改變的內(nèi)在機理及驅動因子。有關常規(guī)土壤入滲性能研究較多，常規(guī)土壤入滲堵塞成因及機理分析將為LID設施水分入滲研究提供借鑒。

3.2 LID設施污染物凈化性能研究進展

可見，海綿城市模式下LID設施對污染物凈化能力分析也是初步的，缺乏系統(tǒng)研究，LID設施人工合成填料或天然填料對污染物的凈化效果不是一成不變的，還需進一步進行深入研究，明確LID設施填料凈化能力的動態(tài)演變過程。

4 LID設施運行效能衰減過程研究現(xiàn)狀

海綿城市基于LID開發(fā)理念，服務于緩解城市內(nèi)澇、減輕面源污染、保護城市生態(tài)系統(tǒng)、恢復和修復生態(tài)功能等人居環(huán)境的目標。目前，國內(nèi)外主要工作是針對LID或源頭措施的本身結構設計、效果、影響機制與模型模擬展開，較深入地研究了不同海綿設施對徑流水量、水質的調(diào)控效果。伍靜[60]基于雨水花園基本構造和工作原理提出了基于水量平衡分析的設計方法，并探討了其關鍵設計參數(shù)及影響因素。唐雙成等[61]通過監(jiān)測14場降雨事件，研究了雨水花園對暴雨徑流削減效果，發(fā)現(xiàn)分層填料雨水花園對水量的削減范圍為12.0%～85.9%，平均為44.3%；對洪峰流量的削減范圍為11.2%～93.3%，平均為55.8%；均質黃土填料雨水花園對水量削減范圍為9.8%～79.8%，平均為39.2%；對洪峰流量削減范圍為20.3%～89.8%，平均為50.5%，并且隨著運行時間其水量削減效果有下降的趨勢。Hunt等[62]研究了季節(jié)性變化對生物滯留設施水文效應的影響，結果表明夏天土壤入滲和蒸發(fā)蒸騰作用較強，不同地點的生物滯留設施出流量與入流量之比從冬天的0.54降低到夏天的0.07。

可見，目前國內(nèi)外有關海綿設施運行效能衰減過程的研究還是初步的，對海綿城市LID設施運行效率的階段性、動態(tài)化衰減過程研究鮮見報道，需加強對海綿設施入滲性能衰減及污染物吸附飽和等方面的深入研究，明確LID設施入滲堵塞和填料吸附飽和的內(nèi)在機理及驅動因子，使海綿城市由定態(tài)評價向階段性的、動態(tài)化的過程評價轉變。

5 LID設施運行壽命研究現(xiàn)狀

LID設施的運行壽命與填料的入滲性能密切相關。設施填料容重小、孔隙結構性好，其導水能力相對較好，入滲率較大，對降雨徑流的疏導作用明顯。降雨徑流通過填料入滲補給地下水，涵養(yǎng)地下水資源，對降雨徑流削減率也越大。若LID設施長期受納降雨徑流，過流水量大，污染負荷高，徑流攜帶的顆粒態(tài)污染物以及泥沙在填料中得到累積，在填料表層逐漸形成淤積層，造成填料堵塞，影響其使用壽命[69]。Casas-Mulet等[70]研究表明填料攔截的固體顆粒和植物表面的生物膜由有機、無機的多聚物、腐殖質組成，可形成低密度的凝膠結構，具有很高的堵塞潛能，會加劇設施內(nèi)填料孔隙堵塞，導致其導水能力逐漸減弱，入滲率減小，對降雨徑流的削減逐漸降低，LID設施的運行壽命逐漸縮短。有關研究表明，人工濕地堵塞后，其出水流量將逐漸減小，對于小試試驗系統(tǒng)，水力停留時間由堵塞前21.3 h延長至32.5 h，對于中試試驗系統(tǒng)，堵塞前水力停留時間為19.4 h，堵塞后延長至26.8 h[71]。Casas-Mulet等[70]指出對于礫石床人工濕地，由于凝膠體的累積使得前1/4段床體填料的孔隙率減少了約50%，且80%累積的固體顆粒為無機物。Li等[72]通過濾柱模擬和場地實驗研究LID設施的過濾機制發(fā)現(xiàn)，當顆粒物質被LID設施截留后，填料內(nèi)部會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，細小土粒聚集在填料上層，而較大顆粒會滯留在基質下層，導致填料堵塞，滲透性降低，這不僅影響系統(tǒng)的水質凈化效果，同時也會縮短填料的使用壽命。張瑞斌等[73]研究表明鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留系統(tǒng)其滲透性較強，且隨著運行周期的增長，其滲透性下降較為緩慢。

