植草溝在去除城市地表徑流污染物中的應(yīng)用研究

許浩浩，呂偉婭

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816)

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，不透水下墊面面積快速增加，導(dǎo)致城市的水文條件和污染物的排放特征發(fā)生了顯著的變化[1]。城市屋頂和道路表面積累的大量未經(jīng)處理的懸浮物、重金屬、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、油脂及病原菌等污染物在降雨過程中通過溶解、沖刷等作用直接進(jìn)入地表徑流，造成城市水體惡化[1-3]。劉大喜等[4]研究表明，城市受納水體的水質(zhì)受降雨徑流影響嚴(yán)重，降雨后水體中TN、NH3-N、COD、BOD5、Cd、Cr6+的濃度均超過地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，以城市降雨徑流為載體的面源污染已成為城市水環(huán)境污染的重要來源。

因此，如何有效地管理由降雨徑流引發(fā)的城市面源污染已成為城市化進(jìn)程中亟待解決的重要問題。低影響開發(fā)是指通過源頭的、分散式的生態(tài)措施來實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水和污染物的就地消納和去除，是城市雨水管理的一種高效措施[5]。作為一種典型的低影響開發(fā)措施，植草溝通過對(duì)徑流雨水的滲透、調(diào)蓄、凈化、利用和排放，實(shí)現(xiàn)城市的良性水文循壞并有效地改善了城市水環(huán)境的質(zhì)量[6-7]。但當(dāng)前主要集中于植草溝對(duì)雨水水量減控效果方面的研究，對(duì)植草溝去除污染物的機(jī)理及影響去除效果的因素等方面研究較少。

1 植草溝去除降雨徑流中污染物的機(jī)理

周開壹等[9]研究指出，降雨徑流中磷的去除主要是依靠植物根系吸收作用和土壤基質(zhì)內(nèi)形成的生物膜對(duì)磷的吸附和截留，使得植草溝除磷效果較好。Allen等[12]認(rèn)為，當(dāng)植草溝中存在一定的淹沒條件時(shí)，植草溝結(jié)構(gòu)層中會(huì)較易形成好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，通過不同區(qū)域的降解處理，使得氮磷被吸附、降解及發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而提高凈化效果。McNett等[13]認(rèn)為城市降雨徑流中大約70%的磷是顆粒態(tài)形式，30%是溶解態(tài)形式，大多數(shù)的顆粒磷被吸附在粒徑相對(duì)細(xì)小的TSS顆粒上，通過TSS的去除而去除，而植草溝對(duì)細(xì)小顆粒的TSS去除效果較差，因此導(dǎo)致對(duì)磷的去除效果不理想。長(zhǎng)期運(yùn)行監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示[14]，植草溝對(duì)降雨徑流中TSS有良好的去除效果，TSS的去除主要是依靠土壤基質(zhì)和植被的滲透、過濾、吸附和沉淀作用并被攔截在系統(tǒng)內(nèi)部。Deonie等[15]指出大部分TSS在植草溝的前20 m內(nèi)被去除，TSS的去除效果受沉積顆粒的粒徑、密度及濃度等影響，去除率在22.0%～98.0%之間變化，但平均去除率仍達(dá)到了74.3%。

周開壹等[9]發(fā)現(xiàn)城市降雨徑流中的絕大部分重金屬吸附在TSS上，隨著TSS的去除而去除，因此重金屬與TSS的下降趨勢(shì)一致。同時(shí)土壤及植物在重金屬的降污中發(fā)揮了重要作用，通過吸附作用使得重金屬進(jìn)一步被去除。研究表明[16-17]，降雨徑流中主要以顆粒態(tài)形式存在的Pb和Cu等重金屬通過沉淀、過濾及截留等作用被去除，而溶解態(tài)重金屬則被植物和土壤基質(zhì)吸附、吸收。研究顯示[9,18]，植草溝對(duì)于COD的去除主要是通過在土壤和填充基質(zhì)內(nèi)形成生物膜的吸附、降解和截留作用以及植物根系的吸收作用，同時(shí)徑流中的COD與TSS存在一定的相關(guān)性，植草溝對(duì)COD的去除易受到TSS去除效果的影響。Zhao等[19]研究表明，COD、TN、TP均與TSS存在正相關(guān)關(guān)系，其中TP與TSS的相關(guān)性最為明顯，降雨徑流對(duì)表層土壤進(jìn)行沖刷，使得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨著表層土壤的遷移而大量流失。Michael等[20]研究顯示，植草溝對(duì)碳?xì)浠衔?多環(huán)芳烴、芘和苯佐芘)的平均去除率為71.0%±12.7%，通過沉淀、滲透、揮發(fā)、植物吸收及微生物降解作用得以去除，最高去除率達(dá)99.0%。

2 植草溝的應(yīng)用

植草溝一般指開放式洼地或溝渠，表面種植植物。根據(jù)地表徑流在植草溝中的傳輸方式，植草溝可分為標(biāo)準(zhǔn)傳輸植草溝、干植草溝和濕植草溝3種類型，其中干式植草溝的結(jié)構(gòu)自上而下通常依次為：填洼層、根系有機(jī)質(zhì)層、土壤基質(zhì)層、礫石層，底部一般設(shè)有排水系統(tǒng)[21-22]。植草溝可用于城市綠地、道路、停車場(chǎng)及各類建筑小區(qū)等諸多場(chǎng)所。運(yùn)用在城市道路時(shí)，采用孔口路牙等形式的進(jìn)水口，同時(shí)在進(jìn)水口設(shè)置保護(hù)層以防止植草溝被沖刷[21]。各類場(chǎng)地內(nèi)的植草溝可根據(jù)地形、匯水面積及景觀效果等因素綜合考慮進(jìn)行布置。植草溝可在源頭、污染物傳輸過程以及和其他措施聯(lián)合運(yùn)行，在完成輸送排放功能的同時(shí)，也能夠滿足雨水的收集及凈化[23]。是一種被發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛采用的低成本、高效率的徑流管控措施。

