摘要：生物滯留池是一種采用分散方法，從源頭削減雨水和控制污染物遷移的高效LID措施。從水文效應(yīng)、水質(zhì)處理及模型建立三方面回顧了國外生物滯留池的研究現(xiàn)狀，對生物滯留池用于國內(nèi)城市雨水徑流控制展望如下：在滿足水量負荷下對溶解性N和顆粒懸浮物去處的研究;生物滯留池長期運行穩(wěn)定性研究，包括填料的二次污染和自然再生等;生物滯留池水力模型和水質(zhì)模型的研究，模型研究必須與上述理論研究相結(jié)合，以減少實驗周期和優(yōu)化實驗參數(shù)。

1引言

1.1城市雨水徑流產(chǎn)生的問題

城市土地利用導(dǎo)致的地表不透水表面面積的劇增，造成城市雨水徑流流量顯著增加，流速加快，洪峰產(chǎn)生時間縮短，而城市雨水管網(wǎng)無法及時排走所匯聚的雨水，在城市水文活躍區(qū)很容易發(fā)生內(nèi)澇現(xiàn)象，譬如，2010年住建部對國內(nèi)351個城市開展了排洪能力專項調(diào)研，結(jié)果顯示，

“2008年-2010年間，有62%的城市發(fā)生過不同程度的內(nèi)澇，其中內(nèi)澇災(zāi)害超過3次以上的城市有137個，在發(fā)生過內(nèi)澇的城市中，57個城市的最長積水時間超過12小時。

所以，當(dāng)務(wù)之急是如何有效地預(yù)防和控制城市內(nèi)澇再次發(fā)生。同時，不透水性地面的顯著增加將導(dǎo)致城市雨水下滲量的減少，地下水補給量降低，而人類對地下水資源的不斷利用又加劇了地下水水量的降低，引起水質(zhì)惡化、地面沉降等諸多問題。城市雨水徑流除了帶來洪澇災(zāi)害和水資源短缺等問題外，還會通過沖刷城市表面(如道路、屋面等)的沉積物和淋洗大氣中的污染物而產(chǎn)生面源污染。

20世紀(jì)70年代以來，國外開展了城市降雨徑流污染物輸送過程及其對受納水體影響方面的研究，證實了城市降雨徑流污染的嚴重性;我國從20世紀(jì)80年代開展了城市非點源污染研究工作，得出城市雨水水質(zhì)有相當(dāng)程度的污染，尤其是初期雨水，COD可達2000 mg/L。城市雨水污染成分主要包括有機或無機化合物、氮、磷、金屬和油脂類，暴雨引起的污水溢出(雨污合流)又會使雨水中污染物成分更加復(fù)雜，加之城市的熱島效應(yīng)，雨水徑流攜帶的熱量也會對受納水體造成熱污染。

“總之，城市雨水徑流主要從流量、流速及污染物產(chǎn)生與輸送三方面對城市水環(huán)境造成巨大壓力，必須引起高度關(guān)注。

1.2雨洪控制與利用

針對城市雨水徑流帶來的嚴重污染與危害，雨洪控制與利用在一些發(fā)達國家逐步發(fā)展并形成了比較成熟的理論和技術(shù)體系，且有廣泛的工程運用。今年來美國等發(fā)達國家提出了一種基于模擬自然水文條件原理，采用源頭控制理念實現(xiàn)雨洪控制與利用的低沖擊開發(fā)模式LID，LID的目標(biāo)是盡可能維持或恢復(fù)某個開發(fā)區(qū)域開發(fā)前的水文特征，其分類與BMPs類似，包括結(jié)構(gòu)性措施(生物滯留池、草地渠道、綠色屋頂、透水性路面等)、非結(jié)構(gòu)性措施(街道和建筑的合理布局等)及兩者的有機結(jié)合。

生物滯留池是一種采用分散方法，從源頭削減雨水和控制污染物遷移的高效LID措施。國內(nèi)對雨洪控制與利用的研究和運用起步較晚，至今，只在北京、上海、深圳等大城市開展了規(guī)模有限的雨水污染物控制和雨水利用研究，雖然部分城市認識到了雨水徑流不僅僅會造成城市內(nèi)澇，也會帶來水資源短缺和面源污染等問題，但仍只是注重防洪排澇而以及時將城市雨水收集排出為主，更不用說從生態(tài)角度來看待和處理城市雨水徑流產(chǎn)生的問題，忽略了雨水也是一種寶貴的資源。

1.3生物滯留池的發(fā)展

目前國外對生物滯留池已經(jīng)開展了廣泛和深入的研究，主要內(nèi)容集中在以下幾個方面：

(1)水文效應(yīng)研究，如生物滯留池的長期滲透性及其對雨水徑流流量的影響等;

(2)污染物去除效率研究，包括營養(yǎng)物、油脂、重金屬、懸浮物及致病菌等
 

(3)生物滯留池系統(tǒng)水力模型和水質(zhì)模型研究。所以本文總結(jié)了國外生物滯留池在水文效應(yīng)、水質(zhì)處理及模型建立方面的研究進展并提出了一些思考，以期為國內(nèi)生物滯留池的運用及設(shè)計提供參考。

