海綿城市的發(fā)展沿革及其對(duì)徑流污染控制的研究現(xiàn)狀

楊銀川 肖冰 崔賀 黃民生 鄒穎 何巖 曹承進(jìn)

摘要：以國(guó)內(nèi)外海綿城市建設(shè)理論體系的發(fā)展歷程為出發(fā)點(diǎn)，探究各國(guó)海綿城市建設(shè)異同與發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，繼而以海綿城市建設(shè)最為典型的單項(xiàng)措施——雨水花園為例，從其結(jié)構(gòu)組成、水力特性以及植物配置等方面分析其對(duì)徑流污染的控制效應(yīng)，以期為我國(guó)海綿城市建設(shè)提供理論借鑒.最后提出了海綿城市建設(shè)與運(yùn)行存在的堵塞和蚊蟲孳生等潛在問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)我國(guó)海綿城市建設(shè)提出建議和展望：借鑒國(guó)外海綿城市建設(shè)理論體系發(fā)展歷程的同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)海綿城市建設(shè)真正意義上的“中國(guó)化”;因地制宜，注重區(qū)域差異性;加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步探究海綿城市對(duì)徑流污染的控制機(jī)制;與此同時(shí)，堵塞和蚊蟲孳生作為海綿城市建設(shè)與運(yùn)行存在的潛在問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)也應(yīng)予以重視.

關(guān)鍵詞：海綿城市;發(fā)展歷程;雨水花園;徑流污染控制;問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類號(hào)：X52，TU99 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641. 2018.06.004

0引言

近幾十年來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展推動(dòng)著城市化的進(jìn)程，同時(shí)城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也逐漸凸顯，致使我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展面臨著越來(lái)越大的生態(tài)環(huán)境壓力.水是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，中國(guó)城市水環(huán)境日趨惡化，各種水安全、水生態(tài)、水資源等問(wèn)題層出不窮，嚴(yán)重威脅到城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全.究其原因，主要是隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市下墊面透水性和排水模式也在不斷變化，進(jìn)而造成水資源循環(huán)以及排水的時(shí)、量、質(zhì)的改變，最終體現(xiàn)為城市內(nèi)澇、缺水以及水質(zhì)惡化等一系列問(wèn)題，給人民生活帶來(lái)了極其不利的影響，嚴(yán)重威脅到城市的良性發(fā)展.因此，解決城市水環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫.

從這些水環(huán)境通病可以看出，一方面我國(guó)城市水資源匱乏且分布不均，致使城市地下水位下降;另一方面，城市化帶來(lái)的不透水面積增加導(dǎo)致城市雨水無(wú)法自然下滲，從而頻繁引發(fā)城市內(nèi)澇.因此，原有的城市排水理念以及排水設(shè)施已不能滿足城市發(fā)展的需求.這些水環(huán)境問(wèn)題是系統(tǒng)性、綜合性的問(wèn)題，亟需一個(gè)更為全面系統(tǒng)的解決方案.“海綿城市”理念的提出正是立足于這一背景，該理念試圖通過(guò)對(duì)城市雨洪進(jìn)行合理管控，使城市能夠像海綿一樣防蓄兼顧，從而在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的彈性.然而，在各城市推進(jìn)海綿城市建設(shè)過(guò)程中，仍會(huì)面臨不少的困惑和問(wèn)題，直接影響試點(diǎn)城市的推行效率以及實(shí)施方案的合理性.因此，亟待全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)該理念，以期為后續(xù)建設(shè)提供導(dǎo)向.本文通過(guò)總結(jié)與提煉國(guó)內(nèi)外海綿城市的研究進(jìn)展，力求系統(tǒng)地展示這一研究領(lǐng)域的發(fā)展沿革、前沿動(dòng)態(tài)與潛在風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)海綿工程對(duì)地表徑流污染控制現(xiàn)狀進(jìn)行分析，為我國(guó)海綿城市的理論研究和建設(shè)實(shí)踐提供參考與借鑒.

