海绵城市是对传统城市排水系统建设思路的反思,核心是通过低影响开发系统、管渠排水系统、内涝防治系统和防洪系统构建推行现代雨洪管理体系。其中,低影响开发系统是海绵城市建设的重要组成部分,通过分散式、生态化的低影响开发技术对中小降雨事件进行控制,进而有效控制径流污染、削减径流峰值和径流总量等^[1,2,3] 。常用的低影响开发技术有:生物滞留、下沉式绿地、植被浅沟、透水铺装等,其中生物滞留设施由于其高效的雨水自然净化与处理特性,已成为应用最广泛的低影响开发技术之一^[4] 。但是,生物滞留技术在具体的实施和应用过程中,却面临许多问题。如在工程应用过程中由于概念不清而导致的应用盲目性、长期工程追踪的缺乏致使生物滞留设施生态风险预期不足、海绵城市热潮下的快速推进致使生物滞留设施建设缺乏运行维护考虑等。

　　 生物滞留技术是在自然土壤渗透基础上发展起来的径流雨水原位控制技术,通过增加蒸发和渗透模拟强化自然水文过程,达到滞留、净化径流雨水的目的。通常,生物滞留设施由蓄水层、覆盖层、植被及种植土层、人工填料层和砾石层等5部分组成,如图1所示。根据形态及应用场所不同生物滞留设施可分为雨水花园、生物滞留带、高位花坛和生态树池等;根据原土壤渗透能力高低及具体要求不同,生物滞留设施也可分为简易型生物滞留设施(不换土)和复杂型生物滞留设施(换土);根据地下水位高低、离建筑物的距离和环境条件等,生物滞留设施可分为直接入渗型、底部出流型和溢流型。

　　 但是,在实际工程应用中,往往由于对“生物滞留”的概念不清、认知不足,导致规划设计随意、应用盲目。如:

　　 (1)未根据工程项目实际条件,因地制宜的进行生物滞留设施的设计,致使生物滞留设施形式单一化。当地下水位较低、土壤渗透能力强、径流雨水污染轻的区域,可设置直接入渗型生物滞留设施,底部可不设穿孔收集管,处置的径流雨水全部渗入地下;当底部出水拟收集回用时,砾石层中应埋设穿孔收集管,采用底部出流型生物滞留设施;当雨水入渗对建筑基础、道路结构造成损害时,应设置防渗层;当生物滞留设施在道路、停车场、街道等不透水面积较多的区域应用时,应设置溢流口,采用溢流型生物滞留设施;当生物滞留设施应用于周边绿地较多且汇水面积较小的居民区、原排水方式为路面散排的坡地区域时,可不设置溢流口。

　　 (2)“生物滞留”的名词使用随意,未按照形态和应用场所进行清晰界定。雨水花园主要应用于居民区、场地宽阔的公园、学校等,外表与普通花园类似,可根据场地和景观要求呈任意不规则形状;生物滞留带主要用于处理路面径流雨水,呈线性布置,替代停车场、道路等绿化隔离带,外表呈长条形;高位花坛主要用于收集屋面雨水,一般高于地面;生态树池主要用于处置路面径流,与一般树池类似,以种植大中型木本植物为主。

　　 (3)进行生物滞留设计时,忽视了覆盖层的设置。覆盖层可减少径流雨水侵蚀、有效保持土壤湿度,避免表层土板结造成生物滞留设施渗透性能降低,是生物滞留设施必不可少的一个组成部分,一般采用新鲜树皮、树根、树叶等。

　　 《海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)》(以下简称“考核办法”)发布后,各试点城市均以此作为海绵城市验收的金标准。“考核办法”中提出,以《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建(试行)》规定的年径流总量控制要求作为约束性考核指标。因此,海绵城市建设推进过程中,多以水量控制为主,忽视了径流雨水带来的污染风险。不透水表面是人类活动的主要区域,大量污染物在旱季积累,降雨发生后,不透水表面累积的污染物被冲刷至径流雨水中,致使径流雨水污染严重。其中,道路路面径流雨水污染最为严重,如谢帮蜜等^[5] 研究发现北京市清华大学校内外道路的降雨径流中污染物浓度基本超过了《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅴ类水质标准,其中初期径流中大多数污染物浓度还超过了城镇生活污水排放三级标准;李倩倩等^[6] 对天津3条典型主要交通干线径流雨水中的5种重金属进行了取样监测,发现Fe、Cr和Cd的质量浓度较高,是径流雨水中的主要重金属污染物;孙昆鹏等^[7] 考察了深圳市光明新区内道路的径流雨水污染物浓度,发现COD和TP均不同程度的高于地表水环境Ⅴ类标准,SS和COD均超出城镇污水处理厂污染物一级B排放标准。笔者分别于2015年和2016年在北京市西城区车公庄大街监测了3场降雨事件道路径流雨水污染物的浓度水平,发现其径流雨水中溶解态总磷浓度远高于引起水体富营养化的浓度(0.02 mg/L),如图2所示;其中,2015年3月31日降雨径流中重金属污染严重,浓度高于地表水环境Ⅳ类水质标准,如图3所示。

