Low impact development (LID), as an innovative technology for stormwater management, is effective to mitigate urban flooding and to detain pollutants. This paper systemically introduced the LID technology system, and summarized the reduction effects of three typical LID facilities (i.e., bioretention, green roof and permeable pavement) on stormwater runoff and main pollutants in recent literature, as well as research outcomes and experiences of LID technology on model simulation, cost-benefit analysis and management system. On this basis, we analyzed the problems and limitations of current LID technology studies. Finally, some suggestions about future research directions, appropriate design and scientific management were put forth. This work intended to provide scientific basis and suggestions for widespread use and standard setting of LID technology in China by referencing overseas studies.
全 文 :城市雨洪管理低影响开发技术研究与利用进展∗
刘 文 陈卫平∗∗ 彭 驰
(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085)
摘 要 低影响开发(LID)作为一种新兴雨水管理技术,在消减城市雨洪和滞留污染物等方
面效果显著.本文系统介绍了 LID 技术体系,综述了国外关于 3 类典型 LID 设施(生物滞留
池、绿色屋顶和透水路面)对暴雨径流和主要污染物的消减效果研究,以及 LID技术在模型模
拟、成本效益分析和管理体系等方面的研究成果和经验;并在此基础上分析了目前 LID 技术
存在的问题和研究的不足;最后从 LID 技术的研究方向、合理设计和科学管理等方面提出建
议.旨在通过国外研究的成果和经验为 LID技术在国内的标准制定和广泛实践提供科学依据
和建议.
关键词 低影响开发; 暴雨径流; 生物滞留池; 绿色屋顶; 透水路面
文章编号 1001-9332(2015)06-1901-12 中图分类号 TV122.1; X321 文献标识码 A
Advances in low impact development technology for urban stormwater management. LIU
Wen, CHEN Wei⁃ping, PENG Chi (State Key Laboratory for Urban and Regional Ecology, Re⁃
search Center for Eco⁃Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, Chi⁃
na) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(6): 1901-1912.
Abstract: Low impact development ( LID), as an innovative technology for stormwater manage⁃
ment, is effective to mitigate urban flooding and to detain pollutants. This paper systemically intro⁃
duced the LID technology system, and summarized the reduction effects of three typical LID facili⁃
ties ( i.e., bio⁃retention, green roof and permeable pavement) on stormwater runoff and main pollu⁃
tants in recent literature, as well as research outcomes and experiences of LID technology on model
simulation, cost⁃benefit analysis and management system. On this basis, we analyzed the problems
and limitations of current LID technology studies. Finally, some suggestions about future research
directions, appropriate design and scientific management were put forth. This work intended to pro⁃
vide scientific basis and suggestions for widespread use and standard setting of LID technology in
China by referencing overseas studies.
Key words: low impact development ( LID); stormwater; bio⁃retention; green roof; permeable
pavement.
∗“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAC13B04)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: wpchen@ rcees.ac.cn
2014⁃07⁃18收稿,2015⁃02⁃06接受.
全球快速的城市化进程导致城市地区土地利用
和植被覆盖的变化,改变了城市下垫面条件,破坏了
原有的自然水文循环机制[1] .水文机制的受损导致
城市地表径流污染、水资源短缺、洪涝灾害和河道侵
蚀等环境问题日益严重.为了解决这一系列负面效
应,发达国家很早就开始了雨水资源化利用与管理
体系的研究.低影响开发( low impact development,
LID)是 20世纪 90 年代末期,由美国东部马里兰州
的普润丝乔治县和西北地区的西雅图、波特兰市共
同提出的一种概念.区别于传统的雨洪调控措施,
LID技术从源头上对径流进行调控,通过入渗、过滤
和蒸发等方式模拟自然水文条件,进而实现减少径
流量、降低径流污染负荷和保护受纳水体的目标[2] .
类似概念还有英国的可持续城市雨水系统(sustain⁃
able urban drainage systems)、澳大利亚的“水敏感城
市设计”(water sensitive urban design)和绿色基础设
施(green infrastructure)等.相对于传统的最佳管理
措施(best management practices,BMPs),LID技术占
地少、设施分散,并可与规划中的景观建设相结合,
所以造价比 BMPs 低.目前,在美国、澳大利亚、德
国、瑞典、新西兰、加拿大和日本等一些发达国家,
LID理念已被广泛应用于雨洪控制利用工程、老城
应 用 生 态 学 报 2015年 6月 第 26卷 第 6期
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2015, 26(6): 1901-1912
区的改造、新城规划以及区域开发设计中,形成了相
应的设计标准.很多学者和机构针对 LID 技术,在场
地设计、实验监测及模型评估等方面开展了大量研
究和广泛应用[3-4] .但迄今国内尚没有全面的 LID技
术标准和完善的管理体系,LID 技术在国内处于起
步探索阶段[5-6] .
