郭 超，王璐瑶，谢 潇，牛 岩，王益权

(1.陕西省土地工程建设集团 自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075；2.陕西省土地工程建设集团 陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075；3.陕西省土地工程建设集团 自然资源部土地工程技术创新中心，陕西 西安 710075；4.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

1 研究背景

城市化进程加快，地面硬化带来的城市内涝、水环境污染、地下水补给匮乏、诱发城市地质灾害和建筑物安全等严峻的世界性难题，已经得到世界各国的重视。面对城市化存在的此类问题，国内外提出了许多应对之策，如美国的低影响开发(low impact development，LID)、英国的可持续城市排水系统(sustainable urban drainage systems，SUDS)、澳大利亚的水敏感城市设计(water sensitive urban design，WSUD)等[1]，我国提出了建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”，均取得了良好效果。

在我国海绵城市建设过程中，对雨水花园、生物滞留设施、植草沟等LID设施的应用较多。这类设施也称为海绵设施、海绵体或雨水径流集中入渗设施，是人为设计的用于处理降雨径流的绿色基础设施[2-3]，具有导水[4]、渗水[5-6]、去污[7-8]、蓄水[9-10]等综合功能。LID设施结构简单，在一定纵向深度范围内(小于1 m)填充天然填料或人工合成填料，利用填料的导水性能、可渗透性能、污染物净化性能以及蓄积水量的性能，将降雨径流导入地下或蓄积起来，并且将径流携带的污染物经填料吸附、过滤、离子交换、微生物降解等物理、化学、生物作用使其得以自然净化。LID设施的应用如同给硬化地面打开了一扇扇“窗户”，增加了可透水区域的面积，可有效缓减城市内涝、净化水质和涵养地下水资源[11-12]，是目前城市雨水处理较为有效的工程技术措施。由于城市雨水径流存在严重的面源污染，并且LID设施集中入渗有别于大规模城市化以前的面源入渗[13]，其入渗水量和污染负荷强度大，入渗水量通常为自身面积的5～20倍[14]。因此，LID设施长期受纳降雨径流集中入渗时，其填料的机械组成、孔隙度、团聚体状态和饱和导水率等理化性质会发生改变[15-16]，造成填料堵塞、污染物吸附饱和等众多难题，降低设施削减水量和去除污染物的运行效率，缩短其使用寿命等，这些科学与技术难题已引起了众多专家的极大关注。目前，国内外主要针对LID设施结构设计与优化、不同填料对水量和污染物削减效果、影响机制、关键技术与模型模拟等开展了大量研究[17-19]，而对LID设施填料理化性质的演变规律、入渗性能改变及污染物吸附饱和等问题缺乏系统研究，对海绵城市LID设施运行效率的阶段性、动态化衰减过程研究鲜见报道，严重影响了这类技术的合理使用和海绵城市的纵深发展。而海绵城市建设既存在共性，也存在特殊性和复杂性，需对不同城市进行规划和设计[20]。对于我国分布广泛的黄土有其特殊性——质地均一、结构疏松、孔隙发育、下渗能力强，富含SiO2、Al2O3和CaO等矿物，对调控雨洪和净化污染物起着重要作用。因此，对于资源型和水质型缺水、地下水补给不足的黄土地区，海绵城市LID设施具有良好的适用性。但黄土遇水具有湿陷性，且黄土地区径流雨水中含有大量泥沙、黏土颗粒等，理化性状易改变[21]。此外，黄土地区的水中富含游离的可溶性重质碳酸钙，降雨径流经过LID设施不同填料界面时，一般情况流速会发生改变，引起重质碳酸钙中的CO2溢出，形成碳酸钙沉淀，从而沉积在设施的不同填料界面，引起填料堵塞。故开展黄土地区海绵城市LID设施填料理化性质演变规律、入渗堵塞及污染物吸附饱和等方面的研究具有重要意义，以满足黄土地区海绵城市建设实践的迫切需要。

本文主要通过文献总结和分析目前国内外雨水径流集中入渗对LID设施填料影响的研究成果，分别从LID设施填料理化性质的变化规律，集中入渗对填料入渗性能及污染物吸附性能的影响研究，集中入渗条件下LID设施运行效能衰减机理及其运行寿命等方面，总结国内外研究进展，对我国现有海绵城市建设过程中理论研究存在的问题与不足进行探索，提出未来海绵城市建设模式下雨水径流集中入渗的发展方向。为城市雨水径流集中入渗工程技术的合理配置与推广应用提供科学依据，为我国海绵城市健康发展助一臂之力。

