1.2 国内外研究现状与趋势

1.2.1 园林植物筛选

1.抗旱园林植物筛选研究

（1）抗旱树木研究。近年来，国内外许多学者从树木的水分生理生态，包括林木的水势和蒸腾作用、气孔反应、光合机制与抗氧化保护机制、渗透调节、保护酶体系、脂肪加氧酶、脱落酸等方面对林木耗水特性进行了研究，特别是在木质部空穴和栓塞方面取得一定的成就。树木的抗旱基因与遗传的研究，包括水通道蛋白、逆境信号转导、树木抗旱性的遗传变异性、遗传基因工程研究方面也取得一定进展。研究者在林木抗旱性评价研究领域所开发的一些方法为开展城市抗旱园林植物的筛选提供了一些有价值的思路，多数学者认为，确定若干科学、合理的生理、生化或分子生物学指标是成功进行树木抗旱性筛选的关键。

（2）灌木耗水及抗旱性研究。姚砚武等根据常绿阔叶树木对干旱胁迫的不同适应方式，应用多种测试手段，探索了多指标综合评价常绿阔叶树木树种间及树龄间的抗旱差异，并对其抗旱能力进行主成分分析，对按抗旱力大小进行了排序和分类。李淑琴等通过致死性干旱和致死性水涝处理，用生理生态方法，对冬青、绿冬青和无刺枸骨进行抗逆性研究，结果表明，随干旱的逐渐加重，3种冬青体内的游离脯氨酸含量呈上升趋势，比较而言，绿冬青上升的峰值出现早，冬青和无刺枸骨的上升峰值出现迟；绿冬青耐旱约15天，无刺枸骨耐旱约25天，冬青介于二者之间。3 种冬青均有一定的抗逆性，其中无刺枸骨对水胁迫的适应能力最强，冬青次之，而绿冬青相对较弱。陈娟等人对六种野生灌木的抗旱性进行了研究，并在园林绿地中应用后进行了抗旱性能的实地监测。

（3）草坪地被花卉植物耐旱性及耗水研究。草坪耗水性的研究一般使用草坪蒸散率表示。草坪蒸散率是指单位面积、单位时间内草坪蒸散的水量，其略小于草坪的耗水量，后者包括了草坪生长中组织内的含水量，但在研究和实际应用中常用蒸散率来表示草坪耗水量或草坪的水分需求。Beard、Carrow等人对不同草坪草的蒸散率进行了测定，结果发现暖季型草坪草和冷季型草坪草相比普遍具有较低的草坪蒸散率。20世纪90年代以后，Shearman、Kopec、Green等多位学者将草坪蒸散研究的重点由种间转移到种内水平，使人们对草坪的耗水特性有了更深入的认识。其研究结果表明，暖季型草坪草种内品种的蒸散率差异较小，24个狗牙根品种间，蒸散率最高与最低的差异仅为1mm，结缕草和钝叶草品种间的蒸散率则几乎没有明显差异而冷季型草坪草品种蒸散率差异很大，有些差异甚至不亚于种间，草地早熟禾、高羊茅品种间蒸散率差异可达到3mm。土壤水分是草坪蒸散的源泉，在较长时间的土壤干旱后大量灌水会导致草坪蒸散量的极大升高，甚至高于未发生土壤干旱前的蒸散量。Kneebone等认为草坪具有奢侈耗水的特性，当土壤中的水分含量过多时，草坪的蒸散量会维持较高水平。中国农业大学和园林科学研究所等单位在2001—2003年间开展了北京市自然科学基金重点项目“北京市常绿、抗旱、抗病草坪草种选育及管理技术研究”的研究，对北京地区常用6种草坪草的蒸散量、抗旱性及水分管理等方面进行了研究，初步形成了多种草坪植物的蒸散耗水特性及其研究方法。杨玉秀通过根际模拟土壤水分胁迫的方法，对郁金香、风信子和欧洲水仙3种球根花卉的幼苗进行了胁迫处理。结果表明，随着水分胁迫强度的增加，3种球根花卉各生理指标均有不同程度的变化，以欧洲水仙对干旱的适应力最强。崔娇鹏对地被菊抗旱节水性进行了初步研究，确定了地被菊不同品种的抗旱能力。

2.耐盐抗污植物筛选研究

植物的耐盐性一般都很低，如果土壤表层含盐量超过0.6%时，大多数植物已不能生长，土壤中可溶性盐含量超过1.0%时，只有一些特殊适应于盐土的植物才能生长。利用耐盐植物是合理改良利用盐碱地一个切实可行的方法。选育耐盐植物的方法主要有常规选育法、杂交育种法、突变体筛选法和基因工程法，其中，运用基因工程技术来培育新的耐盐品种，已成为了近年来国内外的研究热点，经过努力培育出了几种基因工程耐盐新品种。然而，这仅限于实验水平上，距离实际的生产应用还相差甚远。到目前为止，常用于盐碱地绿化的植物分为两大类：乡土盐生植物和经过筛选具有一定耐盐性的园林绿化植物。

（1）乡土盐生植物。近年来，我国在开发利用野生与筛选栽培抗盐碱牧草的研究方面取得了一系列成果。经过引种观察的抗盐碱牧草品种140多个，试种与大面积推广的禾本科牧草14种、豆科牧草6种。其中大米草、田首在江苏滩涂地带氯化物盐碱地推广；小花碱茅草—朝鲜碱茅草主要在内蒙古硫酸盐碱地及东北三省苏打碱土地得到推广；高冰草主要在山东滨海氯化物盐碱地与新疆等地区推广；湖南樱子主要在宁夏盐碱化耕地种植；黄白花二年生草木则在青海、甘肃、新疆各地的轻、中度硫酸盐碱土地区推广；芒草在东北三省碱化草地推广；芦苇在西北各省硫酸盐碱地开发利用。由于盐生植物本身所具有的耐盐性，使它们成为了盐碱地绿化的首选植物，往往将它们直接作为开发利用盐碱地的先锋植物。利用乡土盐生植物改良滨海盐渍土是一种切实可行的绿化方法。但是，这些植物数量、种类有限，主要集中于黎科、禾本科、豆科和菊科这几大类，远远无法满足现代城市绿化物种多样性的需要。如果仅仅用盐生植物来对盐碱地区进行绿化，就无法达到较好的绿化、观赏和生态效果，其作用十分有限。