随着城市内涝和水体污染事件的频繁发生和日
益严重,如何有效消减和滞留暴雨径流及其污染物、
保护收纳水体引起了学者和城市管理者的广泛关
注.本文通过对 LID 技术研究内容和相关研究成果
的总结分析,提出了 LID 技术未来发展和研究的关
键问题;并借鉴国外技术方法和实践经验提出研究
建议,以期为国内 LID技术研究、设计和管理提供参
考,为我国城市暴雨径流的管理和雨水资源的利用
提供理论支撑和科学依据.
1 LID技术体系
LID技术提倡因地制宜,强调雨洪控制设施的
设计应贯穿于整个场地规划设计过程之中.它采用
分散的小规模措施对雨水径流进行源头控制,模拟
雨水的自然循环过程,尽可能使区域开发后的水文
状况与开发前一致(图 1).LID 技术也能有效的在
源头去除雨水中的营养物质、重金属和病原体等.渗
入地下的雨水还可以为河湖提供一定的地下水补
给,而且最大程度地减少和降低土地开发对周围生
态环境的影响,对改善城市的生态环境具有重要作
用和意义[2] .
LID 技术包含的措施较广泛,不仅包括结构性
基础设施,还包括非结构性措施.LID 技术体系主要
包括:1)保护性设计,包括改造车道、集中开发和限
制路面宽度等,通过保护开放空间,减小地面径流流
量.2)渗透,包括绿色街道、渗透性铺装、渗透池和绿
地渗透等,通过各种工程构筑物或雨水自然渗透设
图 1 LID技术理念[7]
Fig.1 Technical concept of LID[7] .
施,使雨水径流入渗、补充土壤水分和地下水.3)径
流贮存,包括蓄水池、雨水桶、绿色屋顶和低势绿地
等,通过径流贮存实现雨水回用或通过渗滤处理用
于灌溉,适用于封闭性下垫面比较集中的地区.4)生
物滞留,包括人工滤池、植被过滤带、植被滤槽和雨
水花园等,当发生强暴雨时,仅仅通过渗透和贮存技
术很难将地面径流全部在原地处理消纳,此时可采
用生物滞留设施将汇集的径流进行疏导.5)过滤,包
括植被浅沟、小型蓄水池、植草洼地和植草沟渠等,
使雨水通过滤料(如砂、沸石和粉煤灰等)或多孔介
质(如土工布和微孔材料等)截留水中的悬浮物质,
从而达到净化雨水的目的.6)低影响景观,包括种植
乡土植物、更新林木、种植耐旱植物和改良土壤等,
当进行景观设计时必须仔细选择和区分种植植物,
要选择适合当地气候和土壤的植物种类.通过生物
吸收去除污染物,稳定本地土壤土质是低影响景观
的重要内容[2] .
2 典型 LID设施消减径流和污染物的效果研究
2 1 生物滞留池
生物滞留池(bio⁃retention),又称雨水花园(rain
garden)或者生物入渗池(bio⁃infiltration).它采用低
于路面的小面积洼地,种植当地乡土植物并培以腐
土及护根覆盖物等,成为开发区园林景观的一部分,
降雨时可成为贮留雨水的浅水洼.生物滞留池的主
要构造和功能(图 2)包括:1)植被通过蒸发蒸腾调
节径流量,并通过与外界的氮循环降解污染物;2)
有机覆盖层为生物滞留池的植被提供生长的介质,
并起到部分污染物的降解作用;3)植物生长介质层
用来提供径流的贮存以及被植物吸收的氮等元
素[8] .由于生物滞留池的运转类似于自然和非城市
的区域[9],因此它们可以有效地用来控制径流、促
进渗透和蒸散发、补给地下水、消减洪峰、保护河流
渠道和消减污染物负荷等[3-4,10-11] .
生物滞留池系统对径流体积的消减效果在
50% ~97%(表1) .径流量和流速的消减作用取决于
图 2 生物滞留池结构图[12]
Fig.2 Structure chart of a bio⁃retention[12] .
