摘要：生物滞留池是一种采用分散方法，从源头削减雨水和控制污染物迁移的高效LID措施。从水文效应、水质处理及模型建立三方面回顾了国外生物滞留池的研究现状，对生物滞留池用于国内城市雨水径流控制展望如下：在满足水量负荷下对溶解性N和颗粒悬浮物去处的研究;生物滞留池长期运行稳定性研究，包括填料的二次污染和自然再生等;生物滞留池水力模型和水质模型的研究，模型研究必须与上述理论研究相结合，以减少实验周期和优化实验参数。

1引言

1.1城市雨水径流产生的问题

城市土地利用导致的地表不透水表面面积的剧增，造成城市雨水径流流量显著增加，流速加快，洪峰产生时间缩短，而城市雨水管网无法及时排走所汇聚的雨水，在城市水文活跃区很容易发生内涝现象，譬如，2010年住建部对国内351个城市开展了排洪能力专项调研，结果显示，

“2008年-2010年间，有62%的城市发生过不同程度的内涝，其中内涝灾害超过3次以上的城市有137个，在发生过内涝的城市中，57个城市的最长积水时间超过12小时。

所以，当务之急是如何有效地预防和控制城市内涝再次发生。同时，不透水性地面的显著增加将导致城市雨水下渗量的减少，地下水补给量降低，而人类对地下水资源的不断利用又加剧了地下水水量的降低，引起水质恶化、地面沉降等诸多问题。城市雨水径流除了带来洪涝灾害和水资源短缺等问题外，还会通过冲刷城市表面(如道路、屋面等)的沉积物和淋洗大气中的污染物而产生面源污染。

20世纪70年代以来，国外开展了城市降雨径流污染物输送过程及其对受纳水体影响方面的研究，证实了城市降雨径流污染的严重性;我国从20世纪80年代开展了城市非点源污染研究工作，得出城市雨水水质有相当程度的污染，尤其是初期雨水，COD可达2000 mg/L。城市雨水污染成分主要包括有机或无机化合物、氮、磷、金属和油脂类，暴雨引起的污水溢出(雨污合流)又会使雨水中污染物成分更加复杂，加之城市的热岛效应，雨水径流携带的热量也会对受纳水体造成热污染。

“总之，城市雨水径流主要从流量、流速及污染物产生与输送三方面对城市水环境造成巨大压力，必须引起高度关注。

1.2雨洪控制与利用

针对城市雨水径流带来的严重污染与危害，雨洪控制与利用在一些发达国家逐步发展并形成了比较成熟的理论和技术体系，且有广泛的工程运用。今年来美国等发达国家提出了一种基于模拟自然水文条件原理，采用源头控制理念实现雨洪控制与利用的低冲击开发模式LID，LID的目标是尽可能维持或恢复某个开发区域开发前的水文特征，其分类与BMPs类似，包括结构性措施(生物滞留池、草地渠道、绿色屋顶、透水性路面等)、非结构性措施(街道和建筑的合理布局等)及两者的有机结合。

生物滞留池是一种采用分散方法，从源头削减雨水和控制污染物迁移的高效LID措施。国内对雨洪控制与利用的研究和运用起步较晚，至今，只在北京、上海、深圳等大城市开展了规模有限的雨水污染物控制和雨水利用研究，虽然部分城市认识到了雨水径流不仅仅会造成城市内涝，也会带来水资源短缺和面源污染等问题，但仍只是注重防洪排涝而以及时将城市雨水收集排出为主，更不用说从生态角度来看待和处理城市雨水径流产生的问题，忽略了雨水也是一种宝贵的资源。

1.3生物滞留池的发展

目前国外对生物滞留池已经开展了广泛和深入的研究，主要内容集中在以下几个方面：

(1)水文效应研究，如生物滞留池的长期渗透性及其对雨水径流流量的影响等;

(2)污染物去除效率研究，包括营养物、油脂、重金属、悬浮物及致病菌等
 

(3)生物滞留池系统水力模型和水质模型研究。所以本文总结了国外生物滞留池在水文效应、水质处理及模型建立方面的研究进展并提出了一些思考，以期为国内生物滞留池的运用及设计提供参考。