1國(guó)外海綿城市發(fā)展歷程

美國(guó)是最早開始研究雨洪管理的國(guó)家之一，其后是澳大利亞、英國(guó)、中國(guó)和日本等國(guó)，該理論最初主要用于控制城市和農(nóng)村的面源污染，而后逐漸發(fā)展成為控制降雨徑流水量和水質(zhì)的生態(tài)可持續(xù)的綜合性措施盡管各國(guó)關(guān)于海綿城市建設(shè)的核心內(nèi)容均是城市化背景下因地制宜的雨洪管理策略，但其表述卻不盡相同，研究情況也各有差異.因此，了解國(guó)際潮流和動(dòng)態(tài)，掌握不同概念和系統(tǒng)的內(nèi)涵和關(guān)系，則不會(huì)拘泥于其名稱，也可避免誤讀和誤解，從而系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)該理論，為我國(guó)海綿城市的理論研究和建設(shè)實(shí)踐提供技術(shù)指導(dǎo).

1. 1美國(guó)

美國(guó)的海綿城市建設(shè)主要經(jīng)歷了“最佳管理措施”、“低影響開發(fā)”與“綠色雨洪基礎(chǔ)設(shè)施”3個(gè)階段.20世紀(jì)70年代，美國(guó)頒布了清潔水法（clean Water Act）并提出了“最佳管理措施（Best Management Practices，BMPs）”，從最初的面源污染控制，發(fā)展為面源污染與地表徑流污染共同控制的綜合性措施.1997年美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)的《聯(lián)邦水污染控制法修正案》（Federal Water Pollution Control Act Amendment，F(xiàn)WPCA）首次將BMPs理念納入立法層次.2003年將BMPs目標(biāo)擴(kuò)大為涵蓋雨洪控制、土壤沖蝕控制及非點(diǎn)源污染源的削減與控制等雨水綜合管理決策體系.BMPs主要是通過(guò)結(jié)構(gòu)性工程措施和非結(jié)構(gòu)性管理措施來(lái)阻止或減少污染物通過(guò)地表徑流進(jìn)入地表水或地下水，同時(shí)達(dá)到補(bǔ)充與回灌地下水的目的.20世紀(jì)90年代，美國(guó)喬治王子縣（Prince George's County）與西雅圖（seattle）和波特蘭市（Portland）共同提出了在BMPs的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的城市雨洪管理新理念：“低影響開發(fā)（LOW Impact Development，LID）”.21世紀(jì)初，在已有LID的基礎(chǔ)上發(fā)展為“綠色雨洪基礎(chǔ)設(shè)施fGreen Stormwater Infrastructure，GSI）”，2010年美國(guó)環(huán)?？偸饘⑵涠x為“綠色基礎(chǔ)設(shè)施（Green Infrastructure，GI）重點(diǎn)在于通過(guò)復(fù)合的綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)體系增強(qiáng)城市環(huán)境的適應(yīng)能力.同時(shí)，美國(guó)政府還通過(guò)稅收控制、補(bǔ)貼與貸款等一系列的經(jīng)濟(jì)手段來(lái)鼓勵(lì)雨水的合理處理及資源化利用.

1.2英國(guó)

20世紀(jì)90年代，英國(guó)在BMPs和LID的基礎(chǔ)上，把環(huán)境和社會(huì)的因素納入到排水系統(tǒng)中，通過(guò)綜合措施改善城市水循環(huán).1999年5月，英國(guó)建立了可持續(xù)城市排水系統(tǒng)（sustainable Urban Drainage System，SUDS）.2004年，英國(guó)國(guó)家城市排水系統(tǒng)工作組發(fā)布了《可持續(xù)城市排水系統(tǒng)（sUDS）過(guò)渡時(shí)期實(shí)施規(guī)范》.SUDS模仿自然過(guò)程，先存蓄雨水后緩慢釋放，促進(jìn)雨水下滲，利用過(guò)濾污染物與控制流速等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水質(zhì)的改善與量的消減.21世紀(jì)初，英國(guó)政府通過(guò)《住房建筑管理規(guī)定》等法律法規(guī)，鼓勵(lì)居民家中進(jìn)行家庭雨水收集與再利用.2015年之后，英國(guó)政府為了針對(duì)性地提高水資源利用效率，要求住宅樓的人均日用水設(shè)計(jì)量不超過(guò)125L才能獲得開工許可，要求開發(fā)商和居民在家中建立雨水回收系統(tǒng).英國(guó)政府和雨水再利用管理協(xié)會(huì)調(diào)研認(rèn)為，英國(guó)利用雨水回收系統(tǒng)在提升水資源利用率方面仍有巨大的潛力.