2 LID设施填料理化性质研究现状

填料的理化性状是维系“海绵体”各项功能的重要指标，在LID设施中填料的物理结构左右着地表径流的下渗、土壤水的补给以及污染物净化等。填料物理性质退化主要表现在饱和导水率、容重、孔隙、质地等方面的变异[22]，这些物理指标都与海绵城市建设体系中雨水滞留、渗透、蓄积等有着密切的相关性。已有研究表明，通过土壤结构性改善、孔隙结构调整等措施可以优化土壤的理化性质，调节土壤水分的入渗能力，提高土壤持水、保水性能[23]。土壤容重是指示LID设施填料物理性质的重要指标，对土壤水分入渗能力有较大影响，土壤入渗能力随容重增大而递减[24]。城市绿地土壤的持水性能和雨水的渗透、滞留之间的相关性是海绵城市建设成效的关键，土壤结构、容重在海绵城市雨水渗透和滞留方面起着重要作用[25]。一些绿地土壤结构性差，土体紧实，容重较大，孔隙较少，水分难以入渗，持水力差[26]。土壤容重还对土壤饱和导水率起着很大的影响[27]。土壤有机碳对团聚体的形成和稳定具有重要作用[14]。万松华等[28]指出，土壤中有机质含量与团聚体呈正相关关系，有机质通过调节土壤孔隙的大小以及分布情况来影响水分在土体内的传导能力。因此，有机质含量对土壤的物理结构有很大的影响，并且通过改变土壤入渗率、饱和导水率等理化指标影响着城市雨水的径流量。

海绵城市LID设施中通常添加粉煤灰、沸石、高炉渣等吸附性能强的材料，研究表明添加粉煤灰后，沙土的持水和保水能力提高了近10%，并且显著提高了风沙土粉粒和粘粒含量，增加了沙土的稳定性，减小了孔隙结构空间尺度变异性[29]。海绵城市LID设施长期处于干湿交替状态，大量研究表明，干湿交替影响土壤团聚体与颗粒有机物和微生物群落之间的关系[30]，改变土壤碳、氮、磷等养分循环[31]。土壤黏土矿物比表面积巨大、富电荷，具有较强的吸附性、复水性及离子交换性能[32]。黄土区土壤粘土颗粒含量较高，占10%～25%的土壤组成，土壤粘土矿物富含硅铝酸盐矿物，具有硅氧四面体和铝氧八面体相互叠加的层状结构，广泛存在于各类地质体中，具有较强的吸附性、脱水、复水性能和膨胀、收缩性能等[33]。唐双成[34]研究表明，雨水花园运行4年后，土壤颗粒中粘粒含量变化不明显，而提高了砂粒含量的比例，研究区雨水径流特性对雨水花园填料颗粒组分具有重要影响。LID设施填料中黏土矿物的比例影响水分的持留和有机污染物的吸附，对削减洪峰流量、净化径流污染极为重要[35]。孟凡旭等[36]指出，土体结构变密实，水分入渗能力就会下降，土壤的孔隙结构也是水分入渗能力的重要指示。“植物、土壤和透水铺装”是海绵城市规划设计的三要素，植物可截留降雨，土壤对水分起传导作用，透水铺装结构及透水能力是水分持留、渗透的重要载体[37]。土壤 “滞、蓄”水分主要依靠土壤的持水能力，并且土壤持留的水分为植物生长提供水源，也为土壤中养分的溶解和转移提供天然的溶剂[38]。

显然，国内外研究大多集中在土壤的某一属性对径流的作用强度，或对水文条件、土壤属性等某一区域特性进行分析研究，对海绵城市LID设施填料理化性质的演变规律研究较少。LID设施填料是一个复杂的生态系统，需就多个属性对城市雨洪和径流污染影响进行对比研究，将填料理化性质研究由定态向动态演变规律研究转变。

