李定強 ，劉嘉華 ，袁再健 *，梁晨 ，聶小東 ，馬東方

1. 廣東工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，廣東 廣州 510006；

2. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術研究所/廣東省農業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；

3. 廣東省面源污染防治技術工程中心，廣東 廣州 510650

近年來由于中國城市化進程加快，部分城市水體污染退化的主要原因逐漸由點源污染轉變?yōu)槊嬖次廴荆咂G芳，2008），部分城市的雨水徑流污染負荷已達到生活污水的1.7倍之多（Tian et al.，2009；），由雨水徑流與地表污染物引起的城市面源污染問題得到越來越多的關注。相比城市點源污染，城市面源污染隨機性強、污染范圍廣泛而難以控制，其污染程度隨晴天地表污染物的積累和城市不透水面積比例增加而嚴重。城市面源污染發(fā)生機理為地表積累的污染物與大氣沉降物在降雨的淋洗和沖刷作用下，以溶解、擴散的形式進入城市受納水體，引起城市大面積的水體熱污染、富營養(yǎng)化、重金屬污染等環(huán)境問題（李小靜等，2013）。

目前為止，人們主要依靠分散的、小規(guī)模的LID措施來調節(jié)雨水徑流量、削減污染物、解決大概率小降雨引起的城市面源污染問題（唐克旺，2016；王虹等，2015）。雖然在上海、北京、廣州、蘇州、西安、深圳等大中城市采取了一些工程措施治理當地面源污染，但LID治理措施的應用區(qū)域面積較小、對污染物針對性較差，且受環(huán)境、材料堵塞、植物耐受性不足等因素影響部分措施并未得到推廣。因此，本文就目前城市面源污染中常見污染物的來源進行評述，分別對幾種LID措施（生物滯留、透水鋪裝、綠色覆蓋以及人工濕地等）從基質與植物優(yōu)選、添加劑選用、與其他措施聯用以及改進前后治理效果對比等方面進行詳細總結，分析各種LID措施在實際應用中存在的問題，并提城市LID面源污染治理措施的改進展望。

1 城市面源污染物的來源

據美國環(huán)保署調查，城市雨水徑流中出現重點污染物超過60種（Gromaire-Mertz et al.，1999；Davis et al.，2010），這些污染物來源廣泛、類型多樣、成分復雜，可分為氮磷污染物、重金屬污染物、有機污染物、生物性污染物及懸浮物等（陸松柳等，2018）。

氮磷污染物的來源與土地利用密切相關，工業(yè)區(qū)與交通要道徑流中的含氮污染物往往處于較高水平（蔣海燕等，2002；王吉蘋等，2009）。城市水生態(tài)氮和磷的主要來源為城市活動（Carpenter et al.，1998），而街道地表徑流中的硝態(tài)氮污染物的來源依次為大氣沉降、化學氮肥、土壤和有機氮，占比分別為 35%—64%、1%—39%與 7%—33%（Yang et al.，2017）。土壤也是氮磷污染物的重要來源（Wang et al.，2012），原因是城市綠地土壤在長期的灌溉與施肥下累積大量的氮磷污染物，并在暴雨的淋洗和徑流的沖刷下釋放污染物使得綠地徑流污染程度加劇。徑流中氮磷污染物濃度過高時，容易引起其受納水體富營養(yǎng)化，水體沉積物釋放有毒物質，造成魚類死亡，形成黑臭水體（王淑芳，2005）。

在過去幾十年的研究中發(fā)現，全球雨水徑流重金屬濃度升高（G?bel et al.，2007；Helmreich et al.，2010）。人類活動和大氣沉降仍然是重金屬污染物的2個主要來源，其中大氣沉積是徑流中鎘、銅、鉛的重要來源，而車輛制動、輪胎磨損分別是銅和鋅污染物的重要來源（Davis et al.，2001），且道路重金屬污染物中的鋅所占比例最高（Liu et al.，2018）。盡管城市除道路徑流外，其他下墊面的雨水徑流中重金屬污染濃度普遍不高，但是仍然具有較高的污染總量，能夠污染城市周邊的水體。并且人體一旦攝入過多不可降解的重金屬污染物，能直接損害人體的細胞和器官，危害人體健康。