1.3日本

日本的海綿城市建設(shè)大致是以20世紀(jì)80年代為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在此之前多是進(jìn)行大規(guī)模河道疏浚、拓寬、護(hù)岸與堤防建設(shè)，在此之后則全面實(shí)施流域綜合治水對(duì)策.1976年，鶴見川流域遭遇臺(tái)風(fēng)襲擊，沿河4830戶被淹，由此，鶴見川“水防災(zāi)計(jì)劃委員會(huì)”成立，成為日本綜合治水對(duì)策先驅(qū).1977年，日本推出“雨水貯留”概念;1980年，日本提出“綜合治水對(duì)策特定河川計(jì)劃”，讓小區(qū)自行消納雨水，以恢復(fù)流域固有的蓄水、滯水能力.同步于歐美國(guó)家，日本在20世紀(jì)末開始推廣“雨水貯留滲透計(jì)劃”，致力于補(bǔ)充涵養(yǎng)地下水、復(fù)活泉水和恢復(fù)河川基流.隨后，日本修改了建筑法，要求大型建筑物和大型建筑群必須建設(shè)地下雨水儲(chǔ)存池和再利用系統(tǒng).日本對(duì)雨水利用實(shí)行補(bǔ)助金制度.例如，東京都墨田區(qū)1996年開始建立促進(jìn)雨水利用補(bǔ)助金制度，對(duì)地下儲(chǔ)水裝置、地上中小型儲(chǔ)水裝置給予一定的補(bǔ)助，其中，雨水儲(chǔ)存每立方米補(bǔ)助40～120美元，雨水凈化器補(bǔ)助設(shè)備總價(jià)的1/3-2/3，以此促進(jìn)雨水利用技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)雨水資源化.

1.4澳大利亞

澳大利亞的海綿城市建設(shè)主要經(jīng)歷了萌芽期（1960 1989）、起步期（1990-1999）、跨越期（1999 2000）和穩(wěn)定期（2011）4個(gè)階段.20世紀(jì)80年代，澳大利亞政府開展了一場(chǎng)名為“放雅拉河一條生路（Give the Yarraa Gol）的運(yùn)動(dòng)，提高公眾的環(huán)境保護(hù)意識(shí).20世紀(jì)90年代，墨爾本的洪水暴發(fā)頻率顯著增高，導(dǎo)致大量經(jīng)濟(jì)損失和人口傷亡.1994年，來(lái)自西澳大利亞的學(xué)者理維藍(lán)（Whelans）和哈而佩恩.格里克.曼塞爾（Halpern Glick Maunsell）首次提出“水敏性城市設(shè)計(jì)”（Water Sensitive Urban Design，WSUD）理念，但在當(dāng)時(shí)并未得到認(rèn)可.直到20世紀(jì)90年代后期，隨著可持續(xù)理念的普及，這種將城市水循環(huán)與城市設(shè)計(jì)相結(jié)合的理念才逐步被大眾認(rèn)同.21世紀(jì)初期是WSUD走向成熟的關(guān)鍵階段，政府提出了“發(fā)揮城市雨水再利用（cities as Water Supply Catchments）”的管理理念.2005年，水敏性城市研究中心成立，用于指導(dǎo)城市雨洪管理;同年，墨爾本水務(wù)局頒布了《水敏性城市設(shè)計(jì)工程手冊(cè)》.至2011年，澳大利亞雨洪管理體系已經(jīng)趨于完善和穩(wěn)定.

1.5小結(jié)

縱觀各個(gè)國(guó)家海綿城市建設(shè)發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)：大致經(jīng)歷了從“城市雨洪問(wèn)題一相關(guān)理論提出一法規(guī)政策制定”這樣的過(guò)程;大規(guī)模的建設(shè)始于20世紀(jì)70年代，成熟于21世紀(jì)初，均經(jīng)歷了較長(zhǎng)一段時(shí)間;都經(jīng)歷了從單一化工程性措施到綜合性措施的發(fā)展歷程.

橫向?qū)Ρ雀鲊?guó)的海綿城市建設(shè)異同及理論發(fā)展經(jīng)驗(yàn)雖有借鑒參考價(jià)值，但更應(yīng)該結(jié)合國(guó)情.表現(xiàn)為：澳大利亞的水敏性城市設(shè)計(jì)理念是基于其長(zhǎng)期干旱的自然環(huán)境;日本的雨水貯留滲透計(jì)劃重點(diǎn)在貯留，主要是基于其淡水資源的缺乏.