3 LID设施水分入渗性能及污染物净化能力研究进展

3.1 LID设施水分入渗性能研究进展

在海绵城市建设模式下，对于LID设施的应用较多，雨水径流主要以点状集中入渗。一般情况下LID设施的汇流比为5∶1～20∶1，这说明LID设施要汇集其自身面积5～20倍的径流总量，入渗的水量明显增加[13]，并且城市雨水径流面源污染严重。因此，LID设施集中入渗的水量负荷与污染负荷强度均很大，长期集中入渗将改变LID设施填料的机械组成、孔隙度、团聚体、饱和导水率等理化性质，造成填料堵塞、污染物吸附饱和等。不同填料的表面电场不同，而土壤颗粒的表面电场对团聚体稳定性具有很大的影响，从而会改变土壤孔隙通道，影响水分入渗过程[39-40]。

通过国内外文献分析发现，农业领域水分入渗试验与实践研究较多，如王艳阳等[41]依据农田试验，通过施加不同量的生物炭，研究了土壤水分入渗及其分布特性，结果表明生物炭添加能够改善黑土区土壤持水能力和水分入渗特性。曹崇文等[42]基于大田土壤水分入渗试验与相关参数研究，探讨了耕作层土壤水分入渗能力的衰减过程，揭示了耕作层土壤水分入渗能力衰减机理，发现在农业生产周期内，耕作层土壤水分入渗能力变化较大。吴丹[43]研究表明随着灌溉水中的悬浮固体浓度的增大，受灌土壤的入渗性能就会降低，而土壤容重增加、孔隙率降低，优先流的非均匀特征就会明显增大。冯锦萍[44]研究表明影响大田土壤水分入渗特性的直接影响因素有土壤结构、质地、含水率、表土结皮和板结等，农业耕作措施和土壤水的相变等间接影响水分入渗性能。Wang等[45]根据美国伍德兰兹社区土壤的水分入渗特征，提出了以雨洪管理为目标的生态规划方法，为我国海绵城市建设提供了依据。通过调节土壤粉粒、黏粒比例，可提高水分入渗率，构建“渗透型”土壤结构[46]。杨珊[47]基于海绵型生态绿地建设理念，以陕西省龙湖湾别墅区为例，提出对于住宅绿地，应构建基于现状条件的水循环体系。

综上所述，国内外对LID设施或海绵城市入渗性能的研究还是初步的，缺乏系统研究，迫切需要加强分析LID设施入渗性能改变的内在机理及驱动因子。有关常规土壤入渗性能研究较多，常规土壤入渗堵塞成因及机理分析将为LID设施水分入渗研究提供借鉴。

3.2 LID设施污染物净化性能研究进展

可见，海绵城市模式下LID设施对污染物净化能力分析也是初步的，缺乏系统研究，LID设施人工合成填料或天然填料对污染物的净化效果不是一成不变的，还需进一步进行深入研究，明确LID设施填料净化能力的动态演变过程。

4 LID设施运行效能衰减过程研究现状

海绵城市基于LID开发理念，服务于缓解城市内涝、减轻面源污染、保护城市生态系统、恢复和修复生态功能等人居环境的目标。目前，国内外主要工作是针对LID或源头措施的本身结构设计、效果、影响机制与模型模拟展开，较深入地研究了不同海绵设施对径流水量、水质的调控效果。伍静[60]基于雨水花园基本构造和工作原理提出了基于水量平衡分析的设计方法，并探讨了其关键设计参数及影响因素。唐双成等[61]通过监测14场降雨事件，研究了雨水花园对暴雨径流削减效果，发现分层填料雨水花园对水量的削减范围为12.0%～85.9%，平均为44.3%；对洪峰流量的削减范围为11.2%～93.3%，平均为55.8%；均质黄土填料雨水花园对水量削减范围为9.8%～79.8%，平均为39.2%；对洪峰流量削减范围为20.3%～89.8%，平均为50.5%，并且随着运行时间其水量削减效果有下降的趋势。Hunt等[62]研究了季节性变化对生物滞留设施水文效应的影响，结果表明夏天土壤入渗和蒸发蒸腾作用较强，不同地点的生物滞留设施出流量与入流量之比从冬天的0.54降低到夏天的0.07。

可见，目前国内外有关海绵设施运行效能衰减过程的研究还是初步的，对海绵城市LID设施运行效率的阶段性、动态化衰减过程研究鲜见报道，需加强对海绵设施入渗性能衰减及污染物吸附饱和等方面的深入研究，明确LID设施入渗堵塞和填料吸附饱和的内在机理及驱动因子，使海绵城市由定态评价向阶段性的、动态化的过程评价转变。

