雨水径流集中入渗类设施在中国海绵城市建设中的应用

海绵城市论文范文第三篇：雨水径流集中入渗类设施在中国海绵城市建设中的应用

　　摘要：中国海绵城市研究的热点主要有海绵城市的内涵、目标、内容和效果， 而对可能产生的不利影响缺乏研究。近几年雨水径流集中入渗类设施在中国海绵城市建设中得到广泛应用， 但对集中入渗的影响及风险研究严重滞后， 不利于中国海绵城市建设的健康发展。因此， 从海绵城市雨水径流集中入渗与传统入渗的差异切入， 分别从集中入渗对土壤污染与地下水水量水质的影响、集中入渗对土壤与地下水影响的数值模拟、集中入渗污染物的累积效应与风险评价研究等方面， 综合评述国内外的研究进展与不足。建议今后从以下4个方面开展进一步研究：①土壤污染风险及其影响因素；②雨水径流集中入渗的土壤污染累积效应；③地下水污染风险预测；④降低地下水污染风险的措施。

　　关键词：海绵城市；集中入渗；土壤；地下水；

　　作者简介：李怀恩 （1960-） , 男， 陕西商南人， 教授， 博士， 主要从事生态水文、非点源污染、海绵城市低影响开发方面研究。E-mail:lhuaien@mail.xaut.edu.cn;

　　基金：国家自然科学基金资助项目 （51879215）；固原海绵城市建设及运营关键技术研究项目 （SCHM-2018）；

　　Abstract:Although research on the connotation, goal, content and effect of sponge city is a current topical research area in China, there is lack of investigations on possible adverse effects to sponge city. In recent years, the facilities of rainfall runoff concentrated infiltration have been widely used in the construction of sponge city, however studies have not focused on the influence and risk of concentrated infiltration, a factor which is not conducive to the healthy development and construction of sponge cities in China. Therefore, this study examines the difference between concentrated infiltration and traditional infiltration, and reviews the progress and deficiency of investigations in China and beyond on the influence of concentrated infiltration on soil pollution, groundwater volume and quality. The numerical simulation of the effects of concentrated infiltration on soil and groundwater, and the cumulative effect of pollutants and their risk assessment are also examined. We suggest that future studies should examine the following four aspects:① The risk of soil pollution and its influence factors;② The cumulative effect of rainfall runoff concentrated infiltration on soil pollution;③ The prediction of groundwater pollution risk;and ④ Measures to reduce the risk of groundwater pollution.

　　Keyword:sponge city; concentrated infiltration; soil; groundwater;

　　Fund:supported by the National Natural Science Foundation of China （No.51879215）；

　　目前， 中国正在大力推广海绵城市建设， 2015-2016年确定的国家海绵城市建设试点城市达30个， 同时也有一些地区自主开展了海绵城市建设[1].在海绵城市建设中， 雨水花园、渗井、生物滞留等雨水径流集中入渗措施应用较多。这类措施主要利用土壤基质这一天然"肾脏", 使降雨径流携带的污染物经土壤基质的吸附、过滤、离子交换、微生物降解等物理、化学、生物作用得到自然净化， 然后下渗补给地下水或收集利用， 具有减缓城市内涝、净化水质与涵养地下水的综合功能。由于城市雨水径流存在严重的面源污染[2], 且集中入渗的水量负荷与污染负荷强度大， 长期集中入渗对土壤与地下水的影响程度、污染物在土壤和地下水中累积效应与污染风险大小等， 都是各方面非常关注的科学问题。

