基于雨水徑流的生態城市研究

孫海蘭

摘要：城市雨水徑流污染控制及利用于生態城市化中一個多學科交叉的邊緣學科領域，是一個復雜的系統工程，也是目前國內外研究的熱點問題。本文首先闡述雨水徑流控制對生態城市發展的作用，進而分析生態城市下的雨水徑流處理原則，重點對基于生態城市下的雨水徑流控制措施，通過雨水徑流控制有效提高城市生態環境，有助于生態城市的構建。

關鍵詞：雨水徑流；控制；生態城市

中圖分類號： S891 文獻標識碼： A

前言

進入 21 世紀后，世界城市生態問題呈現出愈演愈烈的態勢?；诠I文明

的傳統城市發展模式已舉步維艱、難以為繼，生態問題和環境壓力促使人們必

須考慮在城市化進程中應該選擇怎樣的發展路線圖,實施怎樣的緩解生態壓力的基本策略，生態城市概念應運而生。發達國家的實踐表明，充分利用雨水生態化技術對城市雨水徑流進行滲透、調蓄以及凈化，是解決城市化帶來城區水文、水質條件惡化問題的一個重要途徑，也是減少城區面源污染的重要措施。在土地資源緊張的城市，基于雨水徑流控制措施空間合理利用的雨水生態來構建城市生態環境具有污染物處理能力強、維護管理成本低等諸多優點。此外，將城市屋面、綠地等下墊面的較清潔雨水簡單處理后存儲，并用于澆灌、道路沖洗等市政工程用水，能節約大量優質自來水，不僅有利于生態城市的構建，也符合當前節約型社會的理念。

一、雨水徑流控制對生態城市發展的重要性

對于一般城區而言，雨水徑流污染是城市非點源污染的重要組成部分之一，其通過天然降雨及形成的雨水徑流的淋洗、沖刷作用，使空氣、地面、表層土壤中的懸浮或沉積的污染物質，被雨水徑流攜入各類地表水體。影響城市雨水徑流污染的主要因素有地表堆積物、大氣污染狀況及雨水徑流量。城市地表堆積了大量的污染物質，包括顆粒物質、重金屬、營養物質、耗氧物質、細菌及其它污染物，這些地表堆積物就是城市非點源污染的最初來源。地表堆積物通過降雨徑流進入受納水體，造成水體富營養化及其他形式的污染，進而破壞水生動植物的生存環境，導致水體水環境質量惡化。而城市地表積累的污染物數量與積累時間呈正比，因此，雨前晴天數對徑流中的污染物濃度影響較大。大氣污染狀況雨水中的污染物濃度有一定的貢獻，但與地表徑流沖刷相比，該項影響不是很大，可忽略不計。徑流量與降雨強度、降雨量、降雨歷時以及城市地表的不透水程度有關。降雨強度是影響雨水徑流對地表污染物質沖刷程度的決定性因素，降雨量大小則表征徑流中污染物的稀釋水平，城市地表的不透水程度決定污染物稀釋水量的大小，降雨歷時既為地表徑流對污染物的沖刷時間，也是降雨期間污染物向受納水體輸送的時間。雨水徑流污染是城市面源污染的重要組成部分，調查分析城市典型下墊面的雨水徑流污染狀況是了解城市面源污染狀況的關鍵環節，為控制城市徑流污染，緩解面源污染提供了必要前提。

隨著我國城鎮化水平的不斷提高，城區人口數量、活動強度和非滲透性區域面積比例隨之增加，由此引發的城區水文、水質條件惡化，城市內澇、面源污染和水資源短缺等問題日益凸顯，亟需尋找技術經濟合理的解決方案。歐美等發達國家的理論研究和實踐經驗表明，充分利用城市雨水徑流的生態化利用技術，綜合利用城市發展所產生的非滲透區域的雨水是緩解土地開發帶來的上述問題的重要途徑之一。城市雨水徑流的生態化利用不但是能緩解水資源的短缺，更能提高城市綠化率與生態環境，是構建生態城市必不可少的環節。