（2）园林绿化植物。综合目前研究现状，我国经过筛选而应用于盐碱地绿化的园林植物主要如下：

1）落叶乔木：垂枝榆、国槐、法国梧桐、悬铃木、白蜡、柿子树、红叶椿、臭椿、白榆、刺槐、火炬树、泡桐、合欢、芙蓉、柳、石榴。

2）常绿乔木：雪松、油松、黑松、龙柏、侧柏、桧柏、云杉、黄杨。

3）灌木及宿根类：紫穗槐、紫叶李、榆叶梅、紫荆、蔷薇、珍珠梅、玫瑰、丁香、木槿、海棠、月季、菊、秋葵、百合、鸢尾、射干。

4）藤本类：金银花、凌霄、地锦、扶芳藤。

5）地被类：白三叶、紫花苜蓿、葱兰、天堂草、矮生地被菊、马尼拉草、酢浆草。

通过人们的长期努力，已经筛选出来一些适宜于生长在盐碱土中且具有一定观赏价值和生态作用的园林绿化植物。但是种类十分有限，还是没有从根本上改变盐碱地区绿化植物相单一的局面，可供盐碱地绿化选用的植物种类缺乏，远远无法满足现代城市建设生物多样的需求。因此，筛选适宜于盐碱地种植的园林绿化植物是一个长期而艰巨的任务。

1.2.2 绿化屋顶

绿化屋顶（Green Roof or Vegetated Roof）是一种对普通屋顶进行绿化处理并与之集成的人工建筑结构。它是以建筑物顶部平台为依托，在屋顶上种植绿色植物，如种植乔木、灌木、花卉、盆景或者铺设草坪等，营造园林景观的一种空间绿化美化形式，是一种新型的绿化方式。

1.国内外研究、应用现状

20世纪60年代以来，一些发达国家相继开始展开绿化屋顶的技术研究，取得了一系列的成果，其中做得较好的国家是德国、美国和日本等。这些国家通过制定各种政策推动和鼓励绿化屋顶的发展。德国采取政府和业主共同出资的方法进行屋顶绿化，同时根据屋顶绿化公众效益的大小采取不同的财政鼓励政策。美国把屋顶绿化正式纳入“美国绿色建筑评估体系”（Leadership in Energy&amp；Environmental Design，LEED），通过增加分值获得“LEED”认证，可得到有关联邦基金或州、市政当局有关财政补贴。日本政府从1999 年开始对修建楼顶花园的业主提供低息贷款，建筑面积在2000m²以上、楼顶花园面积占楼顶总面积40%以上时，不仅可以得到修建楼顶花园所需资金的低息贷款，而且主体建筑也可享受部分低息贷款；同时规定，凡是新建建筑物占地面积超过1000m²者，屋顶必须有20m²为绿色植物覆盖，否则要被罚款。截至2001年，德国有1350万m² 屋顶面积得到了绿化；2003年，屋顶绿化面积占到屋顶面积的14%；到2003年末，总的屋顶绿化面积接近1亿m²。美国仅芝加哥市就有200个屋顶绿化项目，总面积为20万m²。日本的屋顶绿化普及范围很广，在公共建筑、工厂厂房、学校、车站、酒店、码头、地下停车场等的屋顶上，几乎都有植物绿化。

我国从20 世纪60 年代开始研究屋顶绿化的建造技术，目前多数城市的屋顶绿化工作已逐步展开，部分城市也制定了相应的技术规程和法律法规。如北京市于2005年出台了我国首个屋顶绿化的地方标准，对屋顶绿化的植物选择、各种材料荷重、绿化施工操作程序、绿化种植区构造层、屋顶园林小品设计、植物防风固定技术、养护管理技术等各方面进行了详尽的技术指导和规范。然而，我国的屋顶绿化还处于起步阶段，受到基建投资、建造技术和材料、绿化技术、传统观念等方面的影响，仍存在着绿化形式单一、应用范围有限、政府和政策支持不足等诸多不足之处。以实施较好的北京市为例，屋顶绿化建筑只占现有建筑总数的1%，面积仅60万m²。

2.绿化屋顶的结构及分类

一般的绿化屋顶结构包括植被层、土壤基质层、过滤层、多功能蓄排水板（蓄水+排水）、防水层等。

（1）植被层植物的选择要遵循适地适树原则。

（2）土壤基质层应选择适于种植植物的轻质栽培基质，一般选用含各种植物生长所需元素并且容重较小的人工基质，如蛭石、珍珠岩、泥炭及其与轻质土的混合物等。

（3）过滤层防止土壤基质层颗粒流失，过滤富余水分，常用材料有粗砂、玻璃纤维布、滤水绵等。

（4）排水层有效防止细小颗粒堵塞排水系统，增加排水通透能力，同时具有一定的保水能力，防止水分过量排放。

（5）防水层有效防止屋顶渗漏，防水材料应耐水、耐腐蚀、耐霉烂及耐根系穿刺。

根据屋顶绿化功能和设计原则的不同分成精细型屋顶绿化和粗放型绿化两种形式：

（1）精细型屋顶绿化（Intensive Green Roof）以植被绿化与人工造景、亭台楼阁、溪流水榭等相结合，是一种价值比较高的屋顶绿化形式，适用于面积较大的屋顶，如高级酒店、宾馆和高层建筑等。其对设计、施工、后期维护、管理的要求较高，使得建设成本及后期管理费用也较高。精绿化基质层厚度一般在150mm以上，大部分植物都可种植、生长，屋面设计坡度一般要小于10°，承重结构的承载能力一般在1.8～15kN/m²。

