下凹式綠地用于城市降雨徑流控制研究進展

許浩浩，呂偉婭

(南京工業大學，江蘇 南京 211816)

隨著我國城市規模的擴大和城市化進程的加快，地表不透水面積比例迅速增長，造成地表徑流量急劇增加，縮短了洪峰產生的時間，而傳統市政管網系統無法及時排走匯聚的雨水，因此容易引發城市內澇[1]。此外，降雨徑流中攜帶大量的營養物質、懸浮物固體、重金屬、油脂及致病菌等污染物，若這些污染物直接排入水體，會導致水體水質惡化。在城市內澇災害頻發、面源污染嚴重和水資源短缺的大背景下，各國相繼開發出多種新型的城市雨洪管理技術。例如美國低影響開發模式及暴雨最佳管理措施、澳大利亞水敏性城市設計和英國可持續城市排水系統等。作為低影響開發理念下的一種生態雨洪管控措施，下凹式綠地不僅可以有效削減降雨徑流總量和洪峰，而且可以有效改善降雨徑流的水質。近年來，鑒于下凹式綠地在控制城市降雨徑流、補給地下水及美化環境等方面的良好效果，其已被美國等其他發達國家廣泛使用在城市公園、住宅區、道路兩側及大學校園等領域[2-3]。

1 下凹式綠地技術介紹

下凹式綠地通常指內設高程低于周邊路面200 mm的一類結構特殊的綠地[2]，其內設置雨水口的位置高于綠地高程但又低于周邊路面的高程，主要通過蒸發、下滲、截留和調蓄等作用減少徑流外排量，同時通過土壤和介質的過濾與吸附、微生物的降解以及植物根系的吸收作用去除污染物。下凹式綠地一般下凹100～200 mm，表面種植植物，系統結構自上而下依次為：蓄水層(100～200 mm)、種植土層(250 mm)和原土，雨水口高程一般高綠地50～100 mm[2]，底部一般設有排水系統，此外通常還包括進水預處理的附屬設施。

2 下凹式綠地的水文效應

2.1 下凹式綠地的設計

大量研究顯示[4]，下凹式綠地設計的重要參數有：設計暴雨重現期、土壤滲透系數、綠地下凹深度、下凹綠地面積比例、雨水口高度和植物耐淹時間。其中，下凹深度和下凹綠地面積比例是設計過程中的關鍵參數，下凹深度是決定綠地調蓄水量的主要參數之一，而較大的綠地面積可以有效保障其對降雨徑流的控制。

焦勝等[5]研究長沙某住宅小區的下凹式綠地面積占總匯水區面積的適宜比值，結果表明，當土壤穩定入滲速率為5×10-8～5×10-6m/s，下凹深度為0.1～0.3 m，綠地面積占總匯水面積比為1.95%～22.09%時，下凹式綠地可以完全消納1 h降雨產生的場地徑流。程濤等[6]研究表明，當小區建設有效面積不少于30%的綠地，且綠地下凹深度為5～10 cm時，下凹式綠地能有效控制降雨徑流量。黃民生等[7]選取華東師范大學校園內的一處下凹式綠地進行研究，結果顯示，當土壤穩定入滲速率為5.0×10-7～5.0×10- 5m/s，下凹深度為0.1～0.3 m、面積比例為10%～30%時，下凹式綠地可以削減暴雨重現3 a連續1 h降雨產生的徑流。朱永杰等[8]采用人工模擬的下凹式綠地，研究在不同暴雨強度下的減流效果，得出當下凹式綠地面積達到30%時，徑流系數在0.30以下，可以攔蓄3年和5年一遇的暴雨；當下凹式綠地面積達到20%時，5 cm和8 cm的雨水口對3年和5年一遇的降雨徑流削減效果差異不明顯，削減率均在40%以上，徑流系數均在0.90以上，相比之下5 cm雨水口高度較為合理。