2091 应 用 生 态 学 报 26卷
表 1 生物滞留池对径流和污染物的消减率
Table 1 Reduction effectiveness of bio⁃retention on runoff volume and pollutants (%)
地点
Location
径流
Runoff
总悬浮物
TSS
总磷
TP
总氮
TN
铜
Cu
铅
Pb
锌
Zn
文献
Reference
North Carolina, USA 78 - 65 40~68 99 81 98 [17]
Lab experiment, USA - - - - 88~97 88~97 88~97 [27]
North Carolina, USA 50~90 92 72 80 - - - [28]
Maryland, USA 52~65 - - - - - - [10]
North Carolina, USA - 60 31 32 77 32 60 [29]
Washington, USA - 55~99 - - - - - [30]
Maryland, USA - 96~99 100 97 65~96 83~100 92~99 [31]
North Carolina, USA - - 58~63 54 - - - [32]
Washington, USA - 87~93 67~83 - 80~90 86~93 80~90 [13]
Virginia, USA 97 99 99 99 - - - [33]
North Carolina, USA - 100 - - - - - [34]
Maryland, USA 79 - - - - - - [35]
Kansas, USA - - - 56 - - - [36]
- 无数据 No data. 下同 The same below.
降雨事件的大小.在小的降雨事件下,生物滞留池能
够容易地截留全部的入流量[10] .渗透和蒸散发过程
对径流滞留起重要作用. Chapman 等[13]研究表明,
48%~74%的径流流过生物滞流系统时,以渗透和蒸
发的形式消散.
生物滞留池对地表径流的水质也有很好的净化
效果,对总悬浮物(TSS)、总氮(TN)和总磷(TP)的
消减范围分别在 55% ~ 100%、32% ~ 99%和 31% ~
100%(表 1).生物滞留池对悬浮物和大部分营养物
质的消减效果显著,但对硝态氮(NO3
- ⁃N)效果不显
著.Davis等[14]研究结果表明,总磷(TP)的去除率在
70%~ 85%,总凯氏氮 ( TKN)的去除率在 55% ~
65%,但对硝态氮的去除率很低(小于 20%),这可
能是由于带有负电荷的硝酸根离子不能被很好地吸
附在土壤颗粒上所致[15] . Dietz 等[16]和 Hunt 等[17]
研究发现,土壤中含有饱和区的生物滞留系统可以
提高营养物质的滞留效果. Hsieh 等[18] 和 Ergas
等[19]认为,在生物滞留池系统的介质中引入缺氧区
域可以促进硝化和反硝化过程.Kim 等[20]指出,饱
和土壤中存在有利于反硝化的缺氧区,且报纸屑是
很好的反硝化反应的碳源,通过在沙层中混合报纸
屑创造缺氧区的生物滞留池可以实现较高的硝态氮
去除率.
生物滞留池对径流中铜、铅和锌等金属的去除
效率范围分别为 65% ~ 99%、32% ~ 100%和 60% ~
99%(表 1).通过在介质(特别是在沙土壤介质)中
加入粉煤灰可以提高生物滞留池对金属的滞留能
力[21] .但是,生物滞留介质对重金属的吸附能力有
限,长年使用后,其累积的重金属量可能会达到威胁
人体健康的水平.因此,可通过选择种植重金属富集
类植物减少土壤中重金属累积量并定期修复土壤.
生物滞留池系统中介质的构成对该系统的性能
起重要作用.Hsieh等[22]研究表明,沙介质生物滞留
单元具有很强的污染物去除能力.Lucas 等[23]认为,
改进生物滞留介质中磷吸附的材料可提高系统的能
力以降低径流中磷的负荷.除了设计介质配置以外,
系统大小、选择的植被种类、开挖技术、选址位置的
考虑和管理也对生物滞留系统发挥着重要和有益的
作用[11,24-26] .
2 2 绿色屋顶
绿色屋顶(green roofs)又称植被覆盖(vegetative
roof covers)或者绿覆盖(green covers),是由植被、培
养基质、过滤层和排水材料等构成的一个小型的排
水系统[37](图 3).它是通过降低城市的不透水性比
例来消减径流的一种有效方法.基于屋顶层的厚度
和保养水平的需要,屋顶绿化可分为“粗放型”或
“密集型” [38] .粗放型一般种植密集、低生长和耐干
图 3 绿色屋顶结构图[39]
Fig.3 Structure chart of a green roof[39] .
30916期 刘 文等: 城市雨洪管理低影响开发技术研究与利用进展
旱植被,维护费用低,一般适用于单户和多户住宅
楼;密集型可以种植不同种类的植被,广泛用于商业
建筑物.
