《Journal of Hydrology》：Design of stormwater bioretention systems for improved volume and peak runoff reduction
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生物滞留系统通过调整介质占比、渗透性、 ponding 深度和存储连接设计，可提升应对高强度降雨的效能，其中高介质占比（85%）和存储连接分别优化常规降雨体积减量和溢流控制，揭示多参数协同设计对气候适应性的关键作用。
乌塔萨夫·阿迪卡里（Utsav Adhikari）|伊科·布鲁克胡伊岑（Ico Broekhuizen）|戈德克-托比亚斯·布莱肯（Godecke-Tobias Blecken）|玛丽亚·维克兰德（Maria Viklander）
瑞典吕勒奥理工大学（Lule? University of Technology）土木、环境与自然资源工程、建筑与水资源系，邮编977187
摘要
雨水生物滞留系统主要用于管理雨水质量，并在降雨强度较低时恢复更自然的水文状况。因此，需要对其设计进行修改，以应对因气候变化而导致的强降雨事件。本研究通过改变四个设计因素，考察了54种不同的生物滞留系统设计方案：过滤介质在总土层中的占比（即过滤介质+排水砾石层）、过滤介质的水力传导性、积水深度以及通过管道将地表水引导至储水层的连接方式。利用经过校准的现场规模雨水管理模型（SWMM），评估了这些设计方案在常见降雨事件中的水量减少效果、10年一遇降雨事件（降雨量180毫米，持续1小时）下的峰值流量减少情况，以及每年溢流发生的次数。结果表明，设置储水连接可以有效提升系统性能，使水量减少幅度最高达32%，并减少溢流事件（从29次减少到11次），这与储水层提供的额外高孔隙度滞留效果相符。较高的过滤介质占比（85%）在常见降雨事件中可进一步将水量减少约50%。有趣的是，较低的过滤介质占比（15%）在减少溢流事件方面更为有效（每年约17次），这表明较高的孔隙度和良好的排水性能有时可以防止地表积水过多。这些发现强调了生物滞留系统在增强气候适应性方面的潜力，并强调了需要采取一种平衡措施，即在减少常见降雨事件的水量同时，也能降低强降雨时的溢流风险。
引言
在过去几十年中，生物滞留系统（也称为生物过滤器或雨水花园）被广泛用于城市地区的雨水径流管理（Hoban和Gambirazio，2021；Huang等人，2025）。这类系统主要用于处理污染物并恢复更自然的水文状况，因此主要针对频繁发生的小规模降雨事件进行设计（Nazarpour等人，2023）。相比之下，较少有设计将生物滞留系统用于应对大规模降雨事件，因为这些事件通常会被直接排放（Hoban和Gambirazio，2021；Huang等人，2025）。然而，由于气候变化预计会导致极端事件的频率和强度增加，现有的城市环境面临更高的洪水风险（IPCC，2023），因此利用生物滞留系统管理此类高流量将变得越来越重要。例如，Weathers等人（2023）比较了不同气候变化预测下的生物滞留系统的当前和未来水文性能，发现大多数系统在高降水事件中功能可能会下降，表现为溢流次数增加（即当设施的储水容量被超过时，多余的水会通过溢流装置被控制排放）。在人口密集的城市地区，由于空间有限，需要多功能雨水基础设施来同时处理水质净化和流量滞留问题。因此，迫切需要调整雨水控制措施（如生物滞留系统）以应对这些高流量事件（Weathers等人，2023）。
生物滞留系统的面积与集水区面积的比例是一个重要的设计因素，因为较大的系统能够实现更大的年水量减少效果，这在未来的气候条件下尤为重要（Tirpak等人，2021b），但在密集的城市环境中建造大型系统往往较为困难。因此，在设计生物滞留系统时应优先考虑更高效的空间利用。本研究探讨了旨在提高系统在不同强度降雨事件下水文性能的替代设计方案。