水體中有機污染物包括脂肪、蛋白質等常見有機污染物與微量有機污染物。徑流中多環(huán)芳烴（PAHs）、雙酚基丙烷（BPA）等有機污染物來源途徑有腐殖質、農藥、人類活動及大氣沉降等，而最主要的來源人類活動機動車排放與化石燃料的不完全燃燒（李立青等，2006）。1984年世界衛(wèi)生組織解釋了有機污染物PAHs有2個主要來源，分別為道路來源（街道上的瀝青和汽車輪胎和磨損）和燃燒來源（自然燃燒和集中加熱）（Krein et al.，2000）。在人類活動與交通頻繁的地段，有機微污染物的含量高且分布特征明顯（陳麗旋等，2005；于振亞等，2018），其中大氣沉降對 PAHs、BPA的貢獻約為10%—38%（Gasperi et al.，2014）；化石燃料的不完全燃燒與機動車排放對北京、溫州等地區(qū)的道路徑流有機微污染貢獻率約 54%—60%（韓景超等，2012；張巍等，2008）。徑流中的有機物占比不大，但一旦進入城市水體后，會快速消耗溶解氧，產生難聞氣體及有毒物質，影響水體魚類的生產，間接威脅到人類健康。

2 城市面源污染主要治理措施

人是一切治理措施的實施者和受益者，治理措施實施最大的障礙是人們意識、成本和接受度，但是大多數人們對城市面源污染缺乏了解（Cote et al.，2014）。政府和專業(yè)人員在約束污染行為方面發(fā)揮重要作用，但在部分城市對面源污染治理缺乏嚴格的法律法規(guī)要求，比如美國華盛頓和馬里蘭州（Roy et al.，2008）。因此在人們將低影響開發(fā)城市治理措施概括為非工程措施和工程措施2個部分。非工程措施，包括3個方面：（1）提高政府管理，制定法規(guī)；（2）提高群眾的水環(huán)境保護意識：如開展環(huán)保宣傳教育；（3）改善與修正已發(fā)生的污染問題：如定期清掃街道路（王和意等，2003）。

工程措施主要為LID措施，分為：源頭控制、遷移控制和末端治理措施。源頭控制措施指在各污染發(fā)生地攔截凈化地表徑流污染物的一系列措施，如生物滯留系統、綠色覆蓋措施等；遷移控制措施指在城市徑流產生后到受納水體間的過程中加以控制，如透水鋪裝措施等；末端控制措施指在地表徑流與受納水體在水陸交錯帶相遇處進行控制和凈化治理，如人工濕地措施等（曹仲宏等，2012）。以下是4種主要LID治理措施去污效果整理表（表1）與研究進展的整理。

2.1 生物滯留系統

生物滯留系統一般結構為植被層、種植土層、填料層和礫石層。生物滯留系統依靠植物同化與吸收作用、底泥微生物修復作用、填料層物理過濾作用、吸附、離子交換以及礫石的固體沉淀作用等凈化雨水中的污染物質。在去除污染物方面，該措施對TP、TN去除率范圍在20%—100%與70%—100%之間（Hsieh et al.，2005；胡愛兵等，2011）；該措施對常見重金屬污染物去除范圍在 50%—100%之間，如付恒陽等（2017）研究發(fā)現其對 Zn、Cu與Pb的去除效率均大于90%。在病原體微生物方面，由于受空氣濕度影響大，其對大腸桿菌的去除去除率只有 2 log，但對產氣莢膜梭菌和 F-RNA coliphages的去除率超過3 log（Li et al.，2012）。可見生物滯留系統措施對不同污染物的去除效果差異較大。

表1 4種LID治理措施對徑流污染物的去除率Table 1 Removal rate of runoff pollutants by 4 LID control measures