绿色屋顶对雨水的滞留通过介质的储存和植物
的蒸发共同实现.不同地区屋顶绿化对降雨量的平
均截留效率在 19%~100%(表 2).de Nardo 等[40]发
现,绿色屋顶可以使径流峰值延迟 2 h 出现.Carpen⁃
ter等[41]研究认为,绿色屋顶可平均减少 88.9%的洪
峰流量.屋顶绿化的截留效率随着降雨量的增加而
减少[42] .Teemusk 等[43]研究发现,在较大的降雨事
件下,绿色屋顶的降雨滞留率低.有研究表明,屋顶
绿化的土层厚度和植被组成极大地影响了其雨水滞
留和释放能力[44-45] . van Woert 等[46]和 Moran 等[47]
的研究表明,绿色屋顶的贮水能力分别为 2 和 4
L·m-2 .van Woert等[46]通过对比试验研究发现,较
缓的坡度和较厚的基质更有利于雨水蓄存.
绿色屋顶径流水质的好坏取决于多种因素的综
合作用,如天然降雨水质、构建材料的理化性质、植
物吸收和微生物转化,以及施肥等.Hathaway 等[48]
在野外研究中发现,绿色屋顶截留了 64%的降雨,
没有显著地滞留总磷和总氮.Moran 等[47]在卡罗莱
纳州北部的研究显示,绿色屋顶径流中的总磷浓度
和输出量远高于降雨背景值,与传统屋顶相比差别
不大;径流中的总氮浓度也明显高于降雨浓度.在没
有施肥的条件下,绿色屋顶释放出高浓度的 TP、
NO3
- ⁃N和 TN[49] .由于介质中营养盐的浸出,施肥可
能会增加绿色屋顶对水质污染的风险[50-51] .由于绿
色屋顶系统中不具备传统反硝化脱氮要求的反应条
件,所以硝酸盐的去除主要依靠植物吸收.这可能导
致硝酸盐控制效果不稳定. Aitkenhead⁃Peterson
等[52]研究认为,介质中无植物生长的绿色屋顶可能
会导致 NO3
- ⁃N渗入到径流中.
表 2 绿色屋顶对降雨的滞留率
Table 2 Summary of rainfall retention of green roofs
地点
Location
降雨滞留率
Rainfall retention
percent (%)
文献
Reference
Pennsylvania, USA 40 [40]
North Carolina, USA 64 [48]
Pennsylvania, USA 70 [59]
Michigan, USA 68 [41]
Vancouver & Kelowna, Canada 29~100 [60]
Sheffield, UK 34 [61]
Auckland, New Zealand 82 [62]
Connecticut, USA 51 [63]
Lab experiment, Korea 38~46 [42]
Manchester, UK 66 [64]
Alsup 等[53]和 Berndtsson 等[50]报道,屋顶绿化
材料贡献了径流中适量的重金属.为了尽量减少潜
在的污染物损失,Dietz[3]建议安装绿色屋顶时应采
取预防措施.由于污染物的滞留和从绿色屋顶中释
放在很大程度上取决于介质的性质以及降雨
量[54-55],因此在以污染物去除为目标的地区,仔细
选择绿色屋顶的介质对于系统性能的优化至关重
要[48,56] .绿色屋顶安装之后,需要采取适当的维护或
矫正措施,以帮助从绿色屋顶介质中减少雨水径流
污染物[57] .另外,绿色屋顶在选取植物和土壤时均
需注意,种植植物一般选择当地耐旱、耐冷、耐高温、
根刺能力弱和控污能力强的植物(管理粗放、茎叶
肥厚的景天属植物是经常选择的植物类型),以减
少营养物质排放,避免植被干旱缺水[6,58] .
2 3 透水路面
透水路面(permeable pavements)是采用透水性
较好的材料所铺设的路面.目前使用较多的渗透性
路面铺设材料有水泥孔砖或网格砖、塑料网格砖、透
水沥青和透水混凝土等.孔砖和网格砖通常在空隙
部位种植草皮,或用砾石和沙土等进行填充,增强其
渗透能力和美观性.透水路面结构见图 4.透水铺装
设计目的是临时存储地表径流,使其渗透进入下层
土壤[65] .透水性路面使得暴雨径流很快地入渗到地
基土壤中,显著减少路面积水,因此在排水不便的道
路和交通流量不大的地区最为适宜.
