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(guó)外生物滯留池的研究現(xiàn)狀，對(duì)生物滯留池用于國(guó)內(nèi)城市雨水徑流控制展望如下：在滿足水量負(fù)荷下對(duì)溶解性N和顆粒懸浮物去處的研究;生物滯留池長(zhǎng)期運(yùn)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(shí)驗(yàn)周期和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

1引言

1.1城市雨水徑流產(chǎn)生的問(wèn)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(shí)間縮短，而城市雨水管網(wǎng)無(wú)法及時(shí)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(duì)國(guó)內(nèi)351個(gè)城市開(kāi)展了排洪能力專項(xiàng)調(diào)研，結(jié)果顯示，

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

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(shí)，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(bǔ)給量降低，而人類對(duì)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(wèn)題。城市雨水徑流除了帶來(lái)洪澇災(zāi)害和水資源短缺等問(wèn)題外，還會(huì)通過(guò)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(lái)，國(guó)外開(kāi)展了城市降雨徑流污染物輸送過(guò)程及其對(duì)受納水體影響方面的研究，證實(shí)了城市降雨徑流污染的嚴(yán)重性;我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)展了城市非點(diǎn)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(dá)2000 mg/L。城市雨水污染成分主要包括有機(jī)或無(wú)機(jī)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(huì)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(huì)對(duì)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(duì)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(duì)城市雨水徑流帶來(lái)的嚴(yán)重污染與危害，雨洪控制與利用在一些發(fā)達(dá)國(guó)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(yùn)用。今年來(lái)美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)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(shí)現(xiàn)雨洪控制與利用的低沖擊開(kāi)發(fā)模式LID，LID的目標(biāo)是盡可能維持或恢復(fù)某個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)域開(kāi)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(jī)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(guó)內(nèi)對(duì)雨洪控制與利用的研究和運(yùn)用起步較晚，至今，只在北京、上海、深圳等大城市開(kāi)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(rèn)識(shí)到了雨水徑流不僅僅會(huì)造成城市內(nèi)澇，也會(huì)帶來(lái)水資源短缺和面源污染等問(wèn)題，但仍只是注重防洪排澇而以及時(shí)將城市雨水收集排出為主，更不用說(shuō)從生態(tài)角度來(lái)看待和處理城市雨水徑流產(chǎn)生的問(wèn)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(guó)外對(duì)生物滯留池已經(jīng)開(kāi)展了廣泛和深入的研究，主要內(nèi)容集中在以下幾個(gè)方面：

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

(2)污染物去除效率研究，包括營(yíng)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(guó)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(jìn)展并提出了一些思考，以期為國(guó)內(nèi)生物滯留池的運(yùn)用及設(shè)計(jì)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(guó)外對(duì)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(duì)雨水徑流流量、峰流流量及匯流時(shí)間影響等方面。

LeConstumer等通過(guò)柱形試驗(yàn)研究了生物滯留池系統(tǒng)長(zhǎng)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(fù)荷的增加，滲透率降低速度加快。Dvais等對(duì)馬里蘭大學(xué)的二組室外生物滯留池開(kāi)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(shí)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(lái)納州三組不同地點(diǎn)的生物滯留池水力條件的運(yùn)行情況，得出生物滯留池系統(tǒng)出流量與進(jìn)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(duì)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(duì)較少，所以出流量相對(duì)較高。

從目前研究方向來(lái)看，生物滯留池作為一種新型的LID措施，其對(duì)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(gè)系統(tǒng)而言，很少?gòu)纳鷳B(tài)角度來(lái)考慮生物滯留池對(duì)整個(gè)城市生態(tài)水文效應(yīng)的影響，如生物滯留池的建立對(duì)城市雨水徑流控制、地下水補(bǔ)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(yíng)養(yǎng)物(N、P)的去除

“生物滯留池對(duì)N、P的去除效果變化較大。

Davis等研究了生物滯留池對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的去除效果，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)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(guò)氨化及硝化作用，晴天時(shí)NO3-在生物滯留池未飽和土壤中積累，等降雨后再釋放出來(lái)，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(duì)N的去除效果，結(jié)果表明生物滯留池對(duì)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(jī)質(zhì)，所以對(duì)NH4+有較高的滯留作用。