　　雨水径流集中入渗对土壤和地下水的影响， 国外在20世纪末、21世纪初做了较为深入的研究[3,4].主要探究了渗透池/塘、多孔路面、雨水花园、生态滤沟等典型雨水设施在调节、蓄渗城市暴雨径流过程中携带的污染物 （营养物、重金属、悬浮固体、石油、碳氢化合物、病原体和盐分等） 对土壤和地下水的影响[5,6,7], 有学者明确指出仅靠土壤系统不能保证城市地下水不受集中入渗的影响[8].国外的相关研究可为中国开展雨水径流集中入渗对土壤和地下水影响研究提供借鉴， 但国外经验并不能完全适用于中国海绵城市建设的实际情况。近年来， 随着中国海绵城市建设的推进， 雨水花园、渗井、生物滞留等雨水径流集中入渗设施得到广泛应用[9,10,11], 中国关于这些措施开展了一些研究， 但大多是针对措施本身的结构、径流量[12,13]与污染物负荷削减效果[14,15]、影响机制与模型模拟等方面， 在雨水径流长期集中入渗对土壤与地下水的影响过程及污染风险方面的研究仍处于起步阶段， 研究滞后于实践， 严重影响了这类措施的合理应用。因此， 需要加深对中国海绵城市雨水径流集中入渗对土壤与地下水影响的研究。

　　鉴于此， 本文主要通过总结国外雨水径流集中入渗对土壤和地下水影响的研究成果， 分析存在的问题与不足， 结合中国海绵城市建设特点， 对比分析海绵城市径流集中入渗与传统雨水入渗在入流水量和污染负荷方面的差异；针对海绵城市雨水径流集中入渗对土壤与地下水的影响， 分别从集中入渗对土壤污染与地下水水量、水质的影响研究， 集中入渗对土壤与地下水影响的数值模拟研究， 集中入渗对土壤污染物累积效应与风险评价研究等方面， 总结国内外研究进展， 并对中国现有研究存在的问题和不足进行探索， 提出未来海绵城市建设模式下雨水径流集中入渗的研究方向。以期未来海绵城市建设中雨水径流集中入渗设施的合理应用， 促进中国海绵城市建设事业的健康发展。

　　1 海绵城市雨水径流集中入渗与传统入渗的对比

　　1.1 径流入渗过程

　　海绵城市雨水径流集中入渗与传统雨水径流入渗存在一些明显差异：① 传统雨水径流入渗以面状入渗为主， 降雨径流雨水分散在整个区域内， 单位面积接纳的入渗水量较小；海绵城市雨水径流集中入渗则以点状入渗为主。一般而言， 生物滞留设施汇流比为5∶1~20∶1, 而渗井远大于该值。这就说明雨水设施要汇集其自身5~20倍的径流量， 入渗水量明显增大。② 传统雨水径流入渗在降雨结束后， 汇流逐渐消失， 入渗也随之快速结束；而海绵城市雨水径流集中入渗设施可存储大量径流雨水， 待降雨结束后， 入渗仍会持续一定时间。③ 传统雨水径流入渗， 由于入渗区域大， 单位面积受纳的污染负荷较小；而在集中入渗过程中， 整个汇流区内的污染物随降雨径流汇集到雨水设施内， 雨水设施单位面积受纳的污染负荷明显增大。④ 入渗理论认为土壤水分入渗方式有两种， 即活塞式和捷径式 （优先流） , 无论活塞式还是捷径式入渗， 传统雨水径流入渗均忽略了入渗水分在水平面上的传导；而在海绵城市雨水径流集中入渗过程中， 随着入渗深度增加， 入渗区域水平面上水分的传导区和湿润区增大， 水平面上传导区和湿润区对点状入渗的影响不能被忽略。

　　1.2 污染物迁移转化机制

　　1.2.1 吸附过程

　　土壤对溶解性污染物的最大吸附量分别与污染物种类、形态以及土壤颗粒上吸附点位、吸附比表面积有关。吸附效果分别与污染物浓度、土壤颗粒上剩余吸附点位数量以及接触时间成正比[16].污染物在土壤中的吸附过程涉及两种反应类型， 快速吸附过程和慢速吸附过程：快速吸附过程以物理反应和物理化学反应为主；慢速吸附过程以物理化学反应和化学反应为主[17].