透水路面对径流量的平均消减效率在 50% ~
93%(表 3).Gilbert等[67]研究发现,碎石填充孔砖比
沥青路面产生的径流少 72%.Dreelin 等[68]在降雨量
和降雨强度都较小的情况下,比较了沥青路面停车
场和透水路面停车场的径流量,发现后者产生的径
流较前者少 93%.Drake 等[69]对 3 种局部渗透的透
水路面研究发现,其平均减少 43%的出流和 91%的
径流峰值.Fassman等[70]研究表明,透水路面技术可
以一定程度上恢复区域开发前的水文状况.
透水铺装对 TSS 和营养物质(TP 和 NH3⁃N)的
平均削减范围在 9%~94%(表 3).一些研究发现,从
图 4 透水路面结构图[66]
Fig.4 Structure chart of permeable pavement[66] .
4091 应 用 生 态 学 报 26卷
表 3 透水路面对径流和污染物的消减效率
Table 3 Reduction effectiveness of permeable pavement on runoff volume and pollutants (%)
地点
Location
径流
Runoff
总悬浮物
TSS
总磷
TP
氨氮
NH3 ⁃N
铜
Cu
铅
Pb
锌
Zn
文献
Reference
Lab experiment, Germany - - - - 98 99 95 [74]
Florida, USA 50 >75 >75 >75 >75 >75 >75 [77]
Lab experiment, Germany - - - - >85 >85 >85 [78]
Georgia, USA 93 - 10 - - - 80 [68]
Lab experiment, Australia - 94 - - - - - [79]
Adelaide, Australia - - - - 94~99 94~99 94~99 [80]
Ontario, Canada - >80 9~82 81~87 50~62 - 62~82 [81]
透水路面流出的径流中 NO3
- ⁃N 浓度有所增加[71] .
透水路面对重金属 Cu、 Pb 和 Zn 的去除效率在
50%~99%(表 3).Kellems等[72]认为,利用有机介质
可以加强透水路面对地表径流的净化作用,通过有
机介质的作用能去除约 95%的溶解态铜和锌,但对
N和 P 的去除效果却不是很理想,出现了释放磷酸
盐(PO4 3
- ⁃P)和 NO3
- ⁃N 的情况. Dierkes 等[73]试验
分析证实,透水路面具有从径流中截留溶解态重金
属的能力,所以没有地下水污染的危险.但有研究者
发现,金属会迅速积累在路面上层 2 cm 处,在随后
的径流事件中会造成更大的污染风险[74] .
在实际使用过程中,堵塞和污染等会影响透水
路面的渗透效果.Bean 等[75]建议,不论采用何种类
型的渗透性路面,都需要进行定期的清扫和维护,去
除表面和空隙中的细小颗粒物和杂质.此外,仔细评
估透水路面的合理位置以实现高的渗透性能也至关
重要[75-76] .
2 4 LID模型模拟研究
由于长期的实地监测资料不易获得,以及监测
力度被有限的周期和高成本的监测规范条件所限
制,利用模型模拟 LID 设施长期的性能成为一种研
究趋势.模拟建模可以从不同的空间(从场地到流
域)和时间(从单一事件到长期模拟)尺度提供有价
值的预测信息.目前,模拟 LID 的最常用软件有
SWMM、SUSTAIN 和 L⁃THIA⁃LID.通常,评估这些措
施水文和水质效果的模型方法有两种.第一种方法
以表征过程为特点,旨在 LID 实践中分析模拟水文
和水质过程(如渗透、沉降、吸附、蒸散、沉淀和转化
污染物),如 SUSTAIN 和 SWMM 模型,适用于 LID
设施的设计、建造和方案优化;但是模型的应用需要
深入分析和专业技能,超越了一般公众的操作应用
能力[82-83] .第二种是使用聚合方法将 LID 实践作为
一个整体表征,通过组合所有复杂的水文过程,使得
模型执行某个参数就可以模拟措施对径流和水质的
效果.通常这种方法用来比较不同开发情景下的水
文效应,以突出 LID实践在规划和决策中的有益用
途.如 L⁃THIA⁃LID模型可以作为 LID方案综合信息
的快速筛查工具,但缺点是它并不一定适合最佳解
决方案的设计和研究[84-85] .
虽然越来越多的 LID 模型在模拟实践中被应
用,但现有的模型也存在一些不足.如现有的模型没
有有效整合水文学参数和将一些重要的水质参数以
及一些污染物去除过程加入模拟过程中,这些因素
限制了模型预测渗透区域暴雨径流和污染物负荷的
可靠性,因此很大程度上限制了 LID技术的应用;一
些设施(如洼地或渗透沟槽)的渗透水量并没有计
算增加到土壤或地下水中,限制了模型对补充地下
水的预测[4,86] .
