高滲透下凹綠地對(duì)自然降雨徑流及污染的削減效能

李建平,林 川,韋 瑋,叢海兵,蔣新躍,趙慶俊

（1.揚(yáng)州市涵閘河道管理處，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，大量土地、農(nóng)田被開發(fā)成樓房、馬路、廣場(chǎng)，本來(lái)透水的土層被混凝土、瀝青、房屋覆蓋。城市不透水地面增加，地面徑流量增大，導(dǎo)致徑流系數(shù)增大，道路被淹成為常態(tài)。此外，雨水徑流污染已成為城市河湖主要的污染源之一[1-3]。針對(duì)這種狀況，專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，提出許多方案，如修建植物淺溝[4-5]、鋪設(shè)透水路面[6-7]、修建下凹式綠地及綠色屋頂?shù)萚8-9]。其中，城市綠地作為城市生態(tài)功能的重要組成部分，應(yīng)當(dāng)發(fā)揮重要作用。但目前綠地多為上凸式，徑流削減能力較差。而下凹式綠地蓄滲能力提高，一般做法是，下凹綠地比周邊不透水地面低約20 cm，雨水口設(shè)于綠地中，雨水口高出綠地面10～15 cm[10]。地面徑流從不透水地面流入下凹綠地，當(dāng)綠地內(nèi)積水水位超過(guò)雨水口時(shí)開始產(chǎn)流，雨水進(jìn)入雨水管。下凹式綠地集蓄、滲功能為一體，綠地土壤孔隙、綠地地面與不透水地面高差部分的體積是綠地的蓄水量，綠地在積水條件下還能增加雨水的下滲量[11-12]。但是當(dāng)土壤為粉砂、砂壤土等細(xì)顆粒時(shí)，孔隙率小，滲水效能不佳[13]。

為了提高下凹式綠地的蓄水截污能力，本文設(shè)計(jì)了3種高滲透下凹式綠地，與上凸式綠地、普通下凹式綠地進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)一個(gè)自然年的降雨產(chǎn)流記錄，評(píng)價(jià)不同綠地的徑流削減效能。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了徑流水質(zhì)，評(píng)價(jià)不同綠地的污染削減能力。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

（1）降雨產(chǎn)流裝置

設(shè)計(jì)建造了5種綠地產(chǎn)流中試系統(tǒng)，分別是上凸綠地、普通下凹綠地、水平高滲透下凹綠地、垂直高滲透下凹綠地、組合高滲透下凹綠地。每套試驗(yàn)系統(tǒng)包括綠地和不透水地面、人工降雨裝置、徑流測(cè)流裝置。圖1為上凸綠地降雨產(chǎn)流裝置，圖2為4種下凹綠地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

每套產(chǎn)流裝置的綠地和不透水地面的比例按照城市常規(guī)比例確定為1∶3，不透水地面平面3×1 m，綠地1×1 m，綠地位于不透水地面一端。不透水地面采用20 cm厚C20級(jí)混凝土澆筑，不透水地面除了與綠地相鄰的其余三邊用混凝土埂圍護(hù)，以防雨水流失。綠地用邊長(zhǎng)為1 m的無(wú)底鋼板箱打入地下1 m，圍護(hù)出邊長(zhǎng)為1 m的地下空間。其中，上凸綠地高出不透水地面20 cm，其上種植草皮，種植土厚度60 cm，其下為原狀土；下凹綠地地面比不透水地面低約20 cm，種植黃菖蒲、旱傘草等耐水植物，種植土厚度20 cm。水平高滲透下凹綠地中間地面下埋設(shè)一道碎石壟溝，四周用土工布包裹，上填10 cm厚粗砂和20 cm厚煤渣復(fù)合土。碎石壟溝面積約占綠地總面積的25%，碎石體積0.150 m3，碎石粒徑5～10 mm。垂直高滲透下凹綠地下打入3根直徑0.15 m的碎石樁，深1.5 m，碎石體積0.080 m3，樁頂填10 cm厚粗砂和20 cm厚煤渣復(fù)合土。組合高滲透下凹綠地是將碎石壟溝與3個(gè)碎石樁組合，碎石總體積0.203 m3。