　　在传统雨水入渗区域内， 单位面积接纳的入渗水量与污染物负荷较小， 且入渗持续时间较短， 土壤中吸附点位多， 污染物很快被表层土壤吸附， 径流中污染物对深层土壤的影响较小。在海绵城市集中入渗区域内， 雨水径流集中入渗设施处理的径流雨水中污染物负荷较高， 径流中的大部分颗粒态污染物吸附在下垫面沉积物上， 随着雨水花园、渗井和生物滤池等雨水径流集中入渗设施对颗粒物的过滤、沉淀作用被有效去除。土壤和填料对溶解性污染物的吸附、离子交换与阻滞， 进一步延缓其向下迁移和转化速率[18].但雨水径流集中入渗设施填料的吸附容量有限， 随着径流的持续入渗， 雨水径流集中入渗设施土壤与填料中的吸附点位迅速减少， 当吸附达到饱和后， 溶解性污染物也可能进入雨水径流集中入渗设施下方的土壤或随穿孔水管排出[19].

　　1.2.2 微生物过程

　　微生物在土壤污染净化过程中起着十分重要的作用。一方面微生物通过生物固定作用， 固定一部分有效氮、有效磷以及少量重金属和持久性污染物等。另一方面土壤中的微生物能够降解转化土壤中的各种污染物[11,20,21,22], 使土壤保持自净能力。

　　在传统入渗区域， 由于污染负荷小， 土壤的自净能力一般大于雨水径流对土壤的污染能力。在雨水径流集中入渗区域， 单位面积接纳的土壤污染负荷较大， 碳源增加使土壤中微生物数量与活性也随之增加， 土壤的自净能力得到强化， 但是， 当土壤自净能力不足以抵消增加的污染负荷时， 土壤中污染物会逐渐累积。

　　1.2.3 植物摄取过程

　　植物不能直接利用有机态氮、磷， 也不能直接去除持久性污染物和抗生素等， 但是植物根系与微生物形成的微环境有利于提高微生物的活性， 有利于微生物的分解转化作用[23,24];经微生物分解的有机氮、磷的最终产物大部分能够溶于水， 可以被植物直接吸收利用。在传统雨水径流入渗区域， 径流入渗携带的氮、磷含量较少， 有时会限制植物的生长。海绵城市径流集中入渗区域， 由于入渗量大、污染负荷高， 会造成氮、磷的淋溶。集中入渗设施中的植物能够改变植物根系微环境， 增强根系周围土壤对氮、磷的吸附作用， 大幅减少径流入渗对氮和磷的淋溶现象[25], 减少氮、磷对下层土壤的污染。雨水径流集中入渗设施截留大量重金属污染物， 植物不能降解重金属， 但能在低浓度重金属胁迫的环境下生长。在植物生长周期中， 植物能够吸收土壤中吸附的部分重金属， 通过定期对植物进行收割， 可以将重金属从海绵系统中去除， 缓解土壤重金属污染[24].所以， 植物摄取是海绵系统可持续净化污染物的主要因素之一。

　　1.2.4 污染物累积过程

　　在传统雨水入渗过程中， 单位面积接纳污染负荷量较小， 在土壤自净、植物吸收和微生物降解作用下， 不会造成污染物在土壤中累积。而在雨水径流集中入渗设施中， 上述吸附过程、微生物过程和植物摄取过程主要发生在浅层土壤中。在非降雨期间， 浅层土壤中吸附的大部分污染物 （氮、磷、有机物等） 在各种微生物和植物的生物作用下被净化、去除， 为下一次降雨入渗过程中污染物的吸附腾出吸附点位， 保证了雨水径流集中入渗设施对污染物的可持续净化作用， 土壤中部分重金属也在植物的生长和收割周期中被去除[11].但是， 仍有大部分重金属残留在土壤中[26], 土壤中重金属的累积会影响微生物的活性和植物的长势[27,28,29], 继而削弱浅层土壤对污染物的净化能力[30].雨水入渗设施需长期接纳处理径流污染物， 因此雨水入渗设施需要具有较高的自净能力， 以一年为一个处理周期， 当雨水入渗设施在某一个周期内的自净效率开始低于基质吸附污染物的效率， 将会导致基质吸附污染物的量逐年增加， 雨水设施对污染物的净化能力逐渐减弱， 即雨水设施吸附污染物的容量会慢慢趋于饱和。随着设施运营期增加， 会导致雨水入渗过程中上层土壤的污染物输出增大， 下层土壤的污染物处理负荷和污染累积风险升高。

