集雨型綠地雨水凈化功能效果評估
——以北京望和公園為例

趙松婷，李新宇，戴子云，許 蕊，王 行

(北京市園林科學(xué)研究院/園林綠地生態(tài)功能評價(jià)與調(diào)控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102)

集雨型綠地通過各種技術(shù)和設(shè)施，在一定降雨量內(nèi)，能消納綠地產(chǎn)生的雨水徑流，還可以接收綠地范圍以外的一定量雨水，在削減洪峰流量和削減徑流污染物等方面發(fā)揮重要作用[1,2]。當(dāng)前的“集雨型綠地”的主要技術(shù)措施包括[1]：透水地面、滲透井、滲水邊溝、坡地蓄水溝、綠地地下雨水收集管網(wǎng)、雨水濕地花園、雨旱兩宜型雨水池、下凹式綠地、小型雨水截留坑和大型雨水蓄坑池。其中雨水花園是指綠地中具有一定滲透結(jié)構(gòu)的低洼地，利用土壤和植物來管理和控制城市的雨水徑流，減少雨洪災(zāi)害和徑流污染的同時(shí)又能補(bǔ)給地下水[3]。

目前，部分學(xué)者[4-7]對集雨型城市綠地削減洪峰流量的效果開展了研究。張金龍等[8]對下凹式綠地蓄滲能力及其影響因素進(jìn)行了分析。還有部分學(xué)者對傳統(tǒng)城市綠地雨水徑流中含有的污染物成分、含量和影響因素等方面展開研究。黃金良等[9]對廈門和澳門城市綠地開展了降雨徑流監(jiān)測，研究了城市綠地降雨徑流污染特征。國內(nèi)對集雨型綠地削減降雨徑流污染的研究起步較晚，且已有報(bào)道多為室內(nèi)模式試驗(yàn)[10,11]，大多數(shù)研究僅限于對下凹式綠地的模擬試驗(yàn)[12-14]，但對于其他類型的集雨型城市綠地，尤其是對自然狀態(tài)下的集雨型綠地截留去除雨水徑流中污染物的凈化效果少有研究。本研究選擇以雨水花園為主要措施的集雨型城市綠地-望和公園作為研究對象，開展降雨徑流監(jiān)測，研究集雨型城市綠地和路面徑流兩種不同下墊面降雨徑流污染特征，進(jìn)行差異對比分析，得出集雨型城市綠地對雨水徑流污染物的凈化效果。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

北京市望和公園南園為北京市集雨型綠地示范點(diǎn)之一，是北京市唯一雨水不外排的公園，南園設(shè)計(jì)為以戶外運(yùn)動為特色的區(qū)域性綜合公園，占地面積約為22.5 hm2，周邊用地類型以綠地為主，雨水設(shè)施容量按照能容納兩年一遇的雨水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，根據(jù)基本場地條件，采用透水鋪裝、滲透池、滲井、滲排水溝、雨水花園等多種雨水利用設(shè)施形式。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣點(diǎn)的選擇 設(shè)置公園綠地集中排水口采樣點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)，公園內(nèi)鋪裝路面產(chǎn)生的地表徑流采樣點(diǎn)作為對照點(diǎn)，所選擇的采樣點(diǎn)所對應(yīng)的匯水分區(qū)分別代表望和公園雨水花園和鋪裝路面的主要匯水分區(qū)。

1.2.2 樣品采集 根據(jù)北京市的降雨特點(diǎn)，試驗(yàn)選擇在7—9月降雨集中期內(nèi)完成，三次采樣時(shí)間分別是2017年8月16日、2017年8月18日及2017年9月10日(表1)。對照點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)采用雨量筒人工采集水樣，采集的水樣數(shù)量根據(jù)降雨與徑流持續(xù)時(shí)間而定。采樣頻率采用“前密后疏”的方式，自產(chǎn)流起的20 min內(nèi)，以10 min為間隔采樣，后期30 min為間隔采樣。每次采樣量500 mL。

表1 試驗(yàn)期間降雨的基本特征Tab.1 The basic features of the rainfall during the experiment