2國(guó)內(nèi)海綿城市發(fā)展歷程

2.1國(guó)內(nèi)海綿城市發(fā)展背景

相比美英日澳等發(fā)達(dá)國(guó)家的海綿城市建設(shè)，中國(guó)對(duì)“海綿城市”的研究及實(shí)踐起步相對(duì)較晚，海綿城市的概念是借鑒國(guó)外LID、SUDS和WSUD等相關(guān)雨洪管理體系而提出的.“海綿城市”一詞在國(guó)內(nèi)最早出現(xiàn)于2012年4月北京大學(xué)在深圳召開的“2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇”，引起社會(huì)各界的密切關(guān)注.2013年12月12日，習(xí)近平總書記在中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議上明確提出：“提升城市排水系統(tǒng)時(shí)要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來(lái)，優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”，自此“海綿城市”一詞逐步活躍于公眾視線.住建部于2014年10月22日發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》，該指南對(duì)“海綿城市”的概念給出了明確的定義，即城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用.從而在減少城市洪澇災(zāi)害發(fā)生的同時(shí)可以提升城市生態(tài)功能.2015年4月和2016年4月，相繼發(fā)布了16個(gè)和14個(gè)海綿城市建設(shè)試點(diǎn)名單，自此，我國(guó)海綿城市建設(shè)工作全面展開.

2.2“海綿城市建設(shè)技術(shù)指南”解讀

《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》從技術(shù)選擇（單項(xiàng)措施）控制目標(biāo)等方面系統(tǒng)地給出說(shuō)明指導(dǎo)，為我國(guó)海綿城市建設(shè)提供指引.海綿工程單項(xiàng)措施主要有透水鋪裝、綠色屋頂、植草溝、雨水花園和雨水調(diào)節(jié)池等.建設(shè)海綿城市一般包含徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制和雨水資源化利用4項(xiàng)控制目標(biāo).這些分目標(biāo)既各司其職又存在一定的耦合關(guān)系，既有區(qū)別，也有聯(lián)系，各地應(yīng)結(jié)合氣候特征、城市化進(jìn)程、水環(huán)境現(xiàn)狀、水文地質(zhì)條件等合理選擇其中一項(xiàng)或多項(xiàng)目標(biāo)作為規(guī)劃控制目標(biāo)，這些差異體現(xiàn)在各地的海綿城市建設(shè)“技術(shù)指南”中.具體統(tǒng)計(jì)如表1.

產(chǎn)生以上區(qū)別主要是由于我國(guó)地域遼闊，氣候特征、土壤地質(zhì)等天然條件和經(jīng)濟(jì)條件差異較大.可以看出，徑流總量控制率與當(dāng)?shù)氐慕涤炅坑兄芮新?lián)系，表1中，上海、重慶和三亞的降雨量較大，其徑流總量控制率也較小;西寧和白城的降雨量相對(duì)較小，也決定了其較高的徑流總量控制率.徑流污染控制則相對(duì)復(fù)雜，即使在同一個(gè)城市也不能一概而論，應(yīng)該根據(jù)城市水環(huán)境質(zhì)量要求、徑流污染特征等因素確定徑流污染綜合控制目標(biāo)和污染物指標(biāo).徑流峰值流量控制是低影響開發(fā)的控制目標(biāo)之一，低影響開發(fā)設(shè)施對(duì)特大暴雨事件，雖仍可起到一定的錯(cuò)峰、延峰作用，但其峰值削減幅度往往較低，還需要依靠城市排水管網(wǎng)發(fā)揮作用，其差異主要由城市功能和經(jīng)濟(jì)狀況決定，重慶和上海作為特大城市要求最高，白城、鶴壁和三亞作為中等城市其排水管網(wǎng)要求也相對(duì)較低.此外，植物選擇也應(yīng)該因地制宜，比如西寧考慮夏季多雨時(shí)節(jié)植物的適應(yīng)性的同時(shí)，更要兼顧干旱季節(jié)植物景觀和植物耐旱能力，白城的植物則應(yīng)該以耐寒為主.但就建設(shè)實(shí)施難度來(lái)講，徑流污染控制面臨的實(shí)踐和理論方面的未知因素更為突出，各地“建設(shè)指南”對(duì)該目標(biāo)規(guī)定也不完善，且該目標(biāo)相對(duì)不易量化.所以，本文接下來(lái)將結(jié)合海綿城市單項(xiàng)措施、參考國(guó)內(nèi)外研究成果，對(duì)徑流污染控制研究現(xiàn)狀做出詳細(xì)闡述.