二、基于生態城市下的雨水徑流處理原則

2014年 11月，住房與城鄉建設部發布了《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》。指南中提出，在城市建設中應該把雨水留下，建設成自然留存、自然滲透、自然凈化的海綿城市。建立“滲，蓄，滯，用，排”五位一體的新型城市雨水處理系統，把80%左右的雨水留住，以便涵養水源，改善城市生態效益。

（1）因地制宜 不同的區域的雨水徑流污染狀況不盡相同，應根據各個區域的特點優先選用適合的技術方法，包括所在地的自然環境條件、水環境方案、經濟技術水平等。

（2）有針對性地選擇 不同的技術措施對不同污染物的處理效果相差很大，應根據各主要污染物有針對性的選擇技術措施。

（3）優先選用 優先選用的措施可以是投資少、效果好且易于運行管理的技術方法。

三、基于生態城市下的雨水徑流控制措施

（一）雨水源頭

1 屋頂綠化

屋頂綠化是以綠色灌木植物為主要覆蓋物，配以植物生存所需要的營養土層、蓄水層以及屋面所需要的植物根系阻攔層、排水層、防水層等共同組成，它可以有效改善城市生態環璄、調節小氣候、凈化空氣、降低室溫，同時還是消減雨水洪峰徑流量，豐富城市景觀、構建生態城市的一項重要舉措。

綠化屋面宜用于平頂屋面，以及小坡度的坡屋面。屋面的植物種植土增加了建筑屋頂負荷、同時需要進行防水等特殊處理因此會增加建筑物的建設費用。城市區域的建筑屋面約占到城市總面積的 30%，屋頂綠化能夠增加城市綠地面積，減小城市熱島效應，因此條件允許時應該優先采用屋頂綠化。

2 低勢綠地

低勢綠地是一種低于周圍地面高程的、雨水滲透能力良好的綠地，不但可以匯集自身面積上的降雨，還可以消納周圍非滲透性鋪面產生的雨水徑流。應用低勢綠地一方面可以削減洪峰流量、減輕洪澇災害，增加地下水的入滲補給；另一方面綠地所匯集的徑流經滲透、沉淀、截留作用，其中污染物得到部分去除，可減輕城鎮非滲透性鋪面的面源污染，因而低勢綠地具有滯留利用雨水與控制面源污染的雙重作用，是一種具有優良凈化能力的綠地生態系統。

低勢綠地具有投資少、蓄滲效果好、可凈化徑流雨水、不易堵塞等優點。低勢綠地宜設置在建筑密度低且綠地空間較大的城鎮區域，譬如居住區、大型公共綠地；其局限是在地下水埋深小、土壤粘重的地區應用，容易發生積水，影響綠地的景觀生態效果。在相關地區應用低勢綠地，需考慮改良土壤、使用下排水設施。

3 生物滯留設施

生物滯留設施是一種雨水砂濾和滲透技術，整合了兩種技術的功能，在城市開發區域的低洼區域設置種有灌木、花草乃至樹木的濾床，利用自然系統中生態作用對非滲透性鋪面徑流進行自然凈化、消納。這類設施主要通過土壤和植物的過濾作用、以及介質中微生物的作用凈化雨水，同時通過將雨水暫時滯留而后逐漸滲入土壤以減少徑流量，增加對地下水的補給與雨水資源的利用。生物滯留設施因其水量負荷較高、便于分散設置、維護管理簡單，是當前發達國家城鎮雨水徑流源頭分散控制中最受關注的設施。在城鎮綠地中設置生物滯留設施，不僅可以增加綠地內部雨水的滯留利用，也有可能利用綠地空間改善綠地周邊非滲透性鋪面的徑流控制。

生物滯留設施一般建在匯水區域內地勢較低的區域，由耐淹植物、蓄水層、樹皮覆蓋層、種植填料層、礫石層組成，在設計、管理恰當的情況下可望獲得良好的景觀效果；通過裝置中天然/人工土壤、植物、微生物的滲濾、截留、吸附，以及微生物的作用凈化匯水區域上游非滲透性鋪面的徑流雨水；通過存儲、滯留作用削減洪峰水量，可以同時達到凈化水質、削減徑流量、涵養地下水等目的。發達國家的研究表明生物滯留設施是一種高效的雨水徑流污染控制措施，與下凹式綠地等相比，其運行負荷高、占用土地少，一般為匯水區域不透水面積的5~10%，生物滯留設施可建造在建筑、人口密度較高的城鎮綠地空間，通過分散匯集處理方式，利用小尺度的分散綠地消納、利用城鎮綠地中道路、停車場、服務設施周邊的非滲透性地塊的徑流。

