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雨水花园改善城市雨水径流水质的研究进展
雨水花园改善城市雨水径流水质的研究进展
蒲清三1
（1.重庆文理学院材料与化工学院2013级环境科学二班）
摘要：
为进一步提高雨水花园对地表径流水污染的处理的效能，采用资料收集与分析的方法，总结了近年来国内外应用雨水花园技术去除降雨径流污染物的研究现状。
阐述了雨水花园的构造与功效、设施的净化机理、对各污染物的去除现状，并对现今难以去除的氮、磷做了详细的分析，对其影响氮、磷去除效果的因素做了总结和一些解决问题的方法。
还对未来在雨水花园中的研究进行了展望。
为该技术的完善、我国生态城市的建设和城市雨水径流中污染物去除提供借鉴与参考。
关键词：
雨水花园；城市雨水径流；脱氮、磷；进展
近年来，随着我国城市化的快速发展，人民生活水平的提高，城市污染也日渐严峻。
道路作为城市汇水面的重要组成部分，地表径流是城市雨水污染的主要污染源之一[1]。
而大量天然绿地被不透水下垫面取代，径流水得不到净化，雨水径流污染也越来越严重[2]。
雨水花园就是一种较好的雨水净化与处理技术，也是一种生物滞留设施。
它不仅能净化雨水，还能起到景观的作用。
1雨水花园的结构与功效
1.1雨水花园的结构
雨水花园主要由以下五部分构成（如图）：
蓄水层、覆盖层、植被及种植土层、人工填料层和砂砾层[3]。
雨水花园主要是通过土壤和植物的过滤作用净化雨水，同时通过将雨水暂时滞留而后慢慢渗入土壤来减少净流量。
它是城市暴雨最佳管理措施之一，它的适用范围也比较广泛，如：
城市公共建筑、住宅区、商业区、停车场、道路、别墅区、旅游景点等的周边。
1.2雨水花园的功效
雨水花园主要通过突土壤和植被的物理、化学及生物作用来处理雨水，具有以下功能[4]：
1.2.1可以有效去除径流中的悬浮固体颗粒，有机污染物及重金属离子、油污物质及病原体等。
1.2.2雨水花园中植被的截留作用以及土壤的渗透作用能降低雨水径流的流速，削减净流量，减少洪涝灾害，而且雨水下生渗还可以补充地下水。
1.2.3雨水花园蓄积雨水的蒸发吸热及植物的蒸腾作用可以调节空气的湿度和温度，减轻热岛效应改善周围的环境。
1.2.4雨水花园营造的小生态环境可以为一些鸟类级蝴蝶、蜻蜓等昆虫提供食物及栖息地，通过合理设计可控制雨水滞留时间，避免孳生蚊虫，因此，雨水花园具有很好的景观河生态效果。
2雨水花园设施净化水质的机理
在雨水花园系统中，植物、填料、微生物只起截留及降解污染物的三个净化作用主体，植物和微生物在雨水花园系统中起着重要的作用。
对于植物，一方面，植物根系可直接吸收营养元素并降解有机物；另一方面，植物根系分泌物和庞大的比表面积为微生物生长提供了能源和附着场所，而且微生物的活动有助于营养元素的转化，促进了植物的生长；其次，植物根系的生长可以延缓土壤板结和防止土壤孔隙堵塞。
对于微生物，微生物群可以降解雨水中的有机物，还可固定无机物，植物与微生物的协同作用，促进了雨水花园净化水质的能力[5]。
再者，土壤也可以暂时固定一些无机物，为植物根系吸收营养物质提供了原材料；土壤还可以截留雨水中的固体颗粒物，这些颗粒物可以通过微生物的分解作用而清除。
3雨水花园对污染物的去除效果
论文总结了近几年国内外应用雨水花园控制城市降雨径流污染的主要研究结果，如下表所示。
表1雨水花园对城市雨水径流污染物去除率%
研究者
TN
TP
TSS
细菌病毒
重金属离子
油脂
孟莹莹等[6]
79.1
79.2
90.6
李家科等[5]
33-66
35-65
97
70
24-99
99
LowaState[7]
50
60
80
70-100
45-95
