植草溝在城市降雨徑流控制中的應用研究

許浩浩，呂偉婭

(南京工業(yè)大學，江蘇 南京 211816)

隨著城市化進程的不斷加快，屋頂和硬化地面等不透水面積大幅增加，改變了城市自然的水文效應，造成雨水徑流形成時間縮短，雨洪峰值增大，從而引發(fā)了城市內(nèi)澇[1]。此外，由于降雨徑流的劇烈沖刷作用使得屋面及路面大量的營養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物、重金屬、油脂類物質(zhì)、毒性有機物及致病菌等污染物進入受納水體，這不僅會導致城市水環(huán)境的惡化，還會嚴重危害生態(tài)系統(tǒng)及人類的健康[2]。研究表明[3]，在美國，城市降雨徑流已被列為導致江河湖泊污染的第三大污染源，在一些州，城市水體BOD年負荷40%～80%來自降雨徑流。因此，如何解決由城市化引發(fā)的城市內(nèi)澇、水資源短缺和城市面源污染等問題現(xiàn)已成為中國城市發(fā)展過程中必須解決的關鍵問題。

一些發(fā)達國家在幾十年城市雨洪管理與利用的實踐中，相繼形成了低影響開發(fā)、暴雨最佳管理措施和水敏感性城市設計等管理理念和技術體系。暴雨最佳管理措施通常以綠地、路面、廣場和停車場等城市元素作為雨洪管理的設施，具體包括生物滯留池、透水性路面、綠化屋頂及下凹式綠地等[1]。這些雨洪管理措施可以有效解決城市化引發(fā)的一系列水生態(tài)和水環(huán)境等問題。植草溝作為現(xiàn)代城市暴雨最佳管理措施的重要組成部分，在暴雨徑流量及洪峰削減、徑流污染控制、地下水補給及景觀價值方面具有良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。植草溝在歐美等發(fā)達國家已發(fā)展成為最有效和應用最廣泛的城市暴雨管理措施之一。因此研究植草溝的技術特點、徑流削減及水質(zhì)凈化效果對該技術今后的實踐與應用具有重要意義。

1 技術特點

植草溝是指種植植被的景觀性地表溝渠排水系統(tǒng)，以種植草本植物為主，斷面形態(tài)多為倒拋物線形、三角形及梯形等[4]。通常根據(jù)地表徑流在植草溝中的傳輸方式，可將植草溝分為3種類型：標準傳輸植草溝、干式植草溝及濕式植草溝[5]。標準傳輸植草溝主要是將集水區(qū)的降雨徑流引導并傳輸?shù)狡渌乇硭幚碓O施；干式植草溝在設計時考慮了土壤過濾層以及地下排水系統(tǒng)，強化了植草溝的滲濾、傳輸及處理能力；濕式植草溝是類似溝渠型的濕地生態(tài)系統(tǒng)，通過長期保持濕潤狀態(tài)以加強滲透、凈化效果[4-6]。與其他2種植草溝相比，干式植草溝的結(jié)構更為復雜，主要由五部分組成：200～300 mm的地表填洼層、200～300 mm的植被根系有機質(zhì)層、400～600 mm的土壤基質(zhì)層、300～400 mm的礫石層以及排水管層[4]。其中植草溝的邊坡坡度(垂直∶水平)不宜大于1∶3，縱坡不應大于4%[7]，當植草溝設置在道路旁時，為保證道路雨水能平緩進入植草溝，進水口應采用孔口路牙等形式，同時為了防止進水口被沖刷，應在進水口處鋪設碎石或鵝卵石[4]。植草溝不僅適用于城市道路、廣場、停車場和公園綠地等區(qū)域，還可作為生物滯留池、透水路面及濕塘等低影響開發(fā)設施的預處理設施，甚至可代替雨水管渠排水系統(tǒng)[7]。

