暴雨和緩沖帶特征對(duì)城市濱水緩沖帶雨洪消減與水質(zhì)凈化效果的影響機(jī)制

李 想,邸 青

1 北京大學(xué)建筑與景觀設(shè)計(jì)學(xué)院, 北京 100871 2 中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100044 3 中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100044

城市化過程中的產(chǎn)業(yè)聚集、人口集中等現(xiàn)象不斷促進(jìn)著城市建設(shè),這在一定程度上造成了自然環(huán)境的破壞[1- 3],其中雨洪問題是突出的熱點(diǎn)問題。近年來,北京、武漢、深圳等地都曾出現(xiàn)內(nèi)澇現(xiàn)象。暴雨徑流除了容易引發(fā)城市內(nèi)澇外,還是造成城市水污染的重要原因之一[4]。大量研究表明,城市道路中的徑流污染物是造成地表徑流污染的主要來源[5],其中污染物來源包括水土流失、行人、施工、大氣污染、輪胎磨損、防凍劑使用、車輛泄露、殺蟲劑和肥料等污染物[6- 7]。污染成分包括有機(jī)或無機(jī)化合物、氮、磷、金屬、油類等[8- 10]。

為了應(yīng)對(duì)城市雨洪及水污染問題,2013年,國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作的通知》提到推行低影響開發(fā)建設(shè)模式,減少對(duì)城市原有水生態(tài)環(huán)境的干擾,建設(shè)配套雨水徑流滲流、收集利用等削峰調(diào)蓄設(shè)施[11]。2014年,住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》用于指導(dǎo)海綿城市建設(shè)。這些相關(guān)法規(guī)和條例的頒布標(biāo)志著生態(tài)雨洪管理思想已經(jīng)受到管理層面的重視。

在世界現(xiàn)有的可持續(xù)雨水減控凈化技術(shù)體系中,美國的低沖擊開發(fā)(LID)、澳大利亞的水敏性城市設(shè)計(jì)(WSUD)、英國的可持續(xù)排水系統(tǒng)(SUDS)都是較為成熟的技術(shù)體系[12- 14]。在此基礎(chǔ)上,俞孔堅(jiān)[15]提出了海綿城市的三大關(guān)鍵策略：消納、減速和適應(yīng),并從哲學(xué)層面上提出了完全生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值觀、就地解決水問題、分散式民間工程、蓄滯而非排泄、彈性應(yīng)對(duì)等思想[16-17]。

濱水緩沖帶是城市水體與建成區(qū)之間的邊界地帶,同時(shí)也是構(gòu)建“海綿城市”理論和技術(shù)體系,發(fā)揮生態(tài)雨洪管理功能的重要綠色基礎(chǔ)設(shè)施[18]。然而目前,城市河道建設(shè)存在很多誤區(qū),濱水景觀設(shè)計(jì)沒有將可持續(xù)雨洪管理納入設(shè)計(jì)考慮,對(duì)雨水仍然采用簡(jiǎn)單的工程排水措施,在季風(fēng)氣候區(qū)年降雨分布不均的條件下,雨季面臨巨大的雨洪危險(xiǎn),并且濱水地區(qū)作為城市建成區(qū)和水體之間的過渡區(qū),也沒能成為應(yīng)對(duì)暴雨徑流帶來的面源污染的防線。在濱水緩沖帶的眾多功能中,對(duì)雨洪的減控和凈化作用在解決當(dāng)前城市雨洪問題中最為重要[19]。

濱水緩沖帶對(duì)地表徑流的減控作用主要包括兩方面：一方面是植物地表部分的阻擋作用,緩沖帶植被根系能夠維持土壤,地上部分的根莖能夠提高地表阻力,有效控制地表徑流流速防止徑流侵蝕[20]。另一方面是土壤的下滲作用和植被根系的吸收作用,相比于硬質(zhì)堤岸,緩沖帶有利于地表水下滲并補(bǔ)給地下水,然后通過地下水來補(bǔ)給河流,這種方式的回補(bǔ)速度比地表徑流直接流入河水要緩慢很多[21]。因此對(duì)于控制暴雨徑流可能帶來的城市雨洪以及旱季維持河流水位有著非常重要的作用。