注：24 h內(nèi)，降雨量在0.1～9.9 mm之間為小雨；降雨量在10.0～24.9 mm之間為中雨；降雨量在25.0～49.9 mm之間為大雨；降雨量在50.0～99.9 mm之間為暴雨；降雨量在100.0～249.9 mm之間為大暴雨；降雨量≥250.0 mm為特大暴雨[15]。

Note：In 24 h The rainfall of 0.1-9.9 mm is light rain, and the rainfall of 10.0-24.9 mm is moderate rain, and the rainfall of 25.0-49.9 mm is heavy rain, and the rainfall of 50.0-99.9 mm is rainstorm, and the rainfall of 100.0-249.9 mm is heavy rainstorm, and rainfall above 250.0 mm is extraordinary rainstorm.

1.2.3 測定指標(biāo)及方法 測定指標(biāo)：總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)。所有水質(zhì)指標(biāo)均按照國家水質(zhì)分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行保存和測定。測定方法見表2。

表2 水質(zhì)參數(shù)測定方法Tab.2 The assay methods of water quality parameters

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析 采用文獻(xiàn)[16,17]方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取的指標(biāo)及場次降雨污染物平均濃度(EMC)，計(jì)算公式如下：

式中：Cj為第j時(shí)間所測的污染物的濃度，mg/L；Vj為第j時(shí)間段的徑流量，m3；通常根據(jù)兩個(gè)樣本采集時(shí)間間隔的中間值(平均分割法)劃分流量區(qū)間；n為時(shí)間分段數(shù)。

徑流量V：V=αpS

式中：α為徑流系數(shù)；p為降雨量，mm；S為匯水面積，m2

式中：R為污染物去除比；Ci為對照點(diǎn)污染物平均濃度，mg/L；C0為監(jiān)測點(diǎn)污染物平均濃度，mg/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨-徑流過程與污染物濃度歷時(shí)變化

試驗(yàn)對2017年歷時(shí)最長的一次降雨過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，詳見圖1、圖2和圖3，發(fā)現(xiàn)綠地降雨徑流中污染物濃度TN、TP、NH3-N和COD最大峰值分別滯后于徑流量最大峰值10、10、100、10 min。相反，對照點(diǎn)的污染物濃度的峰值出現(xiàn)在降雨初期，各污染物濃度峰值的出現(xiàn)早于徑流量峰值，TN、TP、和COD最大峰值都較徑流量提前10 min。綠地中降雨徑流污染物TN和NH3-N的瞬時(shí)濃度明顯低于對照點(diǎn)，綠地中TN的濃度隨徑流呈波動性變化，對照點(diǎn)TN和NH3-N的濃度總體呈下降趨勢，綠地中降雨徑流污染物TP的瞬時(shí)濃度明顯高于對照點(diǎn)，TP的濃度相對平穩(wěn)。

圖1 2017年8月16日降雨量及徑流量變化情況Fig.1 The changes of the rainfall and runoff volumes on August 16, 2017

圖2 2017年8月16日綠地降雨徑流污染物濃度變化Fig.2 The changes of the pollutant concentrations of rainfall runoff in green space on August 16, 2017

圖3 2017年8月16日對照點(diǎn)降雨徑流污染物濃度變化Fig.3 The changs of the pollutant concentrations of rainfall runoff in control site on August 16, 2017

2.2 城市綠地徑流污染水平

三場降雨徑流中TN范圍在2.1～6.2 mg/L，EMC在2.53～5.97 mg/L之間，TP范圍在0.11～0.75 mg/L，EMC在0.14～0.47 mg/L，NH3-N范圍在0～1.33 mg/L，EMC在0.09～1.29 mg/L之間，COD范圍在15～40 mg/L，EMC在15～40 mg/L之間，其EMC平均值分別為4.10、0.33、0.69、1.91、28.78 mg/L(表3)。

研究表明，三場降雨中，通過綠地對降雨徑流中污染物NH3-N的滯留作用，其出水濃度均達(dá)到了國家IV類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中在8月16日歷時(shí)136 min小雨降雨過程中，綠地NH3-N的出水濃度達(dá)到了國家III類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但其污染同樣不容忽視。通過望和公園綠地降雨徑流監(jiān)測研究來看，三次降雨事件中TN的EMC均超過了國家V類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表3 場次降雨徑流水質(zhì)指標(biāo)情況Tab.3 The water quality indexes in the events of rainfall runoff

注：國V類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：TN：2 mg/L，TP：0.4 mg/L，NH3-N：2 mg/L，COD：40 mg/L[18]。

Note：Environmental quality standards for class V surface water : TN：2 mg/L，TP：0.4 mg/L，NH3-N：2 mg/L，COD：40 mg/L1[18].