2生物滞留池水文效应研究

2.1水文效应

“国外对生物滞留池的水文效应研究主要集中在滞留池渗透性和其对雨水径流流量、峰流流量及汇流时间影响等方面。

LeConstumer等通过柱形试验研究了生物滞留池系统长期的渗透特性，得出土壤填料的渗透率在前4周快速降低，之后趋于稳定，随着水力负荷的增加，渗透率降低速度加快。Dvais等对马里兰大学的二组室外生物滞留池开展了水文效应研究，结果表明，在49次降雨事件中，生物滞留池能有效降低雨水径流流量，峰流流量大约能被降低49%~59%，峰流的平均产生时间也被分别延迟5.8倍和7.2倍。Hunt等研究了位于北卡罗来纳州三组不同地点的生物滞留池水力条件的运行情况，得出生物滞留池系统出流量与进流量之比从夏天的0.07增加到冬天的0.54，表明季节变化对生物滞留池水文效应有重要影响，冬天温度较低，其蒸发量相对较少，所以出流量相对较高。

从目前研究方向来看，生物滞留池作为一种新型的LID措施，其对城市雨水径流具有较好的滞留作用，但大多数研究只是偏向于单个系统而言，很少从生态角度来考虑生物滞留池对整个城市生态水文效应的影响，如生物滞留池的建立对城市雨水径流控制、地下水补给、河道侵蚀等水文效应的影响。

3生物滞留池水质处理研究

3.1营养物(N、P)的去除

“生物滞留池对N、P的去除效果变化较大。

Davis等研究了生物滞留池对营养物的去除效果，结果表明，实验中总P的去除率为70%~85%(质量去除率为82%)，凯氏氮(TKN)去除率为55%~65%(质量去除率为86%)，但NO3-的去除率较低，部分装置甚至有NO3-的生成。

Davis等研究表明，NO3-的去除率较低可能是由于雨水间隔期内发生过氨化及硝化作用，晴天时NO3-在生物滞留池未饱和土壤中积累，等降雨后再释放出来，所以才导致了NO3-的去除率偏低。

Hunt等也研究了二组生物滞留池对N的去除效果，结果表明生物滞留池对TN的去除相差不大，质量去除率都为40%，但第一组中TKN和NH4+的去除率很低，分别为4.9%、0.99%，而NO3—的去除率为75%，第二组中TKN和NH4+的去除率分别为45%和86%。第一组生物滞留池中有部分土壤饱和，产生了反硝化作用，所以NO3-的去除率较高，而第二组填料是较均质的砂土和有机质，所以对NH4+有较高的滞留作用。

为了提高NO3-的去除率，Kim等通过在生物滞留池底部设置了一个饱和区来为微生物反硝化作用提过缺氧环境，同时实验表明破碎报纸能很好的为反硝化作用提供电子，柱形实验和大尺度实验证实了这种介质和装置对NO3-具有很好的去除效果，NO3-的质量去除率为80%。

然而，Dietz和Clausen等研究表明，虽然在生物滞留池底部设置了饱和区，但是NO3-的去除率并不一定会提高。总之，为了提高生物滞留池对营养物的去除效果，很多室内和场地实验被开展，生物滞留池的结构、填料及植物种类对营养物的去除起重要作用，但目前对滞留池系统中微生物的研究较少，更别说从整体角度来定性、定量的研究结构-植物-微生物-填料体系对营养物的去除。

3.2重金属的去除

“生物滞留池对重金属的去除一般选择Cu、Pb、Zn作为代表。

Davis等研究了生物滞留池对这三种重金属的去除效果，结果得到，三种金属的去除率都在97%以上，而通过对填料样品中重金属的含量进行分析，表明生物滞留池覆盖层对重金属的吸收起主要作用，雨水的pH、持续时间、密度及重金属浓度对去除效果影响不大。Glass和Bissouma等除了研究生物滞留池对常见的三种重金属的处理效果外，还研究了对Cd、Cr、Al、Fe和As的去除。Cu、Cd、Zn、Cr、Pb、Al、As、Fe的去除率分别为81%、66%、79%、53%、75%、17%、11%、53%。大多数金属的去除率不高可能是由于生物滞留池缺少相应的维护，而Al和As的去除偏低，可能是由于这两种金属浓度接近检测限，以致测量结果不太准确。由于重金属会在生物滞留池里累积，所以必须考虑填料的饱和周期。延长饱和周期的方法之一就是可以通过收割植物来达到，但是Sun和Davis的研究表明，土壤填料对重金属的滞留一般为88%~97%，而重金属在植物的累积只有0.5%~3.3%，根系对重金属的吸附明显高于根茎部位，所以如果单位面积植物产量较低，那么实现填料饱和再生就很困难。