4 植被淺溝

植被淺溝是指在地表明溝（渠）中覆蓋自然植被的一種工程性措施，該技術主要功能是在明溝（渠）重力排水的過程中，利用植物截留、土壤過濾等作用消減徑流污染負荷。植被淺溝可以用作收集、輸送雨水的生態措施，能夠增強雨水下滲，降低流速，有利于污染的沉淀去除，并且淺溝內的植被能夠吸附、降解污染物，同時節約管道建設費用。淺溝可用于道路排水以及建筑小區內的排水，在條件允許的情況下，應優先選用淺溝排水，只有在不適合采用淺溝時才應用管道排水系統。

5 透水鋪裝

透水鋪裝是用透水混凝土、透水磚等具有透水性能的鋪裝材料或采用草坪磚、碎石卵石鋪面等透水的施工與鋪裝形式覆蓋地表，從而大大提高地面的透水性能。透水鋪裝適用于人行道、停車場以及交通較少的道路。這些鋪裝完全能夠取代傳統的不透水鋪裝，其成本卻不一定高。透水鋪裝能夠有效促進雨水入滲，補給地下水，減少地面集水幾率；徑流量的消減還降低了雨水徑流對硬化鋪裝的沖刷，污染物流失量得到控制。此外，嵌草磚里種植的植物，能更有效的凈化徑流雨水、調節大氣溫度和濕度、延緩徑流速度及美化環境。

（二）雨水匯流

1 雨水截污掛籃與截污雨水井

雨水口為污染物進入管網的入口，污染物進入管道后會由于沉淀而沉積在管道內，有時會堵塞管道，長時間積累的污染物會發生腐化分解，在雨水的沖洗下排入水體。在雨水口設置截污掛籃可以截留雨水中的懸浮物（垃圾、樹葉等），同時旱季進入雨水口的垃圾等能夠被掛藍收集，通過清掃易于清除，從而避免了管道內積累垃圾等對雨水的污染。

此外，對于特定排水區域，如未實現最終的污染物控制目標，可在雨水干管設置具有沉淀（過濾）作用的環保雨水井。雨水井內設置沉淀區域、或過濾設施，可去除較為細小的懸浮污染物質。雨水井左側為沉淀、隔油區域，中間設置透水擋墻，右側能夠進一步取出更為細小的污染物質。道路、停車場加油站等區域的雨水沉淀井需要設置隔油區，住宅區、公園等無油類污染的區域則只需要設置沉淀區。

2 滲透渠（管）

滲透渠（管）是在傳統雨水排水渠（管）的基礎上通過在渠（管）體上打孔或采用多孔管材，并在渠（管）外圍回填礫石等高孔隙填充物，改造為滲透渠或滲透管（穿孔管）。雨水徑流進入滲透渠（管）后，首先向四周土層滲透，待徑流量變大或圖層含水率達到飽和時，徑流才向下游排放。通過滲透和表層土壤過濾可去除雨水徑流中的固體小顆粒污染物質，對營養物（氮、磷）、重金屬及病原菌都有一定的處理效果，還可削減部分或全部徑流量，如能對地下水進行一定的補給。

滲透（溝）渠適用于沿道路、建筑物、景觀水體四周設置，其適用條件有以下幾點：①滲透溝底應離季節性最高地下水位至少 0.6 米。②設施應設計在離水源地至少 120 米的地方，離化糞池系統 30 米遠，且離建筑物地基至少 6 米。③滲透溝設置在離硬化面積至少 3 米的地方。

