分散式雨水管理系统在减少污染物、固碳以及缓解城市地区热岛效应方面的多功能作用

本研究通过表面人工湿地（SCW）、雨水花园（RG）和树箱过滤器（TBF）评估其在减少暴雨径流污染物、缓解城市热岛效应及土壤有机碳封存中的作用。结果显示SCW对总悬浮固体（TSS）去除率达87%，地表温度降低9℃，出流部分土壤有机碳储量提高18%，证实分散式自然解决方案在气候适应中的综合效益。

　　

Md Tashdedul Haque|陈耀平|李亨金

韩国忠清南道天安市孔宙国立大学土木与环境工程系

摘要

高度城市化的地区由于气候变化、城市规划不足以及不透水表面的扩张，面临更加严重的高温、洪水和基础设施压力。因此，基于自然的小规模分散式解决方案（NbS），如低影响开发（LID）技术，对于实现局部适应和韧性至关重要。本研究调查了表面构建的湿地（SCW）、雨水花园（RG）和树箱过滤器（TBF），以评估它们在去除雨水污染物、缓解城市热岛效应和固存土壤有机碳方面的有效性。结果表明，道路和停车场等不透水表面对污染物负荷的贡献显著。在评估的LID技术中，SCW在总悬浮固体（TSS）去除效率上达到了87%，在生化需氧量（BOD）上达到68%，在总氮（TN）上达到79%，在总磷（TP）上达到71%，这主要归功于其精心设计的沉淀结构、过滤介质和已建立的植被。LID系统的表面温度比周围不透水表面低9°C，显示出其在缓解城市热岛效应（UHI）方面的巨大潜力。土壤有机碳（SOC）储量在流入部分为26.3至70.3 Mg/ha，在流出部分为33.3至80.2 Mg/ha，其中SCW的SOC水平最高，这与系统的成熟度、植被根系生物量和径流携带的有机物有关。流出部分的SOC含量高出18%，表明随着时间的推移碳含量有所增加，尤其是在富含沉积物的区域，这突显了其长期碳储存和减少温室气体再排放的潜力。总体而言，本研究强调了LID技术作为应对日益严峻的环境挑战的可持续、多功能解决方案的重要性。

引言

气候变化对可持续的城市发展构成了严重威胁，但城市洪水和热应激不仅仅是由极端气候引起的；它们还受到城市规划不足的强烈影响，包括过多的不透水表面、渠道化的水道以及有限的绿色和蓝色基础设施（Bagheri, 2025）。过去三十年中，由气候引起的灾害频率显著增加，导致巨大的人员和经济损失（Wamsler et al., 2013）。尽管未来灾害的时间和严重程度存在不确定性，但缺乏有效的适应措施将进一步提高城市对气候影响的脆弱性。曾经被视为安全避风港的城市系统，现在由于气候压力因素与城市增长之间的复杂相互作用而面临前所未有的挑战（Cannon and Muller, 2010; Pachauri and Reisinger, 2007）。

持续的城市人口扩张极大地改变了土地利用模式，主要是通过将自然景观大规模转化为不透水表面，如道路、屋顶和铺装路面（Byeon et al., 2016; Herath et al., 2018）。这些变化扰乱了自然水文过程，导致地表径流增加和环境污染加剧。特别是雨水径流成为将城市污染物（包括沉积物、营养物质、有机物质、油脂和重金属）输送到相邻水生生态系统的主要途径，常常影响水质（Hong et al., 2020）。大气沉降进一步加剧了这种污染物的积累，尤其是在铺装表面上，污染物在降雨期间被冲入水道（Lee et al., 2021）。为了理解城市雨水污染的空间和时间动态，经常使用单位污染物负荷（UPL）框架（Li et al., 2015）。这种方法量化了来自不同土地利用类型的污染物排放量，包括住宅区、商业区和交通区，为评估城市流域影响提供了基础（Haque et al., 2022）。

除了这些水文问题外，密集的建筑环境还引发了局部气候效应，例如城市热岛效应（UHI）（Heaviside et al., 2017）。UHI是由于植被覆盖被吸热表面取代而产生的，导致城市温度高于周边农村地区。这种效应增加了冷却的能源需求，给城市生态系统带来压力，并在热事件期间可能带来严重的健康风险（Santamouris et al., 2015; Czarnecka and Nidzgorska-Lencewicz, 2014）。

从更广泛的角度来看，温室气体（GHGs）浓度的上升，尤其是二氧化碳（CO₂），被认为是破坏气候稳定性的主要因素。最近的研究表明，大气中的CO₂水平正在迅速上升，这主要是由于人类活动造成的排放（Roche, 2021）。一种策略是实施基于自然的解决方案（NbS），将生态原理融入基础设施中以增强生态系统功能。这些解决方案，包括低影响开发（LID）技术，因其多功能效益而受到越来越多的认可，不仅可以处理雨水，还可以实现城市降温和碳固存（Jin et al., 2020）。在城市地区，LID技术为雨水管理、污染控制和气候适应提供了可持续的解决方案。LID系统包括基于渗透的设计、植被LID单元、透水表面处理以及利用自然过程构建的湿地，以减少径流和过滤污染物（Reyes et al., 2018; Maniquiz-Redillas and Kim, 2016）。将NbS与LID相结合，支持成本效益高的长期环境管理，提高城市韧性和可持续性，同时减少碳排放和保护自然资源（McMaine et al., 2020; Stefanakis, 2019）。虽然许多研究考察了LID技术的个别效益，如污染物去除、城市热缓解和碳储存，但很少有研究在实际运行条件下评估它们的综合和长期性能。关于分散式小规模NbS系统如何通过综合的水文、热和碳调节共同促进城市气候适应，目前仍缺乏证据。

本研究通过评估分散式小规模NbS的多功能环境性能来解决这一空白，重点关注LID实践。特别是，它考察了这些技术在减少雨水污染物负荷、通过调节表面温度缓解UHI效应以及增强土壤碳固存方面的有效性。

研究区域描述

本研究在韩国忠清南道的天安市进行。根据过去十年的数据，该市年平均降雨量为1098毫米，其中约56%的降雨发生在夏季（6月至8月）。相比之下，冬季月份的降雨量仅占年降水总量的6%左右。该地区的气候特征是季节性变化明显，夏季平均气温最高。

不同不透水土地利用类型的雨水径流中的污染物负荷

不透水土地利用是雨水径流中污染物负荷的重要来源，影响城市水质（Geronimo et al., 2022）。图2总结了不同土地利用类型的平均典型雨水污染物负荷。在暴雨事件中，道路和停车场（RPL）的TSS负荷较高，平均值为0.41 ± 0.3(kg/ha），而道路（Ro）和停车场（PL）的负荷较低，平均值为0.23 ± 0.01(kg/ha）。

结论

本研究表明，当分散式的小规模基于自然的雨水管理系统在较长时间内运行时，可以在温带气候条件下提供多方面的环境效益。结果突显了这些系统在减少污染物负荷、缓解城市热岛效应和固存土壤碳方面的综合潜力。

CRediT作者贡献声明

Md Tashdedul Haque：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，概念化。陈耀平：数据整理。李亨金：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

韩国环境产业与技术研究院（KEITI）通过湿地生态系统价值评估和碳吸收价值促进技术开发项目（由韩国环境部（MOE）资助，项目编号2022003630005）支持了这项工作。