（2）粗放型屋顶绿化（Extensive Green Roof）是屋顶绿化中最简单的一种形式，主要应用于已建成建筑物的屋顶上，其特点是低养护、免灌溉、低成本。粗绿化基质层的厚度一般在150mm以下，植物选择范围很小，而且通常需要配置一些耐旱的植物，如景天科等。其屋面设计坡度可以高至45°，净荷载一般在0.6～2.4kN/m²。

3.绿化屋顶的生态环境效益

Kosareo等利用生命周期评价模型（LCA）对普通屋顶、粗绿化屋顶、精绿化屋顶的综合效益进行了评价，得出绿化屋顶的综合效益远远高出普通屋顶的结论，对于能耗要求高、屋顶更换周期长的建筑物，绿化屋顶系统是很好的选择。其主要的生态环境效益如下：

（1）减少城市径流。比利时学者Mentens等提出，绿化屋顶可以显著减少径流峰值，延缓产流时间，减少总径流量，在较长的时间段内通过蒸散发等方式慢慢释放绿化屋顶土壤层所滞蓄的水分，使水循环过程自然化。Carter和Rasmussen得出结论，当降雨量从13mm上升到54mm时，绿化屋顶土壤层滞蓄水分的能力大大减小，滞蓄水分总量从90%降至39%。Getter和Bradly Rowe得出结论，屋面倾角越大，水分滞蓄的能力越小。在更长的时间尺度上，Jarrett等利用28年的降雨量数据得出结论，大多数绿化屋顶能够滞蓄年降雨量的45%～55%。Mentens等在前人大量试验数据的基础上得出结论，粗绿化和精绿化可分别滞蓄年降雨量的50%、75%，夏季滞蓄量普遍高于冬季，土壤层越厚、滞蓄能力越强，并拟合出基于欧洲特定气候条件的降雨—径流经验方程。

已有研究成果主要针对各设计参数对滞蓄能力的影响展开，关于建立各参数和径流之间的关系、模型的研究较少，或者限于地区气候条件限制，实用性不强。如何建立绿化屋顶系统的径流滞蓄能力和降雨强度、土壤层厚度等参数的关系，提出适用于中国城市气候特点的模型用于计算和预测，是今后需要研究的。

（2）降温和减少建筑能量消耗。Alexandri通过二维预测微观尺度模型的计算得出结论，绿化屋顶可以降低空气温度，最大降温可达26℃，白天平均降温达到12.6℃，同时在更热和更干燥的气候条件下，降温作用更显著，在一定程度上可缓解城市热岛效应。Hideki Takebayashi等在热量平衡方程和水热运动方程的基础上，分别推导了绿化屋顶的感热通量和蒸散发量的经验公式，并证实了绿化屋顶可以减少感热通量。Chih-Fang Fang通过模型模拟发现，当叶片面积覆盖率达到80%以上时，温度降低率与叶片覆盖率成正相关，低于80%时，温度降低率与叶片总厚度成正相关。Theodosiou等发现土壤层的厚度和地表降温成正相关。Sailor建立了绿化屋顶能量平衡模型，发现随着土壤层厚度的增加，在冬天和夏天电力消费都会减少，而且气候相对寒冷的城市耗能更少。

已有研究成果基本都集中在单个屋顶的分析，两个或多个屋顶的耦合关系及对能量、温度的影响将是一个新的研究课题。此外，由于气候条件的差别，研究建立的水热模型在其他地区的应用还有待检验，建立适用于中国城市的模型，并由试验数据加以验证，也是今后的研究方向。

（3）减轻城市污染。Jun Yang等通过建立大叶干沉降模型计算各种空气污染的减少量，得出结论，19.8hm²的绿化屋顶一年可减少1675kg的空气污染物质，CO₂、NO₂、PM10和SO₂的减少量分别占52%、27%、14%、7%，减污效果和空气污染程度、天气条件以及植被生长状况有关，5月最好，2月最差。Teemusk和Mander研究了绿化屋顶对降雨径流污染的削减效果，得出结论，对于土壤层中含量比较小的物质或元素，由于土壤层的过滤作用使得绿化屋顶径流污染小于普通屋顶。Tobias Emilsson等专门就土壤层问题展开研究，得出结论，土壤层厚度越小，化学物质等越容易随径流流失，并建议使用一种控制释放化肥（controlled release fertilizer），根据植被的需要慢慢释放肥料，可以减少化学成分流失带来的污染。

综上所述，屋顶绿化是一种新型的城市绿化形式，国内外对其减少城市洪水、缓解城市热岛效应、减少城市污染及延长屋顶使用寿命等方面的作用都有研究，取得了一定的成果。但是，这些成果都是在各自特定条件下取得的，对构建北京市水源涵养型城市屋面绿化建设模式，可以借鉴，不能照搬。因此，主要从城市水文循环和水资源利用角度出发，从理论到实践，对城市屋面绿化的关键技术和城市水文循环中各要素的计算方法等都需要结合北京市实际情况，进一步深入研究，为城市水源涵养、水资源的可持续利用提供科学的技术支撑。