5 LID设施运行寿命研究现状

LID设施的运行寿命与填料的入渗性能密切相关。设施填料容重小、孔隙结构性好，其导水能力相对较好，入渗率较大，对降雨径流的疏导作用明显。降雨径流通过填料入渗补给地下水，涵养地下水资源，对降雨径流削减率也越大。若LID设施长期受纳降雨径流，过流水量大，污染负荷高，径流携带的颗粒态污染物以及泥沙在填料中得到累积，在填料表层逐渐形成淤积层，造成填料堵塞，影响其使用寿命[69]。Casas-Mulet等[70]研究表明填料拦截的固体颗粒和植物表面的生物膜由有机、无机的多聚物、腐殖质组成，可形成低密度的凝胶结构，具有很高的堵塞潜能，会加剧设施内填料孔隙堵塞，导致其导水能力逐渐减弱，入渗率减小，对降雨径流的削减逐渐降低，LID设施的运行寿命逐渐缩短。有关研究表明，人工湿地堵塞后，其出水流量将逐渐减小，对于小试试验系统，水力停留时间由堵塞前21.3 h延长至32.5 h，对于中试试验系统，堵塞前水力停留时间为19.4 h，堵塞后延长至26.8 h[71]。Casas-Mulet等[70]指出对于砾石床人工湿地，由于凝胶体的累积使得前1/4段床体填料的孔隙率减少了约50%，且80%累积的固体颗粒为无机物。Li等[72]通过滤柱模拟和场地实验研究LID设施的过滤机制发现，当颗粒物质被LID设施截留后，填料内部会出现分层现象，细小土粒聚集在填料上层，而较大颗粒会滞留在基质下层，导致填料堵塞，渗透性降低，这不仅影响系统的水质净化效果，同时也会缩短填料的使用寿命。张瑞斌等[73]研究表明铝污泥与沸石配比为4∶1的生物滞留系统其渗透性较强，且随着运行周期的增长，其渗透性下降较为缓慢。

制约LID设施运行寿命的另一因素是填料吸附饱和，有关LID设施填料吸附饱和寿命分析研究较少。不同填料对污染物的吸附能力不同，吴建[74]根据Langmuir模型，拟合得出煤质活性炭对COD的最大吸附量为62.86 mg/g。张彬鸿[75]通过动态吸附实验发现在传统LID设施填料中添加10%的粉煤灰、绿沸石或麦饭石，在进水量约相当于5 a总降雨量时，设施对磷的吸附达到了饱和，吸附量约为22～30 mg/kg；对于纯种植土壤，在进水量约为11 a总降雨量时，设施对磷的吸附达到了饱和，吸附量为59.44 mg/kg；而土壤中添加10%的给水厂污泥进行填料改良后，在进水量相当于15 a降雨量时，设施对磷的吸附仍未达到饱和，吸附量为94.29 mg/kg。仇付国等[76]明确了给水厂污泥对重金属Cr的吸附量随污泥粒径的减小而增加，35 ℃时饱和吸附量达到45.59 mg/g。砾石地下流人工湿地在没有外部碳源的情况下，对重金属金属(Fe 和 Cr 除外)的吸附迅速达到饱和[77]。绍兴华[78]通过人工合成的铁水合物，研究其对磷的吸附性能，结果表明人工合成的铁水合物对磷具有非常大的吸附潜力，磷的最大吸附容量为45 045 μg/g。Guo等[68]通过分析雨水花园运行寿命，提出了雨水花园“三阶段净化能力”的概念，包括净化增长期、净化稳定期和净化衰弱期，初步预测雨水花园运行10～15 a后填料的吸附位将会处于饱和状态。国内外对人工湿地中填料使用寿命的研究较多。运行1～2 a后的砾石床人工湿地，对磷的净化效果逐渐下降[79]；美国某人工湿地运行4～5 a后，基质中磷的积累量较大，对磷的净化效果逐渐丧失[80]；通过探索填料类型和植物类型对人工湿地使用寿命的影响，表明种植芦苇的人工湿地使用寿命为22.423 a；而种植黄花鸢尾的人工湿地使用寿命为22.424 a[81]；以给水厂污泥为填料的人工湿地，处理普通生活污水时，其使用寿命约为4～17 a[82]。而世界水协会(International Water Association，IWA)建议人工湿地参考使用寿命为15 a[83]。LID设施有别于人工湿地，常年处于干湿交替状态，降雨过程及雨后一段时间，设施填料处于饱和状态，污染物净化机理与人工湿地较为相似。在下一场雨来临之前处于干燥状态，其污染物净化机理类似于常规土壤系统。因此，亟待进一步加强研究，明确LID设施在干湿交替状态下对污染物净化能力的动态变化过程，确定其合理的使用寿命。