河湖濱水緩沖帶能夠?qū)Ρ┯陱搅髦械墓腆w懸浮物、氮、磷等污染物有一定去除作用[22]并保護(hù)水環(huán)境[23],其對(duì)于污染物的主要去除機(jī)理是降低徑流的流速,增加污染物在緩沖帶中的停留時(shí)間,通過濱岸帶植被-土壤-微生物復(fù)合系統(tǒng)的滲透、沉積、吸收、吸附以及微生物分解等作用過程消減進(jìn)入河湖的化肥、農(nóng)藥等污染物和沉積物。對(duì)于固體懸浮物、重金屬、營(yíng)養(yǎng)鹽的平均去除率可分別達(dá)到70%以上、20%—50%和10%—30%[24]。

國外學(xué)者的研究從緩沖帶對(duì)農(nóng)田面源污染的削減效應(yīng)開始,主要針對(duì)去除化肥和農(nóng)藥中的污染物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,其中包括氮、磷以及農(nóng)藥中的其他有毒物質(zhì)。在多年研究中,對(duì)濱水緩沖帶不同的土壤、植被、氣候等要素使緩沖帶對(duì)污染物去除效率的差異做了非常豐富的定量實(shí)驗(yàn)[25-28]。相對(duì)國外相關(guān)研究,國內(nèi)學(xué)者對(duì)緩沖帶徑流減控和凈化作用的研究開始相對(duì)較晚,但也有相當(dāng)豐富的成果,其中緩沖帶對(duì)于農(nóng)業(yè)面源污染中的氮、磷等污染物的去除成果較為豐富[29-32],目前針對(duì)城市濱水緩沖帶徑流減控及污染物去除的研究較少,且主要集中在單一少數(shù)幾個(gè)影響因子[33-34]。此外,國內(nèi)學(xué)者通過控制變量研究緩沖帶單因子的影響方面也取得了一定研究成果[35-37]。總體來看,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于城市濱水緩沖帶徑流減控及污染物的多個(gè)要素的控制變量實(shí)驗(yàn)研究,特別是對(duì)于暴雨特征要素的影響相對(duì)較少。

本研究通過在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地搭建模擬暴雨徑流裝置與緩沖帶模擬裝置,對(duì)暴雨特征(雨強(qiáng)、重現(xiàn)期、歷時(shí))、緩沖帶特征(坡度、植被蓋度)等對(duì)緩沖帶徑流減控凈化效果進(jìn)行量化研究。其中徑流減控效應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)來量化；徑流凈化效果的影響機(jī)制則通過檢測(cè)懸浮物(SS)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、生物需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(CODMn)等污染物的削減系數(shù)來研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 雨型雨量

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)北京地區(qū)降雨特點(diǎn)模擬暴雨徑流。結(jié)合雨強(qiáng)、歷時(shí)、重現(xiàn)期、上方坡面徑流區(qū)面積等參數(shù),根據(jù)北京市降雨?duì)顩r與實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件綜合考慮,選取重現(xiàn)期分別為1 a、5 a和20 a三個(gè)暴雨強(qiáng)度,以及前峰、中峰、后峰3個(gè)雨型條件下5 a重現(xiàn)期的暴雨進(jìn)行模擬。

綜合考慮北京市降雨雨型、降雨公式以及實(shí)驗(yàn)?zāi)M條件,選擇Keifer和Chu雨型(即芝加哥雨型)作為本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)雨型,并代入北京暴雨公式參數(shù),得到不同時(shí)段的降雨量(表1)。

計(jì)算匯水量需利用上方坡面徑流區(qū)面積,已知緩沖帶面積的情況下可以使用緩沖帶有效面積比來計(jì)算上方坡面徑流區(qū)面積。本實(shí)驗(yàn)選擇有效面積比5∶1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備所構(gòu)建的緩沖帶面積為10 m2。緩沖帶有效面積比為5∶1,匯水面積取50 m2,由于能夠匯水并將水倒入濱水緩沖帶的上方坡面徑流區(qū)多為綠地和林帶,因此在計(jì)算泵水功率的時(shí)候,徑流系數(shù)取0.15。