為了提高NO3-的去除率，Kim等通過(guò)在生物滯留池底部設(shè)置了一個(gè)飽和區(qū)來(lái)為微生物反硝化作用提過(guò)缺氧環(huán)境，同時(shí)實(shí)驗(yàn)表明破碎報(bào)紙能很好的為反硝化作用提供電子，柱形實(shí)驗(yàn)和大尺度實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種介質(zhì)和裝置對(duì)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(huì)提高�？傊�，為了提高生物滯留池對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的去除效果，很多室內(nèi)和場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)被開(kāi)展，生物滯留池的結(jié)構(gòu)、填料及植物種類對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的去除起重要作用，但目前對(duì)滯留池系統(tǒng)中微生物的研究較少，更別說(shuō)從整體角度來(lái)定性、定量的研究結(jié)構(gòu)-植物-微生物-填料體系對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的去除。

3.2重金屬的去除

“生物滯留池對(duì)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(duì)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(guò)對(duì)填料樣品中重金屬的含量進(jìn)行分析，表明生物滯留池覆蓋層對(duì)重金屬的吸收起主要作用，雨水的pH、持續(xù)時(shí)間、密度及重金屬濃度對(duì)去除效果影響不大。Glass和Bissouma等除了研究生物滯留池對(duì)常見(jiàn)的三種重金屬的處理效果外，還研究了對(duì)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(hù)，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(cè)限，以致測(cè)量結(jié)果不太準(zhǔn)確。由于重金屬會(huì)在生物滯留池里累積，所以必須考慮填料的飽和周期。延長(zhǎng)飽和周期的方法之一就是可以通過(guò)收割植物來(lái)達(dá)到，但是Sun和Davis的研究表明，土壤填料對(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)填料飽和再生就很困難。

雖然生物滯留池對(duì)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(yùn)行帶來(lái)困擾，所以必須考慮到生物滯留池填料可能給環(huán)境帶來(lái)的二次污染。

3.3油脂的去除

Heieh和Davis等通過(guò)柱形試驗(yàn)研究了18種不同土壤填料對(duì)污染物的去除，最后得到，對(duì)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(jī)碳去除率為83%到97%，而被覆蓋層吸附的有機(jī)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(shí)了覆蓋層對(duì)雨水中的油脂去除具有較好效果。從大多數(shù)研究來(lái)看，生物滯留池對(duì)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(lái)考慮，以研究填料長(zhǎng)期運(yùn)行的飽和性問(wèn)題，因?yàn)檫@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(jī)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(duì)TSS的去除效果并不穩(wěn)定。Hsieh和Davis等開(kāi)展了12組柱形生物滯留池實(shí)驗(yàn)，得到系統(tǒng)剛開(kāi)始運(yùn)行的6小時(shí)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(duì)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(guò)濾機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，填料對(duì)懸浮物的吸附將會(huì)導(dǎo)致填料分層現(xiàn)象，細(xì)小的土壤顆粒在上層，因?yàn)閼腋∥锉晃�附后改變了�?xì)小顆粒的滲透性，這也說(shuō)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，可能每年要對(duì)上層2-20cm厚的濾料進(jìn)行更換才不會(huì)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(lái)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(guò)柱形試驗(yàn)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(lái)納州進(jìn)行的2年多的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)也證明了生物滯留池對(duì)致病菌能有效去除。生物滯留池對(duì)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(lái)，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(lái)說(shuō)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(jì)、維護(hù)生物滯留池，使之能有效減緩或者消除城市開(kāi)發(fā)所帶來(lái)的水環(huán)境問(wèn)題將是今后的研究熱點(diǎn)。本文總結(jié)了國(guó)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(jìn)展，現(xiàn)對(duì)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(duì)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(guò)改變生物滯留池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化填料及植物種類，在不降低進(jìn)水負(fù)荷前提下提高對(duì)溶解性N和顆粒懸浮物的去除效果。

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