表2雨水花园对城市雨水径流中TSS的去除情况[8]
研究场所
入流/mg/L
出流/mg/L
去除率/%
美国马里兰大学帕克学院停车场
34
18
47
美国马里兰大学帕克学院停车场
34
13
61.8
美国北卡罗来纳大学夏洛特分校
49.5
20
59.6
新罕布什尔州大学雨洪研究中心
971）
罗威特隆赫姆市城市道路
2900-9600
<10
>99
实验室
150
6-107
39-96
澳大利亚莫纳什大学
50
>95
注：
1）为负荷削减率
表3雨水花园对城市雨水径流中磷的去除情况[8]
研究场所
入流/mg/L
出流/mg/L
去除率/%
美国马里兰大学帕克学院停车场
0.61
0.15
75.4
美国马里兰大学帕克学院停车场
0.61
0.17
72.1
美国北卡罗来纳大学夏洛特分校
0.19
0.13
31.6
实验室
3.00
0.46-2.90
4-99
美国北卡罗来纳州格林斯博罗
0.11
0.56
负值
美国北卡罗来纳州路易斯堡
0.29
0.18
37.9
实验室
3.00
0.05-1.60
46.7-98.3
表4雨水花园对城市雨水径流中氮的去除效率（%）及进出水浓度（mg·L-1）[9]
研究者
TN去除率
NH3-N去除率
NO3-N去除率
TKN去除率
Hunt等
32.1
70.6
-4.8
44.4
Davis等
45.9
-
-44.1
55.9
Hatt等
30.8
0
-150.0
54.5
BrownandHunt
-47.9
75.9
-347.4
28.0
Blecken等
-66.7
50.0
-45.0
42.9
Read等
-65.7
-303.5
78.9
-166.7
LiandDavis
--23.1
-
-42.8
0
Passeport等
8.4
76.6
21.4
54.5
LiandDavi
-4.5
>66.7
-132.1
23.6
Li等
-118.2
53.2
1.1
71.0
Payne等
68.8
94.0
75.0
66.7
RandallandBradford
-43.1
-
33.3
-128.6
Winston等
61.5
27.3
56.3
43.1
Yang等
-
-
78.0-91.0
-
Palmer等
-133.3
-
39.3
-
BrownandHunt
79.6
91.3
44.7
88.1
DebuskandWynn
-46.2
-
-
-
BrownandHunt
35.0
-
-
-
米秋菊和米勇
32.5
-
6.1
80.0
潘国艳等
17.6
-
-
-
孟莹莹等
73.9
77.9
-
-
朋四海等
-
80.0
61.0
-
Chen等
35.7
76.0
60.0
-25.0
注：
“-”意思是未测；
众多研究表明，雨水花园设施对雨水径流中的悬浮颗粒物、重金属离子、油脂类、病毒等污染物有较好的去除效果，而对氮、磷等营养物质的去除效果有一定的波动性，尤其是对氮的去除，下面对各污染物的去除现状做详细分析。
3.1TSS的去除现状
由表2可知，雨水花园对TSS的去除很明显，位于美国美国马里兰大学帕克学院停车场的两个雨水花园对TSS的去除分别达到了47%和61.8%；位于美国北卡罗来纳大学夏洛特分校的雨水花园去TSS的去除也达到了59.6%；而在罗威特隆赫姆市城市道路的雨水花园几乎达到了100%；胡爱兵[20]等指出雨水花园种植土壤填料中营养土的含量在5%-10%（相应壤质土的含量为30%-25%，砂的含量为65%）时，对雨水径流中的悬浮物的去除效果较好，去除率可达到98.5%。
可见雨水花园对TSS的去除效果非常明显。
3.2重金属的去除现状