3典型海綿城市單項(xiàng)措施對(duì)于徑流污染物的控制

徑流污染控制是海綿城市建設(shè)的重要目標(biāo)[23].同時(shí)，徑流污染也是一個(gè)世界性的水環(huán)境問(wèn)題.美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（uSEPA）于2002年就已將該問(wèn)題列為地表水環(huán)境惡化的主要來(lái)源，在11個(gè)污染源中，分別位列河流和湖泊中的第四位和第三位.2004年的研究報(bào)告還顯示：美國(guó)城市區(qū)域產(chǎn)生的雨水徑流污染已成為美國(guó)13%的河流、18%的湖泊和32%的河口的最主要污染源.此外，英國(guó)環(huán)境食品和農(nóng)村事務(wù)部（DEFRA）的報(bào)告也表明，英國(guó)23個(gè)浴場(chǎng)及約1 000個(gè)水體的污染原因都是城市徑流污染.我國(guó)2/3的河流水環(huán)境由于雨水徑流中的N、P污染物而導(dǎo)致功能退化，因此，控制城市徑流雨水中的N、P等污染物意義重大.本節(jié)將以海綿城市建設(shè)中最為常見的單項(xiàng)措施——雨水花園為例，針對(duì)N、P污染物闡述海綿城市對(duì)于徑流污染控制的研究現(xiàn)狀.

雨水花園（Rain Garden）是海綿城市建設(shè)的重要措施之一，在歐美多叫生物滯留池（Bioretention System/Cell），在日本稱為雨庭（Rain Court）雨水花園是自然形成或人工挖掘的下凹式綠地，被用于匯聚和吸收來(lái)自屋頂或地面的雨水，凹地表面可以種植一些植物，內(nèi)部可放置填料以提高滲水性能，并配以雨水的進(jìn)出口和溢流口，該系統(tǒng)利用植物、填料的蒸騰、蒸發(fā)和下滲等綜合作用減少外排雨水徑流強(qiáng)度，同時(shí)通過(guò)填料過(guò)濾、植物吸收以及微生物的轉(zhuǎn)化與同化等作用去除污染物，使雨水得到凈化，并使之逐漸滲入土壤，涵養(yǎng)地下水，或使之以中水的方式回用，是一種生態(tài)可持續(xù)的海綿城市建設(shè)單項(xiàng)措施.下面分別從雨水花園的功能結(jié)構(gòu)、水力特性及其對(duì)N、P的去除機(jī)理等角度闡述該措施對(duì)徑流污染物的控制.

3.1雨水花園的結(jié)構(gòu)組成

目前，典型的雨水花園自上而下由蓄水層、植物層、種植土層、填料層和礫石層構(gòu)成（見圖1），其設(shè)計(jì)參數(shù)和功能總結(jié)如表2.

雨水花園作為海綿城市建設(shè)重要的單項(xiàng)措施，不僅能夠收集滯留雨水，凈化徑流雨水，降低城市洪澇災(zāi)害，更是一種集景觀效果于一體的生態(tài)高效的雨水措施.植物由于同時(shí)具有凈化雨水和景觀提升的功能，是雨水花園重要組成部分之一.雨水花園中植物根系可直接吸收徑流污染物，又能為微生物生長(zhǎng)提供附著場(chǎng)所，所以植物對(duì)生物滯留系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除具有重要作用.研究表明，在對(duì)比有無(wú)植物條件下營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除時(shí)，用自來(lái)水沖刷，沒(méi)有植物的系統(tǒng)中出現(xiàn)了N、P的淋溶現(xiàn)象，但在有植物的系統(tǒng)中幾乎沒(méi)有出現(xiàn)N、P的淋出.而且在雨水花園的設(shè)計(jì)中，植物種類對(duì)水質(zhì)凈化效果影響差別也比較大.

