《Earth》：A Small-Scale Comparative Analysis of Traditional Drainage and Sustainable Urban Drainage Systems Under Urban Flooding Conditions
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快速城市化与降雨强化日益使传统雨水排水系统超负荷，然而在巴拿马城等热带城市，将其与可持续城市排水系统（Sustainable Urban Drainage Systems, SuDSs）进行比较的实验证据仍然稀缺。本研究在受控实验室条件下，比较了1:2比例生物
快速城市化与降雨强化日益使传统雨水排水系统超负荷，然而在巴拿马城等热带城市，将其与可持续城市排水系统（Sustainable Urban Drainage Systems, SuDSs）进行比较的实验证据仍然稀缺。本研究在受控实验室条件下，比较了1:2比例生物滞留（bioretention）原型与传统混凝土排水原型的水力行为与排出水质。每个原型通过其代表性进水方式接收自来水、含沉积物水与肥料溶液；物理参数采用基于Arduino的传感器网络记录，硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐采用光度计测定。两种系统回收的水量相当（传统系统87.5%，SuDS 80%），但传统原型约15 s内排完，而SuDS在30 min内逐步释放水量，峰值出流较入流低54%。SuDS将浊度降至传感器检测限以下，并在多数溶液中降低硫酸盐和磷酸盐，而传统排水未表现出截留。SuDS还提高了电导率（EC），并在某些情况下提高硝酸盐，表明基质存在离子释放。在这些条件下，生物滞留原型延迟了出流并改善了颗粒物去除，支持其作为传统排水补充的潜力。然而，为支持其作为热带城市分散式绿色基础设施（decentralized green infrastructure）的潜力，仍需全尺度试验。
近几十年来，城市扩张将可渗透地表转化为不透水地表，降低入渗和蒸散，增加径流体积和最大流量；城市内涝频发，造成经济损失、基础设施退化、交通中断和公共健康风险。气候变化加剧短时强降雨和极端事件，使城市雨水管理系统承压。传统雨水排水主要按传导和快速排出设计，面对不透水面增加和降雨强度增强可能不足。城市洪水同时是水质问题：不透水面径流携带沉积物、养分、固体废物、碳氢化合物和微生物，影响城市与沿海水生态；初期冲刷（first flush）取决于地表、前期干旱期和风暴结构，并非普遍。传统排水优先快速排出，截留、入渗和自然处理少，在水力和环境上均受限。巴拿马城过去25年城市面积增至三倍，洪水成为最常见自然灾害，雨水和卫生排水因维护、设计和扩展不足常超运行能力；设计指南常未充分考虑当地气候和基础设施条件，这是生物滞留失败的原因之一；热带气候下植被和滤料性能记录仍少。因此，需要直接比较SuDS与传统排水、在相同受控降雨下同时评估水力和出水质量、并覆盖代表性洪水条件而非仅设计事件的实验证据；在巴拿马城等快速城市化热带城市，这一定量基础不足。研究人员据此构建1:2比例生物滞留原型和传统混凝土排水原型，在受控实验室比较其水力行为与排出水质。
研究在受控实验室条件下，以1:2比例建立传统排水和SuDS生物滞留原型。传统原型按巴拿马公共工程部（Ministry of Public Works, MWP）更新规范设计，以镀锌板模拟道路沟渠集中流；SuDS由PVC导流、透明亚克力槽、#5碎石、土工布、硅砂、透水施肥黑土混合物、有机覆盖物及Vetiver（Chrysopogon zizanioides）和Sansevieria（Dracaena trifasciata）组成，以PVC降雨模拟器供水。用Arduino Mega 2560连接浊度、DS18B20温度、电导率（EC）和pH传感器，Lovibond MD600光度计测硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐；三种20 L溶液（自来水对照、含沉积物水、肥料溶液）分别测试，记录进出水时间、体积和流量。研究地点为巴拿马城，实验在受控实验室完成；沉积物为当地供应商购买的原生土壤。
3.1 进水和出水特征：通过进/出水流量与体积测量，传统原型每次20 L回收17.5±0.5 L（87.5±2.5%），平均进、出流量6.22±0.96和5.43±0.68 L s
