典型海綿工程單項措施的污染物減排效應(yīng)分析

楊銀川 肖冰 崔賀 黃民生 尹超 何巖 曹承進

摘要：以我國海綿工程實施較早、規(guī)模較大的池州市的典型海綿工程單項措施雨水花園、植草溝）為研究對象，通過跟蹤監(jiān)測已實施海綿工程改造和未實施改造的兩個居民區(qū)內(nèi)徑流雨水水質(zhì)，探究海綿工程改造對居民區(qū)徑流污染的減排效應(yīng).結(jié)果表明：改造后小區(qū)出水污染物濃度顯著低于未改造小區(qū);雨水花園較植草溝出水污染物濃度更低，水質(zhì)更穩(wěn)定.最后對雨水花園和植草溝的技術(shù)經(jīng)濟指標進行了分析.

關(guān)鍵詞：城市徑流污染;海綿工程建設(shè);雨水花園;植草溝

中圖分類號：x52，Tu99 文獻標志碼：A DoI：10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.005

0引言

近年來，隨著城市化進程的明顯加快，城市下墊面透水性和排水模式也在不斷地變化，進而造成水資源循環(huán)以及排水的時、量和質(zhì)的改變，最終導(dǎo)致城市內(nèi)澇、缺水以及水環(huán)境惡化等一系列問題，給人民生活帶來了極其不利的影響，嚴重威脅到城市的良性發(fā)展.

從這些城市通病可以看出，原有的城市排水理念以及排水設(shè)施已不能滿足其發(fā)展需求.2013年，習(xí)近平總書記明確提出了“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市建設(shè)目標.海綿城市理論試圖通過對城市雨洪進行合理利用和有效管控，使之面對環(huán)境變化和自然災(zāi)害時，可以像海綿一樣表現(xiàn)出應(yīng)有的“彈性”.2014年，國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒發(fā)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，對我國海綿城市建設(shè)做出進一步規(guī)劃與指導(dǎo).徑流污染控制是海綿城市建設(shè)的重要目標同時也是一個世界性的水環(huán)境問題.美國環(huán)境保護署（uSEPA）于2002年就已將該問題列為地表水環(huán)境惡化的主要來源，在兒種污染源中，分別位列河流和湖泊中的第4位和第3位.2004年的研究報告還顯示：美國城市產(chǎn)生的雨水徑流污染已成為美國13%的河流、18%的湖泊和32%的河口中最主要的污染源[引.此外，英國環(huán)境食品和農(nóng)村事務(wù)部（DEFRA）的報告也表明：英國23個浴場及1000多個水體的污染主要原因都是城市徑流.與發(fā)達國家相比，我國城市雨水徑流污染的嚴重程度更為突出，相關(guān)研究表明，我國三分之二的河流由于雨水徑流中的氮磷污染物而導(dǎo)致功能退化.生活污水中的表面活性劑（Linear Alklybezene Sulfonates，LAS）屬于生物難降解物質(zhì)，在水體起泡會降低水中復(fù)氧速率，尤其在雨污混接的居民區(qū)，LAS經(jīng)雨水管網(wǎng)進入就近水體繼而導(dǎo)致其自凈受阻.因此，控制城市徑流雨水中的N、P和LAS等污染物意義重大.

目前國內(nèi)關(guān)于海綿城市對城市徑流污染物的削減效應(yīng)控制以中小型模擬實驗為主，缺乏海綿工程實際案例的研究.為了明確海綿城市建設(shè)對城市面源污染控制的效果和實際應(yīng)用價值，本文以我國首批海綿城市試點安徽省池州市為主要研究區(qū)域，選取了該市具有代表性的兩個居民小區(qū)（河濱花園和匯景北苑）進行雨水水質(zhì)跟蹤與調(diào)查，并選擇總氮（TN）、NH-4-N、總磷（TP）和LAS等4個水質(zhì)指標對兩個小區(qū)徑流污染情況進行分析，以期為該技術(shù)更好地應(yīng)用于城市徑流污染控制提供參考.

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況及采樣點位布設(shè)

本研究區(qū)域位于池州市，共涉及2個居民小區(qū)，分別是匯景北苑（30°39'N，117°29'E）和河濱花園（30°40'N，117°29'E）.河濱花園占地面積約11.1 hm2，位于九華山大道以西，清溪河以東，北鄰紅河，南鄰第十中學(xué)，該小區(qū)未參與海綿工程改造.匯景北苑占地10.6hm2，位于九華山大道以西，清溪河以東，北鄰第十中學(xué)，南鄰匯景南苑，已完成海綿工程改造.兩個小區(qū)地理位置鄰近，且氣候特征、土壤地質(zhì)等條件并無明顯差異.兩個小區(qū)共設(shè)置6個樣點，其中樣點14位于匯景北苑，樣點5 6位于河濱花園，采樣點位特征描述見表1，兩種海綿工程單項措施結(jié)構(gòu)差異示意圖見圖1.因本研究涉及到樣點的匯水區(qū)域主要為就近屋頂，各個樣點對應(yīng)屋面面積接近，所以可以認為，每場降雨各個樣點的徑流量是近似相同的.此外，由表1可以看出植草溝和雨水花園的面積無太大差異，植草溝和雨水花園之間的水力負荷是接近的，由上述對兩個小區(qū)的描述可知，小區(qū)間徑流污染并無太大差異，即兩種設(shè)施的污染負荷接近，所以兩種設(shè)施具有可比性.鑒于本研究對象是實際工程案例，在不影響試驗準確性的前提下，對相關(guān)參數(shù)做了合理假設(shè)，便于更好地分析問題.