雨水花園中植物的選擇需符合以下原則.選用根系發(fā)達(dá)、莖葉繁茂、凈化能力強(qiáng)的植物;作為一個(gè)需經(jīng)常處理污染物的人工系統(tǒng)，容易滋生病蟲害，所選的植物也要具有較高的抗逆性，如耐澇抗旱、抗凍、抗熱等特點(diǎn);選擇可相互搭配種植的植物，研究表明不同植物的合理搭配可提高對(duì)水體的凈化能力，可將根系泌氧性強(qiáng)與泌氧性弱的植物混合栽種，構(gòu)成復(fù)合式植物床，創(chuàng)造出有氧微區(qū)和缺氧微區(qū)共同存在的環(huán)境，從而有利于N去除.雨水花園在做到凈化水質(zhì)與控制徑流作用最優(yōu)化的基礎(chǔ)上還應(yīng)該考慮其景觀美學(xué)方面的效益，因?yàn)橛晁▓@作為城市綠化空間，需要給人們帶來(lái)娛樂(lè)與感官上的感受.簡(jiǎn)言之，雨水花園就是功能為主，美學(xué)效益為輔;具體地，應(yīng)該遵循“喬灌搭配，草灌花穿插，顏色深淺多變”等原則，根據(jù)植物的特性，如色彩、體量、姿態(tài)等的差異，將植物配置的疏密相問(wèn)增加景觀層次感.通常，植物的高度由低到高，色彩由淺到深，密度由疏到密.從而達(dá)到突出形式美感，強(qiáng)化景觀效果，與環(huán)境更加協(xié)調(diào)等作用考慮到季節(jié)對(duì)景觀效果的影響，還應(yīng)該盡量將落葉與常綠結(jié)合、不同生長(zhǎng)期和花期的植物適當(dāng)搭配.

3.2雨水花園的水力特性

研究表明，在一定范圍內(nèi)，水力停留時(shí)間（Hydraulic Retention Time，HRT）的延長(zhǎng)可有效提高填料對(duì)污水的凈化效果.由此可以推測(cè)，HRT對(duì)雨水花園去除徑流污染物也有很大影響，而HRT又取決于斷面流速，斷面流速（v）采用達(dá)西定律（Darcy's law）滲濾法計(jì)算，計(jì)算公式為

上式中，HRT為雨水在與雨水花園內(nèi)的平均停留時(shí)間（min）;y為雨水花園的體積（m3）;Q為雨水流經(jīng)雨水花園的流量（m3/s）;H為雨水花園在垂直方向上的長(zhǎng)度（m）;A為雨水流經(jīng)雨水花園的過(guò)流斷面面積（m）;V為雨水流經(jīng)雨水花園的斷面速度（m/s）;K為雨水花園填料的滲透系數(shù)（m/s）.J為下滲起止斷面問(wèn)的水力坡度.注：上述計(jì)算過(guò)程是對(duì)雨水花園結(jié)構(gòu)做出合理假設(shè)后所得，認(rèn)為其在空問(wèn)上為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu).

由以上計(jì)算過(guò)程可以看出，雨水花園在垂直方向上的長(zhǎng)度（H）相同時(shí)，填料滲透系數(shù)（K）對(duì)于雨水花園徑流污染物削減具有很大的影響，滲透系數(shù)太大，影響系統(tǒng)對(duì)于徑流污染的移除效率，滲透系數(shù)太小，容易造成系統(tǒng)堵塞，影響系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性.而且，各個(gè)國(guó)家地區(qū)規(guī)定的基質(zhì)滲透速率也不盡相同.比如，美國(guó)環(huán)保局要求系統(tǒng)滲透速率至少要達(dá)到12.7mm/h，奧地利要求為36～360mm/h，澳大利亞要求為50～200mm/h.

在雨水花園中，填料介質(zhì)的種類和水力特性是影響其功能發(fā)揮的關(guān)鍵因素.為提高N、P營(yíng)養(yǎng)物的去除效果，國(guó)內(nèi)外關(guān)于雨水花園填料改良的相關(guān)研究如下表3所示.

總體看來(lái)，為提高雨水花園對(duì)N、P的去除率，通常是調(diào)節(jié)填料的種類以及比例，或添加一定比例有機(jī)質(zhì)硬木屑、草桿和落葉等）來(lái)增加土壤中的碳源，為微生物的反硝化作用提供電子供體，但關(guān)于不同材料添加種類以及比例，目前還沒(méi)有定量性的資料可供參考.此外，基于目前的排水系統(tǒng)并未考慮將地表徑流送入到海綿城市單項(xiàng)措施中，所以在接下來(lái)的工程建設(shè)中應(yīng)該增加相應(yīng)的方法和必要的設(shè)施，特別應(yīng)該注重構(gòu)筑物之間的高程.