2生物滯留池水文效應(yīng)研究

2.1水文效應(yīng)

“國外對生物滯留池的水文效應(yīng)研究主要集中在滯留池滲透性和其對雨水徑流流量、峰流流量及匯流時間影響等方面。

LeConstumer等通過柱形試驗研究了生物滯留池系統(tǒng)長期的滲透特性，得出土壤填料的滲透率在前4周快速降低，之后趨于穩(wěn)定，隨著水力負荷的增加，滲透率降低速度加快。Dvais等對馬里蘭大學(xué)的二組室外生物滯留池開展了水文效應(yīng)研究，結(jié)果表明，在49次降雨事件中，生物滯留池能有效降低雨水徑流流量，峰流流量大約能被降低49%~59%，峰流的平均產(chǎn)生時間也被分別延遲5.8倍和7.2倍。Hunt等研究了位于北卡羅來納州三組不同地點的生物滯留池水力條件的運行情況，得出生物滯留池系統(tǒng)出流量與進流量之比從夏天的0.07增加到冬天的0.54，表明季節(jié)變化對生物滯留池水文效應(yīng)有重要影響，冬天溫度較低，其蒸發(fā)量相對較少，所以出流量相對較高。

從目前研究方向來看，生物滯留池作為一種新型的LID措施，其對城市雨水徑流具有較好的滯留作用，但大多數(shù)研究只是偏向于單個系統(tǒng)而言，很少從生態(tài)角度來考慮生物滯留池對整個城市生態(tài)水文效應(yīng)的影響，如生物滯留池的建立對城市雨水徑流控制、地下水補給、河道侵蝕等水文效應(yīng)的影響。

3生物滯留池水質(zhì)處理研究

3.1營養(yǎng)物(N、P)的去除

“生物滯留池對N、P的去除效果變化較大。

Davis等研究了生物滯留池對營養(yǎng)物的去除效果，結(jié)果表明，實驗中總P的去除率為70%~85%(質(zhì)量去除率為82%)，凱氏氮(TKN)去除率為55%~65%(質(zhì)量去除率為86%)，但NO3-的去除率較低，部分裝置甚至有NO3-的生成。

Davis等研究表明，NO3-的去除率較低可能是由于雨水間隔期內(nèi)發(fā)生過氨化及硝化作用，晴天時NO3-在生物滯留池未飽和土壤中積累，等降雨后再釋放出來，所以才導(dǎo)致了NO3-的去除率偏低。

Hunt等也研究了二組生物滯留池對N的去除效果，結(jié)果表明生物滯留池對TN的去除相差不大，質(zhì)量去除率都為40%，但第一組中TKN和NH4+的去除率很低，分別為4.9%、0.99%，而NO3—的去除率為75%，第二組中TKN和NH4+的去除率分別為45%和86%。第一組生物滯留池中有部分土壤飽和，產(chǎn)生了反硝化作用，所以NO3-的去除率較高，而第二組填料是較均質(zhì)的砂土和有機質(zhì)，所以對NH4+有較高的滯留作用。

為了提高NO3-的去除率，Kim等通過在生物滯留池底部設(shè)置了一個飽和區(qū)來為微生物反硝化作用提過缺氧環(huán)境，同時實驗表明破碎報紙能很好的為反硝化作用提供電子，柱形實驗和大尺度實驗證實了這種介質(zhì)和裝置對NO3-具有很好的去除效果，NO3-的質(zhì)量去除率為80%。

然而，Dietz和Clausen等研究表明，雖然在生物滯留池底部設(shè)置了飽和區(qū)，但是NO3-的去除率并不一定會提高�？傊�，為了提高生物滯留池對營養(yǎng)物的去除效果，很多室內(nèi)和場地實驗被開展，生物滯留池的結(jié)構(gòu)、填料及植物種類對營養(yǎng)物的去除起重要作用，但目前對滯留池系統(tǒng)中微生物的研究較少，更別說從整體角度來定性、定量的研究結(jié)構(gòu)-植物-微生物-填料體系對營養(yǎng)物的去除。