2 5 LID成本效益分析
LID设施成本效益分析的方法主要是通过与传
统雨水设施的成本效益对比分析.由于雨水可以通
过 LID设施渗透、蒸发和过滤,一方面可以减少传统
排水系统中修建路缘石和管网等基础设施的费用;
另一方面通过有效控制更多的径流、减少溢流和污
染物排放的次数,可以提高传统排水系统的使用寿
命,降低维护成本.一些研究尝试通过生命周期成本
分析来综合比较两者的成本[87-89],但面临着运行和
维护成本数据缺乏或者难以获得的问题.目前的研
究多关注对设施建造安装的成本估算,很少计算比
较两者的运行和维护成本[90] .然而,LID设施建造中
的花草种植、场址准备、土壤修复、修建暗沟以及后
期管理维护等都会造成较高的成本.与大多数的新
技术类似,LID作为一种新兴技术,在发展和采用初
期的安装成本会较高.但随着时间的推移、工程师、
建筑师和景观设计师的改进设计及供应商数量的扩
大等,均可以帮助 LID技术减少建设成本.尽管与传
统的排水系统相比,LID设施建设成本可能较高,但
LID技术在消减利用雨水的同时,可以提供一系列
50916期 刘 文等: 城市雨洪管理低影响开发技术研究与利用进展
的生态系统服务以及相关的经济、生态和社会效益,
如缓解内涝、改善水质、增加地下水补给、保护下游
水资源、减少雨水设施公共支出、降低周围空气温
度、减少能源消耗、改善空气质量、增加环境审美价
值和提升房地产价值等[91-92] .因此,LID 设施的成本
效益分析应该综合考虑设施的建造、运行和维护成
本,以及雨洪消减利用的环境和经济效益.
2 6 LID技术管理体系
LID技术的选择应该遵循最佳技术选择过程,
而不是简单地确定一项给定的技术来实现.图 5 展
示了美国 AquaShield公司提出的渗透优先、收集、过
滤和处理的 LID技术选择顺序[93] . 如果优先技术由
于场地的条件限制不能实施,就依照顺序选择下一
项技术.以此类推,直到适当的技术可以被利用.对
于不同的地区和场地,还要根据不同的设计目的,考
虑成本效益以及结合最优技术选择来具体实施.
LID 技术作为新兴的雨洪资源调控措施,其概
念的很大部分已超出传统的市政工程范畴,更多地
涉及到城市规划、土地利用和景观设计等城市管理
的各个方面.因此,LID 技术的设计和实施需要城市
中这些部门之间充分的协调.另外,由于雨洪的季节
性等特点,城市雨水管理应该与城市其他水资源的
管理结合在一起,构建可持续的城市雨水管理体系.
迄今为止,美国、德国和日本已形成了较为成熟
的雨水利用管理体系.该体系以法律法规为基础来
切实保障雨水利用的普及推广.如美国联邦法律要
求所有新开发区强制实行“就地滞洪蓄水”,科罗拉
多和卡罗莱纳等州也制定了雨水收集利用的法规和
条例,确保雨水利用的实施与普及.德国的法律明确
规定,雨水在进入污水管道之前必须就地入渗消纳,
或收集处理后再回用,只有超量和污染程度较高的
部分才能排入市政管网.另外,在美国,政府通过总
税收控制、发行义务债券、联邦和州政府给予补贴与
图 5 LID技术选择金字塔[93]
Fig.5 LID technology selection pyramid[93] .
贷款等一系列的经济手段鼓励雨水的资源化利用.
德国和日本也分别通过雨水排放费和补助金制度等
经济手段鼓励用户采用雨水利用技术.
3 国内研究进展
20世纪 90年代,北京、上海和南京等地的一些
科研工作者开始进行雨洪控制利用的相关研究.最
近几年,有学者陆续开始关注 LID技术理念,并进行
了一些技术及应用方面的探索研究[94] .俞孔坚等[95]
从生态基础设施的角度,以可持续水资源和水环境
保护为目标,从合理的土地利用和减少环境的不良
影响等方面进行大量研究.王建龙等[5]以城市雨水
系统为切入点,进行了大量城市雨洪控制与利用等
方面的跨学科创新性应用研究.目前,国内在 LID 单
项技术措施的研究水平上,与国外发达国家的差距
不断缩小或与国际同步[94] .国内一些学者对 LID 措
施在消减径流和污染物等方面进行了监测和模拟研
究,取得的研究结果与国外相似.如:一些研究证实
了生物滞留池显著的径流消减和对总悬浮物及金属
等污染物较好的去除效果,但是对氮磷等营养物质
的去除效果不稳定[96-99] .对绿色屋顶的研究也发现
能有效消减径流和改善水质,但对硝态氮的去除存
在困难[100-103] .很多研究表明,在不同的暴雨条件
下,下凹式绿地的雨洪消减和蓄渗效果明显高于平
式和凸式绿地[104-106] .对透水铺装主要在径流消减、
径流入渗和水质等方面进行研究[107-108] .此外,一些
学者应用 SWMM 和 SUSTAIN 等模型模拟分析了下
凹绿地、绿色屋顶、植草沟和透水铺装等 LID设施对
暴雨径流的消减效果[109-111] .