人工模擬降雨裝置包括水箱、轉(zhuǎn)子流量計(jì)和穿孔管，3根穿孔管架設(shè)于整個(gè)地面徑流裝置上方，穿孔管下開設(shè)一排直徑2 mm出水孔。

圖1 上凸綠地降雨產(chǎn)流裝置

每個(gè)綠地的出口設(shè)集水槽收集徑流，上凸綠地徑流雨水流入不透水地面再流到集水槽，下凹綠地徑流裝置的不透水地面徑流雨水先流入下凹綠地，在綠地上8 cm處設(shè)溢流口到集水槽。集水槽出口安裝DN25的LXS型水表計(jì)量徑流量。

（2）雨量計(jì)

采用SJ-1型虹吸式雨量計(jì)（上海氣象儀器廠）記錄降雨量。

圖2 不同下凹綠地結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 綠地降雨產(chǎn)流量測(cè)定

自2016年12月27日至2017年12月26日，監(jiān)測(cè)一個(gè)自然年內(nèi)各綠地系統(tǒng)的降雨徑流量和降雨量。記錄每場(chǎng)降雨前后每個(gè)綠地系統(tǒng)集水槽出口水表的讀數(shù)，計(jì)算每場(chǎng)降雨的產(chǎn)流量。同時(shí)利用雨量計(jì)記錄每場(chǎng)降雨的降雨量。

1.2.2 人工模擬降雨徑流產(chǎn)污過(guò)程

（1）模擬降雨

采用揚(yáng)州市暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算重現(xiàn)期為0.3 a、0.5 a的降雨強(qiáng)度（L/s.ha），代表小雨和中雨；重現(xiàn)期為5 a的降雨，代表暴雨；降雨歷時(shí)均選取60 min。中小降雨按照60 min均勻降雨，暴雨采用芝加哥雨型進(jìn)行雨量分配[14]。

（2）產(chǎn)流產(chǎn)污過(guò)程記錄

從城市道路上掃取路面灰塵，用40目篩過(guò)濾掉雜物。向每種綠地系統(tǒng)地面上拋撒30 g路面灰塵。將每次模擬降雨的總水量裝入水箱中，開啟出水閥門，水流經(jīng)過(guò)流量計(jì)、穿孔管降落到地面，產(chǎn)流經(jīng)過(guò)水表流出。每隔5 min記錄水表讀數(shù)，自每個(gè)水表出口取水樣帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定CODcr、SS TP、TN。

1.2.3 水質(zhì)測(cè)定方法

懸浮固體（SS）采用稱重法測(cè)定，水樣用濾紙抽吸過(guò)濾，103～105℃烘干至恒重。化學(xué)需氧量（CODcr）采用重鉻酸鉀法測(cè)定。總氮（TN）采用堿式過(guò)硫酸鉀氧化法測(cè)定?？偭祝═P）采用過(guò)硫酸鉀氧化鉬酸鹽顯色法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 一個(gè)自然年中不同綠地對(duì)降雨徑流量的削減效果

從2016年12月27日至2017年12月26日止，記錄了每場(chǎng)降雨的降雨量，同時(shí)記錄了每種綠地系統(tǒng)的產(chǎn)流量，折算成徑流深度。在記錄期間共降雨48場(chǎng)，降雨產(chǎn)流記錄如表1所示。

表1 一個(gè)自然年不同綠地降雨產(chǎn)流記錄

由表1可得，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地附近，一年的降雨量為890.38 mm。上凸式、普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地的產(chǎn)流量折算成徑流深，分別為512.5、209.88 82.84、117.07、62.59 mm。與上凸式綠地相比，普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地的徑流削減率分別為59.05%、83.84%、77.16%、87.79%；與普通下凹式綠地相比，水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地的徑流削減率分別為60.53%、44.22%、70.18%。上凸式、普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地年徑流總量控制率分別為42.44%76.43%、90.70%、86.85%、92.97%。