制約LID設施運行壽命的另一因素是填料吸附飽和，有關LID設施填料吸附飽和壽命分析研究較少。不同填料對污染物的吸附能力不同，吳建[74]根據(jù)Langmuir模型，擬合得出煤質活性炭對COD的最大吸附量為62.86 mg/g。張彬鴻[75]通過動態(tài)吸附實驗發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)LID設施填料中添加10%的粉煤灰、綠沸石或麥飯石，在進水量約相當于5 a總降雨量時，設施對磷的吸附達到了飽和，吸附量約為22～30 mg/kg；對于純種植土壤，在進水量約為11 a總降雨量時，設施對磷的吸附達到了飽和，吸附量為59.44 mg/kg；而土壤中添加10%的給水廠污泥進行填料改良后，在進水量相當于15 a降雨量時，設施對磷的吸附仍未達到飽和，吸附量為94.29 mg/kg。仇付國等[76]明確了給水廠污泥對重金屬Cr的吸附量隨污泥粒徑的減小而增加，35 ℃時飽和吸附量達到45.59 mg/g。礫石地下流人工濕地在沒有外部碳源的情況下，對重金屬金屬(Fe 和 Cr 除外)的吸附迅速達到飽和[77]。紹興華[78]通過人工合成的鐵水合物，研究其對磷的吸附性能，結果表明人工合成的鐵水合物對磷具有非常大的吸附潛力，磷的最大吸附容量為45 045 μg/g。Guo等[68]通過分析雨水花園運行壽命，提出了雨水花園“三階段凈化能力”的概念，包括凈化增長期、凈化穩(wěn)定期和凈化衰弱期，初步預測雨水花園運行10～15 a后填料的吸附位將會處于飽和狀態(tài)。國內(nèi)外對人工濕地中填料使用壽命的研究較多。運行1～2 a后的礫石床人工濕地，對磷的凈化效果逐漸下降[79]；美國某人工濕地運行4～5 a后，基質中磷的積累量較大，對磷的凈化效果逐漸喪失[80]；通過探索填料類型和植物類型對人工濕地使用壽命的影響，表明種植蘆葦?shù)娜斯竦厥褂脡勖鼮?2.423 a；而種植黃花鳶尾的人工濕地使用壽命為22.424 a[81]；以給水廠污泥為填料的人工濕地，處理普通生活污水時，其使用壽命約為4～17 a[82]。而世界水協(xié)會(International Water Association，IWA)建議人工濕地參考使用壽命為15 a[83]。LID設施有別于人工濕地，常年處于干濕交替狀態(tài)，降雨過程及雨后一段時間，設施填料處于飽和狀態(tài)，污染物凈化機理與人工濕地較為相似。在下一場雨來臨之前處于干燥狀態(tài)，其污染物凈化機理類似于常規(guī)土壤系統(tǒng)。因此，亟待進一步加強研究，明確LID設施在干濕交替狀態(tài)下對污染物凈化能力的動態(tài)變化過程，確定其合理的使用壽命。