4典型海綿設(shè)施可能存在的問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)

海綿城市建設(shè)把原來(lái)的城市排水問(wèn)題變成一個(gè)涉及排水、綠化、道路、建筑等諸多方面的系統(tǒng)工程，所以，隨著海綿城市建設(shè)的推進(jìn)，一些并發(fā)問(wèn)題和次生災(zāi)害也會(huì)逐步凸顯和放大.一方面，如前文所述，海綿設(shè)施填層和滲透系數(shù)（K）的設(shè)計(jì)并沒(méi)有定量的參考資料，因填料堵塞而發(fā)生故障的可能性較高，進(jìn)而會(huì)影響到該系統(tǒng)運(yùn)行的壽命和穩(wěn)定性;另一方面，隨著海綿城市建設(shè)的推進(jìn)，城市水綠復(fù)合環(huán)境的面積會(huì)逐步擴(kuò)大，從而為蚊蟲孳生提供有利生境，具有導(dǎo)致蚊蟲孳生的潛在風(fēng)險(xiǎn).

4.1堵塞

海綿城市建設(shè)對(duì)于城市水生態(tài)修復(fù)具有良好效果，但是也容易因其填料發(fā)生堵塞影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性.1986年，Lindsey等在美國(guó)馬里蘭州（Maryland）對(duì)雨水過(guò)濾系統(tǒng)展開現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在所勘察的207個(gè)海綿城市單項(xiàng)措施中，約33%由于發(fā)生堵塞而不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且這些系統(tǒng)中大部分僅有兩年的工作時(shí)間;該研究團(tuán)隊(duì)在4年后再次復(fù)查，結(jié)果顯示該數(shù)值上升至50%.其他研究也報(bào)導(dǎo)了相關(guān)結(jié)論.相關(guān)研究表明，雨水系統(tǒng)發(fā)生堵塞的主要原因是由于填料層設(shè)置不恰當(dāng)造成，通過(guò)使填料層具有兩個(gè)明顯不同顆粒尺寸的結(jié)構(gòu)層，可顯著延緩系統(tǒng)發(fā)生堵塞的時(shí)間.因此，有必要根據(jù)不同地區(qū)的降雨特性，開展海綿工程單項(xiàng)措施填料層構(gòu)造研究，以期更好地服務(wù)于我國(guó)海綿城市建設(shè).

此外，水綿（spirogyra）等藻類也會(huì)造成海綿工程單項(xiàng)措施的堵塞.水綿是淡水中常見的大型絲狀藻類，一般在春季快速生長(zhǎng)，大量分布于池塘、溝渠，可在水底形成墊面，并覆于底泥之上，生命力極強(qiáng)，生長(zhǎng)中期呈黃色，常聚成堆，塊與塊連接在一起，形成被狀，很難拉斷，生長(zhǎng)后期為淺黃色，形成很厚的層片.研究表明，水綿生長(zhǎng)使得蓮藕和水稻等植物根部因氣體交換不良，嚴(yán)重影響根部吸收功能和生長(zhǎng)發(fā)育.因其適生于淡水靜水環(huán)境，而海綿城市建設(shè)中使用的植物能夠減緩水流速度，且均為淡水環(huán)境，非常有利于水綿生長(zhǎng)，所以極有可能造成系統(tǒng)排水不暢甚至堵塞.

4.2蚊蟲孳生

全球每年約100萬(wàn)人感染蚊媒疾病甚至死亡.眾所周知，蚊蟲的孳生離不開水，即“積水成蚊”，雌蚊依靠其嗅覺、視覺和觸覺來(lái)辨識(shí)環(huán)境因素，選擇合適的產(chǎn)卵地及棲息地，從而使其后代的生長(zhǎng)和存活達(dá)到最大化，水中的蚊幼羽化成蚊后通過(guò)吸食動(dòng)物或人類的血液傳播疾病.海綿工程單項(xiàng)措施接收降雨及附近的地表徑流，在一定的時(shí)間內(nèi)存在積水現(xiàn)象，當(dāng)其發(fā)生堵塞時(shí)，積水時(shí)間延長(zhǎng)，為蚊蟲孳生提供了有利生境.研究表明，平整土地可以使水池積水時(shí)間小于蚊卵生長(zhǎng)至羽化的時(shí)間，不利于蚊蟲孳生，而海綿城市單項(xiàng)措施對(duì)土地的開挖恰好給蚊蟲提供了孳生環(huán)境，同時(shí)水中的有機(jī)物、N、P等能夠直接或間接地為蚊幼生長(zhǎng)提供所需食物.海綿城市建設(shè)中使用的植物能夠減緩水流速度、遮擋部分陽(yáng)光以及阻礙天敵的捕食，提高蚊幼存活率.有研究指出，被水生植物和漂浮物遮蓋的污水溝其水面的蚊幼密度均大于開闊無(wú)草的水面，同時(shí)水生植物的存在能夠提高蚊卵的孵化率，增加成蚊的數(shù)量.海綿工程單項(xiàng)措施的水綠條件無(wú)意中提高了其對(duì)蚊媒疾病傳播的風(fēng)險(xiǎn)水平.因此，在海綿城市建設(shè)的過(guò)程中，還應(yīng)考慮海綿工程對(duì)蚊蟲孳生環(huán)境可能帶來(lái)的影響，并在設(shè)計(jì)階段和運(yùn)行階段結(jié)合一些蚊蟲綜合管理措施（IMM），以達(dá)到水生態(tài)治理與蚊害協(xié)同共治的目的.