3 雨水滲透池（塘）

滲透塘/池是指利用地面低洼地、水塘或地下水池，收集、暫時貯存進入的雨水，并在24 小時里將其滲入地下的雨水滲透設施，通過土壤的過濾以及填料層生長的微生物作用去除水體中污染物質，雨水滲透池/塘對雨水徑流中污染物及徑流削減都有較好效果的措施，能有效地去除細小顆粒物、營養物、重金屬、病原菌以及碳氫化合物等雨水徑流中的污染物，同時也能補給地下水，保護開發地區的自然水循環，并降低下游地區的洪澇危險，并且減少對接受水體的熱量影響。雨水滲透塘/池適用于對小區域的雨水徑流進行水質、水量控制的離線式（off-line）匯流控制設施，不宜將其設置在污染嚴重的區域，宜設置在公園、小區等污染不嚴重的地區。

4 雨水過濾設施

雨水過濾池是使雨水通過砂、沸石、粉煤灰等濾料或土工布、微孔管等多孔介質的作用，截流水中的懸浮物質，從而消減雨水徑流污染物的構筑物。雨水過濾池對污染物的去除效果好，如對SS的去除率較高，并能去除一定量的營養物質，對金屬、細菌去除效果也比較高。同時雨水過濾設施還可以間接消減雨水洪峰流量，減小雨水徑流量過大時，對下游排水設施的水力負荷。雨水過濾池宜應用于土地利用率高，高度發展的城區，可減少該區域的不透水面積率，如商業區、工業區和高速公路等場所。它也可應用于土地價值高或者由于土壤、地下水位比較高不宜采用其它設施的小城鎮區域。

（三）雨水末端

1 雨水塘

雨水塘一般設置于雨水進入受納水體前，雨水徑流中的懸浮污染物可通過通過沉淀作用而去除。雨水塘可分為兩類，一類為濕式塘，長期具有水域；另一類是只有在雨季才具有水域的干式塘。濕塘通過物理沉降、吸附、自然的化學絮凝、微生物的降解以及水生植物和藻類的吸收，達到去除城市暴雨徑流中所挾帶的污染物的目的。此外濕塘還可減少一定的徑流量，降低下游洪澇風險，是潛在的野生動物棲息地，具有一定的景觀價值和娛樂功能。干塘主要起控制雨水徑流流速的作用，對暴雨徑流的懸浮物有一定去除能力，對其他污染物的去除能力一般。

雨水塘一般是在線式（on-line）和管網終端雨水徑流污染物控制措施。濕塘由于對污染物有較好的去除效果，一般可應用于住宅區、商業區和工業區等區域，也可以設置在控制雨水徑流量的地區。干塘一般設在控制雨水徑流量的區域。

2雨水濕地

雨水濕地是一種由人工建造和監督控制的與天然沼澤地類似的雨水生態處理系統，由人工將石、砂、土壤、煤渣等一種或幾種介質按一定比例構成基質，并有選擇性地植入植物而構成。目前，國內外表面流濕地和潛流濕地在污水處理領域已得到成功應用。然而，由于潛流濕地用于暴雨徑流處理容易堵塞以及對徑流高峰流量的調蓄能力差，國外一般使用表面流濕地處理雨水徑流。雨水濕地主要由基質和植物組成，通過沉淀、過濾、吸附和微生物轉化等多種方式聯合作用消減徑流污染物。同時還能達到削減洪峰流量，調蓄利用雨水資源的目的。

雨水濕地作為一種高效的雨水徑流污染控制措施，具有污染物去除效果好，操作管理簡單，維護運行費用低，可豐富城市生態多樣性等優點。由于濕地本身是城鎮綠地中的一個組成部分，特別是在豐水地區，暴雨濕地在城鎮綠地雨水利用技術方面具有一定競爭力，在水量調蓄方面較其它技術具有優勢。然而，濕地在城鎮綠地中使用也存在一些局限，如占地面積大，在小塊綠地區域內可能面積不夠或破壞總體景觀而不宜使用；而且，雨水濕地還容易出現干旱季節景觀效果不佳等問題。此外，在土壤滲透性好、地下水位低的區域，為維持一定的水位，人工濕地需要做防滲處理，造價較高。

四、結束語

本文從雨水徑流方面來進行研究，通過雨水徑流的控制措施來構建生態城市，具有成本低、效果好、節約水資源等優點，生態城市是一個復雜的系統，本文僅從雨水徑流層面闡述其原理與具體措施，存在一定的局限性，在后續研究中會繼續加強，以促進我國生態文明城市的發展。

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