由降雨量、上方匯水面積和徑流系數(shù)可以計(jì)算所需水泵功率(表2)。

根據(jù)上述需要,本實(shí)驗(yàn)選用輸入電源110—220 V、50/60 Hz、輸出功率為8—48 W可調(diào)節(jié)功率水泵,共8個(gè)檔位。

1.2 污染物配置

根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)對(duì)暴雨徑流污染物濃度進(jìn)行配置。模擬徑流中的污染物分別通過現(xiàn)場(chǎng)收集泥沙,葡萄糖、氯化銨、硝酸鉀、過磷酸鈣等化學(xué)試劑,按照高低負(fù)荷中污染物比例來進(jìn)行調(diào)配(表3)。

1.3 場(chǎng)地搭建

緩沖帶模擬裝置采用長(zhǎng)5 m,寬1 m的兩個(gè)可移動(dòng)、可調(diào)節(jié)高度和坡度的金屬槽組成,分別撤掉兩個(gè)槽的下端和上端擋板,用一個(gè)長(zhǎng)0.8 m、寬1 m的金屬槽將兩個(gè)主體金屬槽相連,形成一個(gè)長(zhǎng)10.8 m、寬1 m的金屬槽,頂端設(shè)置有擋板(圖1),下端設(shè)置有收水漏斗(圖1),漏斗高度與土壤厚度一致,以收集地表徑流。金屬槽下端分布有間隔20 cm×20 cm,直徑為1 cm的孔洞,可收集入滲的徑流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求,可使用液壓調(diào)節(jié)金屬槽坡度。

圖1 模擬緩沖帶設(shè)備照片F(xiàn)ig.1 Device of simulation buffer strip

在金屬槽中填入北京地區(qū)棕壤,使其均勻沉降并適當(dāng)調(diào)整使土壤厚度達(dá)到40 cm,下端與漏斗持平。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求種植植被覆蓋度為100%的高羊茅草皮,并養(yǎng)護(hù)兩周以上,保證草皮長(zhǎng)勢(shì)良好(圖1),在完成植被覆蓋度為100%的實(shí)驗(yàn)后,可鏟除一部分高羊茅,滿足其他植被覆蓋度對(duì)照組實(shí)驗(yàn)。

表1 基于北京暴雨公式下模擬暴雨在不同實(shí)驗(yàn)條件各時(shí)段降雨量

標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件為重現(xiàn)期5a、前峰雨型、時(shí)長(zhǎng)1h

表2 不同實(shí)驗(yàn)條件各時(shí)段水泵體積流量

注：標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件為重現(xiàn)期5a、前峰雨型、時(shí)長(zhǎng)1h

1.4 實(shí)驗(yàn)組設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)條件為：5 a一遇1 h前峰雨型,徑流濃度為低負(fù)荷,坡度5°,植被蓋度100%(表4)。

表3 不同負(fù)荷污染物設(shè)計(jì)濃度及所需化學(xué)試劑用量

表4 實(shí)驗(yàn)組條件設(shè)置

1.5 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行說明

本實(shí)驗(yàn)包括多組模擬暴雨徑流實(shí)驗(yàn),每組模擬實(shí)驗(yàn)在前期準(zhǔn)備階段對(duì)徑流模擬裝置和緩沖帶模擬裝置進(jìn)行設(shè)置后,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程基本一致。具體過程如下：

(1)測(cè)量實(shí)驗(yàn)地環(huán)境數(shù)據(jù),包括溫度、空氣濕度、風(fēng)向等。測(cè)量土壤數(shù)據(jù),包括土壤溫度、濕度。

(2)根據(jù)表1所需降雨量輸入實(shí)驗(yàn)所需水量?jī)?chǔ)存在容器中,根據(jù)表3使用電子秤(精度為0.01 g)稱取相應(yīng)質(zhì)量的污染物,加入實(shí)驗(yàn)容器,攪拌使其濃度均勻。