1.2水樣采集與測試方法

2017年7-12月，逐月對6個樣點進行水樣采集，采樣點分布見圖2.鑒于地表徑流水質(zhì)特征會隨降雨歷時變化，所以雨水每次采樣時問確定為降雨開始后1h.本文所用的采樣器為手持式長柄勺，采集水樣時盡量減少對水體的擾動，采得雨水樣品（約1L）后，裝入黑色采樣瓶，密封保存以避免污染，并盡快送至實驗室于24h內(nèi)完成檢測，以盡量減少取樣和保存過程對水質(zhì)特性的影響.

水樣的TN濃度采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法檢測;TP濃度采用鉬酸銨分光光度法檢測;NH+4-N濃度采用納氏試劑分光光度法檢測;LAS濃度采用亞甲藍分光光度法檢測.具體分析方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》，無特別說明外，所有試劑均為分析純，實驗用水為新鮮去離子水，保證實驗數(shù)據(jù)可靠.

1.3數(shù)據(jù)分析

本研究采用單因素方差分析法（ANOVA）和標準差（sD）對各樣點水質(zhì)進行對比分析.單因素方差分析是兩個樣本平均數(shù)比較的引伸分析，從而確定因素對試驗結(jié)果有無顯著性影響的一種統(tǒng)計方法.單因素方差分析中涉及到控制變量（自變量）和觀測變量（因變量），要求觀測變量具有獨立性和正態(tài)性.本實驗中控制變量為海綿工程單項措施的不同種類，觀測變量為各樣點出水的水質(zhì)，符合獨立性和正態(tài)性.標準差是反映一組數(shù)據(jù)離散程度最常用的一種量化形式，本次試驗用其度量各觀測變量的離散程度，從而評價各單項措施出水的穩(wěn)定性.基于本次研究對象的特殊性，現(xiàn)定義評價參數(shù)差異度（D），并給出其與去除率（R）的換算關(guān)系，相關(guān)參數(shù)計算方法為

2結(jié)果與討論

由于采樣點1 6所屬類型不同，現(xiàn)根據(jù)不同類型對其分組.采樣點1、2位于未參與改造小區(qū)，定義為工況G1;采樣點3、4為雨水花園，定義為工況G2;采樣點5、6為植草溝，定義為工況G3.為了避免單次降雨的偶然性，本次研究的每個工況數(shù)據(jù)均為兩個樣點的平均值，并逐月進行統(tǒng)計分析.試驗期間，不同運行工況下出水水質(zhì)指標隨采樣時間變化如圖3.

2.13種工況出水水質(zhì)及對比分析

2.1.1工況G1出水水質(zhì)分析

工況G1出水為劣V類水fGB 3838 2002），各污染物變化幅度大于工況G2和G3（SDl=3.37），主要是因為G1未參與改造，其出水即為徑流雨水.徑流污染物的轉(zhuǎn)移過程主要分為污染物在干期的累積、降雨的沖刷以及污染物向納污水體的轉(zhuǎn)輸三個階段，污染物濃度的大小取決于多種影響因素，包括降雨強度、降雨量和降雨歷時等.同時，雨水徑流污染物濃度還與雨前晴天數(shù)（ADWP）、區(qū)域氣候、污染源特征、土地利用方式、排水系統(tǒng)等因素密切相關(guān).各污染物濃度隨采樣時間波動較大，表現(xiàn)為前3個月（7-9月）徑流污染物平均濃度明顯低于后3個月（10-12月），推測是由上述ADWP導(dǎo)致.相關(guān)研究表明，前期降雨天數(shù)長的降雨徑流污染物平均濃度會低于前期降雨天數(shù)短的降雨徑流污染物濃度.采樣期問池州市降雨信息統(tǒng)計見圖4，第三季度每月降雨天數(shù)均大于第四季度，所以相同時間區(qū)間（一個月）內(nèi)污染物的累積量勢必會出現(xiàn)差異.圖3中LAS與TN、NH+4-N和TP的差異主要是由污染源自身特殊性決定.LAS主要來源是小區(qū)雨污混接的洗衣污水而非地面污染物積累，所以其變化的波動性更多來自于所在居民使用洗衣機時間的隨機性.