典型的生物滞留系统包括表层植被、下层的过滤介质层以及带有排水系统的储水层。大多数污染物（如总悬浮固体（TSS）、微塑料和金属）倾向于在表层附近积累（Al-Ameri等人，2018；Tirpak等人，2021a），这表明深层对于改善水质的作用相对较小，尤其是对于颗粒结合型污染物而言。这一观察提出了一个有趣的问题：是否可以重新利用生物滞留系统的一部分深度来延缓水流并减少向下游污水系统的排放量？一种方法是在系统中增加具有更强滞水能力的层。通过在地下储水层或过滤介质表面增加储水空间（也称为积水深度），可以减少进入污水系统的总径流量（Brown和Hunt，2011a；Diab等人，2022）和峰值溢流率（Tirpak等人，2021b）。另一种方法是设置更大的地下储水层，使地表积水区的水可以直接流入地下储水层，而无需经过主要过滤介质的渗透，从而实现临时滞水。
影响生物滞留系统水力性能的另一个因素是过滤材料的水力传导性。Yu等人（2023）的研究表明，提高土壤的饱和水力传导性（从0.15厘米/分钟增加到0.23厘米/分钟）可以增加过滤介质的渗透率，从而将地表积水深度减少最多10厘米，从而降低溢流风险。这些研究结果表明，通过控制某些设计因素，可以实现更好的水文性能，表明生物滞留系统在应对强降雨事件方面具有更大的潜力。
Tirpak等人（2021b）使用SWMM模型研究了19种不同的生物滞留系统设计方案，进一步了解了不同积水深度和介质深度设计值对年水量减少的影响（基于2040-2044年的气候变化预测）。该研究表明，在排水不良的土壤区域增加介质的饱和水力传导性带来的效益小于增加介质层深度的效果。然而，Tirpak等人（2021b）仅单独考虑了这些设计因素，且未进行校准。此外，该研究建议结合这些因素以全面了解气候变化对生物滞留系统性能的影响。本研究通过使用经过校准的现场规模SWMM模型，探讨了多个设计参数对不同强度降雨事件下水文性能的协同效应。
本研究基于四个设计因素（过滤介质在总土层中的占比、地表积水深度、过滤介质的水力传导性以及表层与储水层的直接连接方式），共制定了54种设计方案。分析了这些系统在常见降雨事件中的水量减少效果、极端事件下的峰值流量减少情况以及每年的溢流次数。
设计选项
生物滞留系统设计选项
本研究考虑的四个设计因素为过滤介质占比、积水深度、水力传导性和储水连接方式，见图1。过滤介质的总深度固定为1米，因为这一深度通常受当地雨水管道高度的限制，不易增加。总深度中的一部分（100毫米、200毫米或300毫米）用于地表储水，剩余深度则分配给过滤介质。
设计降雨模拟中的水文图
四个设计因素的组合——过滤介质占比、水力传导性、积水深度和储水连接方式及其设计值的变化——导致了流量特性（如峰值流量）和峰值流量延迟的变化（设计降雨事件为10年一遇）。与其他设计因素相比，过滤介质占比的影响在水文图中非常明显（见图2）。例如，较低的过滤介质占比（0.15%）会导致...
结论
本研究探讨了如何增强生物滞留系统在管理高强度降雨事件和常见降雨事件中的水量调节功能。通过选择、设计并量化54种不同设计方案的性能（包括四个设计因素：过滤介质占比、水力传导性、积水深度和储水连接方式），本研究为从水量角度优化生物滞留系统性能提供了宝贵的见解。
CRediT作者贡献声明
乌塔萨夫·阿迪卡里（Utsav Adhikari）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、软件应用、方法论制定、数据分析。伊科·布鲁克胡伊岑（Ico Broekhuizen）：撰写——审稿与编辑、可视化处理、监督工作、软件应用、方法论制定、概念构思。戈德克-托比亚斯·布莱肯（Godecke-Tobias Blecken）：撰写——审稿与编辑、可视化处理、监督工作、方法论制定、概念构思。玛丽亚·维克兰德（Maria Viklander）：撰写——审稿与编辑、可视化处理、监督工作、方法论制定、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了VINNOVA能力中心DRIZZLE（Vinnova资助项目编号2022-03092）和Dag&N?t研究集群（由瑞典水与废水协会Svenskt Vatten资助，项目编号25-104）的财政支持。我们感谢V?xj?市政府的所有工作人员在生物滞留系统的运行和安装过程中所提供的帮助。