李倩倩[21]等对天津三条主要交通干线雨水径流中的Cr，Cd，Fe，Hg五种重金属通过聚类分析法进行了研究，研究表明雨水径流中重金属污染严重，而且重金属主要以悬浮固体吸附的形式或重金属颗粒形式存在。
同样，王文全[22]等采用原子吸收光谱法对乌鲁木齐城区的三个采样点的Zn，Pb，Cd，Cu，Ni的含量进行了分析，发现道路径流中Zn，Pb，Cd污染较严重，而且符合“浓度初期冲刷”规律。
众人的研究表明，雨水径流中重金属污染较严重，而对这些重金属污染物的去除研究较少。
目前国内仅有李家科[5]等少数学者报道了雨水花园对重金属的去除，现有的研究表明雨水花园对Zn，Pb，Cr，Cu的去除能达到60%以上，颗粒态重金属通常被过滤截留，溶解态重金属主要被吸附；并且雨水花园对颗粒态的重金属去除效果较好而对溶解态重金属去除效果并不理想。
3.3油脂、病菌的去除现状
目前，油脂的去除大多采用油脂降解菌处理，而对雨水径流中的油脂的去除研究较少，有学者认为油脂主要通过雨水花园的填料吸附和微生物降解，而病菌这是被截留在填料层中，在干旱条件下自然死亡。
至今，雨水花园对油脂和病菌的去除机理仍然不清楚，还需要大量的试验和探索。
3.4磷的去除现状
影响磷去除的因素主要有pH、进水中磷的污染负荷、水力停留时间、填料的性能、温度等。
田玉红[10]等的研究表明，在偏酸偏碱的条件下，反应介质对磷酸根的去除都很差，pH值从小到大，对磷的去除率先增大后减小，在中性条件下，去除率最高；Barrow[11]认为，pH在6-时，溶解态的磷只要以正磷存在，而正磷容易被植物吸收。
综上所述，中性条件对磷的去除效过较好。
雨水花园对磷的去除能力随着浓度的增加而减弱，最终达到吸附饱和。
增加水力在雨水花园中停留的时间，可以提高对磷的去除，因为在这其间，聚磷菌和植物有做够的时间去吸收磷，还能增加填料中含有的铁、铝、钙等金属与径流中磷酸根的反应时间，从而除去更多的磷[12]。
当然，填料的选择对磷的去除也很重要，有研究表明，氮和溶解态磷对填料的性能很敏感[13]。
因此，填料的选择和中要，当填料对磷没有足够的沉淀和吸附能力，磷就会从填料中解析成自由态的正磷酸盐，导致磷的去除效率大大降低。
向填料中添加金属离子可提高磷的去除效率[14]。
综上，影响磷去除的因素很多，在实际应用中应选取适宜的运行条件：
①尽量保持雨水花园设施温度适宜、pH值偏中性的条件下运行。
适宜的温度，有助于微生物的生长于分解作用。
②对于进水磷负荷较高的污水可设置前置塘、植被过滤带等截滞处理，这样可以提前去除颗粒状的磷，减轻设施的负担，增强设施的去除效率。
③应选取根系发达、耐旱耐涝的本地植被。
3.5氮的去除现状
由表4可知，雨水花园系统对城市降雨径流氮素的去除并不稳定，不同学者的研究结果差异也比较明显，在统计的23个研究案例中，生物滞留系统对TN、NH3-N、NO3-N、TKN的平均去除率最高可分别达到79.6%、94.0%、91.0%、88.1%，最低可分别达-133.3%、-303.5%、-347.4%、-166.7%，正去除率出现频率分别为57.1%、80.0%、63.2%、75.0%；总体上看，对NH3-N、TKN的控制稳定性优于TN和NO3-N。
降雨径流氮素在雨水花园系统内的去除主要依靠植物吸收、微生物固定、沉积固定、完全反硝化产气以及不完全反硝化产气等途径。
在系统内部，无机氮首先被植物或微生物吸收同化/固定，然后，氮素在系统活体生物的作用下转化成有机氮，并通过渗沥、有机体死亡等途径回归土壤氮库，再经过矿化步骤释放氮素，释放的氮素又被微生物快速吸收。
氨化作用将暴雨径流和有机质中的有机氮转化成氨氮，氨氮进入雨水花园系统后，可以经过好氧硝化过程转化成硝态氮，也可以被土壤颗粒和土壤有机质吸附。