工況G2出水的TP濃度顯著低于工況G1（p<0.01），相對于G1的差異度為8.31，等效去除率為87%.工況G3出水的TP濃度顯著低于G1（p<0.01），相對于G1的差異度為10.83，等效去除率為90%.工況G3凈化效果優(yōu)于工況G2.P主要通過填料層的過濾、吸附、植物吸收以及微生物攝取等共同作用得到去除.徑流雨水中的P分為顆粒態(tài)和溶解態(tài).顆粒態(tài)P主要隨著徑流中懸浮固體，經(jīng)過填料過濾，被截留在其中，成為填料系統(tǒng)的一部分;溶解態(tài)P中最主要的正磷酸鹽，通過填料的吸附、離子交換以及植物的吸收和微生物攝取作用去除.工況G2和G3填料結(jié)構(gòu)和植物組成的差異性導(dǎo)致了吸附過濾和植物吸收作用的不同，解釋了其凈化效果的差異.與此同時，兩種結(jié)構(gòu)的填料中微生物含量與群落組成的差異也會影響其對TP的去除效果.

LAS是一類在低濃度時就能使體系的界面性質(zhì)和狀態(tài)發(fā)生明顯變化的物質(zhì)[301.分子中具有既親水又親油的兩親特征，廢水中的LAS會造成水體起泡、產(chǎn)生毒性，且會在水中起泡進而降低水中的復(fù)氧速率和充氧程度，使水質(zhì)變壞，影響水生生物生存，使水體自凈過程受阻.工況G2出水的LAS濃度顯著低于G1（p<0.01），相對于G1的差異度為32.14，等效去除率為96%.工況G3出水的LAS濃度顯著低于G1（p<0.01），相對于G1的差異度為45.00，等效去除率分別為97%.工況G3凈化效果優(yōu)于工況G2.海綿工程措施對LAS的去除效果明顯高于其他污染物，主要原因是改造后小區(qū)無雨污混接現(xiàn)象，所以其LAS濃度也較低.LAS屬于生物難降解物質(zhì)，故其去除主要依靠填料吸附作用.且有研究表明吸附法是常見的廢水中LAS處理方法之一，常用的吸附劑包括活性炭、吸附樹脂、硅藻土和高嶺土等各種固體物料.所以初步推測本研究中對LAS的去除主要是通過填料的吸附作用，雨水花園對LAS的吸附作用優(yōu)于植草溝.

2.2技術(shù)經(jīng)濟分析

在一定意義上，設(shè)計可以說是技術(shù)和經(jīng)濟相結(jié)合的產(chǎn)物.工程投資的經(jīng)濟效果是衡量工程設(shè)計優(yōu)劣的重要標準.為此，必須重視設(shè)計的經(jīng)濟工作，努力降低工程造價，使國家有限的建設(shè)資金發(fā)揮最大的經(jīng)濟效益.一般地，在市政土建工程中工程造價主要由人工費、材料費和機械費三部分組成，其中材料費占工程造價的比例約為70%，是工程造價的主要組成.本文所涉及到的兩種海綿工程單項措施主要材料差異較為明顯：雨水花園的填料包括覆蓋土層、種植土層、粗砂層、厚級瓜子片層和厚礫石層等，而植草溝的填料則主要為種植土層;雨水花園所涉及的常見植被為美人蕉、菖蒲、鳶尾和蘆竹等，而植草溝則以地毯草為主.參考近年來北京和上海地區(qū)部分已實施的海綿城市建設(shè)項目，雨水花園造價為150～800元/m2，植草溝造價為30～200元/m2;參考重慶市海綿城市建設(shè)導(dǎo)則，雨水花園造價為150～250元/m2，植草溝造價為30～50元/m2[36].可以看出兩種設(shè)施的造價差異較為明顯，主要是由兩種設(shè)施的結(jié)構(gòu)與組成的差異性導(dǎo)致材料以及材料費的不同，進而使得工程造價產(chǎn)生差異.

3結(jié)論

（1）本研究所涉及已實施海綿工程改造的居民區(qū)徑流雨水中污染物濃度（TN、NH+4一N、TP和LAS）顯著低于未改造的居民區(qū)（去除率均大于75%），表明池州市匯景北苑的典型海綿工程單項措施（雨水花園、植草溝1對徑流污染物具有顯著的削減效果.

（2）海綿城市建設(shè)對LAS的去除率較高，主要是因為海綿工程改造后減少了雨污混接現(xiàn)象.但是目前同行對該指標的研究較少，仍需進一步的試驗研究與探索.

（3）雨水花園相比植草溝而言對徑流污染物削減效果更好且出水更穩(wěn)定，表明雨水花園對徑流中污染物具有更好的削減效應(yīng).

（4）通過對兩種典型海綿工程單項措施（雨水花園、植草溝）的技術(shù)經(jīng)濟指標分析可知：雖然雨水花園對徑流中污染物的削減效應(yīng)優(yōu)于植草溝，但雨水花園的工程造價明顯高于植草溝，所以實際建設(shè)中如何選擇這兩種構(gòu)筑物還需進一步技術(shù)經(jīng)濟論證.