生態(tài)植草溝對(duì)降雨徑流污染物去除率試驗(yàn)分析

巴 諾

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

1 生態(tài)植草溝技術(shù)發(fā)展

生態(tài)植草溝技術(shù)起源于歐美國(guó)家，是針對(duì)城市面源污染治理的一項(xiàng)重要技術(shù)成果[1]。生態(tài)植草溝不僅能控制面源污染，自身也具有景觀功能[2]。在當(dāng)前海綿城市建設(shè)的新理念之中，生態(tài)植草溝技術(shù)也被看作為泥沙與污染物的主要“過(guò)濾器”[3]。在20世紀(jì)90年代，歐美等國(guó)家學(xué)者開(kāi)始致力于城市面源污染治理技術(shù)的研究[4- 8]，通過(guò)總結(jié)城市面源污染的運(yùn)移規(guī)律，分析出城市面源污染治理的最佳措施，其中生態(tài)植草溝被認(rèn)定為其中最為主要的一項(xiàng)措施[9]。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，生態(tài)植草溝得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[10]。我國(guó)對(duì)于生態(tài)植草溝的研究起步較晚，屬于初步發(fā)展階段，而隨著生態(tài)文明逐步成為研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)，海綿城市新理念得到國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注[11- 15]，生態(tài)植草溝技術(shù)也被逐步引入國(guó)內(nèi)，在一些發(fā)達(dá)城市得到應(yīng)用，但是由于不同生態(tài)植草溝類(lèi)型不同，其污染物去除效果不同，適合應(yīng)用的區(qū)域也不同，為此本文結(jié)合試驗(yàn)小區(qū)，通過(guò)降雨徑流觀測(cè)方式，對(duì)不同植草溝類(lèi)型下的污染物去除效率進(jìn)行分析，從而提出適合于不同區(qū)域的最優(yōu)植草溝類(lèi)型。

1.1 生態(tài)植草溝定義

生態(tài)植草溝是指具有景觀植被功能的城市溝渠排水系統(tǒng)，如圖1所示。當(dāng)城市降雨徑流以較低的流速通過(guò)生態(tài)植草溝，受到植草溝植物截留、植物過(guò)濾以及滲濾的綜合作用，使得徑流中攜帶的污染物得到有效去除。生態(tài)植草溝可以在居民生活區(qū)、商業(yè)區(qū)以及公路排水系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，道路旁邊的排水系統(tǒng)可以對(duì)傳統(tǒng)的雨水口和排水管口進(jìn)行有效代替，由于生態(tài)植草溝內(nèi)的顆粒態(tài)的污染物可以看見(jiàn)，因此其可以解決傳統(tǒng)雨水管道和污水管道混合在一起的問(wèn)題，生態(tài)植草溝結(jié)合有效的管理措施，提前截留和去除最終進(jìn)入納污水體的污染物。生態(tài)植草溝可在最佳管理措施和可持續(xù)排水系統(tǒng)中同其他措施進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行，收集雨水的同時(shí)，達(dá)到水體凈化的效果。

圖1 生態(tài)植草溝效果

1.2 生態(tài)植草溝類(lèi)型

按照城市降雨徑流在生態(tài)植草溝能運(yùn)移的方式，可將生態(tài)植草溝劃分為三種類(lèi)型，第一種類(lèi)型為滲透型植草溝，該類(lèi)型植草溝范圍較廣且草類(lèi)高度較低，可將雨水匯集區(qū)的徑流引導(dǎo)和運(yùn)輸?shù)狡渌芾泶胧┲?，這類(lèi)型生態(tài)植草溝適用于高速公路排水系統(tǒng)以及居民密度較小的生活區(qū)、工業(yè)及商業(yè)區(qū)。第二種類(lèi)型為表流型植草溝，該類(lèi)型植草溝植被覆蓋較密，覆蓋有人工進(jìn)行鋪設(shè)的過(guò)濾層，并其底部鋪設(shè)排水系統(tǒng)，提高其排水性能，該類(lèi)型植草溝適合高速公路兩旁的排水系統(tǒng)。第三種生態(tài)植草溝類(lèi)型為干植型植草溝，這類(lèi)型植草溝通過(guò)定期的割草，可以保持植草溝內(nèi)的干燥程度，適合于高密度的居民生活區(qū)。

2 生態(tài)植草溝方案設(shè)計(jì)

(1)曼寧系數(shù)的確定

曼寧系數(shù)對(duì)于生態(tài)植草溝設(shè)計(jì)十分重要。不同下墊面其曼寧系數(shù)不同，需要采用綜合方法進(jìn)行確定，結(jié)合大量的工程實(shí)例對(duì)其曼寧系數(shù)進(jìn)行綜合計(jì)算，計(jì)算方程為：

n=(n0+n1+n2+n3+n4)×m3

(1)