　　由于雨水径流集中入渗设施砾石层、土工布等结构的阻隔以及较深的土层深度， 雨水径流集中入渗设施中的植物根系难以到达设施以下的土层中；随土壤深度增加， 土层中微生物的种类和数量也随之减少[31,32], 土壤本身的自净能力降低， 甚至可以忽略。深层土壤对径流污染物的净化作用以吸附为主， 随着雨水径流集中入渗设施的运营， 污染物在深层土壤中积累， 可能出现一条污染物本底值略高于周边土壤的"污染柱", 且污染柱底部随雨水径流集中入渗设施运营时间的增加， 向地下水潜水带延伸。当污染柱延伸至潜水层时， 部分污染物也会进入地下水中。随着雨水径流集中入渗设施运营时间加长， 污染柱中吸附污染物的量增加， 补充到地下水中污染物的总量和浓度也升高， 地下水被污染的风险增大。

　　2 海绵城市雨水径流集中入渗对土壤和地下水的影响

　　2.1 海绵城市雨水径流集中入渗对土壤的影响

　　海绵城市源头措施处理的中后期雨水径流携带的污染物较少 （污染浓度较高的初期雨水径流一般被弃流） , 一般不考虑径流雨水入渗对土壤的影响， 但有研究表明， 雨水径流集中入渗会造成土壤污染。Winiarski等[33]研究发现， 从工业园区流出的雨水入渗会对渗透池的表层土壤造成严重污染；Li和Davis[34]研究了雨水花园中重金属在土壤中的迁移特性， 证实了其会对土壤产生污染；Andres和Sims[35]以美国特拉华州亨洛彭角州立公园运营时间超过25年的快速渗透池系统 （RIBS） 为研究对象， 实地研究集中入渗对土壤中N和P浓度的影响， 研究表明土壤中总磷明显累积的深度大于1.5 m, 有机氮转化为NO3- N从土壤中渗出， 累积不明显。Stephenson和Beck[36]认为可持续城市排水系统 （SUDS） 的普遍应用会对土壤造成影响， 并通过文献回顾分析解决问题的方法。

　　在土壤污染机理研究方面， 缺乏与海绵城市相关的研究成果。与入渗污染土壤的机理研究有：张传雷[37]根据西安市黄土地区城市道路雨水径流污染物的特点， 选取具有代表性的污染物， 采用室内实验的方法， 初步探讨了污染物在土壤中的迁移规律， 研究表明水分和石油在土壤中迁移时， 湿润锋前进速度、累积入渗量、入渗率和稳渗率随表层石油含量的增大而减小， 氨氮在土壤中的迁移以对流作用为主。彭帅[38]模拟研究流体中携带的污染物在土壤环境中的迁移行为和分布规律， 研究表明， 影响污染物迁移的因素有土壤容重、含水率、吸附分配系数、对流速度、水动力弥散速度、吸附降解、污染物排放方式、边界条件等因素， 其中对流是影响污染物迁移传输的动力和主要因素， 降解会减少污染物总量， 吸附导致污染物滞后迁移。