結構、填料類型和植物種類顯著影響該措施的除污效果。在結構方面，有相關實驗模擬了壤砂種植紫穗狼尾草、壤砂種植紫穗狼尾草設置飽和帶、壤砂種植紫穗狼尾草設置飽和帶并添加10%木塊的3種不同結構生物滯留池，在進水 NH4+濃度(5.88±2.32) mg·L-1情況下，3種結構措施對該污染物的去除率分別為31.3%、85.7%和95.6%（李立青等，2017）。在填料方面，常用填料介質有沙土分層、黃土、粗砂、細砂等，分層填料介質對徑流水量截留效果優(yōu)于黃土填料介質，截留率可達到44%（唐雙成等，2016）；含生物炭基質的生物滯留系統較無生物炭基質的生物滯留系統分別能減少87%的TP與 52%的 TP（Spolek，2011）。此外，組合措施能夠顯著提高生物滯留系統的去污率，以透水路面—生物滯留池措施為例，入河徑流經該組合措施凈化后污染物SS、TN、TP的平均污染負荷分別下降至地表沖刷污染負荷的4.05%、43.47%、24.39%，高于單一措施的凈化效果（宮曼莉等，2018）。此外，投入添加劑能夠提高去污效果，比如添加低成本、高性價比且可釋放碳源的淀粉類可降解的餐盒（SMB），據相關實驗發(fā)現經過微生物強化的 SMB生物滯留系統對有機污染物與硝態(tài)氮去除率理想，去除率分別達到89.26%與74%（彭博，2018）。但是該措施仍然存在局限性，建設與后期維護成本高，影響了在城市推廣。

2.2 綠色覆蓋

綠色覆蓋是利用在城市不透水面種植綠色植物凈化污染物的源頭控制措施，包括綠色屋頂與城市綠地。城市綠地通過降低地表綠地高度使得周邊的雨水自動匯集，綠色屋頂則綠化各類建筑物的頂部和天臺，均起到增加雨水入滲、減少徑流量及凈化雨水徑流作用（冼麗鏵等，2013；Berndtsson，2010）。據調查，屋面約占城市不透水區(qū)域總面積的40%—50%，是受城市面源污染較為嚴重的區(qū)域（Boulanger et al.，2010）。綠色覆蓋措施對雨水徑流中的大部分污染物有較好的凈化效果，如下沉式綠地對路面徑流 SS的去除率高達 94.5%，而對COD、TN、NH4+、TP的平均削減率介于 47%—80%（陳祎璠等，2014；Hou et al.，2014），再如綠色屋頂對徑流COD、TN、TP去除率均大于65%（Harper et al.，2015）。

植物的類型、土壤基質與濕及滲透時間等因素均影響綠色覆蓋措施對污染物的去除率，因此學者們在滲透時間、植物類型與土壤方面上做了大量的研究。從時間角度來看，高含量有機質的綠色措施可以適當延長雨水徑流在土壤基質的滲透時間，能夠提高削減部分污染物效果（Liang et al.，2012）。從土壤基質類別與深度角度來看，改良土壤、豐富土壤成分、增加厚度，均能提高去污效果（Ju et al.，2015；王曉晨等，2015），沈慶然等（2016）對綠色屋頂有機污染物多環(huán)芳香烴的控制研究結果顯示，增加綠色覆蓋措施的基質厚度能夠提高 PAHs去除率。在基質類別方面，豐富的土壤基質凈化效果較好，如含沸石基質對氮磷污染去除率較高，含高礦爐渣基質對磷去除率較高，而混合基質與改良基質對多種污染物去除率均提高（Berndtsson，2010）。鄭美芳等（2013）比較了混合基質（含碳渣和田園土）與人工基質兩種屋頂的水質凈化效果，后者水質中的TP總負荷則上升了11.04%，而前者屋頂對TN、CODCr、TP的削減率分別達到84.2%、61.4%、19.0%，因此得出以碳渣和田園土為混合基質的綠色屋頂的凈化效果更為出色的結論。Wang et al.（2017）研究使用了含珍珠巖和蛭石為吸附基質的活性炭混合物雙基層的綠色屋頂對污染物的浸出能力實驗，在實驗中未發(fā)現污染物的初期沖刷效應，且該改良措施將雨水pH 5.6左右提高到6.5—7.6。另外，豐富土壤基質搭配與優(yōu)化植被設計，既能高效去除污染物，又能提高措施的觀賞性，如添加生物炭的土壤搭配種植景天屬植物或黑麥草等植物（Spolek，2011）。整體而言，綠色覆蓋措施設計與構造較透水鋪裝措施與生物滯留措施簡單，具有成本低、占地面積小及觀賞價值高等優(yōu)點，因此可以將此措施視為最為簡單、較為理想措施。