但有研究表明[4]，植物耐水淹的時間會限制綠地下凹深度，由于植物耐水淹的時間有限，因此不能無限制地提高綠地下凹深度，如當植物耐淹時間為1～3 d時，北京下凹式綠地的下凹深度在5～25 cm適宜。國外一般要求下凹式綠地的積水深度不低于15 cm，且不超過23 cm[9]。Xie等[10]通過理論計算得出，北京市的下凹式綠地設計深度為15～20 cm，綠地率為20%，重現期為2～5 a，施工挖深為6～15 cm是比較合適的(表1)。Pan等[11]指出在1倍匯水面積的情況下，下凹式綠地對暴雨重現期為10、50、100 a的降雨削減率分別為87.15%、58.48%和50.75%。Dong等[12]通過理論計算得出，若要深度大于10 cm的下凹式綠地能滿足0.5～5 a重現期的100%下滲，則需保證土壤滲透率大于5.0×10-5m/s，且綠化率應大于30%。Prince等[13]研究表明，選擇填料基質時，應考慮基質的滲透性能及對污染物的削減效果，推薦選用壤土、砂質壤土及壤質砂土(最小吸水率分別為13、25、51 mm/ h)等滲透率高的天然土壤作為綠地填充基質。

表1 下凹式綠地對徑流量的削減效果

由于各地區的降雨強度和土壤下滲率不同，綠地的下凹深度有所差異，北方下凹深度一般在10 cm以下，南方下凹深度一般大于10 cm，此外，綠地面積一般要達到集水面積比例10 %以上[11]，才能有效保障下凹式綠地的蓄滲效果。目前，對于下凹式綠地的下凹深度和綠地面積比例的研究較多，但對于滲透系數、設計暴雨重現期、植物耐淹時間等因素對綠地蓄滲能力影響的研究相對較少，應對其開展更為細致的研究。

2.2 下凹式綠地對降雨徑流的調蓄作用

眾多學者采用試驗裝置、單體野外觀測、模型模擬等方法對下凹式綠地的調蓄作用進行了大量的研究。Cong等[14]運用SWMM模型對北京某小區進行模擬分析，結果表明，當暴雨重現期為10 a時，與凸式綠地相比，下凹式綠地的入滲量增加了36%，徑流量減少了53%，洪峰流量降低了35%。Tian等[15]分析在不同設計降雨頻率的情況下，濟南市城區的下凹式綠地的徑流削減效果，得出下凹式綠地的降雨攔蓄效果較為明顯，對降雨重現期為1、3 a的徑流削減率分別為76.55%、63.45%。曲嬋[16]對西北大學長安校區的下凹式綠地進行SWMM模型模擬，發現綠地的下凹深度為10 cm，綠地率為40%時，系統能完全消納周圍4.7 hm2不透水面積產生的88.54 m3徑流量；在降雨強度為9.69 mm/h，降雨量為27.5 mm時，系統減少10.17%的洪峰流量，延遲洪峰時間為0.16 h。宋召鳳等[17]對下凹式綠地在不同設計暴雨條件下的減洪效果的計算結果顯示，徑流削減率隨下凹深度的增加而升高，隨降雨重現期的增加而降低，下凹式綠地對重現期小于4 a的降雨徑流的削減率均高達100%。Yi等[18]設計了一種改良型下凹綠地，并在深圳市光明新區某綠色建筑小區進行了中試研究，結果表明，當下凹式綠地與徑流下墊面面積之比1∶2時，下凹式綠地能完全消納重現期為2 a或3 a的降雨徑流，但當重現期為5 a時，會發生溢流現象，產流時間為29 min，延緩峰現時間為14 min，并提出了減小服務面積比及降雨重現期有利于下凹綠地對徑流地調蓄。