1.2.3 道路雨水利用与污染控制技术

1.2.3.1 道路雨水利用

国内外城市道路雨水利用方式与城市雨水利用相同，分为直接利用与间接利用两种：直接利用为收集路面雨水经过自然净化和水质处理后，用于城市清洁、消防、绿化等，成为中水的可靠水源；间接利用即利用透水装置将城市道路径流直接拦蓄入渗或通过一定渗透过滤装置，回灌地下水，可补充地下水量兼有防洪作用。

1.直接利用

利用地表水池、地下河道、地下水库、水窖、涝池等蓄水设施收集路面雨水，雨天集存，晴天可以作为园林绿化、城市消防、清洗道路等非生活用水，对于减缓城市用水压力有重要作用。根据用途的不同可使用混凝、沉淀、过滤、消毒等技术对集蓄雨水进行不同程度的处理。集蓄容积确定是雨水收集利用最重要的环节，容积过小，达不到充分收集路面雨水效果，容积过大，则成本过高，同时由于夏季使用、冬天闲置，效益也欠佳。应根据当地水文气象特点，保证集蓄池可以容纳一定频率的暴雨产生的径流量，一般可选择5年或2年一遇降雨作为集蓄容积确定的依据。

2.间接利用

间接利用即使用多种措施强化雨水就地入渗，可以提高土壤含水量，补充地下水资源，减轻洪涝灾害威胁，调节气候进而遏制城市热岛效应，改善城市环境。入渗方法主要有透水路面、绿地、渗透管、渗透井、渗透沟及其他渗透设施等。

（1）透水路面。透水路面是在保证道路运营安全情况下，使雨水进入路面结构，渗透到路基或土壤中，实现雨水贮蓄或回灌地下水。透水路面可以利用表层土壤对径流进行净化，同时补充城区日益枯竭的地下水资源，发挥地下含水层的“蓄水池”功能，减轻降雨季节道路排水系统负担；还可加强地上、下的热量及水分交换，调节城市气候；透水路面表面积水少，可以防止因“水膜”引起的滑溜，提高雨天行车及行人的舒适性与安全性；另外，路面的多孔性可有效降低噪音，创造安静舒适的生活和交通环境。

（2）绿地。绿地径流系数只有0.15，能够渗透大量的雨水，渗透性不好时可在植物与土壤间增设贮水层、透水层。对于城市机动车道，可将道路雨水引入绿地内入渗。

（3）渗透设施。可通过合理设置渗透管、渗透井、渗透池等渗透设施，将道路雨水引入入渗。将蓄水设施与渗水设施搭配使用，既能够发挥渗水设施对雨水的净化作用，又可把雨水收集起来加以利用。如路面雨水通过与埋设在渗渠中的穿孔渗透管相连可被引入地下渗渠中，渗渠用石子或其他多孔隙材料填充，具有较大蓄水空间，在渗渠内雨水被储存并向周围土壤渗透。

1.2.3.2 道路雨水污染控制

对于路面径流污染控制常用的工程措施有渗透系统、滞留系统、湿地系统、储存系统、过滤系统、生态滤水系统等。

1.渗透系统

渗透系统是使地表径流雨水暂时存储起来，并渗透到地下的一种方法，在渗透过程中通过一系列物理化学生物作用对径流中污染物进行去除，其主要包括透水铺装路面、下凹式绿地、渗坑、渗渠、渗井等。

许国东等人利用循环水流装置对多孔混凝土的净水效果进行了实验研究，结果表明，多孔混凝土在水中具有富集营养物质，使生物膜附着生长其上的效应，采用10～20mm粒径的集料所制备的空隙率为25%的多孔混凝土其水质净化效果最佳。程江等进行了有关下凹式绿地对城市降雨径流污染的削减效应方面的研究，结果表明，在给定的研究条件下，小型自然型下凹式绿地具有较好的削减城市降雨径流污染的能力，对COD、氨氮 和TP的平均削减率分别为52.21%、48.98%和47.35%。Sansalone和Buchberger（1997）的研究表明，PET渗滤系统（partial exfiltration trench）可以有效去除公路路面径流中的SS、PAHs及重金属，并指出，在PET系统中渗坑的效果最好。Alexandre和Adams（2004）比较了渗滤系统、干式滞留池、湿式滞留池、沉淀池等径流控制设施的效果，也提出了渗坑最为有效。德国和日本已将渗透系统普遍应用于城市雨水的资源化利用，并制定了相关的规范。渗透系统最大的局限性是其容易堵塞，Siriwardene等（2007）用模型方法进行了分析，得出结论，以恒水头方式供水，且供水水头高于滤料层与土壤层界面45cm时，堵塞速度最慢，变水头的供水方式很容易引起堵塞。

2.滞留系统

滞留池集成了调节池和沉淀池的功能。在水量方面，它可以缓解洪峰流量对受纳水体的冲击负荷，在水质方面，通过沉淀作用可去除径流中的部分污染物质，其效率取决于池体规模、流域面积、暴雨特征等。滞留池通常分为干式、湿式两种形式。干式滞留池与污水处理中的平流沉淀池类似，径流在池中滞留、沉淀后，以悬浮固体为主的污染物得以大量去除。英国Hares和Ward（1999）对伦敦M25高速公路边一个干式滞留池的重金属去除效果进行了研究，得出的重金属的去除率在85%～95%之间。湿式滞留池在不降雨时也保持一定的水量，其在控制径流污染方面的效果优于干式滞留池，一方面因为干式滞留池在前一场降雨中沉积的污染物会被后一场降雨的初期径流冲出，另一方面，湿式滞留池中的生物作用对一些可溶性营养物质也有很好的去除效果，因此湿式滞留池是一种更被广泛接受的形式。Hossain（2005）对华盛顿Spokane地区一个湿式滞留池的研究表明，其对TSS去除率可达68.1%～99.4%，平均达83.9%，对重金属的平均去除率为54.7%～64.6%。

