应对生物滞留性能面临的风险：污染物渗漏以及与地下水之间的相互作用可能掩盖了设计中的关键因素

《Ecological Engineering》：Addressing risks to bioretention performance: The potential for pollutant leaching and groundwater interactions to overshadow design features

生物滞留池在处理停车场径流中水文性能受负荷比和地下水位影响显著，Tree池因地下水交互导致负减排；水质方面，多数污染物（如氮、磷、重金属）出水浓度高于 influent，Forbs池因堆肥材料差异污染物负荷最高。研究强调需结合地下水评估和材料筛选优化设计。

　　### 生物滞留系统在城市径流管理中的表现分析

在现代城市化进程中，随着不透水地表（如屋顶和道路）的增加，城市径流的体积和峰值流量显著上升。这些变化对河流和地表水体产生了负面影响，例如增加了营养物质、沉积物、细菌、重金属和氯化物的负荷，进而威胁到水体的水质。生物滞留系统作为一种有效的绿色基础设施技术，被广泛用于控制这些径流问题。然而，尽管其应用日益广泛，关于其设计参数、植物选择以及地下水相互作用对性能影响的研究仍存在不足。

在本研究中，四个生物滞留系统被安装在俄亥俄州克利夫兰市的生物滞留细胞中，用于管理一个1.3公顷的沥青停车场产生的径流。这些系统的设计采用了不同的植物组合和排水面积与生物滞留表面面积的比例（即加载比，LR），以评估它们对径流处理效果的影响。研究发现，尽管这些生物滞留系统在设计上是超大的，即其排水面积与表面面积的比值高于当前的推荐标准，但它们在径流控制方面表现出不同的效果。

### 水文性能

研究结果表明，生物滞留系统的水文性能与植物选择和加载比密切相关。Native Grass、Forbs和Turf三个系统的径流体积减少率分别为71.1%、89.2%和72.0%，均表现出良好的径流控制能力。这些系统的出流比例分别仅为28.9%、10.8%和25.0%，意味着大部分径流通过蒸发蒸腾（ET）和渗入地下层被处理。相比之下，Tree细胞的表现较差，其径流减少效率为-6.7%，出流量甚至超过了入流量。这一现象可能与地下水位的变化有关，特别是在冬季和春季，地下水位较高，而ET较低，导致地下水进入生物滞留系统。

此外，研究还发现，Tree细胞的排水效率在不同季节表现出显著差异。在冬季和春季，其径流减少效率为-10.4%，而在夏季和秋季，这一效率提升至15.2%。这表明地下水与生物滞留系统的相互作用是影响其水文性能的重要因素。研究进一步通过土壤钻探确认了Tree细胞底部存在氧化还原特征，表明地下水已经渗透到该系统中。

### 水质表现

在水质方面，生物滞留系统的性能呈现出不同的趋势。虽然大部分悬浮固体（TSS）和营养物质的浓度在生物滞留系统中有所降低，但某些重金属和溶解性有机物的浓度却有所上升。例如，所有生物滞留系统的出流中，总悬浮固体的平均浓度降低了50–83%，但氮和磷的浓度却显著高于入流。这一现象可能与生物滞留介质中的堆肥有关，因为堆肥中的有机物可能在降雨过程中被冲刷到出流中。

在重金属方面，研究发现，虽然某些金属（如锌和铅）在生物滞留系统中有所减少，但铜（Cu）的浓度在所有系统中都显著升高。铜与有机物有较强的结合能力，因此在生物滞留介质中，由于有机物的溶解和释放，铜的浓度可能在出流中增加。此外，Forbs细胞的出流中，氮和磷的浓度显著高于其他系统，这可能与堆肥来源的差异有关，例如使用了更易降解的材料（如落叶）而非更稳定的材料（如木屑）。

### 与地下水的相互作用

研究还发现，地下水与生物滞留系统的相互作用对水质和水文性能都有重要影响。特别是在Tree细胞中，地下水的渗入导致了出流中污染物的增加，这与系统设计中的地下水位位置和土壤特性有关。Tree细胞位于四个系统中最低的位置，靠近停车场北侧的渗透性区域，这使得地下水更容易进入该系统。此外，系统中发现的氧化还原特征进一步支持了地下水渗入的可能性。

地下水的渗入不仅影响了生物滞留系统的性能，还可能导致污染物向下游水体的扩散。因此，在设计生物滞留系统时，需要充分考虑地下水位的变化，并采取适当的措施，如使用不透水衬层或防渗环，以防止地下水的渗入。同时，对地下水的潜在影响进行监测和评估，有助于优化系统的性能并减少对环境的负面影响。

### 植物选择的影响

植物的选择对生物滞留系统的性能也有显著影响。在研究中，不同的植物组合表现出不同的污染物去除效果。例如，Forbs细胞中的氮和磷浓度显著高于其他系统，这可能与植物根系的结构和功能有关。某些植物（如本地草本植物）具有更复杂的根系系统，能够有效维持土壤结构和孔隙度，从而提高污染物的去除效率。此外，植物的生长周期也会影响其去除能力，例如在生长季节，ET率较高，而休眠季节则较低。

然而，研究发现，季节性的变化对径流减少性能没有显著影响。这表明，即使在不同季节，生物滞留系统的水文性能主要由其设计参数决定，而不是植物的生长状态。因此，在设计生物滞留系统时，应优先考虑系统的尺寸和结构，而不是仅仅依赖植物的选择。

### 材料选择的重要性

生物滞留介质的材料选择对系统的长期性能至关重要。研究中发现，尽管所有系统都使用了相同的沙壤介质，但某些材料的差异（如堆肥的来源和可降解性）可能影响污染物的去除效果。例如，Forbs细胞的磷含量显著高于其他系统，这可能与使用了更易降解的堆肥有关。因此，在设计生物滞留系统时，应仔细选择介质材料，以确保其长期有效性和环境安全性。

此外，生物滞留系统的性能还受到土壤化学性质的影响。例如，某些区域的土壤可能具有较高的饱和导水率，这可能影响污染物的去除效率。因此，在设计前进行详细的土壤分析和场地调查，有助于优化系统的设计并减少潜在的环境风险。

### 未来研究方向

本研究的结果为未来生物滞留系统的优化提供了重要的见解。首先，需要进一步研究不同植物组合对污染物去除效果的影响，特别是在寒冷气候条件下的适用性。其次，应加强对地下水相互作用的监测和评估，以确保系统的长期性能和安全性。最后，对生物滞留介质材料的选择和配比进行更深入的研究，有助于提高污染物去除效率并减少对下游水体的潜在影响。

总之，生物滞留系统在城市径流管理中具有重要作用，但其性能受到多种因素的影响，包括设计参数、植物选择、地下水相互作用和介质材料。通过深入研究这些因素，可以进一步优化生物滞留系统的设计，提高其在城市环境中的应用效果。