2.3 透水鋪裝

透水鋪裝措施一般結構為面層、找平層、基層和土基（張巨松等，2007），主要通過多種透水材料促進路面雨水下滲，利用各層結構的物理截留、化學吸附、生物與植物吸收等凈化作用，達到削減地表徑流量與凈化雨水徑流的目的，常見類型有：混凝土鋪裝、磚鋪裝、瀝青鋪裝等（Wang et al.，2015）。在去污方面，該措施對不同污染物的凈化效果大相徑庭，如滲透性瀝青路面對徑流重金屬污染物的去除效果理想，但對有機污染物的去除率相對較低（Jiang et al.，2015）。

只猶豫了片刻，他便有了主意，乘人力車直奔警察局。雖然他不喜歡石警官，但通過警員來問四小姐的住址，顯然是行之有效的辦法。還好，他沒遇見石西岳。面對他的提問，一名警員上上下下打量他幾眼，才笑著說：“四小姐都不知道？陳司令家的千金，就在隔壁大院?！?/p>

常見的改良方法有：在水泥、粗骨料和面層等原有材料基礎上添加或更換材料、改變各種材料的配合比，以及增加材料比表面積（王俊嶺等，2016；Park et al.，2004）。首先使用添加劑，如粉煤灰、膨潤土（Hu et al.，2006）等，有相關研究結果表明含粉煤灰的混凝土透水鋪裝比未含粉煤灰的透水鋪磚材料對CODCr和TP的去除效果更為出色（徐大勇等，2013）。再者，使用沸石、陶粒等骨料改性材料，國內有學者對比浮石、鋼渣、沸石以及礫石4種多孔混凝土材料對氮磷污染物的吸附效果，發(fā)現沸石對氨氮的吸附效果最佳，浮石次之；而浮石對TN的吸附效果最佳，鋼渣次之（張政科等，2012）。此外，含膨潤土和沸石的混凝土透水鋪裝措施對COD、TP、Cu的去除效果令人滿意，而添加沸石后對TN的去除效果更為理想（王俊嶺等，2017）。優(yōu)化透水鋪裝措施的面層材料配比、增加土壤與基質的孔隙度也是提高透水鋪裝措施凈化效果的兩條有效途徑。有學者研究發(fā)現當水、灰、骨料配合比為0.28:1:8，其中骨料為20—30 mm的粒徑沸石時，該措施對氨氮的吸附量達到最大（岳衡等，2012）。許國東等（2007）對比了兩種填粒徑分別為10—20 mm與5—10 mm對氮磷去除效果，結果表明粒徑為10—20 mm的骨料多孔混凝土對TP去除率較高，而當將孔隙率設置為25%時，該配料的透水鋪裝對TN的去除率最高。綜上分析，該措施可采用 10—20 mm沸石作為粗骨料，將水、灰、骨料配合比為0.28:1:8，將孔隙率設置為25%。但是人們對改良型透水鋪裝措施認識依然不足，只在公園、人行道、停車場等低流量小范圍地方建設低成本簡易型措施，不能充分凸顯透水鋪裝措施的治理效果。

2.4 人工濕地系統

人工濕地系統是一種以人為設計方式實現自然濕地生態(tài)凈化過程的系統，主要通過物理、化學以及微生物的代謝與降解作用達到除污目的（Greenway，2010）。人工濕地系統可分垂直流、水平潛流以及表面流等類型，單級人工濕地和由不同工藝組合成的復合式濕地系統，對污染物的整體凈化效果與出水水質的穩(wěn)定性由高到低依次為：復合式＞垂直流＞水平潛流＞表面流，如聶志丹等（2007）對這幾種人工濕地對營養(yǎng)化的水體凈化效果進行了比較實驗，結果顯示垂直流、水平潛流、表面流對水中氨氮、TP、TN的平均去除率依次減少，整體而言垂直流人工濕地系統凈化營養(yǎng)物質的效果最佳；在對重金屬的研究中，曹婷婷等（2017）研究發(fā)現復合式人工濕地系統對常見重金屬污染物的去除率高于任一種單級人工濕地系統。除了幾種濕地系統組合，濕地與其他措施組合同樣具有不錯的凈化效果，以復合潛流人工濕地與塘的兩種措施組合聯用為例，有研究結果顯示該組合措施對COD、TP、TN、SS的削減率均超過80%，長期運行能夠維持削減效果，并且能夠彈性適應水質水量變化（尹煒等，2006）。