　　2.2 海绵城市雨水径流集中入渗对地下水的影响

　　2.2.1 海绵城市雨水径流集中入渗对地下水位的影响

　　降雨入渗对地下水的补给分析方法主要从两方面入手， 一是利用地中渗透仪的观测资料直接计算出降雨入渗量， 二是利用地下水动态资料进行降雨与地下水位抬升关系的分析[39].传统降雨入渗补充地下水在研究降雨量、蒸发量、径流量、渗透量等因素对地下水位年内、年际动态变化的影响关系时， 多采用第二种方法。如Hasan等[40]以孟加拉国Chapai Nawabgonj地区为研究对象， 分析了径流量、渗透量和地下水位波动之间的关系， 以评估降雨对地下水位波动的影响；Abdullahi和Garba[41]利用马来西亚丁加奴州13年的降雨量、蒸散量和地下水位波动数据， 评估降雨对地下水位波动的影响。俱战省等[42]利用7眼地下水位监测井的数据， 对陕西关中乾县城区、羊毛湾灌区和宝鸡峡灌区的地下水位年际和年内动态变化特征进行了分析。上述研究都与雨水径流集中入渗无关。

　　海绵模式下雨水径流集中入渗对地下水影响研究处于起步阶段， 研究规模较小， 一般采用第一种方法。Appleyard[43]在珀斯市区对3个雨水渗透池做了地下水位动态变化和地下水质变化监测研究， 研究表明地下水在渗滤开始几分钟后就可得到补给。孙建伟[44]以邯郸市美意苑居住小区雨水利用系统为研究对象， 进行城市雨水入渗补给浅层地下水及雨水利用研究；郭超等[45]、赵苗苗[46]以西安理工大学校内雨水花园为研究对象， 监测了降雨前后地下水位的变化， 结果表明雨水花园集中入渗对地下水的补给作用具有滞后性， 一般滞后3~5天， 雨水花园集中入渗对地下水的补给效果显著。上述研究的规模普遍较小， 研究周期较短。

　　2.2.2 海绵城市雨水径流集中入渗对地下水水质的影响

　　研究表明， 传统污水渗透和再生水回灌会对地下水水质产生一定影响， 可能影响到地下水的污染物主要有氮、磷、有机物、重金属、细菌、病毒、新型有机物等。Stephenson和Beck[36]综述了高速公路雨水径流污染地下水潜力的研究， 发现土壤渗滤过程并不能完全去除径流中的污染物， 特别是在缺乏土壤的喀斯特地貌地区， 地下水更容易受到雨水径流污染物的影响。Andres和Sims[35]对生活污水快速渗透池系统 （RIBS） 周围的地下水进行研究， 监测数据表明氮磷在入渗点向周围扩散。Dallman和Spongberg[47]为评估雨水渗入对地下水水质的潜在影响， 在洛杉矶和周边地区开展了一项为期6年的监测计划， 监测成分主要包括金属、营养素、有机物、细菌和新型污染物等， 研究表明浅层地下水水质并没有退化。Kenawy等[48]以埃及萨达特市更新世含水层为研究对象， 通过电阻率层析成像和水化学分析， 研究了氧化塘污水渗透及其对地下水水质的影响， 结果表明氧化塘渗出的废水不是该地区更新世含水层地下水化学的主要控制因子。陈卫平等[49]总结了不同再生水回灌方式对地下水水质的影响， 研究表明地下水中盐分、硝态氮都有增加趋势， 重金属污染风险较小， 病原微生物对地下水的污染风险较小， 但不能排除一些活性较强的病毒等污染地下水；陶红[50]的研究结果表明， 再生水的地表渗滤会增加地下水中氯化物、氨氮及有机物的含量。虽然上述研究入渗水质与雨水径流水质不同， 但是入渗形式均是集中入渗。