2 徑流削減效果

沈子欣等[8]研究表明，生態(tài)植草溝能夠?qū)⒋笥?12 mm/h)和暴雨(24～30 mm/h)的洪峰到來時間延遲20 min以上，對徑流的削減率能達到20%以上，且土壤基質(zhì)孔隙率、粒徑和間隙越大，植草溝對水量的滯留效果越好。魏源源等[9]試驗顯示，植草溝的滯蓄效果與降雨總量呈負相關關系，當降雨量小于24.3 mm時，植草溝無出水流量，當降雨量為37.2、96.9 mm時，植草溝發(fā)生溢流，但對2種降雨的洪峰延遲時間均能保持在10 min以上。陳敬宣[10]試驗表明，當降雨量為12.2、48.6 mm時，黑麥草植草溝和白三葉植草溝排水情況都能達到要求，當降雨量為218.3 mm時，2種植草溝排水情況均較差，且均會出現(xiàn)侵蝕溝，但后期黑麥草植草溝僅2周的時間便可基本恢復正常排水功能，而白三葉植草溝較難恢復。Allen[11]研究顯示，植草溝對雨水徑流峰值的平均削減率為50%～53%，對徑流總體積的削減率達46%～54%，峰值延遲時間達33～34 min。有研究表明，降雨歷時越短，降雨強度越小，植草溝對降雨徑流水量的調(diào)控效果越明顯。Guo等[12]試驗顯示，當降雨重現(xiàn)期為0.33 a，降雨歷時為3 h時，50 m2的植草溝可削減50 m2瀝青路面上產(chǎn)生的66%的降雨徑流量，降雨強度比降雨歷時對植草溝入滲、截流的影響更大，植被覆蓋度也會對植草溝的調(diào)控能力產(chǎn)生影響；當降雨重現(xiàn)期為0.33 a、降雨歷時為1 h時，植被覆蓋度增加60%的植草溝對降雨徑流量的削減率提高了8%；還發(fā)現(xiàn)對于長和寬均為2 m的植草溝來說，當降雨歷時為24 h時，對1、2 a重現(xiàn)期的降雨形成的道路徑流削減率分別為96.3%、56%，而對50 a重現(xiàn)期的徑流量削減率僅為13%。黃俊杰等[13]研究表明，普通植草溝與設置下排水的改良植草溝的徑流水量削減率分別為31.1%、35.5%，2種設施均能有效削減徑流量和峰值，延遲徑流峰值出現(xiàn)時間，但改良植草溝的水文控制效果要優(yōu)于普通植草溝，還發(fā)現(xiàn)植草溝對徑流的削減效果受進水條件的影響，進水深度越小，水量削減效果越好。

汪艷寧等[14]試驗顯示，當滲透系數(shù)為5.31～6.81×10-5m/s，水力負荷為5.88 m3/(m2·d)時，植草溝可消納相當于自身面積2.16倍的不透水路面產(chǎn)生的徑流量；當水力負荷由1.47 m3/(m2·d)增至5.88 m3/(m2·d)時，設施對徑流量的削減率從95.99%降低至70.87%，總的來說植草溝能削減70%以上的洪峰流量。Muhammad等[15]研究表明，植草溝對徑流的調(diào)控主要通過滲透、污染物去除和徑流傳輸3個處理階段完成，降雨徑流首先被保留在土壤和植被層中，然后滲透到地下并通過雨水穿孔管傳遞到地下儲存溝，通過這種方式，植草溝對30 mm/h的降雨可以在較長一段時間內(nèi)滯留大量的雨水并延遲出現(xiàn)的時間，總的來說，植草溝對小型降雨的徑流削減率為40%～75%。試驗顯示[16]，植草溝無法消納的最大水量和下滲的最大水量是在設計植草溝時應考慮的2個重要水力參數(shù)，當這2個值分別為2.3～3.3 cm(均值為2.8 cm)和0.4～2.2 cm(均值為1.3 cm)時，系統(tǒng)截流效果最好。研究表明[4]，設計過濾帶或截止壩能有效提高植草溝對徑流量的削減能力，而在坡度較緩的地區(qū)，通過增加礫石儲水層、改良土壤基質(zhì)層、設計延程排水管等方法并不能夠明顯增加植草溝對徑流的減控效果。Ana等[17]研究表明，隨著運行時間的延長，植草溝會出現(xiàn)土壤基質(zhì)孔隙的堵塞問題，這會使得土壤截流率下降30%左右，因此，要定期檢查并更換堵塞的土壤基質(zhì)，加強日常維護管理工作，使其保持良好的雨水削減和調(diào)蓄作用。

上述研究表明，植草溝能有效削減徑流量和峰值，延遲徑流峰值到達時間，但其對徑流的調(diào)控效果受降雨特征(降雨強度、降雨歷時、降雨量)、植被條件(植物種類、植被覆蓋度)、土壤基質(zhì)條件以及堵塞狀態(tài)等因素的影響。