在濕地系統植物與填料基質選擇方面，植物類型以及基質成分類型都較為豐富，植物如蘆葦、香蒲、菖蒲等，基質如沸石、粉煤灰、礫石等（張清，2011；鄧輔唐等，2005）。楊敦等（2002）研究發(fā)現以蘆葦或菖蒲為主要水生植物，以礫石或沸石為填料的4種人工濕地系統對TN、TP、CODCr的去除率均超過80%，其中礫石搭配菖蒲的濕地系統對磷的吸收凈化效果顯著。此外，適當添加輔助物質同樣能夠影響濕地系統的凈化效果，如添加生物炭提高土壤的空隙度以及水質的氧化還原電位（鄧朝仁等，2019），添加不同的生物促生劑能夠提高濕地系統中的微生物活性，從而促進微生物的新陳代謝作用等（童偉軍等，2019）。人工濕地系統也因覆蓋區(qū)域大、植物類型豐富的特點，被視為景觀措施的代表。

除外，滲濾池、植草溝措施、岸邊護岸帶措施、雨水調節(jié)池等措施同樣能凈化水質、削減流量（白瑤等，2011）。LID措施在治理過程中不但能保護城市原有的生態(tài)系統，而且綜合考慮城市土壤與水體生態(tài)的內容，修復已被破壞的水體與自然環(huán)境，符合現代新型城市建設發(fā)展的需求。

3 已有LID治理措施存在的問題

盡管這些LID措施通過投入適當的添加劑、選擇合適的基質材料以及種植適應性強植物等方式，因其特點在部分大中城市得到適當的應用，但同時也暴露了這些LID治理措施的存在問題，如堵塞、材料耐受性下降、植物腐爛以及溫度影響大等問題，這些問題在不同程度上影響了治理措施凈化效果，嚴重時可導致治理措施充當污染源，進一步可威脅當地水生態(tài)。

3.1 填料基質堵塞

滲透性良好的填料基質在LID治理措施生物凈化過程中發(fā)揮重要的作用，既為微生物的生長繁殖提供場所，又為植物提供營養(yǎng)物，同時也是多種反應的界面。但隨著運行時間變長，填料基質出現流失及植物葉片根系發(fā)生腐敗，產生大量的有機與無機不可過濾物質（白少元等，2016；葉建鋒等，2008），使基質層發(fā)生淤積、堵塞現象。填料基質堵塞是最為常見的問題，據美國環(huán)境保護署（USEPA）調查發(fā)現，100多個使用中的濕地系統約一半在使用后的 5年內出現堵塞現象（Agency，2000）。眾多LID治理措施中均使用了滲透性填料基質，但防止填料基質堵塞的舉措仍然較少，且已有的舉措凈化效果提升不明顯。

3.2 溫度影響大

含植物的LID措施往往受溫度條件影響大，主要原因在于措施中的植物與微生物對周邊環(huán)境的溫度較為敏感，當溫度發(fā)生變化時，水體中溶解氧含量也隨之產生變化，微生物與植物體內酶活性受到抑制，從而影響著該措施對雨水徑流生物凈化效果。有研究表明，水溫低于 10 ℃，綠色措施污染物地處理效率降低，在4 ℃左右微生物硝化作用趨于停止，脫氮效果下降（Cookson et al.，2002）。此外，溫度過低能引起措施水流過慢、基質堵塞與鋪裝材料抗壓能力下降等問題，溫度過高能引起城市熱污染、地表細菌繁殖速度加快等，因此溫度變化不但加重徑流污染負荷，而且還降低了LID措施的治理效果。

