分层生物滞留池中位数水文性能的稳定性及变异性增加：一项五年实验研究

《Journal of Environmental Management》：Stable median hydrologic performance of a layered bioretention cell despite increasing variability: a five-year experimental study

　　

蓝绿基础设施的长期可靠性是城市绿化的关键问题。本研究展示了一项在不设渗流的小型生物滞留池上进行的长期实验结果，该池设计为多层人工土壤系统，种植有四种多年生植物，位于捷克共和国。研究人员在五年内监测了水量平衡、生物滞留池的保水能力、土壤水势以及植物生长情况。本研究旨在阐明多年生植物发育和地下层材料性质变化如何影响生物滞留池内的水分滞留与延迟。采用基于植被衍生景观系数的半定量方法，评估年际植被发育对蒸散发的影响。研究人员对降雨-径流事件进行单独分析，以评估事件径流系数、峰值流量削减、峰值径流延迟和径流延迟。结果表明，在监测期间水文性能稳定，径流响应的变化与蒸散发动态和前期水分条件相关。峰值流量削减范围为30%至100%，中位数为88%，在整个研究期间持续保持高位。通过半定量评估照片记录得到的基于植被的景观系数，提高了蒸散发估算的准确性，特别是在植被建立初期。径流延迟中位数约为30分钟，而峰值径流延迟中位数达到56分钟。未观察到性能退化迹象，表明系统随时间稳定运行。

**论文解读：分层生物滞留池长期水文性能的稳定性与变异性——基于五年实验的实证分析**

**研究背景与问题**

城市化对城市水文循环造成深远压力，导致峰值流量较自然条件增加高达四倍。为缓解这些负面影响，低影响开发（LID）方法日益受到青睐，其中生物滞留池（或雨水花园）被广泛用于捕获、处理、蒸散发和渗透径流雨水。然而，关于生物滞留池长期性能的研究结论存在矛盾：部分研究报道了稳定甚至改善的性能，而另一些则指出因土壤压实或堵塞导致的性能下降。此外，植被发育和介质层性质随时间的变化如何影响水分滞留与延迟，尚缺乏系统性的长期实验证据。现有研究多关注带内部蓄水区（IWSZ）或具渗流功能的系统，而对完全隔离、无渗流且无IWSZ的多层生物滞留池，其长期水文性能（尤其是蒸散发估算和径流响应变异性）的研究不足。因此，有必要开展长期实验，评估植被生长和介质老化对系统性能的影响，并改进蒸散发估算方法。该研究发表在《Journal of Environmental Management》。

**研究内容与结论**

研究人员在捷克共和国布斯特赫拉德的捷克理工大学能源高效建筑大学中心（UCEEB）建立了一个实验性生物滞留池（BC），该池由聚氯乙烯（PVC）土工膜实现水力隔离，无内部蓄水区，底部无渗流。池体尺寸为2.6 m × 4.0 m（面积9.6 m2），接收来自屋顶面积39 m2的径流。生物滤池自上而下由砾石覆盖层（0.05 m）、生物滤料层（0.30 m，由50%砂、30%堆肥、20%表土组成）、砂层（0.10 m）和排水层（0.275 m）构成。植被为四种多年生植物：Aster novae-angliae、Hemerocallis、Molinia caerulea 和 Eupatorium 'Phantom'。监测期为五个水年（WY19-WY23，2018年11月1日至2023年10月31日）。研究人员监测了水量平衡、保水能力、土壤水势和植物生长，分析了301次降雨-径流事件，并采用基于植被的景观系数（K_L）改进蒸散发估算。

**主要关键技术方法**

本研究采用的关键技术方法包括：1）基于FAO Penman-Monteith公式计算参考蒸散发（ET₀），并利用Costello等（2000）提出的景观系数（K_L = k_s·k_d·k_mc）估算景观蒸散发（ET_L），其中物种因子（k_s）、密度因子（k_d）和微气候因子（k_mc）通过半定量分析照片记录（使用ImageJ软件）确定；2）通过时域反射仪（TDR）和张力计监测体积含水率（VWC）和压力水头；3）对每次降雨-径流事件计算事件径流系数（R_ce_e）、峰值流量削减（R_pr）、径流延迟（ΔT_r）和峰值径流延迟（ΔT_pr）；4）采用非参数Kruskal-Wallis检验和Pearson相关性分析评估年际差异和变量间关系。样本来源为捷克共和国布斯特赫拉德的实验站点，无特定队列。

**研究结果**

**3.1 基于植被监测调整的蒸散发估算**

通过景观系数K_L估算的ET_L在生长季最高达3 mm d^?1，峰值出现在WY22和WY23（植被完全成熟时）。各水年累积ET_L分别为：WY19 138 mm、WY20 190 mm、WY21 196 mm、WY22 196 mm、WY23 204 mm；生长季平均ET_L从WY19的0.64 mm d^?1增至WY23的1.7 mm d^?1。蒸散发占年入流量的7%-11%，占生长季入流量的9%-16%。与采用相同K_L方法的研究（如Bortolini和Zanin，2018）结果一致，且低于基于蒸渗仪的直接测量值，这可能与砾石覆盖层和无IWSZ的设计有关。K_L系数在初期两年比默认作物系数（K_c=1.0）更适用于部分发育的植被，避免了高估。

**3.2 降雨-径流事件分析**

年径流系数（R_cy）从WY19的1.10降至WY23的0.85，表明系统径流输出随时间减少。生长季（4-10月）径流系数（0.71-0.97）显著低于冬季（11-3月，约1.0），归因于生长季蒸散发增强和土壤干燥增加存储容量。事件径流系数（R_ce）均值从0.71降至0.57，与前期VWC（从0.30降至0.25）的下降一致，表明植被生长促进蒸散发，使生物滤池在事件间更干燥。峰值流量削减中位数始终高于84%，年际差异不显著（p=0.087），表现稳定。径流延迟中位数约57 min，峰值径流延迟中位数约120 min，但峰值径流延迟在WY23与其他年份存在显著差异（p=0.006），可能与植被根系发育形成的优先流路径有关。Pearson相关性分析表明，事件径流系数与降雨时长（r=0.66）、入流深度（r=0.42）和前期VWC（r=0.42）正相关，与峰值流量削减（r=-0.40）、温度（r=-0.30）和K_L（r=-0.25）负相关，证实蒸散发和季节动态对水文行为的关键作用。

**讨论与结论**

讨论部分强调了系统性能的稳定性与变异性共存：尽管中位数峰值流量削减和径流延迟保持高位，但变异性随系统成熟而增加，这可能源于植被根系发展导致的优先流和水力路径变化。冬季条件未显著影响峰值流量削减性能，但冬季径流系数接近1，凸显了蒸散发在生长季的关键作用。研究结论指出，该无渗流多层生物滞留池在五年内保持了稳定的水文功能，峰值流量削减中位数超过84%，平均径流延迟约57 min，平均峰值径流延迟约120 min。蒸散发（占年入流7%-11%）是水量平衡的重要组成部分，基于植被景观系数（K_L）的半定量估算方法提高了蒸散发估算精度，尤其在植被建立初期。总体而言，尽管系统性能变异性增加，但中位数性能稳定，未出现退化迹象。该研究为无渗流生物滞留池的长期设计和管理提供了实证依据，强调了植被生长和季节性动态在维持系统水文性能中的核心作用。