　　海绵城市雨水径流集中入渗与传统污水渗透和再生水回灌类似， 也可能对地下水水质产生影响。Dietz[51]综述了雨水径流入渗系统， 同时讨论了雨水入渗污染地下水的可能性， 认为径流污染物中的病原体和盐分不易被土壤截留， 容易影响到地下水， 径流中其他污染物浓度较低且容易被截留在土壤表层， 不会对地下水造成污染。Tedoldi等[52]指出， SUDS的普遍应用会对地下水水质造成不利影响。 Nieber 等[53]通过分析雨水集中入渗措施， 发现金属和石油烃更可能从这些渗透系统进入地下水。郭超等[45]、赵苗苗[46]对西安理工大学校内雨水花园进行的初步监测与分析， 得出径流入渗对地下水中氮、磷浓度影响较小。上述研究的规模较小、研究周期较短、污染物种类较少， 且没有明确污染物在地下水中的迁移过程。

　　3 海绵城市雨水集中入渗对土壤与地下水影响的数值模拟

　　3.1 雨水径流集中入渗对土壤影响的数值模拟

　　土壤是一个复杂的生态系统， 包含土壤颗粒、水、空气、植物和微生物等。污染物随径流进入土壤首先要考虑水在土壤中的流动， 多孔介质中的流体运动分为饱和流动和非饱和流动， 分别用达西方程和Richards方程进行表述， 以此为基础进行数值模拟， 如Smaoui等[54]对饱和多孔介质中的污染物迁移进行了数值模拟；Radu等[55]通过对不同数值方案 （Galerkin有限元 （GFE） 、有限体积 （FV） 和混合有限元 （MHFE） ） 的比较， 来模拟非均质多孔介质中的污染物输运。

　　同时还需考虑污染物质随水流运移过程中的对流、弥散、扩散以及土壤颗粒的吸附解吸作用， 隋红建和杨邦杰[56]建立了土壤二维对流- 弥散溶质迁移的有限元模型， 并采用土柱实验对该模型进行了验证；胡舸等[57]基于对流扩散传输理论， 建立了土壤环境下污染物运移的数学模型；王忠康等[58]采用有限体积法对二维稳态水流中污染物运移的基本方程进行离散， 获得污染物在饱和土壤中运移的有限体积法计算模型；王超和王惠民[59]在分析水分及污染物在土壤中迁移物转化规律的基础上， 建立了土壤水分及污染物迁移的耦合数学模型。

　　重金属具有不可降解、毒性大、种类多的特点， 是土壤污染研究的重点， 相关数值模拟研究成果较多， 彭盼盼等[60]运用 Hydrus- 1D建立污染物铬在浅层土壤 （0~200 cm） 中运移规律的数值模拟模型；孙莹莹[61]通过批量平衡吸附实验和室内土柱实验， 研究了重金属 （Zn2+、Cd2+、Cu2+） 及铵根离子在土壤中的吸附、运移过程， 并利用Hydrus- 1D软件对重金属的运移过程进行了数值模拟。

　　上述数值模拟方法均应用在传统土壤污染研究中， 缺乏在海绵城市径流集中入渗对土壤影响研究方面的应用。

　　3.2 雨水径流集中入渗对地下水影响的数值模拟

　　地下水污染数值模拟涉及两个模型， 即地下水流动的数学模型和污染物迁移的数学模型。Wolf等[8]运用计算机模型与蒙特卡罗模型模拟漏水的下水道与排水系统对地下水的影响， 运用数据交换方法将几个独立的模型联系起来， 为地下水运移与地下水污染风险研究提供了更全面的研究方法， 研究结果表明， 单一的土壤渗滤系统并不足以保护地下水免受径流的污染。王超等[62]建立了河流污水饱和入渗对沿岸地下水质影响的数学模型；Hussein[63]以陕西省宝鸡峡灌区和羊毛湾灌区为研究对象， 进行了中国北方大型灌区的地下水模拟。Iwasaki等[64]应用一维非饱和区模型 （HYDRUS- 1D） 和三维地下水模型 （MODFLOW） , 研究了考虑水田垂向入渗时地下水位变化的影响因素。