（續(xù)表1）

2.2 不同降雨強(qiáng)度下各種綠地系統(tǒng)產(chǎn)污過(guò)程

重現(xiàn)期為0.3 a、0.5 a、5 a模擬降雨產(chǎn)流水質(zhì)分別如圖3、圖4和圖5所示。

由圖3、圖4、圖5可知，重現(xiàn)期0.3～0.5 a、歷時(shí)60 min的中小降雨，只有上凸綠地產(chǎn)生了可觀的徑流，降雨初期20 min內(nèi)污染濃度較高且快速降低，之后濃度較低。普通下凹綠地、垂直高滲透下凹綠地產(chǎn)流量很少，且污染物濃度也很低。水平高滲透下凹綠地和組合高滲透下凹綠地不產(chǎn)流。

圖3 降雨重現(xiàn)期0.3 a下不同綠地產(chǎn)污過(guò)程

圖4 降雨重現(xiàn)期0.5 a下不同綠地產(chǎn)污過(guò)程

圖5 降雨重現(xiàn)期5 a下不同綠地產(chǎn)污過(guò)程

重現(xiàn)期5 a、降雨歷時(shí)60 min的暴雨，上凸綠地徑流在降雨初期30 min內(nèi)CODcr、SS、TN濃度較高且快速降低，TP在降雨初期15 min內(nèi)濃度較高，之后濃度較低。下凹綠地在降雨開始25～35 min后才產(chǎn)流，且徑流中污染物濃度較低。說(shuō)明經(jīng)過(guò)下凹綠地的沉淀截留作用，降雨徑流中污染物被削減。

2.3 不同綠地系統(tǒng)對(duì)徑流污染物的削減總量

將產(chǎn)污過(guò)程中各種污染物濃度分別與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的產(chǎn)流量相乘，得到產(chǎn)污總量，可計(jì)算出上凸綠地、各種下凹綠地的產(chǎn)污總量，進(jìn)而計(jì)算出下凹式綠地相對(duì)于上凸式綠地的徑流污染削減率，如圖6所示。

圖6 不同綠地的徑流污染物總量削減率

由圖6可知，在重現(xiàn)期0.3～5 a、歷時(shí)60 min降雨條件下，與上凸綠地相比，各下凹綠地對(duì)雨水徑流污染物均有不同幅度的削減，降雨強(qiáng)度越大，削減幅度越小。其中，普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地對(duì)COD的削減率分別為38.55%～90.96%、80.40%～100%、62.63%～96.11%、86.75%～100%；對(duì)SS的削減率分別為78.75%～91.48%、90.25%～100%85.26%～98.67%、92.49%～100%；對(duì)TN的削減率分別為22.50%～87.45%、70.08%～100%52.98%～97.74%、79.41%～100%；對(duì)TP的削減率分別為50.62%～79.17%、75.33%～100%64.27%～96.71%、82.95%～100%。

3 結(jié)論

本研究采用透水性強(qiáng)的材料與土層相組合，建設(shè)室外高滲透下凹綠地降雨產(chǎn)流系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)揚(yáng)州市一年的降雨量和不同綠地的產(chǎn)流量，評(píng)估了下凹綠地對(duì)降雨徑流的削減效能；模擬測(cè)定了不同綠地對(duì)降雨徑流污染的截污能力。主要結(jié)論如下:

（1）在一個(gè)自然年中，上凸式、普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地年徑流總量控制率分別為42.44%76.43%、90.70%、86.85%、92.97%。普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地比上凸式綠地徑流削減率59.05%83.84%、77.16%、87.79%。

（2）普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地相較于上凸式綠地，對(duì)COD的平均削減率分別為69.06%93.47%、84.75%、95.58%；對(duì)SS的平均削減率分別為87.01%、96.75%、94.05%、97.50%；對(duì)TN的平均削減率分別為65.80%、90.03%、82.78%93.14%；對(duì)TP的平均削減率分別為67.82%91.78%、85.67%、94.32%。