雨水落在不透水的表面上与污染物混合后流入城市的下水道系统和溪流造成雨水径流污染。© Tyrone Turner

大自然对于雨水有自己的规划。土壤或植物在渗透、截留和吸收雨水的过程中会过滤掉一部分污染物，减少污染物流入水道。但是在城市，情况就不同了。屋顶、人行道、停车场和其他不透水表面严重阻碍雨水渗入地下，或流经可以过滤污染物的自然环境。

在城市中，大多数传统雨洪系统都将雨水当作无用之物，并很快将它们转移到远离居民及其住所的地方。这导致大量受污染的径流最终进入溪流、湖泊、水库、湿地和河口，对人类和自然同时造成危害。雨水径流如果经常流入合流制系统的污水处理系统，在暴雨期间的溢流可能会将未经处理的污水输送进我们的水源环境中。

底特律圣心教堂的绿色雨水基础设施项目展示了此类项目如何保护水质、减少内涝并产生社会和经济效益。© Fauna Creative

在城市中保护大自然

目前，大自然保护协会（TNC）和2NDNATURE的研究人员正在从更广阔的视角研究这个问题。Science of the Total Environment期刊上发表了一项新的同行评议研究，研究使用卫星图像帮助理解绿色雨水基础设施 (GSI)、城市绿化或基于自然的解决方案如何影响城市水文。

绿色雨水基础设施包括雨水花园、雨水蓄水池、人工湿地或城市树冠等类型。目前普遍认为绿色雨水基础设施是减少城市径流影响，从而达到市政水质排放许可要求的一种手段。

2NDNATURE的首席科学家加里ž康利（Gary Conley）说：“10年前，我们没有数据和技术来大规模地有效开展这类研究。现在，我们可以利用整个地球现成的卫星数据，就城市绿化如何影响城市的河流健康得出有趣的结论。”

 

运用数据和图像设计研究

研究人员将美国地质调查局（USGS）的水文数据与地球资源卫星（Landsat）拍摄的图像相结合，这些图像显示了1985年至2019年期间美国各地近400个城市流域城市植被覆盖的损失或增加。该研究还综合了44个已经实施绿色雨水基础设施项目的城市流域可用的数据。 

这种方法有助于量化增加植被覆盖和实施绿色雨水基础设施的协同效益。然而，该研究发现，只有9%的流域显示出明显的绿地增长趋势，大多数流域仍然显示出减少的趋势。绿地增长的流域给雨洪管理带来了显著的好处，并因此产生更健康的城市环境。

图示为雨水花园地上和地下的功能。 © TNC

 

令人类和自然十分欣慰的结果

总体而言，增加城市绿化可以减少导致洪水和水污染的雨水径流类型（比如湍流和高速流），并且降低下游野生动物栖息地发生干旱的可能性，保障流域的基本环境径流。

根据结果，每增加10%的绿化会相应：

减少3.8%的总径流

减少7.7%的流量变化

减少4.7%的峰值流量

减少7.6%的高速流

减少2.2%的“湍流”

增加4.3%的环境基流

“这些数字很重要，因为它们直接与河流健康和水质整体相关，”TNC基于自然的解决方案首席科学家、该研究的合著者罗伯ž麦克唐纳（Rob McDonald）说。

在城市环境中，由于大多数溪流都与历史洪泛区隔绝，流量峰值和速度的减少通常等同于降低洪水风险和改善社区水质。同时，这些溪流还栖息着野生动植物，并为人们提供了娱乐休憩等其他好处。所以，总体基流的增加是大有裨益的，这将使溪流在旱期不太可能干涸。

华盛顿特区历史悠久的橄榄山公墓雨水花园可收集雨水径流，并为传粉昆虫提供栖息地。© Matt Kane / TNC

改造城市，走向成功

TNC城市投资高级主管、该研究合著者克雷格ž霍兰德（Craig Holland）补充道：“我们现在拥有的技术可以告诉我们，哪些类型的项目在哪些地点最有效，以最大限度地提高环境效益。但是，想要运用这些新工具，我们还缺少数据标准，特别是在市和县这种通常会存储和跟踪项目数据的地方。这种数据标准可以帮助城市微调绿化和绿色雨水基础设施的类型，从而为社区和环境带来最大的利益。”

该研究中用到此类数据的一个例子（也是激励绿色雨水基础设施建设的一个例子）是TNC和华盛顿特区天主教大主教管区在橄榄山公墓的合作。在这里，种植了本地物种的雨水花园取代了不常用的道路。这些改造减少了流入切萨皮克湾地区受损最严重的支流之一的雨水径流，此外，还为传粉昆虫提供了栖息地，并为到访者带来了美学享受。

同时，橄榄山公墓目前还会产生雨水信用值，并在该地区的创新雨水信用市场上出售。

自然环境与城市环境的对比：树木和其他植被可以对雨水径流进入附近水域产生重大改善。

 

自然吸收与无法渗透之间的对比

一个典型的城市街区产生的雨水径流是相同面积森林的5倍以上。即使流域内只有10%的不透水覆盖物（例如铺砌的停车场或道路）也会对河流的自然流量和功能产生负面影响。当一条河流被25%的不透水覆盖物包围时，就无法达到栖息地、水质和生物多样性三方面的环境要求。这种退化的罪魁祸首是径流中的污染和雨水汇入河流的速度，因为大自然无法过滤掉过量的养分，而其他污染物也没有时间沉淀到河流底部。