但是，植物吸收、微生物固定、沉积固定只是暂时性存储，永久脱氮只能依靠反硝化途径将硝态氮转化为含氮气体。
植物是雨水花园系统水处理过程的核心因素，对系统运行效能有重要影响[15]，一般来说，种植植物对于系统脱氮具有直接和间接双重作用。
直接作用包括氮素的同化利用、系统介质层长期多孔性好氧条件维护等；间接作用包括影响土壤根际和非根际微生物种群、涵养降雨间隔期间系统水源、影响土壤pH、提升硝化-反硝化反应速率等。
植物可以通过物理和生理过程影响雨水花园系统的反硝化能力，根系分泌物或衰亡的细胞可以提供碳源，促进根系区域氧化还原电位的多样性，异氧分解有助于形成缺氧条件，水淹条件下根系释氧可促生好氧条件[16]；植物根系为反硝化菌群提供了良好的附着生长条件，且不同植物的根际分泌物不同，微生物菌群响应也不同，与未种植植物的系统相比，种植植物更有利于反硝化脱氮；植物生物量与脱氮效率、土壤有机质均呈正相关关系，这意味着种植生产力较高的植物可以提高土壤有机质和反硝化速率；植物生长动力学也可以影响系统的反硝化潜力，有研究表明夏季或者雨季湿地系统反硝化能力高于冬季或旱季，可能是由于夏季硝态氮负荷较高、夏季后期植物生长达到极限的缘故[17]。
由于城市降雨径流常常面临碳/氮比例过低的现象[18]，需要外加碳源以满足生物滞留系统反硝化脱氮的需求，同时，碳源的添加有利于缺氧条件的形成，进而实现反硝化条件，提高氮的去除效率。
在生物滞留系统中设置淹没区以提高系统的脱氮效能是最近才发展起来的一种改良方式，多数情况下，淹没区设置在系统深层底部填料层（砾石或砂子）中，以免饱和基质层释放出营养物质，并通过出水口的升降调节深度[19]。
淹没区可以为植物生长提供永久水源，刺激植物根系的垂向伸长，这对于砂质滤料系统尤为重要。
淹没区还可以产生缺氧环境，在碳源充足的情况下可以促进反硝化的进行，显著提高系统的脱氮效能。
4结论与展望
1、雨水花园系统内氮素迁移转化驱动机制仍不明晰，尤其是植物吸收和微生物活动对氮素去除的贡献大小有待挖掘。
可借助同位素示踪、微电极在线检测等技术手段，表征系统内氮素多界面迁移转化过程的时空分布特征，阐释系统储氮动力学特点，解析气态氮生成途径，建立系统内氮素转化的机理模型。
同时，还应更加注重对系统研究的长期性，了解长期运行条件下系统填料化学性质的变化特点，以及脱氮历程的长期演变。
2、植物在系统运行生命周期中具有多重作用，植物不同对于系统脱氮、磷等效能的贡献程度也不同，种植植物是否影响了系统的脱氮、磷过程或其影响方式还不清晰，不同植物脱氮、磷功能差异的原因还存在很大未知空间。
未来研究可借助分子生物学技术揭示功能植物脱氮、磷的关键基因特征，阐释功能植物脱氮、磷的具体交互机制；同时，植物具有碳源的自然属性，还应深入发掘植物根系补碳的分子生物学机制，筛选、驯化适应范围更加广泛的功能植物种类。
3、目前，雨水花园对有毒有机物（如PCBs、PAHs等）、S的去除未见报道，对重金属、病菌、油脂的研究较少。
对他们的去除将是今后研究的重点。
4、雨水花园系统中植物、填料、微生物群落对净化效果影响的研究还存在较多不足，哪些植物是最佳的选择目前还没有具体的报道，对于雨水花园的具体构造也还没有一个统一的标准，最佳填料配方也还不明确，微生物群落对污染物的去除影响因素也还不明确。
5、目前，在我过关于雨水花园的研究大多基于小试验及模拟降雨的条件，对各种污染物的去除机理、影响因素等方面尚未完全搞清，也缺乏在实际工程中对理论研究结果进行验证以及对长期运行效果的考察。
因此，还需要大量的研究为目前众多问题的解决提供数据支持。
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