3.湿地系统

地下水位位于地表或接近地表的滞留池，或有充足空间形成一浅水层的洼地，都可以人工建筑成湿地系统。人工湿地中的植物根系，将湿地分成若干个相互交叉的厌氧、缺氧和好氧小区，各个区间内的微生物能去除径流中的COD、TN，TP，重金属则主要通过填料和土壤颗粒的吸附和络合作用得以去除。人工湿地可分为表面流式（SF）和潜流式（SSF），在控制路面雨水径流污染方面，潜流比表流更有潜力、效率更高，更易去除COD和SS，但潜流的存储能力相对较差，一般需与储水池联合使用。杨敦（2006）对潜流式人工湿地进行模拟研究，得出的TP、COD、TN的去除率分别为80%、90%、95%。Reinelt和Horner（1995）得出的TSS、TP、Zn、大肠杆菌的去除率分别为56%、82%、23%、29%。Shutes等（1998）得出的致病菌、有机物、氮磷营养物的去除率分别为90%、80%、＜60%。Shutes等还提出了系统的一些运行参数，如进水流速应满足0.3m/s≤v≤0.5m/s，当v＞7m/s时，植物会受到水力破坏；最佳水力停留时间为24h；最小池深为0.6m，砂砾层厚度为0.45m，覆土厚度为0.15m；底部坡度一般为1%，不得大于2%；最佳水力负荷为1m³/（m²·d）。人工湿地的运行和维护费用低廉、处理效果较好，但其占地面积较大，需结合空间特点应用。

4.储存系统

储存系统包括管道、蓄水池、塘等形式。在一些不适合建湿地的地方（如地形非常陡峭），可以使用储存系统进行水质处理。储存系统可促进颗粒物沉降，营养物质被浮游植物吸附以及紫外线消毒。它们可以被用做回用方案的蓄水设施、城市的娱乐场地及野生动植物栖息地。储存系统具有滞后降雨洪峰的作用，尤其适于陡峭的山谷，那里具有很大的储水量。储存系统的设计应当适于沉淀细小的颗粒物并促进潜水植物的生长。周边的植被虽然对改善水质没什么作用，但是却能减少堤岸的侵蚀。储存系统更需要预处理，如沉淀区域比主要开阔水面需要更频繁的维护。影响储存系统处理效率的主要因素为水力停留时间，随着水力停留时间的增加，处理效率提高。刘珊等的研究表明，当水力停留时间为14天时，氧化塘对污染物的去除效果最好，此时对COD、石油类的去除率分别为73%、80%。

5.生态滤水系统

生态滤水带（或生态滤水沟）是一种位于洼地的生态滤水系统。径流通过植被（如草地、苔草或灌木）过滤，向下通过滤料层过滤。然后通过多孔管收集并流入到下游的水道或蓄水池中回用。生态滤水系统可通过细滤、大量滞留和一些生物摄取作用进行有效的雨水处理，同时还进行输送（沿着洼地）。洼地生态滤水系统具有延迟一定洪峰的能力，对去除氮和其他可溶性或细颗粒污染物具有特别好的效果。它们能够形成迷人的街景并为城市发展提供景观特征。它们一般位于道路中间带和停车场。由于通常设计为雨水下渗而降低洪水可能，生态滤水系统能够适用于多种土壤条件，包括盐渍土壤和受地下盐水入侵的区域。植被用于防止侵蚀，通过植物生长，不断分解土壤有机质，防止其板结，植物根部的生物膜能够吸附污染物，通过高密度的植栽能够提高过滤效率。

植草面积以及草的种类、密度，叶片的尺寸等都会影响去除率和下渗量。国外研究表明，在较为平缓的坡度（＜5%）上种植高于地面至少15cm的草、保持植草沟渠内较小的流速（＜46cm/s），对保证较高的污染物去除效率十分重要。Schueler等人发现，设计及管理良好的植草渠道可去除70%的SS、30%的TP、25%的TN、50%～90%的金属。Little等得出的油脂的去除率为67%～93%、SS和VSS至少可达65%。Yousef和Hvitved-Jacobsen（1987）得出的结论为，重金属、尤其是离子态重金属的去除效果较好，Zn、Pb、Ni、Cr的去除率分别为62%、57%、51%、43%。Deletic和Fletcher（2006）提出了植草对污染物的去除效率主要与径流速度有关，径流速度越小，SS的去除效率越高。

6.过滤系统

过滤系统利用砂子、砂砾、泥炭或灰泥等介质去除雨水中的杂质。过滤设施的运行过程和生态滤水系统类似，不同的是它们的表面没有覆盖植被。这是由于它们被安装到地下（因此限制了植被的生长），而且过滤设施的介质也不易保存足够的水分。它们尤其适用于空间有限的地区，因此处理设施最好安装到地下（由于没有植被，它们需要经常保养以保证砂过滤设施的介质表面保持多孔渗水，不会被淤积的沉淀物堵塞）。在进入到砂过滤器前，水流一般都经过预处理以除去垃圾、碎片和粗粒沉积物（通常是沉降室）。经过预处理后，水流被分配到滤料上，滤液向下进入砂滤料底部的多孔管。多孔管收集处理后的水输送到下游。在流量较大时，水能够在砂滤料表面形成池塘以增加处理水量。高速水流能够绕过砂过滤设施以防止砂滤料被冲蚀。

表1-1是美国联邦公路交通部门对某些径流污染控制措施除污效率的研究结果，其中一些污染物的去除率波动较大，主要是由研究、应用条件不同造成的。场地特征、经济及后期维护等对道路径流污染控制方案的选择至关重要，表1-2给出了一些控制措施使用的限制性因素。