3 植草溝對(duì)降雨徑流水質(zhì)的凈化效果

Wang等[26]研究表明，與30 m的植草溝相比，60 m的植草溝對(duì)TSS、碳?xì)浠衔锖徒饘俚娜コ史謩e提高了20.0%、25.0%和30.0%～65.0%，建議植草溝的最小長(zhǎng)度應(yīng)為30 m，可以保證去除效果。潘姣[27]研究表明，當(dāng)水力停留時(shí)間為5.5、7.0、10.0、18.0 min時(shí)，污染物的削減率分別為48.0%、70.0%、67.0%和80.0%，建議水力停留時(shí)間為6.0～8.0 min時(shí)污染物去除效果較好，還發(fā)現(xiàn)當(dāng)植草溝中的雨水流速小于0.8 m/s，縱向坡度為1%～5%時(shí)，有利于提高凈化效果。Terry等[28]研究表明，徑流中TSS和TP的進(jìn)水濃度越高，植草溝對(duì)TSS和TP的去除效果越好，50.0%～80.0%的TSS大約在10 m內(nèi)被去除。Zhao等[29]研究表明，降雨徑流中沉積物粒徑﹥75.0 μm的顆粒占的比例越大，去除率就越高，植草溝對(duì)粒徑﹤75.0 μm的顆粒去除效果不理想，幾乎很難被去除。Wang等[8]試驗(yàn)顯示，水力負(fù)荷對(duì)黑麥草溝和天堂草溝兩類植草溝凈化地表徑流的影響較大，草高次之，有效水深影響最小，兩類植草溝的最佳運(yùn)行條件均為水力負(fù)荷0.5 m3/(m2·d)、草高15.0 cm和水深4.0 cm，兩類植草溝對(duì)徑流中TSS、TP和TDP的削減率均在60.0%以上，黑麥草溝的整體凈化能力略高于天堂草溝。

植草溝對(duì)地表徑流中不同污染物的去除效果差異性明顯，且降雨強(qiáng)度、水力負(fù)荷、進(jìn)水濃度、草高、有效水深、溝渠長(zhǎng)度、流速、坡度、植物及土壤基質(zhì)種類等均會(huì)對(duì)植草溝的去除效果產(chǎn)生影響，通過合理地設(shè)計(jì)植草溝結(jié)構(gòu)可以改善其水質(zhì)凈化效果。

4 植草溝存在的問題及未來研究方向

植草溝因具有控制水質(zhì)和水量效果好、建設(shè)成本低、運(yùn)營(yíng)管理方便及美化環(huán)境等特點(diǎn)，已發(fā)展成為控制城市面源污染應(yīng)用廣泛和有效的措施之一。然而，目前關(guān)于植草溝在控制降雨徑流污染方面的研究還較為缺乏，其設(shè)計(jì)與應(yīng)用尚不夠成熟，從研究來看仍存在一些不足：①在設(shè)計(jì)方面，植草溝輸送的地表徑流量比傳統(tǒng)雨水管道要小，但其對(duì)坡度和地形的要求比傳統(tǒng)雨水管道要高，且在設(shè)計(jì)時(shí)要更多考慮與道路景觀設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性，在運(yùn)營(yíng)過程中要有相應(yīng)的維護(hù)管理措施，若設(shè)計(jì)或維護(hù)管理不當(dāng)，易造成植草溝侵蝕，當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)植草溝還沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)及后期運(yùn)行的管理上缺少依據(jù)[26]；②在研究深度上，對(duì)植草溝去除污染物的效果及機(jī)理的研究尚不夠深入，影響植草溝水質(zhì)凈化效果的因素還不是很明確，這些因素具體如何影響植草溝凈化過程還需進(jìn)一步研究，且目前的研究大多采用實(shí)驗(yàn)室模型模擬或小面積實(shí)驗(yàn)地研究，缺乏對(duì)植草溝在工程實(shí)踐中的研究；③植草溝的設(shè)計(jì)仍比較單調(diào)，對(duì)植物的搭配組合以及與周圍景觀協(xié)調(diào)方面的研究還需深入。

綜上所述，為更高效發(fā)揮植草溝去除城市地表徑流污染物的效果，今后應(yīng)著重從以下幾個(gè)方面開展研究：①在不降低水力負(fù)荷的前提下，能使污染物的削減效果達(dá)到最大化的植草溝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括長(zhǎng)度、深度、坡度、土壤基質(zhì)及植物類型等；②植草溝凈化重金屬、病原菌、多環(huán)芳烴及農(nóng)藥等特殊污染物的效果及機(jī)理；③通過研究植草溝凈化污染物的特性來增強(qiáng)其對(duì)水量及水質(zhì)的控制效果，將植草溝納入景觀規(guī)劃之中，注重植草溝的管理及后期養(yǎng)護(hù)。

總的來說，設(shè)計(jì)合理的植草溝可有效去除降雨徑流中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、重金屬、TSS、油脂及病原菌等污染物，從而改善城市水環(huán)境質(zhì)量。作為一種低成本、高效率的生態(tài)技術(shù)，植草溝將在控制城市面源污染的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮積極作用。