3 水質(zhì)凈化效果

表1 植草溝去除污染物效果 %

潘姣[21]研究表明，當降雨強度增加時，植草溝對污染物去除率有所降低，而降雨量總體積與去除率無相關關系，植草溝對TSS的去除率高達79%～98%，還發(fā)現(xiàn)當進水污染物的濃度較低時，植草溝對污染物的去除效果反而變差，當TSS進水濃度分別為40、100 mg/L時，去除率分別為0、50%。Terry等[22]研究表明，植草溝對TSS的削減率依賴于TSS進水濃度，50%～80%的TSS和20%～23%的TP在離進水口10 m內(nèi)被去除，且TSS和TP進水濃度越高，去除效果越明顯。研究表明[5]，30 m的植草溝對TSS、金屬和碳氫化合物的削減率分別為60%、2%～16%和50%，而60 m的植草溝對TSS、金屬和碳氫化合物的削減率分別為80%、46%～67%和75%，還發(fā)現(xiàn)徑流中80%的污染物是在植草溝的60～75 m內(nèi)被去除的，因此建議植草溝的最小長度為30 m。Ryan等[23]試驗表明，梯形植草溝對TSS的去除率比三角形植草溝提高了10%，坡度越小、長度越長、集水區(qū)面積越小的植草溝除污效果越明顯，而縱向坡度對除污效果影響較小。趙金輝等[24]研究表明，污染物濃度與降雨歷時呈負相關關系，植草溝長度與各污染物去除效率之間呈明顯正相關關系，尤其是與TSS的去除效率高度相關。Zhao等[25]研究表明，植草溝與濕地滯留塘組合系統(tǒng)對TN、TP、COD和TSS去除效果顯著且穩(wěn)定，還發(fā)現(xiàn)沉積顆粒的粒徑大小對污染物的去除率有明顯影響，植草溝對粒徑超過75 μm顆粒的去除率高達80%，而對粒徑小于75 μm顆粒的去除率較低，甚至為負值，尤其對于粒徑小于25 μm的顆粒。Wang等[26]研究表明，天堂草溝和黑麥草溝2種植草溝的凈化效果受水力負荷、草高和水深的影響，影響大小依次為：I水力負荷﹥I草高﹥I水深，2種植草溝的最佳運行條件相同，均為水力負荷0.5 m3/(m2·d)，草高15 cm，水深4 cm，且黑麥草溝的整體凈化效果優(yōu)于天堂草溝。周開壹等[27]研究表明，當氣溫為29 ℃，坡度為1%，流速為0.18 m/s，植草平均長度為8 cm，長度為50 m時，多孔混凝土的植草溝對污染物的去除效果最優(yōu)。扶蓉等[28]等研究表明，多孔混凝土的低碳植草溝的填料宜選擇顆粒小、質(zhì)地均勻、保水保肥能力好以及有降污、吸附重金屬能力的物質(zhì)如紅壤、過磷酸鈣、木炭、沸石及秸稈堆肥等，植物宜選擇適應性強、耐雨水沖刷、根系發(fā)達、吸附能力好的草本植物。

上述研究表明，水力停留時間、流速、植被種類、有效水深、長度及基質(zhì)類型等因素均會對植草溝的凈化效果產(chǎn)生影響，但總的來說，設計合理的植草溝可取得較好的水質(zhì)控制及污染負荷的削減效果。

4 結(jié)論與展望

近年來，基于其在改善城市雨水徑流方面的良好效果，植草溝已成為一種高效的暴雨最佳管理措施。然而，總體來說植草溝用于城市雨洪控制與利用方面的研究還比較缺乏，如何合理設計和維護植草溝，使之能有效減緩城市化帶來的水生態(tài)和水環(huán)境等問題將是今后的研究重點?？梢詮囊韵?個方面進行研究：①植草溝的水力模型和水質(zhì)模型的研究，深入研究對污染物去除的機理，建立植草溝對雨水水量、水質(zhì)處理效果與影響因素之間的模型；②既能滿足對城市暴雨徑流量的削減，又能高效、穩(wěn)定地去除各種徑流污染物的植草溝的研究，如通過優(yōu)化植草溝的結(jié)構設計、填充基質(zhì)及植物種類等，在不降低水力負荷的前提下最大化提高對污染物的削減效果；③植草溝長期運行穩(wěn)定性的研究，尤其是懸浮物、重金屬及油脂等會在植草溝內(nèi)積累而使基質(zhì)達到飽和，針對土壤阻塞問題，開發(fā)出適合植草溝能夠保持高效運行的維護措施。