3.3 植物腐爛

大部分LID治理措施需要種植單一或多種挺水植物，然而這些植物往往難以抵擋秋冬季節(jié)的變化和部分有害細菌的危害，經長時間的浸泡后發(fā)生腐爛分解。有研究指出，在植物腐爛分解過程中會釋放 TP、TN、有機質等化學物質以及其他的克生物質，影響周邊植物的生長和去污，同時也由此成為污染源（范云爽等，2010）。此外，植物的腐爛后枯枝落葉容易阻礙其自身新芽的萌發(fā)和生長（邵麗等，2009），并且堵塞基質填料的縫隙，成為基質堵塞的原因之一。

3.4 材料性質局限

部分LID治理措施的使用壽命縮短，工程材料性質不可忽視。據了解，透水鋪裝治理措施中絕大多數的路面材料的損壞都是壓力過大折斷引起的，特別是遇到地基建筑不均勻和鋪裝材料尺寸過大的情況（李俊奇等，2019）。同時，該措施雨水徑流通道—鋪裝材料孔隙結構也會因為氣候變化產生小幅度的熱脹冷縮，在高溫條件和寒冷條件均會導致其滲透性和耐受性等性質能力下降。因此，材料的局限性在一定條件下也會影響工程措施效果。

此外，治理措施的設計仍存在問題，如：在治理措施設計與應用前，對當地自然條件與污染狀況缺少了解，且缺失長期的數據，直接套用或混用經驗公式進行設計。此外，投加肥料、噴灑除草劑和除蟲劑的行為易導致這些治理措施的土壤在暴雨發(fā)生時充當污染源釋放污染物，加重當地的面源污染。

4 展望

近年來，城市低影響開發(fā)面源污染治理措施經不斷優(yōu)化后提升了凈化效果，但依然有改進發(fā)展空間，為此對提出如下展望：

（1）創(chuàng)新治理技術。過去多采用惰性、成本低廉的基質填料、吸收能力一般的植物以及單一的搭配方式，對氮磷污染物的凈化效果往往不穩(wěn)定。因此，需要對傳統治理措施進行優(yōu)化改良以創(chuàng)新治理技術，如探索新的促滲材料、基質填料，具體例子如：往填料基質中添加含鋁污泥、沸石以及SMB，采用滲透系數介于200—400 mm·h-1的填料。

（2）植物選擇、種植方式與植物管理。采取群植和2種以上植物混植種植方式，一方面可適當增強LID治理措施凈化能力，另一方面也能豐富措施的生態(tài)服務功能，如鑒賞功能。選擇耐受性強、耐污能力強且能抗病蟲的植物，比如選擇對某種污染物有較強抵抗性的植物（如臭椿，抗煙塵粉塵，具有較強殺菌滅蟲能力），能夠保持長期一定凈化能力。此外，在后續(xù)的維護管理中需要對枯萎的植物進行清理。

（3）緩解基質的堵塞問題。堵塞問題不可避免，解決堵塞問題也是延長措施使用壽命的最有效方法。堵塞主要發(fā)生在基質結構表層的0—15 cm處，更換表層基質的方法能夠維持措施的穩(wěn)定運行，但是該方法時間成本高、工作量大且易重復引發(fā)基質堵塞的問題。因此，往后的措施應探索合適粒徑的基質材料，此外附加搭配簡易的預處理措施和輔助性措施，如設置初沉池等。

（4）提高材料的適應能力。透水鋪裝廣泛應用于商業(yè)區(qū)與居民區(qū)，往往需要滲透凈化較大雨水徑流量和承擔巨大交通量。盡管已有相關改進研究并取得一定的效果，但是經長時間的水浸泡和干燥期，路面的結構與土基層整體強度和穩(wěn)定性仍然大大下降。因此，該類措施今后的發(fā)展方向更應該圍繞提高材料的滲透性、耐浸泡性、耐磨性以及耐壓性。

要完全解決城市面源污染問題對我們來說仍然任重而道遠，但最根本方法是減少人為污染，如減少日常的生活垃圾、工業(yè)污染排放以及汽車尾氣排放等，盡量使用清潔能源。