式中，n—生態(tài)植草溝的綜合曼寧系數(shù)；n0—采用的主要過(guò)濾材料的曼寧系數(shù)；n1—植草溝不規(guī)則形狀的曼寧系數(shù)；n2—植草溝過(guò)水?dāng)嗝娴男螤钕禂?shù)；n3—與徑流控制以及污染物截留相關(guān)裝置的系數(shù)；n4—生態(tài)植草溝相關(guān)植被的系數(shù)；m3—植草溝彎曲程度的系數(shù)。本文對(duì)各系數(shù)的取值進(jìn)行了界定，見(jiàn)表1。

(2)生態(tài)植草溝流量設(shè)計(jì)值的確定

對(duì)進(jìn)入生態(tài)植草溝渠內(nèi)的降雨徑流量進(jìn)行分析，計(jì)算方程為：

Q=ψ·i·F·10-3

(2)

式中，Q—設(shè)計(jì)徑流，m3/s；ψ—綜合徑流系數(shù)；F—集水面積，m2；i—設(shè)計(jì)雨強(qiáng)，mm/h。

(3)生態(tài)植草溝水力學(xué)計(jì)算

結(jié)合生態(tài)植草溝的設(shè)計(jì)形狀，結(jié)合水力學(xué)公式計(jì)算生態(tài)植草溝的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度以及水流的深度，計(jì)算方程為：

(3)

式中，V—斷面流速的平均值，m/s；A—生態(tài)植草溝橫向斷面的面積，m2；R—水力學(xué)半徑；i—縱向坡降，%；n—曼寧系數(shù)。其中水力學(xué)半徑的計(jì)算方程為：

表1 生態(tài)植草溝各項(xiàng)曼寧系數(shù)的取值

(4)

式中，P—濕周，其他變量含義同方程(3)中變量含義。在水力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，可以對(duì)其生態(tài)植草溝的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

L=60Qt/A=60Vt

(5)

式中，L—生態(tài)植草溝的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，m；t—水流滯留的時(shí)間，min。

3 試驗(yàn)小區(qū)測(cè)定方案

3.1 試驗(yàn)小區(qū)概況

以遼寧東部區(qū)域某小區(qū)作為觀測(cè)試驗(yàn)小區(qū)，遼寧東部屬于雨量較為充沛的區(qū)域，且植被覆蓋度較高，降水主要集中在夏季的7—9月份，試驗(yàn)小區(qū)的占地面積為66.5m2，試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)有較為完善的降水徑流排水系統(tǒng)，區(qū)域內(nèi)主要為居民生活區(qū)和部分商業(yè)街區(qū)。集水區(qū)域內(nèi)污染物主要來(lái)源于降雨沖刷所攜帶的固體顆粒物(TSS)、溶解態(tài)氮(TN)及溶解態(tài)磷(TP)。

3.2 試驗(yàn)滯留系統(tǒng)

本文主要按照生態(tài)植草溝的類(lèi)型，布置三個(gè)主要的試驗(yàn)小區(qū)，整個(gè)試驗(yàn)小區(qū)地勢(shì)為東部高西部低，總體坡度為5%，在試驗(yàn)小區(qū)的布設(shè)一個(gè)截雨溝進(jìn)行雨量的收集，試驗(yàn)小區(qū)的植被通過(guò)1年時(shí)間的培育，植草溝的植被高度在13～26cm之間，基本沒(méi)有裸露的土壤表層，整個(gè)溝段的形狀為圓弧，渠溝頂部的寬度在1.0～2.5m之間，植草溝底部均低于附近地面區(qū)域0.4m，植草溝底部的縱向比降為1.5%，在試驗(yàn)植草溝附近建設(shè)有2處滯留渠，滯留渠附近種植有景觀植物，兩邊采用生態(tài)護(hù)坡方式進(jìn)行處理，在雨水管的頂部設(shè)置有過(guò)濾網(wǎng)，主要用于攔截樹(shù)葉、以及雜草等體積較大的固體垃圾，在試驗(yàn)時(shí)及時(shí)對(duì)雨水管附近的雜物進(jìn)行清理，以免堵塞試驗(yàn)雨水管。