3.2重金屬的去除

“生物滯留池對重金屬的去除一般選擇Cu、Pb、Zn作為代表。

Davis等研究了生物滯留池對這三種重金屬的去除效果，結(jié)果得到，三種金屬的去除率都在97%以上，而通過對填料樣品中重金屬的含量進行分析，表明生物滯留池覆蓋層對重金屬的吸收起主要作用，雨水的pH、持續(xù)時間、密度及重金屬濃度對去除效果影響不大。Glass和Bissouma等除了研究生物滯留池對常見的三種重金屬的處理效果外，還研究了對Cd、Cr、Al、Fe和As的去除。Cu、Cd、Zn、Cr、Pb、Al、As、Fe的去除率分別為81%、66%、79%、53%、75%、17%、11%、53%。大多數(shù)金屬的去除率不高可能是由于生物滯留池缺少相應(yīng)的維護，而Al和As的去除偏低，可能是由于這兩種金屬濃度接近檢測限，以致測量結(jié)果不太準(zhǔn)確。由于重金屬會在生物滯留池里累積，所以必須考慮填料的飽和周期。延長飽和周期的方法之一就是可以通過收割植物來達到，但是Sun和Davis的研究表明，土壤填料對重金屬的滯留一般為88%~97%，而重金屬在植物的累積只有0.5%~3.3%，根系對重金屬的吸附明顯高于根莖部位，所以如果單位面積植物產(chǎn)量較低，那么實現(xiàn)填料飽和再生就很困難。

雖然生物滯留池對重金屬的滯留效果較好，但是重金屬在滯留池的富集也給系統(tǒng)穩(wěn)定、安全的運行帶來困擾，所以必須考慮到生物滯留池填料可能給環(huán)境帶來的二次污染。

3.3油脂的去除

Heieh和Davis等通過柱形試驗研究了18種不同土壤填料對污染物的去除，最后得到，對于所有填料而言，油脂的去除率都大于96%。而Hong等考慮了油脂在滯留池的累積和降解作用，發(fā)現(xiàn)有機碳去除率為83%到97%，而被覆蓋層吸附的有機碳可以在3-10內(nèi)被生物降解掉。

Hong和Davis等發(fā)現(xiàn)被覆蓋層吸附的萘、甲苯、油和顆粒萘分別在大約3，4，8，2天后，大約90%都被生物降解，結(jié)果證實了覆蓋層對雨水中的油脂去除具有較好效果。從大多數(shù)研究來看，生物滯留池對油脂的處理效果較好，油脂也可以很快被生物降解，但是最好可以將其與重金屬一起來考慮，以研究填料長期運行的飽和性問題，因為這兩種物質(zhì)大多都是在覆蓋層被吸附滯留的。

3.4 TSS的去除

“TSS含量較高一般也意味著水體中有機物、重金屬和其他特殊性物質(zhì)含量較高。

大多數(shù)研究表明，生物滯留池對TSS的去除效果并不穩(wěn)定。Hsieh和Davis等開展了12組柱形生物滯留池實驗，得到系統(tǒng)剛開始運行的6小時內(nèi)，沉淀物有流失現(xiàn)象，但是最后TSS的去除率較高，為91%。而在馬克里大學(xué)的研究表明了生物滯留池對TSS的去除效果并不好，23次降雨中，TSS滯留率，第一組是54%，第二組是59%，而且二組滯留池都有沉淀物流失現(xiàn)象。Li和Davis等研究了生物滯留池內(nèi)懸浮物的過濾機理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，填料對懸浮物的吸附將會導(dǎo)致填料分層現(xiàn)象，細小的土壤顆粒在上層，因為懸浮物被吸附后改變了細小顆粒的滲透性，這也說明了上層濾料可能由于懸浮物被吸附而出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，根據(jù)實驗結(jié)果，可能每年要對上層2-20cm厚的濾料進行更換才不會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。有必要在填料堵塞中考慮植物和覆蓋層的影響。

3.5致病菌的去除

雖然雨水中致病菌的含量較低，但是由于雨水可以直接與人體接觸，給人類帶來健康威脅，所以有必要降低雨水中致病菌的數(shù)量。Rusciano和Obropta等通過柱形試驗得到生物滯留池能有效降低雨水中致病菌的數(shù)量，其中，糞大腸菌群數(shù)被平均降低91.6%，在北卡羅來納州進行的2年多的長期監(jiān)測也證明了生物滯留池對致病菌能有效去除。生物滯留池對致病菌的有效去除也可以加速雨水的再生利用。

4 思考與展望

今年來，基于生物滯留池在改善城市雨水徑流方面取得的良好效果，其已成為一種高效的LID工程措施。然而，總體來說生物滯留池用于城市雨水徑流控制方面的研究還很缺乏，如何合理設(shè)計、維護生物滯留池，使之能有效減緩或者消除城市開發(fā)所帶來的水環(huán)境問題將是今后的研究熱點。本文總結(jié)了國外生物滯留池在水文效應(yīng)、水質(zhì)處理及模型建立等方面的研究進展，現(xiàn)對生物滯留池用于城市雨水徑流控制方面做一些展望：

(1)既能滿足對城市雨水水量的控制，又能有效、穩(wěn)定地去除大部分污染物的生物滯留池的研究。如通過改變生物滯留池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化填料及植物種類，在不降低進水負荷前提下提高對溶解性N和顆粒懸浮物的去除效果。

(2)生物滯留池長期運行穩(wěn)定性研究，特別是重金屬、油脂及磷類會在生物滯留池內(nèi)積累而使填料達到飽和，除此之外，還要考慮到填料可能對環(huán)境造成的二次污染，而填料自然再生是個很好的選擇。