6 结论与展望

6.1 结 论

目前，国内外主要针对LID设施结构设计与优化、设施削减水量和污染物效果及其影响机制、关键技术与模型模拟等方面开展了大量的研究。对雨水径流集中入渗条件下，LID设施填料容重、孔隙、质地、饱和导水率等理化性质的演变规律研究较少。对LID设施不同填料的水分入渗能力和持水能力做了初步探索，针对某一土壤属性对降雨径流的作用强度进行了探索性研究。初步分析了海绵城市模式下LID设施不同填料对污染物净化能力，有关填料对污染物吸附饱和的研究较为单一，主要针对特定填料对某种污染物吸附容量进行了定量化研究，缺乏LID设施对污染物净化能力的系统性研究。初步开展了有关LID设施污染物累积效应和对污染物净化能力衰减等方面的研究，定性分析并预测了LID设施的运行寿命，缺乏对LID设施阶段性、动态化衰减过程的研究，对LID设施合理的使用寿命有待进一步明确，而国内外对人工湿地使用寿命的研究较多，结论较为明确，具有可借鉴价值。

6.2 展 望

为保障海绵城市LID设施的合理应用与纵深发展，探明其运行效能衰减机理及合理使用寿命，建议对以下问题加大研究力度：

(1)LID设施填料理化性质及演变过程。针对LID设施土壤理化性质的研究，国内外大多集中在某一土壤属性对径流的作用，对海绵城市LID设施土壤理化性质的演变规律研究较少。LID是一个复杂的生态系统，需针对多个属性对城市雨洪和径流污染影响进行对比研究，明确LID设施在雨水径流集中入渗过程中填料理化性质随运行时间的变化过程，揭示不同填料理化性质的动态演变规律；研究雨水径流长期集中入渗对不同填料理化性质的作用强度；建立填料理化性质与水量和污染物削减效果之间的关系，将土壤理化性质研究由定态向动态演变规律研究转变具有极其重要的意义。

(2)LID设施填料入渗性能及污染物吸附容量。目前国内外对LID设施入渗性能的研究还是初步的，而对常规土壤入渗性能研究较多，常规土壤入渗堵塞成因及机理分析将为集中入渗提供借鉴。后期需进一步加强LID设施填料入渗性能和污染物吸附性能方面的研究，揭示填料入渗性能和污染物吸附容量随运行时间尺度的变化规律；从径流水质、材料两个方面明确探索海绵城市集中入渗条件下，LID设施填料入渗堵塞成因及机理；探索不同填料发生堵塞和污染物吸附饱和的内在机理及驱动因子。

(3)LID设施运行效能衰减及寿命分析。目前，有关海绵城市LID设施运行效率的阶段性、动态化衰减过程研究鲜见报道，后期可通过定量分析海绵设施不同填料入渗性能和污染物吸附容量随运行时间、进水水量和水质之间的关系，发展基于海绵城市水量调控和污染物去除效果的新方法。以填料堵塞、污染物吸附饱和、水量削减、水质净化等为参数，建立海绵设施运行效能衰减评价机制；用数值计算模型建立一套海绵设施运行效能衰减过程评价方法，实现黄土地区海绵设施入渗性能和水质净化过程由定态评价向阶段性的、动态化的过程评价转变。进一步分析并确定LID设施合理的使用寿命。

在长期运行条件下，LID设施存在堵塞、通量下降等问题，探明海绵城市建设模式下LID设施运行效能衰减过程及合理使用寿命，能够确保海绵设施长期运行可靠，提高工程效益，破解我国城市内涝、控制城市面源污染、提高雨水贮存蓄积等面临的重要难题。