　　污染物迁移模型与地下水流动模型耦合， 可以分析地下水污染物质迁移过程， 在污染物迁移方面的研究较多， 刘晓丽等[65]建立了地下水环境中有机污染物迁移转化的变系数动力学模型。Cerar和Mali[66]应用多元统计分析方法， 评估了地下水中持久性有机污染物的分布、来源季节变化。

　　目前， 有Visual MODFLOW、GMS和MT3D等系列软件， 可用于地下水水量与水质的模拟研究。杨鹏年和董新光[67]利用MODFLOW和MT3DMS软件对竖井灌排下的地下水量与水质变化趋势进行了模拟；温先高[68]以北京市大兴区南红门的再生水灌区为研究对象， 利用地下水水质模拟软件GMS构建污染物运移转化模型， 设置不同场景， 模拟了地下水中氯化物运移变化规律；Saba等[69]以氯化物为对象， 运用MODFLOW和MT3D软件进行了三维地下水与溶质运输模拟；Ayvaz[70]以含水层系统为研究对象， 运用MODFLOW和MT3DMS模型， 模拟了地下水流和污染物运移过程， 该模拟优化方法可以解决区域地下水污染源识别问题。

　　在海绵城市雨水径流集中入渗对地下水影响的研究方面， 仵艳[71]应用Visual MODFLOW模型模拟了西安理工大学校园内雨水花园对地下水水位的影响， 但缺乏对地下水质变化的模拟研究。数值模拟是海绵城市雨水径流集中入渗影响地下水问题的关键， 上述数值模拟研究成果缺乏在海绵城市研究上的应用。

　　4 海绵城市雨水径流集中入渗的累积效应与污染风险评价

　　4.1 雨水径流集中入渗对土壤与地下水污染的累积效应

　　国内外关于雨水径流长期集中入渗对土壤和地下水污染的累积效应研究处于初级阶段， Tedoldi等[52]评述了在应用SUDS条件下， 雨水径流入渗对污染物在土壤/渗滤介质中的累积和运移的影响；李海燕等[72]对污染物在雨水花园等3种生态雨水设施内的分布特性进行了归纳总结；张传雷[37]采用室内实验的方法， 初步探讨了城市径流污染物在土壤中的迁移特性和累积情况。

　　4.2 雨水径流集中入渗对土壤污染与地下水污染的风险评价

　　土壤污染风险和地下水污染风险研究方法与成果较多， 如Stein等[73]将地统计学技术应用于土壤重金属污染的评价；Shao和Li[74]采用灰色关联分析模型对土壤重金属污染进行了生态风险评价；Xie 等[75]对基于不同插值方法得到的土壤中重金属污染空间分布， 进行了确定性与不确定性分析；Khalil 等[76]基于地球化学与地统计学评估了废弃矿山周围的土壤污染情况；郭平等[77]采用生态危害指数法对一些地区重金属的潜在生态风险进行了评估；窦磊等[78]通过改进土壤重金属污染评价的模糊数学模型和评价因子权重的计算方法， 提出了基于污染物浓度和毒性的双权重因子的模糊综合评价法；Rajasekhar等[79]应用Monte Carlo方法研究了地下水中石油PAHs污染对人体健康的影响风险；Zeleňáková和Zvijáková[80]针对环境影响评价中的风险分析进行了综述， 讨论了环境风险参数确定的方法与模型。

