设计并构建基于自然的解决方案——对南非约翰内斯堡可持续排水系统的评估，旨在改善雨水水质

《Nature-Based Solutions》：Designing and Engineering Nature-Based Solutions - An Evaluation of Sustainable Drainage Systems for Improving Stormwater Quality in Johannesburg, South Africa

Climate change and urbanization加剧了南非约翰内斯堡的水管理挑战，研究通过比较私人住宅区The Reid与公共高尔夫球场Observatory的可持续排水系统（SuDS），发现设计要素（如滞留水量、时间）和系统维护对水质改善至关重要。The Reid因更大的水保留量和更长的滞留时间（HRT达2-4天）显著提升水质，而Observatory因短HRT（<2小时）和缺乏有效缓冲设计导致处理效果差。研究表明，SuDS需综合考虑水文、生态及政策支持，强调设计科学性和长期维护必要性。

　　在面对全球气候变化和快速城市化的双重压力下，水资源管理正面临着前所未有的挑战。这些变化不仅增加了洪水、干旱等极端天气事件的频率，还对水质造成了严重影响。特别是在像南非这样的地区，随着城市化进程的加快，基础设施的不足和非正规居住区的扩张，使得城市排水系统的设计和管理变得尤为关键。本文探讨了可持续排水系统（SuDS）在南非约翰内斯堡两个不同地点——The Reid（私人住宅区）和Observatory（公共高尔夫球场）中的应用效果，旨在揭示设计与维护在提升雨水质量方面的重要性。

### 1. 研究背景

全球气候变化正对水系统产生深远的影响，加剧了诸如洪水和干旱等灾害的发生频率，同时增加了水资源短缺的区域数量，以及与水质恶化相关的死亡率。这种变化在全球范围内不断加剧，尤其是在城市化迅速发展的地区。根据2019年的数据，全球约有56%的人口居住在城市，预计到2050年将上升至66%。非洲，尤其是南部非洲，是城市化增长最快的地区之一，城市化水平已达到60%。随着非洲城市规模的扩大，城市面临着基础设施不足的挑战，这不仅导致了非正规居住区的增加，还引发了环境风险、贫困和基础设施不足等问题。据估计，非洲城市人口中有约70%生活在未规划的社区，这些社区在面对城市扩张和气候变化影响时尤为脆弱。

城市扩张通常涉及将自然景观转变为农业和城市用地，这不仅破坏了水文循环，还加剧了径流，对接收水体的健康和水质产生了复杂的影响。随着城市地表越来越不透水，风暴径流带来的污染对水体的负担也越来越大。因此，如何有效管理径流的量和质成为现代城市水资源管理中的核心议题。

### 2. SuDS在雨水质量管理中的作用

SuDS作为自然解决方案（NBS）的一种形式，其核心在于利用生态系统的自然功能来改善水质。SuDS通过一系列的生态工程措施，如过滤带、沟渠、滞留池和湿地，来处理雨水，减少峰值流量，同时为生态系统的健康提供保障。这些措施通过沉淀、营养吸收、吸附和生物过滤等过程，能够有效去除污染物，改善水质。

SuDS的设计和布局在实现其功能方面起着至关重要的作用。例如，The Reid住宅区采用了更长的水力滞留时间（HRT）和更大的水体滞留容量，从而为生物地球化学过程提供了更多的时间和空间，显著提高了雨水质量。相比之下，Observatory高尔夫球场的SuDS设计较为简单，且未能有效增加水体滞留能力，这导致其处理效果有限，未能充分利用自然处理能力。

### 3. 研究方法

为了评估这两个地点的SuDS处理效果，研究团队在不同季节进行了水样采集和分析。研究区域位于约翰内斯堡的鳄鱼河（Crocodile River）流域，The Reid和Observatory都流向Jukskei河，是约翰内斯堡的主要排水系统之一。The Reid的排水区域约为120公顷，而Observatory的排水区域则约为310公顷。

水样采集采用了ISO标准，确保了数据的准确性和可靠性。研究人员在不同地点采集了水样，并在实验室中进行了水质分析，包括温度、pH值、氧化还原电位（ORP）、电导率（EC）、总悬浮固体（TSS）、总大肠菌群（TColi）、大肠杆菌（E. coli）、铵（NH??）、硝酸盐（NO??）、亚硝酸盐（NO??）、磷酸盐（PO?3?）、硫酸盐（SO?2?）和化学需氧量（COD）。此外，还进行了水力滞留时间（HRT）的估算，以评估水体在系统中的停留时间。

### 4. 研究结果

通过分析不同月份的水样数据，研究团队发现The Reid在所有采样月份中都表现出良好的雨水处理效果，而Observatory则仅在7月份显示出显著的水质改善。The Reid的水力滞留时间较长，尤其是在8月份，这为其提供了更充分的处理时间，从而促进了生物地球化学过程，如硝化、反硝化和沉淀，这些过程对于改善水质至关重要。

相比之下，Observatory的水力滞留时间较短，尤其是在12月份，尽管其入流速率较高，但由于处理时间不足，未能有效去除污染物。此外，Observatory的系统中存在一些设计缺陷，如损坏的垃圾陷阱，导致大量污染物和垃圾绕过处理单元，未能充分发挥其处理能力。The Reid的系统则通过合理的布局和设计，如设置缓冲区、滞留池和湿地，有效地缓冲了入流变化，从而提升了整体处理效果。

### 5. 设计与维护的重要性

研究结果表明，SuDS的设计和维护对处理效果具有决定性影响。The Reid的成功在于其系统设计考虑了水力滞留时间、水体容量和生物地球化学过程的优化。而Observatory的失败则反映出在设计和维护上的不足，这不仅影响了处理效果，还可能导致系统功能的丧失。因此，对于未来城市雨水管理的规划，必须重视这些设计要素，并确保系统的长期维护。

### 6. 研究结论与建议

本研究强调了在城市环境中，设计和维护SuDS的重要性。The Reid的案例展示了通过合理设计和布局，SuDS能够显著改善雨水质量，而Observatory的案例则提醒我们，设计和维护的不足可能导致系统功能的失效。因此，为了最大化SuDS的效益，城市规划者和管理者应优先考虑增加水体滞留容量和水力滞留时间，以支持关键的生物地球化学过程。

此外，研究还建议未来的研究应进一步探讨垃圾在SuDS中的作用，以及维护计划对系统性能的影响。同时，对土壤-水界面的研究也有助于更好地理解水处理机制，从而为SuDS的设计和维护提供科学依据。这些研究结果对于推动自然解决方案在城市环境中的应用具有重要意义，同时也为提升城市水系统的可持续性和韧性提供了实践指导。