基質層厚度和植物種類也會對下凹式綠地調蓄徑流產生一定的影響。Yue等[19]通過實驗室土柱模擬試驗，研究下凹式綠地土壤厚度對積水滲透特性的影響，結果表明，下凹式綠地土壤厚度大于1.7 cm時，約2～3 h能完全攔蓄厚度為10 mm的降雨。Zhang等[20]在實驗室搭建下凹式綠地研究對徑流削減效果，試驗表明，與基質厚度為20 cm和40 cm的下凹式綠地相比，基質厚度為60 cm的下凹式綠地對短歷時和長歷時降雨有更好的削減徑流量和延遲峰值的效果，徑流峰值延緩的時間達到了24～30 min。William等[21]研究顯示，在植物選擇時，應選用耐寒抗鹽、抗旱耐澇、根莖茂密發達、適應力強、生長速度較快的本土植物物種，同時注重植物的種植密度及多樣性搭配，以達到美觀的效果。馬姍姍等[22]采用InfoWorks CS 軟件模擬天津某大學生活區的排洪能力，結果表明，當降雨頻率為20%時，綠色屋頂與下凹式綠地串聯對洪峰流量的降低幅度高達41.1%，徑流系數降低至0.279，降低幅度高達49.9%，且隨著降雨頻率的增高，串聯的優勢更加明顯。

下凹式綠地對較小降雨重現期下的徑流量的削減率最高可達100%[17]，最低也達到了43%[8]，洪峰延遲時間為9.6[16]～30 min[20]，洪峰流量削減率也在10.17%以上[16]，因此下凹式綠地能很好地攔蓄降雨徑流、削減洪峰流量、滯后洪峰到達時間以及補充城市地下水。但目前研究大多為模型模擬或實驗室小面積實驗，限制因素較多，今后應加強對大面積下凹式綠地的野外觀測及穩定性運行方面的研究。

3 下凹式綠地削減徑流污染

3.1 凈化機理

研究表明[11]，下凹式綠地對降雨徑流中的TSS、TP、COD和重金屬等污染物具有良好的凈化效果，其去除機理主要是土壤、植物和微生物共同作用的結果，涉及物理、化學和生物作用。但是不同污染物的去除機制有所不同。氮的去除主要通過氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌的降解；磷的去除主要依靠植物根莖的吸收以及與金屬離子(鈣、鐵、鋁)形成螯合態或絡合態化合物被固定在土壤中，還有小部分被聚磷菌類微生物攝取；有機物的去除主要依靠土壤吸附和微生物降解；TSS的去除主要通過植被根系和土壤截留；重金屬的去除主要依靠土壤介質的吸附作用。也有研究表明[23-24]，下凹式綠地對COD的去除作用主要依靠土壤膠體顆粒吸附、植物的吸收吸附以及微生物降解。

3.2 凈化效果

表2 下凹式綠地削減徑流污染效果 %

上述研究表明，下凹式綠地對雨水徑流有良好的凈化效果，但對每種污染物的削減率有所差異，對COD和TSS的削減效果最好，其次是TP和重金屬，對氮的削減率相比其他污染物較低。此外，下凹式綠地的凈化效果受降雨強度、降雨歷時、綠地覆蓋度、土壤類型、植被類型、下凹深度及面積等因素的影響，其中降雨強度和植被類型對污染物的凈化效果顯著，凈化效果隨降雨強度的增大而減小。

4 結論與展望

隨著城市化的不斷發展，下凹式綠地將在控制城市內澇與城市面源污染方面發揮更大的作用。根據國內外對下凹式綠地在降雨徑流控制方面的研究進展，提出未來以下幾個方向：①明確下凹式綠地的調蓄能力過程、削減徑流污染的能力、凈化機理及影響因素，如土壤基質、植物和微生物對綠地調蓄凈化徑流的影響，同時加大對下凹式綠地在室外的研究，尤其是在較大區域下凹式綠地在徑流控制及改善城市水循環等方面的研究；②優化下凹式綠地對降雨徑流的控制效果，從植被覆蓋度、草地類型、下凹深度及面積等影響因素考慮，優化下凹式綠地的結構設計，在不降低進水負荷前提下提高對氮磷等污染物的去除效果和對暴雨徑流的調控能力；③下凹式綠地長期運行穩定性的研究，通過有效地運行維護技術，保持下凹式綠地良好的蓄滲及水質凈化功能。