　　 当径流雨水(包括含融雪剂的融雪水)进入生物滞留设施后,其中的污染物可对植物、土壤产生影响,导致植物死亡、土壤堵塞板结等,大大缩短生物滞留设施的使用寿命。但是,由于水量控制的先导理念,导致在生物滞留设施的实际设计中,对水质的控制考虑不周,缺乏有效的预处理设施。实际上,应根据场地现状和汇流面的污染程度选择不同的预处理措施,如在汇水面积较大且污染严重的区域,场地允许时可使用前置塘作为其预处理措施;在汇水面较小的区域可设置植被浅沟、预沉前池等预处理措施;在汇水面污染较轻的区域可不采用预处理措施。

　　 其次,过分夸大了生物滞留设施的净化效果,忽视了生物滞留设施可能带来的潜在污染风险。设计人员主观上认为生物滞留设施的净化效果较好,可以有效控制径流雨水中污染物。笔者采用普通惰性基质砾石作为生物滞留系统的填料,考察了其对径流雨水中磷素的去除,发现生物滞留设施对仅颗粒态污染物控制效果较好,对溶解态污染物几乎没有去除^[8] 。Dietz等^[9,10,11] 通过长期实际监测,发现生物滞留设施存在明显的营养盐溶出问题,出水污染物浓度明显高于进水浓度。此外,当采用直接入渗型生物滞留设施时,滞留污染物可下渗迁移,对土壤和地下水存在潜在污染风险。由于海绵城市推进过快,对生物滞留设施缺乏长期的跟踪评估,因此,难以正确评价其可能带来的潜在污染风险,应结合径流雨水的污染程度,合理采用生物滞留设施的形式。

　　 通常,国外采用3种方法对生物滞留设施进行设计,如基于达西定律的渗滤法、蓄水层有效容积法和基于汇水面积的比例估算法^[12,13,14] 。其中,基于达西定律的渗滤法忽略了生物滞留设施自身构造空隙储水量的潜力和植物对蓄水层的影响;蓄水层有效容积法虽考虑了植物对蓄水层储水量的影响,但并未考虑设施的渗透能力和空隙储水能力;基于汇水面积的比例估算法认为生物滞留设施服务的汇水面积比例为5%~10%。

　　 我国生物滞留设施的设计大多采用简单的蓄水层有效容积法,如式(1)所示,仅考虑了径流体积的控制,大多未考虑设施的渗透能力、蓄水层植物的影响、土壤填料空隙储水能力等因素。如土壤渗透能力是生物滞留设施面积设计的重要参数,直接影响生物滞留设施是否换土和排空时间(为避免影响植物正常生长,一般生物滞留设施的排空时间应不超过24~48h),而设计人员在设计时,往往忽略了该基本设计参数,直接选取蓄水层高度为200~300mm。此外,在径流雨水污染严重的区域,应建立以污染物削减控制为目标的生物滞留设施计算方法。针对目标污染物,可通过改进填料种类、优化构造等途径强化污染物去除;如对径流雨水中磷、重金属去除要求较高时,可添加含铁、钙等元素较多的填料等。

　　 式中V———控制调蓄容积(蓄水层容积);

　　 φ———为综合径流系数;

　　 A———汇水面积,hm²;

　　 H———年降雨总量控制率所对应的设计降雨量,mm。

　　 低影响开发技术的运行维护是一项重要的任务,国外针对生物滞留设施制定了详细的维护手册^[15] 。海绵城市的建设试点任务重、时间紧、速度空前,难免出现推进过快的现象。在生物滞留设施建设过程中,常出现为赶工期而设计施工不当,缺乏长期运行维护的考虑。如:未考虑后期的运行维护经费来源、维护责任主体、运行检测检查周期、更新更替处理等。因此,为保证生物滞留设施的正常功能,应定期检查植物生长、沉积物累积状况等。根据雨后进水口冲刷情况、植被损坏及土壤侵蚀情况及蓄水层入渗状况等进行评价,合理制定生物滞留设施的运行维护制度。对生物滞留设施进行长期的工程追踪可为生物滞留设施的评价、运行维护获得第一手资料,是海绵城市持续推进的有力保障。