由于各地气候、交通条件，以及路面径流污染特性的差异，在实际应用中，需根据各地径流的污染特性、路面特征、路域周边地形特征、可用土地面积和工程造价等因素，并结合各种控制措施的特点，对以上几种措施进行合理选用或组合使用。

目前国内外研究较多的生物滞留技术（或称雨水花园、生物过滤、生物渗滤等）是渗透系统和过滤系统的有机结合。众多研究结果表明，在N类污染物中，生物滞留技术对于氨氮的处理效果非常好，平均去除率大多在70%以上，对于的去除效果最不稳定，经常出现出水负荷高于进水的情形，对于TN的去除率可达30%～60%。对于TP的去除效果也不稳定，Fletcher等（2007）发现填料未添加腐殖土时（全磷含量150mg/kg），去除率高达86%～88%，而添加腐殖土后（全磷含量380mg/kg）出现了严重的淋洗现象。Erickson等（2007）在填料中加入了石英砂、石灰石、钢丝绒等介质以增加吸附面积，得出结论，添加2%钢丝绒的填料可保持TP去除率为80%。运行稳定、成熟的生物滞留系统对SS的去除非常有效，平均去除率大多在50%以上。此外，生物滞留技术对重金属、油脂类、致病菌等污染物都有一定的去除作用，且这种作用主要发生在系统表层。

1.2.4 道路初期径流的弃流

1.初期径流定义

初期径流、初期效应、初期冲刷、初期涌出等概念的本质是相同的，即认为径流初期携带污染物的水平高于中后期。基于传统的冲刷模型，很多研究者都提出了“浓度初期冲刷”的概念，即认为如果径流最初的污染物浓度最高，随降雨历时的推移，污染物浓度呈指数规律下降，即发生了初期冲刷现象。如甘华阳（2007）、陈广斌（2009）、王书吉等（2006）、赵剑强等（2001）及汪慧贞和李宪法（2002）的研究都得出路面径流中污染物浓度有明显的初期冲刷现象。汪慧贞和李宪法（2002）还发现，当降雨量小于10mm时，最初2mm降雨形成的径流包含了COD总量的70%以上，当降雨量大于15mm时，最初2mm降雨形成的径流包含了COD总量的30%～40%；王书吉等（2006）则得出结论，一般情况下道路雨水径流开始后30min时，污染物浓度将降低到其初期污染物浓度的20%～50%。同时，也有研究者得出了不同的结论，如黄金良等（2006）在澳门研究的2场降雨就出现了初期冲刷很明显和无初期冲刷两种完全相反的结果。陈莹（2004）分析了初期冲刷不发生的原因：一般的降雨过程总是雨强为“小—大—小”趋势，故降雨初期径流冲刷地表的能量有限，只能将部分溶解的或细小的固体物质从地表冲刷而带入径流中，因此径流初期污染物的浓度较小，不发生初期效应。

除了基于“浓度”的初期冲刷外，Geiger于1987年提出的基于“负荷”的初期冲刷观点日益得到广泛应用。“负荷初期冲刷”综合考察了径流体积和污染物浓度形成的污染负荷情况，其主要通过一条无量纲的累积负荷—体积分数曲线［简称M（V）曲线］来判断。图 1-1中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为3条M（V）曲线，对角线也称为平衡线，代表了污染负荷随径流均匀排放的情况，一般认为，只要M（V）曲线在平衡线上方即存在初期效应，离平衡线的距离越远，初期效应越明显。

Bertrand-Krajewski等（1998）和Saget等（1996）进一步提出每条M（V）曲线都可近似用一个幂函数表示：F（X）=X^b［F（X）为径流中污染物负荷，X为与F（X）对应的径流量，b为曲线相对于平衡线的偏差］，并根据b取值将M（V）曲线空间分为6个区域，见表1-3和图1-2。按照此分类，较强的初期效应发生于b＜0.185，即区域1中，表明30%径流体积至少携带了80%的污染负荷（简称30/80标准），可见这是一个非常严格的定义，经统计，其在实际降雨事件中发生的概率微乎其微。此外，也有Stahre等提出了20/80、Wanielista等提出了25/50的经验标准。

相对而言，“浓度初期冲刷”只考虑了水质过程的变化，却忽略了水量因素的影响，而“负荷初期冲刷”综合考虑了径流水量、水质形成的污染负荷情况，可以更全面地对出流过程予以评价，但该方法所需基础数据较多，且数据源不容易取得，研究难度较大。

2.污染物冲刷规律

车伍等对北京城区的天然雨水、屋面、路面的降雨径流主要污染物（SS、COD、TN、TP等）浓度随降雨历时变化的大量监测数据进行统计分析，得出了指数形式的雨水径流源头污染物冲刷模型。对于小汇水面（如屋面和道路），径流冲刷污染物的规律较好地符合指数模型，但对于大汇水面及管道系统雨水径流污染物的浓度变化规律存在较大争议。

有研究表明，管道系统中径流污染物浓度曲线类似流量过程线，浓度峰值出现在降雨历时某一时刻而不是初期，与源头小汇水面的污染物冲刷规律不同。由于径流量随降雨历时而不断变化，因此其中的污染物浓度也是变化的。Bertrand等人对分流制和合流制管道雨水输送规律的研究结果显示，管道中50%的径流污染负荷分别通过38%和47%的径流量输送，而80%的污染负荷是通过74%和79%的径流量输送，表明径流污染物在管道系统中基本上是均匀输送的。为研究小汇水面的冲刷规律与大汇水面及管道系统中的冲刷规律之间的差异及其原因，车伍等在汇水面上污染物分布基本均匀和不考虑管道内沉积污染物被径流再次冲起等一些假定条件下，根据源头径流污染物的指数冲刷规律和雨水流量计算公式推出了管道系统中雨水污染物冲刷输送规律的理论数学模型。该模型反映了污染物浓度变化与源头污染物冲刷规律基本一致，但随着雨水口数目的增多（汇水面积的增大），污染物浓度的下降趋势渐缓（污染物负荷输送呈现后移趋势）。潘国庆等指出管道污染物所占比例越大则初期效应越不明显，当管道沉积物的比例达到67%以上时几乎已不存在初期效应。对实际管道径流的监测结果表明，管道系统中污染物浓度变化既有符合该模型规律的，也有不完全符合的。

