高水力传导性生物滞留系统对暴雨径流中金属的高效处理：寒冷气候下的优化设计与性能评估

为解决寒冷气候下传统生物滞留系统(BRC)因细颗粒滤料导致的渗透效率低、冬季冻结失效等问题，瑞典研究团队通过3种粗滤料配置（粗砂/淹没区/粗砂-浮石混合）的实地研究，证实高饱和水力传导性(>1500 mm/h)系统可同步实现80%以上Cu/Pb/Zn总金属去除率，但溶解态Cr/Ni存在淋失风险，为空间受限区域及冻土环境提供了优化方案。

　　

随着城市化进程加速，暴雨径流携带的金属污染物（如Cu、Pb、Zn等）对水生生态系统构成严重威胁。传统生物滞留系统(Bioretention systems, BRC)依赖细颗粒滤料实现金属去除，但其低水力传导性(通常10-400 mm/h)在寒冷气候下易因冻土形成而失效，且需要占用大量土地面积。这一矛盾在瑞典等北欧国家尤为突出——冬季道路融雪盐的使用可能加剧金属迁移，而细滤料系统在冻结时完全丧失功能。如何设计既能适应冻融循环、又能高效截留金属的BRC系统，成为环境工程领域的重大挑战。

针对这一难题，瑞典吕勒奥理工大学(LTU)的研究团队在马尔默市建立了三种高水力传导性(>1500 mm/h)的BRC系统进行为期4年的实地研究。通过比较粗砂滤料、粗砂+淹没区、粗砂-浮石(50:50)混合滤料的处理效能，发现粗砂基系统对总金属的去除率(Cu/Pb/Zn>80%)媲美传统细滤料系统，但溶解态Cd/Ni/Cr出现净淋失；浮石改良反而使总金属去除率降低50%，而淹没区设计未显现预期优势。该成果发表于《Journal of Contaminant Hydrology》，为寒冷地区暴雨管理提供了关键设计参数。

研究采用19场实际降雨事件采样（含冬季融雪期），通过ICP-MS测定总/溶解态(<0.45 μm)金属浓度，结合TSS(总悬浮固体)、TOC(总有机碳)等水质指标分析。三个BRC单元分别配置：CS系统（纯粗砂）、CS-SZ系统（粗砂+60cm淹没区）、CS-P系统（粗砂-浮石混合），所有系统饱和水力传导性均>1500 mm/h。采样涵盖秋季至春季，特别关注道路撒盐(NaCl)期间的金属迁移规律。

Characterization of the stormwater
数据显示入流雨水金属浓度呈典型城市径流特征：总Zn中位数达176 μg/L，溶解态占比仅15.7%；而溶解态Ni占比高达20.4%，预示其更易穿透滤层。冬季盐度峰值(Cl^-

1000 mg/L)与溶解态金属浓度正相关，证实融雪盐促进金属解吸。

Stormwater
CS系统表现最优：总Cu/Pb/Zn去除率中位数分别为84%/88%/81%，但溶解态Ni/Cr出现负去除(-35%~-120%)。CS-P系统总金属去除率骤降50%，浮石的高孔隙率导致颗粒态金属过滤效率下降。淹没区(CS-SZ)对金属去除无显著提升，可能与缺乏固态碳源有关。

Conclusions
研究证实高水力传导性BRC可通过粗砂滤料实现暴雨体积控制与金属截留的双重目标，但需注意：(1)溶解态Ni/Cr在盐渍条件下易淋失；(2)浮石改良会削弱系统性能；(3)淹没区设计需配合碳源添加。该成果为寒冷地区BRC设计提供了关键参数——当以总金属控制为主时，粗砂滤料(无需浮石/淹没区)是最优选择，其高渗透性可减少90%的占地面积，同时避免冬季冻结风险。这一发现对斯堪的纳维亚半岛、加拿大等高纬度地区的暴雨管理具有直接指导价值。