　　 道路是城市中一种典型的硬化下垫面,产生的雨水径流峰值高、总量大、污染较严重。2015年,国务院办公厅《关于推进海绵城市建设的指导意见》(国办发[2015]75号文)中提出推进海绵型道路与广场建设,改变雨水快排、直排的传统做法,增强道路绿化带对雨水的消纳功能,推行道路与广场雨水的收集、净化和利用,减轻对市政排水系统的压力。生物滞留设施作为海绵型道路建设的常用技术,可有效净化雨水、削减峰值流量,提高汇水区域的综合排水能力。针对文中提出的关于生物滞留设施工程应用存在的若干问题,以北京市某道路生物滞留设施为例进行分析,详见图4和图5。

　　 案例中的生物滞留设施应用于城市道路的绿化隔离带,外观呈长条形分布,根据其形态和应用场所该生物滞留设施可称为生物滞留带;由于城市道路为不透水型下垫面且该道路原雨水管线较为完善,为避免生物滞留带蓄水漫过路牙石引起道路积水,本案例采用溢流型生物滞留带;由于生物滞留带位于机动车和非机动车间的分隔带中,雨水直接入渗可能会对道路结构造成损害,因此本案例生物滞留带底部设置防渗层。

　　 针对道路路面径流雨水悬浮物(SS)含量较高,根据场地现状条件,本案例在生物滞留带进水口处设置预沉池,削减径流雨水中的悬浮物等较大颗粒,以降低生物滞留带的除污负担,延长其使用寿命;此外,综合考虑填料的渗透性和吸附净化能力,在人工填料层填充对径流雨水中多种污染物具有较强吸附能力的组合填料(如粉煤灰、沸石、人工制备材料等)。

　　 计算道路生物滞留带面积时,综合考虑了设施的渗透能力、蓄水层植物的影响、土壤填料空隙储水能力等因素,其面积A_f计算如式(2)所示:

　　 式中A———道路汇水面积,m²;

　　 H———年降雨总量控制率所对应的设计降雨量,m;

　　 K———种植土渗透系数,m/s,北京取5×10^-6m/s;

　　 T———降雨时间,通常取120min;

　　 d_f———植土层和填料层的厚度,m;

　　 h———蓄水层设计平均水深,m;

　　 f———淹没在水中的植被平均体积率,本案例取20%;

　　 φ———径流系数,本案例取0.9;

　　 n———空隙率,本案例取0.3。

　　 此外,案例中进水口设计采用若干边石豁口形式,进水豁口均匀分布在边石上使道路径流雨水以片流形式进入生物滞留带;道路雨水口设在生物滞留带内作为溢流口,并与市政雨水管道衔接。进水口、溢流口设计应经计算确定,具体参见相关文献^[16] 。

　　 案例中道路生物滞留带可通过以下几个方面开展维护工作:(1)进水口处的预沉池和溢流口上部均采用可开启式篦子,定期打开预沉池和溢流口处的雨水篦子,清扫池底沉积物;(2)防止暴雨对植物影响,所选植物为耐旱、耐涝、根系发达且可促进污染物吸附的马蔺和千屈菜;(3)根据表层植物生长情况对其进行适当修剪、灌溉,定期清理杂草,暴雨过后及时更换受损的覆盖层材料和植物。

　　 我国海绵城市建设尚处于起步阶段,在其快速推进的过程中已暴露一些问题。生物滞留设施作为低影响开发系统中应用最广泛的技术之一,在设计过程中要充分理解生物滞留设施的概念,切实结合项目工程的实际条件,因地制宜的进行生物滞留设施的设计,避免盲目性;在关注水量控制的同时,充分考虑径流雨水水质带来的污染风险,并选择合理的生物滞留设施形式和有效的预处理设施;在径流雨水污染严重的区域,建立以污染物削减控制为目标的生物滞留设施计算方法,并针对目标污染物,通过改进填料种类、优化构造等途径强化污染物去除;合理制定生物滞留设施运行维护制度,保障其正常功能的发挥。