城市雨水生物滞留系统对径流削减与水质改善的全球实地研究荟萃分析

为解决城市化导致的水体健康恶化问题，研究人员通过荟萃分析评估全球50个实地生物滞留系统的水文与水质改善效能。研究发现该系统平均可削减63%径流量、74%峰值流量，并显著降低TSS(80%)、TN(55%)和TP(62%)负荷，为绿色基础设施设计提供关键数据支撑。

　　

随着城市化进程加速，不透水地表面积增加导致雨水径流量激增，携带大量污染物进入水体，引发藻类繁殖、生态系统退化等问题。传统灰色基础设施已无法满足现代城市水环境治理需求，生物滞留系统(Bioretention)作为绿色基础设施(GI)的核心技术，通过植物-土壤-微生物协同作用实现雨水滞留与净化。然而，实验室研究与实际工程表现存在差异，且全球范围内缺乏系统性的性能评估。为此，Monash University团队首次对34项实地研究进行荟萃分析，揭示生物滞留系统在真实环境中的运行规律。

研究采用文献计量学方法，从412篇论文中筛选符合标准的50个生物滞留设施数据。通过建立统一性能指标计算公式，运用线性回归、非参数检验等统计手段，分析设计参数与水文水质指标的关联性。数据来源于美国(58%)、加拿大(16%)、澳大利亚(10%)等国的长期监测项目，涵盖屋顶、停车场等不同汇水区类型。

3.1.1 体积流量削减

研究发现生物滞留系统平均削减63%径流量(SD=26%)，且成熟系统表现更优。出乎意料的是，无衬里(unlined)与有衬里(lined)系统仅相差2%，这与传统认知相悖。关键影响因素包括：汇水区面积与生物滞留表面积呈负相关，而系统年龄与性能正相关，表明植被成熟度对水力效率的提升作用。

3.1.2 峰值流量削减

峰值流量平均降低74%(SD=29%)，其中无衬里系统表现更优(p=0.009)。介质砂含量每增加10%可提升5%峰值削减能力(R²=0.98)，因其大孔隙结构促进快速入渗。

3.1.3 污染物负荷削减

总悬浮固体(TSS)负荷削减最为显著(80%±21%)，主要依赖过滤机制。总氮(TN)和总磷(TP)负荷分别降低55%和62%，但存在较大变异：有衬里系统TN去除率更高(p=0.01)，而饱和区设计可显著提升TN去除(p=0.045)。值得注意的是，TP去除与出流TSS负荷呈强负相关(rho=-0.701)，提示颗粒态磷是主要去除形态。

3.1.4 污染物浓度削减

浓度削减效果普遍低于负荷削减，TN、TP浓度平均降低29.8%和44.1%。有衬里系统仍保持优势，TN浓度去除率高17%。部分使用富含有机质介质的系统出现磷渗出，强调介质筛选的重要性。

3.2 作用机制解析

水文性能主要依赖入渗(占水量平衡98%)而非蒸散发(ET)。水质净化途径具有污染物特异性：TSS通过物理过滤；TN依赖饱和区反硝化及植物吸收；TP去除与介质吸附容量密切相关。研究特别指出，大型生物滞留系统可能存在"死区效应"，导致水力效率下降。

这项研究颠覆了多个传统认知：无衬里系统未显现预期优势，可能与大型系统设计缺陷有关；实验室结果高估了TN浓度去除率(63% vs 实地29.8%)；砂质介质对峰值调控的量化关系首次被明确。成果为《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》提供了绿色基础设施设计的三大准则：优先分布小型系统而非集中式大型设施；依据目标污染物选择衬里配置；通过介质优化提升峰值调控能力。未来研究需建立标准化监测协议，并深入探究植被-微生物-土壤的长期协同机制。