2.3 集雨型城市綠地對雨水徑流中污染物削減效果

試驗(yàn)證明，除了TP，集雨型城市綠地對雨水徑流中的污染物有很好的滯留效果，在三場次降雨中，集雨型綠地對TN、NH3-N及COD的平均消減率分別為18.88%，63.75%和8.83%。

集雨型綠地對NH3-N的消減作用最明顯，最高達(dá)到了94.86%，這與陳袆璠[12]研究下凹式綠地試驗(yàn)裝置對模擬城市降雨徑流中的結(jié)果一致。集雨型綠地對TP沒有消減作用，反而污染物濃度要高出對照點(diǎn)2倍左右，這可能與土壤中TP隨著降雨徑流進(jìn)入綠地而被淋溶出來有關(guān)。集雨型綠地對COD的消減作用不明顯，消減率僅在10.18%～28.57%之間，而其對TN的消減隨著降雨強(qiáng)度的不同而變化，消減率在1.04%～38.74%之間(圖4)。

圖4 集雨型綠地對雨水徑流中污染物消減率 Fig.4 The cutting rates of rainfall runoff pollutants by rainwater harvesting urban green space

總體來看，在小雨降雨條件下，集雨型綠地對各污染物的消減比在大雨降雨條件下的消減作用更為明顯，這也與陳袆璠[11]研究下凹式綠地試驗(yàn)裝置對模擬城市降雨徑流時(shí)得出的結(jié)果類似。

3 討 論

從污染物濃度歷時(shí)變化來看，綠地降雨徑流污染物濃度峰值的出現(xiàn)滯后于徑流量峰值，這與趙建偉等[19]武漢動物園降雨徑流研究結(jié)果類似，主要是因?yàn)榫G地中污染物保持力比非透水地面更大，這也說明透水區(qū)地面降雨徑流污染排放相對緩慢，排放時(shí)間較長。相反，對照點(diǎn)的污染物濃度的峰值出現(xiàn)在降雨初期，各污染物濃度峰值的出現(xiàn)早于徑流量峰值，這與黃金良等[20]研究澳門城市小流域地表徑流污染時(shí)的結(jié)果類似。

集雨型城市綠地降雨徑流的主要污染物為TN、TP、NH3-N和COD，其EMC平均值分別為4.10、0.33、0.69、28.78 mg/L。在三場次降雨中，集雨型城市綠地對TN、NH3-N及COD的平均消減率分別為18.88%，63.75%和8.83%，通過其對降雨徑流中污染物NH3-N的滯留作用，其出水濃度達(dá)到國家三類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要是由于雨水花園通過反硝化作用和植物吸收增強(qiáng)對N的去除[21]，其構(gòu)造系統(tǒng)的低滲透利率和長期排水時(shí)間也有利于提高污染物NH3-N的去除效率[22]，可見集雨型綠地凈化、滯留作用的發(fā)揮與雨水花園內(nèi)部構(gòu)造也緊密相關(guān)[23]。TN濃度超過國家Ⅴ類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其污染不容忽視。受降雨強(qiáng)度、降雨量、降雨頻次、匯水區(qū)域內(nèi)主要污染源以及隨機(jī)污染事件等因素影響，進(jìn)入集雨型城市綠地的不同場次降雨徑流污染物EMC會有一定的波動[16]。受現(xiàn)場試驗(yàn)條件限制，本研究對集雨型綠地削減降雨徑流污染的研究尚處于起步階段，為有效減少降雨徑流污染，改善城市水體水質(zhì)，針對不同植物種類和土壤類型的集雨型綠地對城市不同功能區(qū)降雨徑流污染的削減研究以及不同類型集雨型城市綠地凈化污染物的作用還需進(jìn)一步研究。