(3)將水泵連接電源,根據(jù)實(shí)驗(yàn)所模擬的雨型和雨量調(diào)節(jié)檔位,與輸水管最高點(diǎn)高度來控制出水流量。每過12 min按照表2中選取的設(shè)計(jì)功率調(diào)節(jié)檔位。

(4)在緩沖帶模擬裝置中部(5 m處),前30 min,每隔5 min收集一次下滲徑流水樣；30—60 min,每隔15 min收集一次水樣；60 min以后至徑流結(jié)束30 min收集一次水樣,并做標(biāo)記。在裝置下部(10 m處),每隔5 min收集一次下滲徑流水樣；30—60 min,每隔15 min收集一次水樣；60 min以后至徑流結(jié)束30 min收集一次水樣,并做標(biāo)記。

(5)在緩沖帶末漏斗處,自地表徑流開始后每隔5 min用量杯與秒表計(jì)算出水口徑流流速,前30 min,每5 min進(jìn)行一次測(cè)速；30—60 min,每15 min進(jìn)行一次測(cè)速；60 min以后至徑流結(jié)束30 min進(jìn)行一次。

(6)設(shè)計(jì)雨型模擬完成后30 min內(nèi)繼續(xù)收集雨水。

(7)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后5 h內(nèi)將收集的水樣進(jìn)行冷藏,24 h內(nèi)送至有檢測(cè)資質(zhì)的相關(guān)單位對(duì)水樣中的固體懸浮物(SS)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 暴雨徑流和緩沖帶特征對(duì)徑流削減量的影響

不同實(shí)驗(yàn)影響因子條件下緩沖帶入口及出口徑流流速間關(guān)系如圖2所示(小圖右上為實(shí)驗(yàn)序號(hào)),實(shí)驗(yàn)6- 1不涉及徑流削減量,因此無對(duì)應(yīng)結(jié)果。

圖2 不同實(shí)驗(yàn)影響因子條件下緩沖帶入口及出口徑流流速Fig.2 Flow velocity at inlet and outlet of buffer strips under different experimental factors

不同實(shí)驗(yàn)影響因子條件下暴雨徑流系數(shù)如表5所示,實(shí)驗(yàn)6- 1不涉及徑流系數(shù)、徑流出現(xiàn)時(shí)間及峰值延后時(shí)間研究,因此無對(duì)應(yīng)結(jié)果。

2.1.1暴雨雨型的影響

如圖2所示,緩沖帶在前峰、中峰、后峰雨型入口與出口水量的變化趨勢(shì)相同。

通過比較5 a一遇雨量的前鋒、中鋒、后峰降雨雨型與雨量徑流系數(shù)的關(guān)系,如表5所示,前鋒雨型的平均雨量徑流系數(shù)最小0.40,其次是中鋒雨型為0.52,后峰雨型的平均徑流系數(shù)最大達(dá)到0.55,流量徑流系數(shù)[18]與雨量徑流系數(shù)[18]呈現(xiàn)相同的規(guī)律。即濱水緩沖帶在前鋒雨型的條件下對(duì)暴雨徑流的削減效果最強(qiáng)。此外三種雨型條件下緩沖帶的徑流出現(xiàn)時(shí)間前峰條件下最早,中峰后峰暴雨徑流在暴雨開始后至出現(xiàn)徑流的時(shí)間較長(zhǎng),但前峰雨型下,緩沖帶對(duì)徑流峰值的延后效果要好于中峰和后峰雨型。

2.1.2不同重現(xiàn)期暴雨徑流的影響

通過比較前峰雨型重現(xiàn)期1 a、5 a、20 a模擬暴雨徑流實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算雨量徑流系數(shù)的關(guān)系,如表5所示,重現(xiàn)期為1 a時(shí)平均雨量徑流系數(shù)最小0.29,其次是重現(xiàn)期為5 a為0.40,重現(xiàn)期為20 a時(shí)的平均雨量徑流系數(shù)最大達(dá)到0.44,流量徑流系數(shù)與雨量徑流系數(shù)呈現(xiàn)相同的規(guī)律。即濱水緩沖帶在重現(xiàn)期為1 a的條件下對(duì)暴雨徑流的削減效果最強(qiáng)。此外三種重現(xiàn)期下緩沖帶的徑流出現(xiàn)時(shí)間20 a一遇條件下最早,5 a一遇和1 a一遇暴雨徑流在暴雨開始后至出現(xiàn)徑流的時(shí)間較長(zhǎng),但暴雨重現(xiàn)期為20 a一遇時(shí),緩沖帶對(duì)徑流峰值的延后效果要好于5 a一遇和1 a一遇雨型。