3.初期径流弃除量

影响路面径流污染物排放的因素众多，冲刷规律难于准确把握，这决定了初期冲刷现象发生的不确定性和复杂性。因此，目前学术界对初期径流的界定仍没有统一、明确的说法，对其处置问题也一直是争论的焦点，对于初期径流弃除量的不同研究结果之间的可比性也较小。有些研究按照降雨量来确定，如车伍等（2002）提出北京城区初期雨水弃流量应控制在：小区路面4～5mm，市区路面6～8mm，可去除污染负荷总量的60%～80%。陈民东等（2007）得出邯郸市路面初期雨水弃除量为产流后6mm降雨，可去除COD总量的77.9%。也有些按照降雨集流时间来确定，如天津刘宝山、北京侯立柱等分别提出前10min、15～20min径流为初期径流。对于大汇水面或较大的管渠系统，有研究提出“半英寸”原则，认为初期径流弃流量达到约12mm时，去除的污染物占全部径流污染物总量的90%以上；还有人认为12mm的弃流量只能控制污染物总量的20%，只有弃流量达到32mm以上时才有可能控制90%的径流污染。

是否采用初期弃流、如何合理确定初期弃流量应该根据项目现场条件、汇水面特性、管渠系统大小、控制目的（雨水利用或污染控制）及设计的工艺系统等综合分析而定，当初期弃流量不足时，控制径流污染的效果不明显；当弃流量过大时，则会增大投资规模或减少雨水收集利用量。

1.2.5 雨水系统末端治理技术

1.雨水管线内污染物处理技术

目前雨水管道内应用比较广泛的污染物处理设施是在场地条件允许的区域设置地下雨水综合池，通常包括筛网与格栅、沉淀池、过滤池等构筑物。

（1）筛网与格栅。雨水中常携带较粗的漂浮物、悬浮物和垃圾，如树叶、果皮、塑料袋、石块等杂物，首先需采用格栅或筛网对其进行截留。格栅以细格栅为宜，栅条间距为2～5mm；筛网采用平面条形滤网，倾斜或平铺放置，滤网间隔应在0.5～2mm之间。对于道路径流雨水需设格栅与筛网去除雨水中较粗的悬浮和漂浮物质；对于屋顶径流，可不设格栅，直接采用筛网过滤，能去除绝大部分垃圾与粗颗粒物质。

（2）沉淀池。沉淀池广泛应用于雨水径流处理过程，是去除径流中泥沙与悬浮颗粒最适用的方法，在常规雨水处理设施构筑物当中处于重要的位置，并且有着不可替代的作用。雨水处理中的沉淀池形式宜采用平流式，易于建造，沉淀效率较高。水力停留时间最小不应低于2min，若采用混凝沉淀工艺，对于屋顶径流（去除初雨后）等较清洁的雨水一般能去除70%的悬浮物、40%的有机污染物，可直接回用于绿地灌溉；对于道路径流等污染程度较严重的雨水，能去除60%～80%的污染物。

美国等一些发达国家已开发出多种适用于市政雨水管线径流中的污染物处理设施，其中管线接入雨水处理构筑物后，通过在沉淀池内设置折流挡板来控制径流水力特性以消减污染物负荷，具有处理效果好、结构简单、操作简便、易于维护及投资较低等优点，目前基于这种技术的原理，应用于管道内雨污水处理的装置主要有Infilco、ACTIFLO、DENSADEG和Lemalla Plate等，其沉淀单元均采用斜管或斜板（起泥水分离和整流作用）以提高沉淀效率、改善出水水质。可见开发雨水径流高效处理装置，沉淀单元设计的合理与否是关键。

（3）过滤池。过滤能更有效去除悬浮物固体颗粒、胶体、浊度及有机物等，提高出水水质。在过滤之前应去除初期雨水，否则滤池极易堵塞，最好设置于沉淀工艺之后。雨水过滤池设计一般采用单层滤池和双层滤池，单层滤池滤料可采用石英砂（也可用普通河沙代替），粒径以在0.5～1.2mm之间为宜，也可粗至1.5～2.0mm，滤层厚度为80～120cm；双层滤池滤料采用无烟煤和细砂，滤料粒径与厚度与单层滤池接近。滤料层下垫以一碎石承托层，两层之间可用透水土工布隔开，碎石层中装设有孔隙的排水管，收集过滤之后的径流再排放入下游系统中。

基于使用率低及操作简易的考虑，雨水过滤一般不设反冲洗装置，而是通过定期清理更换上层滤料的做法防止滤池堵塞。若有适当设计和维护，过滤池可达到较高的去污效率，根据美国德州实测资料，对悬浮固体、COD、BOD、TP及TOC去除率均在60%～80%之间。

（4）其他小型污染物处理集成装置。雨水管道内小型的径流污染物处理集成设备主要有内置填料的雨水过滤器和利用水力学特性的旋流分离器等。

雨水过滤器的形式有多种，但原理一般都是内置填料的流水式过滤系统。在保证滤速满足管道中雨水过流量要求的条件下，过滤器可以选择在雨水管道中单个设置，也可以采用每套过滤系统载入多个滤筒并排安装于地下混凝土结构内部。过滤器内装满可再填充式介质，目前开发的有砂滤料、好氧霉促滤料和智能海绵等，用以拦截和吸附悬浮固体颗粒物、油和油脂、溶解的金属和有机物，当介质处理负荷不能满足水质要求时对其进行更换。