3.3 試驗(yàn)樣品采集與測(cè)定

對(duì)于試驗(yàn)小區(qū)的觀測(cè)主要集中在2016年—2018年的4場(chǎng)典型降水，各典型降水主要特征見(jiàn)表2。徑流觀測(cè)的主要方式通過(guò)雨水溝匯集后才有三角堰的方式進(jìn)行量測(cè)。降雨產(chǎn)流后立即開(kāi)始進(jìn)行水樣的采集，在降雨初期的前10min內(nèi)每次間隔5min進(jìn)行一次水樣的采集，后期50min后，每次間隔10min進(jìn)行一次水樣的采集，后續(xù)水樣的采集根據(jù)徑流變化在20～40min內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，并同時(shí)監(jiān)測(cè)排水口的流量，所有水樣采集完成后，進(jìn)行密封處理，進(jìn)入水樣化驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定，各水樣中的污染指標(biāo)TSS、COD、TN以及TP均采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)地。

表2 各場(chǎng)地降水的主要特征值

4 試驗(yàn)成果分析

4.1 不同生態(tài)植草溝各場(chǎng)次降水污染物濃度變化

對(duì)三個(gè)試驗(yàn)觀測(cè)區(qū)各生態(tài)植草溝類(lèi)型下4場(chǎng)典型降水下的污染物濃度進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2—4所示。

從圖中可看出，在不同生態(tài)植草溝類(lèi)型下，在降雨產(chǎn)生徑流的初始階段，各污染物指標(biāo)的濃度均較高，隨著降雨時(shí)間的增加，各污染物的濃度逐步下降，其中滲透型植草溝的濃度變化幅度最大，其次為表流行植草溝，干植型生態(tài)植草溝的變化幅度最小。植草溝對(duì)TSS的去除主要是通過(guò)土壤及植被的過(guò)濾和吸附作用，通過(guò)攔截和沉淀進(jìn)行去除，而受到降雨影響，徑流中的磷主要以固態(tài)形式存在，大多數(shù)的固態(tài)磷主要吸附在TSS上，并隨著TSS的去除而得到有效攔截和過(guò)濾。植草溝對(duì)于COD的去除主要是通過(guò)土壤和土層內(nèi)的生物膜進(jìn)行吸附和

圖2 滲透型生態(tài)植草溝下污染物濃度變化

圖3 表流型生態(tài)植草溝下污染物濃度變化

圖4 干植型生態(tài)植草溝下污染物濃度變化

降解，并通過(guò)植物的根系進(jìn)行有效的吸收，從而達(dá)到去除的效果。而對(duì)于TN則是由于植物溝土壤基質(zhì)具有較好的正離子吸附性，增強(qiáng)了土層的微生物對(duì)TN較好的去除效果。從各生態(tài)植草溝濃度變化可看出，各植草溝類(lèi)下各污染物濃度變化較為相似，主要污染物去除基本發(fā)生在降雨開(kāi)始后的30～40min內(nèi)，當(dāng)降雨徑流時(shí)間過(guò)短，會(huì)使得各種污染物去除效果不佳，因此因盡量增加植草溝的水力滯留的時(shí)間，提高不同類(lèi)型植草溝的攔污效果。

4.2 不同生態(tài)植草溝污染物相關(guān)分析

對(duì)不同生態(tài)植草溝類(lèi)型下各污染物的相關(guān)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3—5。

表3 滲透型生態(tài)植草溝下污染物相關(guān)性分析結(jié)果

表4 表流型生態(tài)植草溝下污染物相關(guān)性分析結(jié)果

表5 干植型生態(tài)植草溝下污染物相關(guān)性分析結(jié)果

從污染物指標(biāo)和降雨時(shí)間的相關(guān)性分析結(jié)果可看出，各污染物均與降雨的時(shí)間長(zhǎng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性變化，固體顆粒物TSS與其他三項(xiàng)指標(biāo)呈現(xiàn)正相關(guān)性變化，其中TP與TSS的相關(guān)系數(shù)最高，這主要是因?yàn)門(mén)P在降雨徑流中大部分以固態(tài)形式吸附在固體顆粒物的表面，因此其和TSS的相關(guān)性最高。TN與TSS的相關(guān)性較低，這主要是因?yàn)門(mén)N中各形態(tài)氮主要以溶解形式存在，大部分以徑流為載體，在固體顆粒物TSS表層吸附較少，因此相關(guān)性較低。降雨徑流中各項(xiàng)指標(biāo)與TSS的相關(guān)系數(shù)都較高，均在0.7以上。綜上可分析，城市面源污染與降雨徑流沖刷產(chǎn)生的固體顆粒物之間有著較為直接的關(guān)系，通過(guò)生態(tài)植草溝可以有效攔截固態(tài)顆粒物上吸附的污染物指標(biāo)，通過(guò)有效攔截徑流量，可以有效降低進(jìn)入雨水管的TN污染指標(biāo)，從各類(lèi)型生態(tài)植草溝下污染物相關(guān)系數(shù)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，就相關(guān)性高低排序，滲透型生態(tài)植草溝>表流型生態(tài)植草溝>干植型生態(tài)植草溝。