表5 不同實(shí)驗(yàn)影響因子條件下暴雨徑流系數(shù)

2.1.3暴雨歷時(shí)的影響

通過比較前峰雨型暴雨歷時(shí)為0.5 h、1 h、2 h模擬暴雨徑流實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算雨量徑流系數(shù)的關(guān)系,如表5所示,暴雨歷時(shí)為0.5 h時(shí)平均雨量徑流系數(shù)最大,為0.42,其次是暴雨歷時(shí)為1 h時(shí),為0.40,暴雨歷時(shí)為2 h時(shí)的平均雨量徑流系數(shù)最小,為0.34,流量徑流系數(shù)與雨量徑流系數(shù)呈現(xiàn)相同的規(guī)律。即濱水緩沖帶在重現(xiàn)期相同的條件下,在暴雨歷時(shí)越長(zhǎng)是削減效果最強(qiáng)。此外三種暴雨歷時(shí)下緩沖帶的徑流出現(xiàn)時(shí)間基本相同,歷時(shí)為0.5 h實(shí)驗(yàn)由于水泵換擋為6 min一次,與模擬1 h、2 h暴雨相比,變化時(shí)間區(qū)間更小,對(duì)雨型模擬相對(duì)更為精確,因此出現(xiàn)一定誤差。在三種歷時(shí)下徑流峰值推遲時(shí)間也基本相同,誤差出現(xiàn)原因與徑流出現(xiàn)時(shí)間相同。

2.1.4緩沖帶坡度的影響

通過比較前峰雨型重現(xiàn)期5 a模擬暴雨徑流實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算緩沖帶坡度為2°、5°、10°、15°時(shí)平均徑流系數(shù)的關(guān)系,如表5所示,應(yīng)對(duì)相同暴雨徑流時(shí),緩沖帶坡度為2°時(shí)平均雨量徑流系數(shù)最小0.32,隨緩沖帶模型坡度逐漸提升,平均雨量徑流系數(shù)逐漸升高為0.40、0.43、0.46流量徑流系數(shù)與雨量徑流系數(shù)呈現(xiàn)相同的規(guī)律。即濱水緩沖帶在坡度較小的時(shí)候,對(duì)雨水的滯留作用最強(qiáng),并且能夠更好地推遲徑流峰值出現(xiàn)的時(shí)間?？傮w來看,緩沖帶坡度的變化對(duì)平均徑流系數(shù)、徑流出現(xiàn)時(shí)間、峰值延后時(shí)間的影響非常明顯。

2.1.5緩沖帶植被蓋度的影響

通過比較緩沖帶植被蓋度為70%和100%條件下模擬暴雨徑流實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算平均徑流系數(shù),如表5所示,植被蓋度為70%時(shí),平均雨量徑流系數(shù)較大為0.42,植被蓋度為100%時(shí)為0.40。平均流量徑流系數(shù)規(guī)律與雨量徑流系數(shù)呈現(xiàn)相同規(guī)律。即濱水緩沖帶在植被蓋度較高的時(shí)候,對(duì)雨水的滯留作用較強(qiáng),并且能夠更好延遲徑流峰值出現(xiàn)的時(shí)間。