虽然生物滞留池对重金属的滞留效果较好，但是重金属在滞留池的富集也给系统稳定、安全的运行带来困扰，所以必须考虑到生物滞留池填料可能给环境带来的二次污染。

3.3油脂的去除

Heieh和Davis等通过柱形试验研究了18种不同土壤填料对污染物的去除，最后得到，对于所有填料而言，油脂的去除率都大于96%。而Hong等考虑了油脂在滞留池的累积和降解作用，发现有机碳去除率为83%到97%，而被覆盖层吸附的有机碳可以在3-10内被生物降解掉。

Hong和Davis等发现被覆盖层吸附的萘、甲苯、油和颗粒萘分别在大约3，4，8，2天后，大约90%都被生物降解，结果证实了覆盖层对雨水中的油脂去除具有较好效果。从大多数研究来看，生物滞留池对油脂的处理效果较好，油脂也可以很快被生物降解，但是最好可以将其与重金属一起来考虑，以研究填料长期运行的饱和性问题，因为这两种物质大多都是在覆盖层被吸附滞留的。

3.4 TSS的去除

“TSS含量较高一般也意味着水体中有机物、重金属和其他特殊性物质含量较高。

大多数研究表明，生物滞留池对TSS的去除效果并不稳定。Hsieh和Davis等开展了12组柱形生物滞留池实验，得到系统刚开始运行的6小时内，沉淀物有流失现象，但是最后TSS的去除率较高，为91%。而在马克里大学的研究表明了生物滞留池对TSS的去除效果并不好，23次降雨中，TSS滞留率，第一组是54%，第二组是59%，而且二组滞留池都有沉淀物流失现象。Li和Davis等研究了生物滞留池内悬浮物的过滤机理，结果发现，填料对悬浮物的吸附将会导致填料分层现象，细小的土壤颗粒在上层，因为悬浮物被吸附后改变了细小颗粒的渗透性，这也说明了上层滤料可能由于悬浮物被吸附而出现阻塞现象，根据实验结果，可能每年要对上层2-20cm厚的滤料进行更换才不会出现堵塞现象。有必要在填料堵塞中考虑植物和覆盖层的影响。

3.5致病菌的去除

虽然雨水中致病菌的含量较低，但是由于雨水可以直接与人体接触，给人类带来健康威胁，所以有必要降低雨水中致病菌的数量。Rusciano和Obropta等通过柱形试验得到生物滞留池能有效降低雨水中致病菌的数量，其中，粪大肠菌群数被平均降低91.6%，在北卡罗来纳州进行的2年多的长期监测也证明了生物滞留池对致病菌能有效去除。生物滞留池对致病菌的有效去除也可以加速雨水的再生利用。

4 思考与展望

今年来，基于生物滞留池在改善城市雨水径流方面取得的良好效果，其已成为一种高效的LID工程措施。然而，总体来说生物滞留池用于城市雨水径流控制方面的研究还很缺乏，如何合理设计、维护生物滞留池，使之能有效减缓或者消除城市开发所带来的水环境问题将是今后的研究热点。本文总结了国外生物滞留池在水文效应、水质处理及模型建立等方面的研究进展，现对生物滞留池用于城市雨水径流控制方面做一些展望：

(1)既能满足对城市雨水水量的控制，又能有效、稳定地去除大部分污染物的生物滞留池的研究。如通过改变生物滞留池系统结构设计，优化填料及植物种类，在不降低进水负荷前提下提高对溶解性N和颗粒悬浮物的去除效果。

(2)生物滞留池长期运行稳定性研究，特别是重金属、油脂及磷类会在生物滞留池内积累而使填料达到饱和，除此之外，还要考虑到填料可能对环境造成的二次污染，而填料自然再生是个很好的选择。