长期以来,我国在城市规划中对雨水资源的综
合利用方面一直缺乏足够重视.随着国内许多城市
洪涝事件的频繁发生和城市水资源紧缺的加剧,限
制了城市可持续健康发展.城市内涝控制、雨水资源
化利用、面源污染控制以及景观与生态环境改善等
方面的迫切需求,为 LID 措施的推广应用提供了广
阔前景.近些年,我国陆续出台了相关的政策、技术
标准、规范和指南.例如,国家先后颁布了《建筑与小
区雨水利用工程技术规范》 (GB 50400—2006) [112]
和《室外排水设计规范 》 2011 版 (GB 50014—
2006) [113];2014年 10月住建部发布了《海绵城市建
设技术指南———低影响开发雨水系统构建 (试
行)》 [114] .北京市也发布了《雨水控制与利用工程设
计规范》(DB11 / T 685—2013) [115]等地方标准规范;
深圳市出台了相关的技术规范如《雨水利用工程技
6091 应 用 生 态 学 报 26卷
术规范》(SZDB / Z 49—2011) [116] .昆明、南京、无锡、
镇江和广州等城市也先后出台了雨水利用政策.这
些政策、设计规范和指南对于推动我国城市雨水利
用的发展、推广 LID技术应用和工程实施起到了积
极重要的示范作用[117] .
工程示范方面,近年来我国一些发达城市如北
京、上海、宁波、天津、杭州、成都、深圳和武汉等都相
继开展了 LID技术的工程应用与示范.典型的工程
案如:北京建筑工程学院城市雨水与水环境研究团
队所做的宁波某新开发区、深圳市大梅沙万科中心、
天津东丽湖万科生态住宅区和北京东方太阳城等雨
洪控制和水环境设计规划.
我国在 LID技术研究与应用上主要是借鉴国外
先进理念和经验,尚未形成完善的理论和技术体系,
应用和实践还处于起步阶段,与 LID 相关的产业也
未形成,推广缓慢,普及率低[118] .其主要原因有以下
几个方面:1)很多对 LID 技术措施的研究仅局限在
某些具体措施上,缺乏对 LID 全面、系统深入的监
测、模拟和评价研究.2)很多模拟工作都是对研究对
象抽象化的情景,脱离了研究区域土地利用的实际
规划情况,缺乏监测数据验证,导致模拟结果不足以
指导 LID 措施的设计和建造.3)缺乏适用于我国国
情的全面的 LID技术指导手则与设计规范和标准,
设计和施工等领域的专业人员找不到相关依据,导
致实际操作困难大.4)目前尚缺乏对 LID 各项措施
使用寿命期的成本计算数据及计算工具,故而限制
了 LID成本与效益的有效分析.5)建筑、景观设计、
环境工程等相关专业工程技术人员未能广泛、有效
地将雨洪控制利用与建筑、景观规划相结合.6)缺乏
相关政策、法规及奖励措施,使得业主方没有动力和
依据去采用 LID措施,从而导致 LID 技术的工程落
实积极性差.7)缺乏相关知识的培训和普及,人们还
没能普遍意识到 LID技术对环境和对自身带来的益
处,因此公众的参与率低,缺少大众的理解和支持.
以上这些都为 LID技术在国内的发展和推广应用增
加了不少障碍[94,117-118] .