　　随着雨水径流集中入渗设施的应用， 径流污染土壤和地下水的风险也得到学者们的关注。Clark和Pitt[81]讨论了入渗设施影响地下水的因素， 认为渗流区中有机物含量与微生物活性是影响入渗设施土壤中污染物迁移的重要因素， 并提出一个估算土壤渗滤污染地下水风险的方法， 此方法主要分3步：① 确定进入与流出渗滤设施的污染物浓度与形态；② 确定土壤性质对水质净化的影响；③ 确定所需要的预处理步骤。并对一些污染物的风险作出了判断， 认为径流污染物中硝酸盐氮浓度普遍较低， 所以， 硝酸盐氮不会威胁到地下水质的安全。而如果对沙质土壤上的农作物进行灌溉， 可能导致地下水受到杀虫剂与有机物的污染。Weiss等[82]论述了城市雨水入渗技术和城市雨水径流中的主要污染物， 并对入渗径流中污染物的去向进行分析， 指出地下水污染风险是与土壤和污染物特性以及地下水深度有关的复杂问题；Li 和Davis[34]指出雨水花园土壤存在一定的重金属污染风险；Mikkelsen等[83]研究了丹麦机动车道雨水径流入渗对地下水水质的影响， 指出雨水下渗存在一定的污染风险；李海燕等[72]定性分析了植被浅沟、雨水花园长期运行时面临的污染风险， 并提出管理维护建议。

　　5 结论与展望

　　5.1 结论

　　综上所述， 入渗机理、传统径流入渗、中水回灌以及国外LID （Low Impact Development） 雨水渗滤研究均表明雨水径流集中入渗可造成土壤和地下水的污染风险。海绵城市建成后， 若径流污染物浓度过高或雨水径流集中入渗设施处理污染物的能力不足， 随着雨水设施运营时间的延长， 会导致某些污染物在土壤中累积， 若累积量超过一定限度， 必然会影响雨水径流集中入渗设施净化雨水径流的能力， 从而对土壤与地下水造成不利影响。

　　国外对LID设施雨水径流渗滤影响土壤与地下水的研究主要集中在20世纪末、21世纪初， 在污染监测、模拟、风险评价方面均有一些研究成果， 考虑到自然与社会因素的差异， 国外相关研究并不完全适用于中国的海绵城市建设。另外， 目前中国现有研究大多围绕LID源头设施本身展开， 包括措施的结构、效果与影响机制等， 而对雨水径流长期集中入渗对土壤与地下水影响的研究相对较少， 难于支撑中国广泛开展海绵城市建设的需要。从理论与实践两方面来看， 仍存在不少问题需进一步深入研究。

　　5.2 展望

　　为保障海绵城市雨水径流集中入渗设施的合理应用， 降低海绵城市建设对土壤与地下水的污染风险， 建议对以下问题加大研究力度：

　　（1） 土壤污染及风险研究。主要研究径流污染物种类、污染物浓度、径流入渗量、径流入渗频率、雨水径流集中入渗设施结构、雨水径流集中入渗设施自净速率、设施运营寿命等对土壤污染时空分布的影响， 研究土壤污染物的累积效应， 分析易累积的污染物与影响其累积速率的主要因素， 评价土壤污染的风险。

　　（2） 雨水径流集中入渗的土壤污染累积效应研究。主要研究径流入渗前土壤污染物本底值对径流净化效果的影响， 建立设施污染物累积量与设施进、出水污染物浓度之间的动态响应关系， 探索设施包气带土壤中污染物的迁移转化规律， 研究包气带土壤污染的累积效应。

　　（3） 地下水污染风险预测。结合包气带土壤污染物风险研究、污染物在土壤中的迁移转化规律， 预测进入地下水的污染物量， 评价地下水污染风险。

　　（4） 降低地下水污染风险的措施。径流入渗量、入渗污染物浓度、设施吸附自净能力、设施表层土壤更换频率等因素均能影响进入地下水的污染物总量， 结合上述因素研究如何简单、经济地使地下水污染风险降到最低。

　　研究海绵城市建设模式下雨水径流集中入渗设施对土壤和地下水的影响， 能够增加海绵城市建设过程中雨水径流入渗设施配置的合理性， 为雨水径流集中入渗设施在运营期的管理与维护提供科学依据， 降低海绵城市污染土壤与地下水的风险， 为中国海绵城市事业健康发展保驾护航。

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