6 結論與展望

6.1 結 論

目前，國內(nèi)外主要針對LID設施結構設計與優(yōu)化、設施削減水量和污染物效果及其影響機制、關鍵技術與模型模擬等方面開展了大量的研究。對雨水徑流集中入滲條件下，LID設施填料容重、孔隙、質地、飽和導水率等理化性質的演變規(guī)律研究較少。對LID設施不同填料的水分入滲能力和持水能力做了初步探索，針對某一土壤屬性對降雨徑流的作用強度進行了探索性研究。初步分析了海綿城市模式下LID設施不同填料對污染物凈化能力，有關填料對污染物吸附飽和的研究較為單一，主要針對特定填料對某種污染物吸附容量進行了定量化研究，缺乏LID設施對污染物凈化能力的系統(tǒng)性研究。初步開展了有關LID設施污染物累積效應和對污染物凈化能力衰減等方面的研究，定性分析并預測了LID設施的運行壽命，缺乏對LID設施階段性、動態(tài)化衰減過程的研究，對LID設施合理的使用壽命有待進一步明確，而國內(nèi)外對人工濕地使用壽命的研究較多，結論較為明確，具有可借鑒價值。

6.2 展 望

為保障海綿城市LID設施的合理應用與縱深發(fā)展，探明其運行效能衰減機理及合理使用壽命，建議對以下問題加大研究力度：

(1)LID設施填料理化性質及演變過程。針對LID設施土壤理化性質的研究，國內(nèi)外大多集中在某一土壤屬性對徑流的作用，對海綿城市LID設施土壤理化性質的演變規(guī)律研究較少。LID是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，需針對多個屬性對城市雨洪和徑流污染影響進行對比研究，明確LID設施在雨水徑流集中入滲過程中填料理化性質隨運行時間的變化過程，揭示不同填料理化性質的動態(tài)演變規(guī)律；研究雨水徑流長期集中入滲對不同填料理化性質的作用強度；建立填料理化性質與水量和污染物削減效果之間的關系，將土壤理化性質研究由定態(tài)向動態(tài)演變規(guī)律研究轉變具有極其重要的意義。

(2)LID設施填料入滲性能及污染物吸附容量。目前國內(nèi)外對LID設施入滲性能的研究還是初步的，而對常規(guī)土壤入滲性能研究較多，常規(guī)土壤入滲堵塞成因及機理分析將為集中入滲提供借鑒。后期需進一步加強LID設施填料入滲性能和污染物吸附性能方面的研究，揭示填料入滲性能和污染物吸附容量隨運行時間尺度的變化規(guī)律；從徑流水質、材料兩個方面明確探索海綿城市集中入滲條件下，LID設施填料入滲堵塞成因及機理；探索不同填料發(fā)生堵塞和污染物吸附飽和的內(nèi)在機理及驅動因子。

(3)LID設施運行效能衰減及壽命分析。目前，有關海綿城市LID設施運行效率的階段性、動態(tài)化衰減過程研究鮮見報道，后期可通過定量分析海綿設施不同填料入滲性能和污染物吸附容量隨運行時間、進水水量和水質之間的關系，發(fā)展基于海綿城市水量調(diào)控和污染物去除效果的新方法。以填料堵塞、污染物吸附飽和、水量削減、水質凈化等為參數(shù)，建立海綿設施運行效能衰減評價機制；用數(shù)值計算模型建立一套海綿設施運行效能衰減過程評價方法，實現(xiàn)黃土地區(qū)海綿設施入滲性能和水質凈化過程由定態(tài)評價向階段性的、動態(tài)化的過程評價轉變。進一步分析并確定LID設施合理的使用壽命。

在長期運行條件下，LID設施存在堵塞、通量下降等問題，探明海綿城市建設模式下LID設施運行效能衰減過程及合理使用壽命，能夠確保海綿設施長期運行可靠，提高工程效益，破解我國城市內(nèi)澇、控制城市面源污染、提高雨水貯存蓄積等面臨的重要難題。