?1，平均降低12.5±2.6%，全部体积约15 s通过；SuDS出流在20 min内开始并持续30 min，回收80%，最高出流率230 mL s
?1，较入流低54%，随后为106、65和7.6 mL s
?1逐步下降。两系统回收比例相当但释放模式显著不同；传统原型少于一个采样间隔排完，无法解析最大延迟和水文质心延迟，未计算水力停留时间。SuDS因亚克力槽无底孔未能测入渗，全尺度下入渗可能减少排入管网体积。
3.2 污染物去除效率评估：通过传感器网络和光度计测8项参数。传统排水进出水变化小且多为增加：pH变0.2–0.5单位；EC在肥料+29.1%、沉积物+23.2%、自来水由0到126.43 μS/cm；硝酸盐在肥料和沉积物保持1 mg/L，自来水1到3 mg/L；磷酸盐在肥料0.9和沉积物0.8 mg/L不变，自来水0.17到0.25 mg/L（+47%）；硫酸盐在肥料200 mg/L不变，自来水38到34 mg/L（?10.5%），沉积物6.3到100 mg/L约16倍；浊度肥料1680–1688 NTU（散射浊度单位）（+0.5%），沉积物1030到1388 NTU（+34.8%）。SuDS变化更明显：酸性溶液pH趋近中性（肥料3.14到6.52，沉积物7.00到7.13），自来水8.0到7.0；EC肥料137.2到600.23 μS/cm（+337%）、沉积物89到536 μS/cm（+502%）、自来水26.57到263 μS/cm（+890%）；总溶解固体（TDS）同趋势且与EC约0.4–0.5关系，提示由EC估算；硫酸盐肥料降58.0%（100到42 mg/L）、沉积物降82.8%（29到5 mg/L）；磷酸盐沉积物降62.0%（1.00到0.38 mg/L）、自来水降85.7%（0.14到0.02 mg/L），肥料略升0.99到1.10 mg/L（+11%）；硝酸盐肥料保持1 mg/L，沉积物1到2 mg/L，自来水2到3.7 mg/L；浊度沉积物3000到0 NTU、肥料1556到0 NTU、自来水0 NTU。结论是SuDS具有过滤和截留作用，传统排水无截留且部分参数升高。
3.3 SuDS生物滞留系统的体积响应与养分释放：通过体积回收与营养盐分析，两系统回收相似比例（87.5% vs 80%），但传统几秒内几乎瞬时排放，SuDS 30 min逐步释放且流量下降。浊度降低与生物滞留文献一致，悬浮固体通过沉淀和过滤去除；实验室总悬浮固体（TSS）去除通常85%至>90%，部分88%–99%，但浊度非TSS，比较为定性；近100%去除主要与表层和滤料物理作用有关。SuDS同时出现EC升高、沉积物和自来水硝酸盐升高、肥料磷酸盐升高；保留颗粒并降低硫酸盐和磷酸盐而EC升高，与基质离子释放一致。De-Ville et al.表明生物滞留介质性质决定水力行为，饱和导水率是主导因素，甚至高于粒径分布；酸性溶液pH上升与滤料贡献一致，但机制未能识别。测量支持某些条件下离子和硝酸盐净释放；假设包括施肥土壤和有机覆盖物养分和盐淋溶、基质解吸和植物吸收（也可能降低浓度）。浊度降低和峰值衰减与Chaves et al.热带条件下中等等级事件平均沉积物保持效率>95%的报道一致。
讨论与结论：讨论指出两系统主要差异不仅是径流延迟，还包括过滤和截留过程；SuDS浊度降低与Goh et al.所述沉淀和过滤去除悬浮固体一致；EC和硝酸盐增加提示基质离子释放，但内部过程未直接测量，相关机制为解释性推断；研究以输入—输出关系评价，入流方式不同，未测内部变量，未测入渗，结论建议通过重复和仅滤料对照扩展证据。研究结论翻译：本研究是巴拿马对试点生物滞留原型与传统排水系统进行比较的实验评估之一；在测试条件下，原型显示地表径流体积减少54%和水质参数改善，显示其管理暴雨径流和改善热带城市水质的潜力。两系统比较基于各测试进、出口相对变化，尽管施水方式不同（传统为集中脉冲，SuDS为模拟降雨），仍可分析各自功能行为。结果为巴拿马指导基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）和SuDS应用提供初步基础，该国该领域仍处起步阶段；SuDS正成为传统系统的有价值补充，应纳入适应城市动态的综合雨水管理策略。下一步建议以重复和对照（包括仅滤料对照）扩展证据，区分环境、植被和初始截留或释放过程的贡献；开展非受控环境和真实降雨下的全尺度验证，评估连续风暴、淤积风险和维护需求；并探索农村和农业区等其他配置与背景。研究提出在巴拿马地铁环岛和绿地等空间评估更大尺度模块，作为向海绵城市（Sponge City）模式过渡。