2.2 暴雨徑流特征對(duì)污染物削減量的影響

模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果中不同暴雨類型下污染物的削減率如表6所示。

表6 不同暴雨類型下污染物的消減率

2.2.1暴雨雨型的影響

如表6所示,對(duì)各種污染物平均削減率比較,表流緩沖帶對(duì)TP的去除率較高,對(duì)COD的去除率較低,不同雨型下表流中每種污染物的去除率差異不大。其中對(duì)于SS的去除率在在79%—88%之間,前峰與后峰狀態(tài)下緩沖帶去除能力較強(qiáng),中峰去除能力較差。TN去除率在52%—57%之間,不同雨型狀態(tài)下去除能力差別不大。NH3-N去除率呈現(xiàn)一定差別,前峰雨型狀態(tài)下NH3-N去除率比中峰狀態(tài)下高出20.44%。緩沖帶對(duì)TP的凈化率位于88.69%—97.46%之間,對(duì)COD的去除率在34%—51%之間。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,不同雨型條件主要體現(xiàn)在達(dá)到徑流峰值流速時(shí)緩沖帶水質(zhì)凈化條件的不同,緩沖帶水質(zhì)凈化效果在不同暴雨雨型條件下未顯示明顯規(guī)律。

2.2.2不同重現(xiàn)期暴雨徑流的影響

如表6所示,表流中TP去除率較高,但本組實(shí)驗(yàn)中TN平均去除率略低于COD,NH3-N的去除率在三種條件下差異較大。其中,緩沖帶對(duì)SS的去除率為5 a一遇最高,明顯大于1 a一遇和20 a一遇的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。TN的去除率在44.48%—56.88%之間,在重現(xiàn)期為5 a時(shí)削減率平均值最高。對(duì)NH3-N的平均削減率在不同重現(xiàn)期下差別較大,1 a一遇條件下比20 a一遇條件下高24.78%。TP的平均削減率差別較小,三種不同的重現(xiàn)期條件下在93.92%—97.58%之間。COD的削減率在50.40%—57.39%之間,同樣差別較小。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,不同重現(xiàn)期暴雨主要體現(xiàn)在瞬時(shí)徑流流速的不同,緩沖帶水質(zhì)凈化效果在不同條件下未顯示明顯規(guī)律。

2.2.3暴雨歷時(shí)的影響

如表6所示,對(duì)平均去除率結(jié)果進(jìn)行比較分析,表流中TP去除率較高與其他組實(shí)驗(yàn)相同,本組實(shí)驗(yàn)中TN平均去除率與COD相似,NH3-N的去除率在3種條件下差異較大。其中,緩沖帶對(duì)TN的去除率在56.88%—60.93%之間,暴雨歷時(shí)為0.5 h時(shí)削減率平均值最高。對(duì)NH3-N的平均削減率歷時(shí)2 h暴雨徑流實(shí)驗(yàn)結(jié)果較大,比歷時(shí)0.5 h和1 h高16.69%和14.70%。TP的平均削減率差別較小,三種不同的重現(xiàn)期條件下在93.92%—94.44%之間。COD的削減率在50.40%—63.87%之間。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,不同重現(xiàn)期暴雨主要體現(xiàn)在總徑流量的不同,緩沖帶水質(zhì)凈化效果在不同暴雨歷時(shí)條件下未形成明顯規(guī)律。

2.2.4初期沖刷條件下對(duì)緩沖帶的影響

由表6可以看出,初期沖刷組各污染物平均削減率明顯低于對(duì)照組污染物平均削減率。由于初期沖刷實(shí)驗(yàn)組前12 min使用高濃度徑流污染物配比,后48 min使用低濃度。對(duì)照組全程使用高濃度徑流污染物配比。因此處理污染物總量不一致因此削減率均值有所差異。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,緩沖帶對(duì)高濃度徑流污染物削減率較高,因此對(duì)于初期沖刷中的各類污染物能夠發(fā)揮較好的去除作用。隨著降雨進(jìn)行,污染物濃度逐漸降低,緩沖帶對(duì)于污染物的去除率也有所下降。

2.3 緩沖帶特征對(duì)污染物削減量的影響

2.3.1緩沖帶坡度的影響

如表7所示,不同緩沖帶坡度的表流中SS、TN、NH3-N和TP平均削減率在都呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律：當(dāng)坡度較小時(shí),表流中此四種污染物平均削減率較高,隨坡度逐漸升高,這四類污染物的平均削減率逐漸下降,當(dāng)坡度為15°時(shí),這四類污染物在表流中的平均削減率最低。COD平均削減率呈現(xiàn)不同的大小關(guān)系,為2°>10°>5°>15°。COD平均削減率與另外四類污染物平均削減率變化有差異,但此規(guī)律有待一進(jìn)步實(shí)驗(yàn)。分析此結(jié)果,緩沖帶坡度較緩時(shí),表流流速較慢且流量較少,地表植被及土壤能夠更加充分地吸附污染物,因此污染物削減率較高。