5結(jié)論與展望

（1）借鑒國(guó)外海綿城市建設(shè)理論體系發(fā)展歷程的同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)海綿城市建設(shè)真正意義上的“中國(guó)化”.具體地，縱向剖析各國(guó)雨洪管理體系發(fā)展歷程有如下啟示：我國(guó)海綿城市研究還處于起步階段，仍需對(duì)相關(guān)理論概念和成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與研究;應(yīng)該加強(qiáng)相關(guān)法律和政策來(lái)規(guī)范該領(lǐng)域的建設(shè);提倡源頭治理，同時(shí)采取一定的經(jīng)濟(jì)手段來(lái)鼓勵(lì)公眾參與;橫向?qū)Ρ雀鲊?guó)雨洪管理體系發(fā)展歷程有如下啟示：各國(guó)國(guó)情均有差異，應(yīng)該注重與我國(guó)國(guó)情的結(jié)合;考慮到我國(guó)排水系統(tǒng)老化等問(wèn)題，在海綿城市建設(shè)的同時(shí)更應(yīng)該注重排水管網(wǎng)的建設(shè);考慮到我國(guó)海綿城市建設(shè)起步較晚，應(yīng)該加強(qiáng)媒體等的宣傳來(lái)提高該政策的公眾認(rèn)可度;

（2）因地制宜，注重我國(guó)地域差異性.具體地，應(yīng)該考慮氣候、水文地質(zhì)以及經(jīng)濟(jì)等差異.我國(guó)大部分地區(qū)的氣候受季風(fēng)與熱帶氣旋的控制，降雨時(shí)空分布不均，造成地下水位在時(shí)問(wèn)和空間上分布不均，即夏豐冬枯，東高西低，南高北低;我國(guó)土壤有機(jī)質(zhì)含量區(qū)域變化總趨勢(shì)是中南、東北、西南、華東有機(jī)質(zhì)含量較高，華北、西北低于全國(guó)平均含量;而且我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展也存在差異.所以，應(yīng)該在原有海綿城市建設(shè)指南基礎(chǔ)上，結(jié)合各地實(shí)際情況，編寫適合當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)指南.

（3）雨水花園作為海綿城市建設(shè)最重要最常見的單項(xiàng)措施，盡管在我國(guó)已初顯成效，但是仍有提高的空間.具體地，由于我國(guó)海綿城市建設(shè)起步較晚，國(guó)內(nèi)對(duì)于海綿城市的研究大都停留在理論或者實(shí)驗(yàn)室階段，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)由于受到的影響因素較多而導(dǎo)致其與實(shí)驗(yàn)室研究有一定程度的差異，所以供參考的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)不足，而且可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)去除率整體高于實(shí)驗(yàn)室.在以后的研究中，應(yīng)該加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步地，可從改進(jìn)雨水花園的基質(zhì)材料及其配比、優(yōu)化植物配置等角度來(lái)強(qiáng)化其對(duì)徑流污染的控制.

（4）堵塞和蚊蟲孳生作為海綿城市建設(shè)的潛在風(fēng)險(xiǎn)與問(wèn)題應(yīng)予以重視.有必要根據(jù)不同地區(qū)的降雨特性，開展海綿工程單項(xiàng)措施填料層構(gòu)造研究，特別是針對(duì)堵塞問(wèn)題進(jìn)行的填料種類和滲透系數(shù)等方面的逐步優(yōu)化完善，同時(shí)應(yīng)該重視水綿等藻類造成的堵塞問(wèn)題;在海綿城市建設(shè)的過(guò)程中，還應(yīng)考慮海綿工程措施可能對(duì)蚊蟲孳生地帶來(lái)的影響，以求達(dá)到水環(huán)境與水衛(wèi)生協(xié)同共治的目的.