4.3 生態(tài)植草溝長(zhǎng)度對(duì)污染物去除率的影響

植草溝的長(zhǎng)度是其設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，為此本文對(duì)不同生態(tài)植草溝類(lèi)型其長(zhǎng)度與污染物的去除率進(jìn)行定量分析，分析結(jié)果如圖5—7所示。

從圖中可以看出，生態(tài)植草溝的長(zhǎng)度對(duì)各污染物去除效率產(chǎn)生直接影響，其相關(guān)度均高于0.5，相關(guān)性較高，其中各類(lèi)型生態(tài)植草溝類(lèi)型下植草溝的長(zhǎng)度與TSS的去除率相關(guān)程度均最高，其對(duì)TSS的去除效率影響最為明顯，COD與其長(zhǎng)度的相關(guān)性相比于其他指標(biāo)均最低，其受到長(zhǎng)度影響相對(duì)較弱，這主要是因?yàn)槿芙鈶B(tài)的污染物很難在較短的時(shí)間內(nèi)得到有效去除，從其相關(guān)性分析也可分析出植草溝長(zhǎng)度是提高各類(lèi)型生態(tài)植草溝污染指標(biāo)去除效率的一個(gè)重要因子。一般而言，70%的污染物主要在植草溝的50～65m之內(nèi)可以得到有效去除，為能提高其去除效率，建議植草溝的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值不小于35m，從而保障水力滯留的時(shí)間，以取得最優(yōu)的污染物去除效果。

4.4 不同生態(tài)植草溝污染物去除率綜合對(duì)比

對(duì)不同生態(tài)植草溝類(lèi)型的污染指標(biāo)的去除率進(jìn)行了綜合對(duì)比分析，分析結(jié)果見(jiàn)表6。

從各污染物的綜合去除率對(duì)比結(jié)果可看出，滲透型生態(tài)植草溝去污效果最佳，各污染指標(biāo)去除率均在60%以上，該類(lèi)型植草溝主要是鋪設(shè)了過(guò)濾層，并且使得排水、過(guò)濾、水力滯留能力均得到顯著增強(qiáng)，因此該類(lèi)型生態(tài)植草溝的污染物綜合去除

表6 不同生態(tài)植草溝類(lèi)型下污染物綜合去除率對(duì)比

圖5 滲透型生態(tài)植草溝長(zhǎng)度與污染物去除率的相關(guān)性分析結(jié)果

圖6 表流型生態(tài)植草溝長(zhǎng)度與污染物去除率的相關(guān)性分析結(jié)果

效率最高，由于占地面積較小，邊坡較低，因此適合于密度不高的居民區(qū)及商業(yè)區(qū)。表流型植草溝整體去污效果不如滲透型植草溝，各污染物指標(biāo)去除效率在50%～60%之間，表流行植草溝增加了水力滯留的時(shí)間，提高徑流攔截效果，使得其TN的去除效果得到不同程度的增強(qiáng)，而由于植被覆蓋較密，且覆蓋有人工進(jìn)行鋪設(shè)的過(guò)濾層，并其底部鋪設(shè)排水系統(tǒng)，從而提高其排水性能，該類(lèi)型生態(tài)植草溝適合于公路交通區(qū)域；干植型植草溝污染物去除效率最低，這主要是因?yàn)樵擃?lèi)型植草溝水流滯留時(shí)間較短，因此污染區(qū)去除的效率總體低于其他兩種生態(tài)植草溝，這類(lèi)型植草溝由于可通過(guò)定期的割草來(lái)保持植草溝內(nèi)的干燥程度，因此適合于密度較高的居民生活區(qū)。

5 主要結(jié)論

(1)為能提高生態(tài)植草溝各污染指標(biāo)的去除效率，建議植草溝的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值不

圖7 干植型生態(tài)植草溝長(zhǎng)度與污染物去除率的相關(guān)性分析結(jié)果

小于35m，從而保障水力滯留的時(shí)間，以取得最優(yōu)的污染物去除效果。

(2)水力滯留時(shí)間可明顯提高污染物的去除效果，建議在植草溝設(shè)計(jì)時(shí)，滲透型生態(tài)植草溝水力滯留時(shí)間應(yīng)盡量控制在10～15min，而表流型植草溝應(yīng)控制在15～20min，干植型植草溝應(yīng)控制在13～18min之間。

(3)本文未對(duì)生態(tài)植草溝對(duì)重金屬、多環(huán)芳烴等特殊污染物去除效率進(jìn)行分析，存在不足，在以后的研究中還應(yīng)加入更多的污染物指標(biāo)進(jìn)行分析。