表7 不同緩沖帶特征下污染物的消減率

2.3.2緩沖帶植被蓋度的影響

不同緩沖帶植被蓋度的表流中SS、TN、NH3-N、TP和COD平均削減率在都呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律：當(dāng)植被蓋度較小時(shí),表流中此五種污染物平均削減率較低,當(dāng)植被蓋度較高時(shí),這五種污染物的平均削減率逐漸升高。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可能是由于植被蓋度較高時(shí),草本植被地表部分對(duì)污染物有一定吸附作用,并且植被蓋度較高時(shí),表流流速較慢,徑流中的污染物與土壤、植被接觸時(shí)間較長(zhǎng),因此削減率越高。

3 結(jié)論與展望

本研究通過控制變量實(shí)驗(yàn),對(duì)暴雨和緩沖帶特征對(duì)城市濱水緩沖帶雨洪消減與水質(zhì)凈化效果的影響機(jī)制進(jìn)行研究,主要得到以下結(jié)論：

(1)在不同峰型、暴雨重現(xiàn)期、暴雨歷時(shí)、緩沖帶坡度、緩沖帶植被覆蓋度條件下,濱水緩沖帶在不同組實(shí)驗(yàn)所得的雨量動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)結(jié)果在0.29—0.55之間。

(2)各種要素對(duì)10 m人工模擬緩沖帶徑流削減產(chǎn)生的效果為暴雨峰型影響。按芝加哥雨型雨峰位置(0 ≤ r ≤ 1)越大,雨量徑流系數(shù)越大。暴雨重現(xiàn)期(1≤ a ≤20)越長(zhǎng),雨量徑流系數(shù)越小。暴雨歷時(shí)越長(zhǎng)(0.5—2 h),雨量徑流系數(shù)越小。緩沖帶坡度(2°—15°)越高,雨量徑流系數(shù)越大。植被覆蓋度(70%—100%)越高,雨量徑流系數(shù)越大。

(3)在不同峰型、暴雨重現(xiàn)期、暴雨歷時(shí)、緩沖帶坡度、緩沖帶植被覆蓋度條件下,不同污染物去除率范圍分別為：SS為66.41%—90.29%、TN為44.48%—64.90%、NH3-N為32.72%—63.68%、TP為89.83%—95.04%,COD為34.32%—66.23%。其中緩沖帶水質(zhì)凈化作用在不同暴雨特征下未顯示明顯規(guī)律,此規(guī)律有待設(shè)置更多實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)一步探究。而緩沖帶坡度越平緩,植被覆蓋度越高,在這兩個(gè)條件下,表流流速都較慢,對(duì)暴雨徑流水質(zhì)凈化效果更好。

(4)模擬實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)配不同濃度(前期高負(fù)荷,中后期低負(fù)荷)污染物徑流模擬高濃度和低濃度模擬初期沖刷效應(yīng),對(duì)比組為高負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)說明當(dāng)暴雨徑流中污染物濃度較低時(shí),污染物削減率越低。即緩沖帶對(duì)高濃度污染物徑流能發(fā)揮較強(qiáng)水質(zhì)凈化能力。

本實(shí)驗(yàn)通過較為全面的暴雨徑流條件模擬及緩沖帶特征模擬探究緩沖帶對(duì)暴雨徑流的削減和水質(zhì)凈化作用,初步探究了各影響因子的作用規(guī)律。濱水緩沖帶作為重要的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施,其生態(tài)作用值得進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,并建議通過增加更多實(shí)驗(yàn)條件,科學(xué)全面地構(gòu)建濱水緩沖帶對(duì)徑流削減和水質(zhì)凈化作用的模型,為不同城市的綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)提供更為有力的支撐。