旋流分离技术是一项新兴的暴雨径流污染控制技术，其基本工作原理是基于离心沉降作用：当待分离的两相混合液以一定的压力从旋流器上部周边切向进入分离器后，产生强烈的旋转运动，由于固液两相之间的密度差，所受到的离心力、向心浮力和流体曳力不同，较重的固体颗粒经旋流器底流口排出，而大部分清液则经过溢流口排出，从而实现分离的目的。当离心沉降过程中的颗粒粒径很小时，可以采用层流状态下的Stokes公式，得到离心沉降末速度。可以看出，在高速离心力场中，由于ω的值可以很大，因此可以用旋流分离来实现对一些重力沉降难以处理的细颗粒的去除。

2.管线内调蓄利用技术

雨水系统末端治理的一个重要途径是在城市不同位置中建造雨水调蓄池，降雨时通过城市雨水管网系统蓄集雨水，非降雨时利用收集的雨水进行绿地浇灌等，从而实现雨水回用。

考虑雨水调蓄池有削减洪峰流量的作用，采用传统的雨水管道设计方法时易导致调蓄池下游雨水管道在设计暴雨下的通水能力过大，与整个雨水管网系统设计暴雨重现期不协调，从而造成资源浪费。通过设置调蓄池将降雨过程中超出设计标准的雨量暂时贮存起来，待雨停或雨水系统设施空余时，再输送排放。这种方法较好地解决了投资与规模的矛盾，尤其适应于系统建成后需再提高标准的地区。

雨水调蓄池容积和规模有相对完整的设计计算方法，但目前国内对于设置调蓄池的雨水管道规划或改造设计则缺乏可行的设计计算方法。因此，有必要借鉴国外成功经验，根据国内现行的雨水管道规范的设计理论和方法，结合雨水调蓄池的削减洪峰原理，提出雨水管道设计的新方法，以指导城市雨水管网的设计和规划。

1.2.6 水文、水力模型的应用

在流域尺度上，水文、水力模型的应用为研究带来了很大的便利，在这方面国外的研究成果较多，如美国EPA开发的SWMM（Storm Water Management Model，公用）、Wallingford公司开发的InfoWorks CS（商用）、丹麦水利研究所（DHI）的Mike-Urban CS（商用），以及美国奔特力公司开发的CivilStorm（商用）等模型。意大利C.Nasello和T.Tucciarelli建立了一个双层城市排水模型，将纵横连接的街道（看作明渠）和地下的管道作为双层排水系统，它们之间通过雨水井相连，可以实现上下两层的动态水力联系。Linmei Nie等（2002）研究了基于GIS的城市排水分析，以及在城市暴雨管理系统中的应用。Anthony W.Holder等利用SWMM和GIS模拟了特大暴雨情况下尾水对排水系统排水能力以及城区积水的影响。Klaas-Jan van Heeringen等研究了如何用并行计算解决大范围城市排水模拟速度较慢的问题。Drew Mihocko等建立了费城西南区排水系统的实时控制系统和决策支持系统。Surajate Boonya-aroonnet等利用MOUSE模拟了曼谷Sukhumvit子流域的城市排水。Theo G.Schmitt等利用RisUrSim双层模型模拟了德国Kaiserslautern的一个子流域的城市排水。荷兰WLDelft Hydraulics的SOBEK软件在城市排水方面也做了一些工作。这些城市水文、水力模型中，以SWMM的应用最为广泛。SWMM是一个动态的降雨—径流模拟模型，可以进行城市地区某一单一的降雨事件或者长期持续降雨的水质和水量的模拟。其径流部分汇集处理各个子流域降雨所产生的径流和污染负荷；汇流部分则通过管网、河道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等进行径流的传输。通过计算，SWMM可以得到任一时刻每个子流域所产生径流的水质和水量；每一管道、河道中水的流量、水深以及水质等情况。SWMM模型在美国堪萨斯州、英国肯塔基州等多个地方得到了应用。近年来，MIKE 11模型的应用日益广泛。MIKE 11河流模型系统是丹麦水力研究所开发的应用于模拟河口、河流、河网、灌溉系统的水流、水质、泥沙输运等一维问题的专业软件包。MIKE 11是一个结构清晰、界面友好、应用广泛的模拟系统，可以被广泛的应用于以下研究领域：河口、河流、河网的水量模拟；排水系统的区域分析和地面排水方案的优化；渠网优化布置以及灌区运行系统优化控制；潮汐、风暴潮、洪水分析与预报。MIKE 11与地表水模型MIKE SHE或简单的降雨径流模型结合使用，可以模拟流域产汇流过程。MIKE 11与MOUSE结合使用，可获得城市管网系统和受纳水体的模拟过程。

国内关于城市水文模型的研究开展较晚，目前尚未见独立开发的专门城市水文模型，多为应用国外模型进行本地化计算，比如SWMM模型在国内很多城市都得到了应用。郑晓阳和胡传廉应用SWMM模型在上海市中心城区进行了暴雨积水模拟，刘俊、徐向阳等将SWMM模型应用于天津市区的排水分析计算中，河海大学的刘俊与海委的赵鸿奎等先将SWMM模型在天津市纪庄子试验区进行实用性检验并获得成功，在此基础上又将该模型推广应用于天津市区和海河干流汇流区，曹韵霞、张恭肃等利用SWMM模型模拟了北京太平湖区（面积为2.24km²）及安定门（面积为17.09km²）两个实验小区的地下排水管网系统，验证了模型在流域模拟、不同阶段水流运动结构等方面均较传统计算方法合理。