4 结论与建议
与传统的雨洪管理不同,LID 技术是通过恢复
自然的水文特征来消减和利用城市雨洪资源.国外
对 LID技术在措施效果、影响因素、模型模拟、成本
与效益、运营与维护,以及相关政策和法规等方面的
研究已取得了丰硕成果.大量研究表明了 LID 实践
在缓解城市化对水文和水质影响方面存在巨大潜
力.根据 LID技术在国内外已取得的研究进展和国
外设计管理的经验,为更好地促进 LID 技术在国内
的研究与应用,提出以下建议:
1) 在技术研究方面:需要对 LID 技术做全面、
系统的深入研究.选择合适的技术进行 LID 设施长
期的性能监测,收集连续数据来评估 LID 系统在不
同空间和时间尺度以及气候条件下的消减效果;需
要对难检测污染物的去除效果、绿色屋顶改善水质
的效果以及流域和区域尺度 LID实践的水文水质效
应等方面进行深入研究;需要针对 LID 设施的结构
和介质材料开展深入研究,尤其是选择的植物需要
适应不同季节的气候条件,使设施性能在全年都能
较为稳定,确保 LID技术能在更广泛的条件下得到
较好的应用效果.
2) 在模型方面:模拟研究需要结合研究区域土
地利用的实际规划情况,用监测数据验证模型的准
确性,以指导 LID措施的设计和建造;需要有效整合
水文学参数和一些重要的水质参数,以及一些污染
物去除过程加入到模拟过程中;增加模型用于补给
地下水的预测;在集水区水平上研究场地设施的消
减性能,在流域尺度上检测模型的预测效果;结合
LID实践开发易于使用的决策支持工具,将水力和
水质预测与费用模型、环境风险分析等模型结合到
LID模型中进行综合评估.
3) 在技术设计方面:需要构建 LID各种技术的
选择管理体系,如表面渗透、地下渗滤、雨水收集和
生物过滤等优先顺序;在设计 LID措施的方案时,要
综合设计目标、研究区域的气候要素、地形条件、土
壤要素和成本效益等诸多因素全面设计,选用最经
济、最合理的 LID措施及空间布置,来实现雨水资源
管理和水质调控等目标;加强各部门之间的协作,有
效地将雨洪控制利用与建筑、景观规划相结合.
4) 在政策法规、经济调节和公众认知方面:应
加强雨水收集利用的立法工作,尽快完善法规体系
建设,加强政策引导,使其步入法制化和正规化的轨
道;应通过雨水排放许可证制度等措施,保证城市雨
水利用的实施;运用收费、补贴、奖励和罚款等经济
手段,培育并开拓雨水利用市场,提高落实 LID措施
的积极性,实现雨水利用的稳步发展与规范化管理;
应通过各种渠道普及相关知识,转变公众观念,提高
群众参与的积极性,促进节水型社会的建设.
5) 在技术标准方面:应在充分借鉴国外应用案
例和标准的前提下,结合国内的实际情况,考虑经济
条件和环境状况的差异,开展相应的 LID 技术的实
70916期 刘 文等: 城市雨洪管理低影响开发技术研究与利用进展
验研究、模型评估和管理体系构建,并通过示范工
程,加快制定适合我国国情和不同城市特点的 LID
技术标准.
6) 在技术实施层面:因地制宜,根据地区条件
选择适宜的 LID技术实施,对土壤渗透性不好的地
区和地下水位很高的地区不易选择渗透设施;建议
采取入渗、收集回用和调控排放等形式的组合措施
配置,提高 LID系统的稳定性,实现效益的最大化;
建议将潜在污染负荷高的地区的雨水进行收集处
理,而对建筑密度或交通流量较低地区相对洁净的
雨水进行渗透,一定程度上降低地下水污染风险;更
加系统地将 LID措施与当地已有的雨水调控措施有
机结合;在景观绿化工程建设中应充分考虑绿地对
雨洪调蓄的作用,尽量恢复区域的自然水文状况;市
政设施的改建、扩建项目应首先考虑是否能将 LID
技术融入其中,提高排水系统的运行能力;在 LID措
施实施以后,应该注重对设施的管理和定期维护,在
雨季来临前和雨季期间及时清扫和清淤,确保设施
安全正常运行.
LID技术在城市雨水资源化利用及生态环境保
护方面的显著优点,决定了其广泛的推广价值及应
用前景.今后随着 LID技术在实地监测、性能评估以
及模型模拟、工程实践、法规标准出台和科普推广等
方面工作的不断深入,定会推动 LID 实践在我国快
速的发展和广泛应用,充分发挥其对城市水资源管
理、环境保护和可持续发展的重要作用.
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作者简介 刘 文,男,1985 年生,博士研究生.主要从事城
市水文过程模拟和水资源评价研究. E⁃mail: liuwen08@ lzu.
edu.cn
责任编辑 杨 弘
2191 应 用 生 态 学 报 26卷