常德城市“綠色海綿體”磷含量及其降雨截留特征

劉春慧，毛亮，宗想，羅叢強

（1.湖南文理學院生命與環(huán)境科學學院，湖南常德 415000；2.湖南德江監(jiān)理有限公司，湖南常德 415000；3.水產高效健康生產湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南常德 415000）

引言

海綿城市利用科學的雨洪管理模式，開發(fā)新型城市海綿單位來提高城市生態(tài)彈性，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的一種新型城市建設管理模式[1]。常德作為第一批全國海綿城市建設城市已建成一批具有“蓄、滯、滲、凈、排、用”六大功能的“綠色”和“灰色”海綿體。其中“綠色”海綿體包括城市綠地、公園、生態(tài)濾池、植草溝、下沉式綠地、雨水花園和綠色屋頂?shù)萚2]。這些綠色海綿體具有削減雨水徑流、控制面源污染、緩解城市“五島”效應等作用。磷元素作為面源污染控制的重要營養(yǎng)元素一直受到廣泛關注，是海綿城市中面源污染控制的關鍵元素，其在環(huán)境土壤中的形態(tài)和含量受到污染物來源、土壤類型、植被類型、降雨徑流等諸多因素的影響[3]。目前海綿城市綠色海綿體的研究多集中在海綿設施的工程建設、綠色屋頂配置優(yōu)化、生態(tài)海綿設施開發(fā)和生態(tài)濾池凈化等多個方面[4]，而關于天然降雨徑流下不同海綿設施營養(yǎng)元素的含量和截留遷移的研究較少，特別是對于已建成的城市綠色海綿體的運行狀況和水質凈化方面更少。本研究正是為了填補這方面的空缺，以磷元素為切入點，對比研究不同海綿城市綠地公園土壤和水體磷含量以及降雨下的截留特征，為海綿城市生態(tài)服務功能評價提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采集點的選擇與概況

1.1.1 屈原公園

護城河是常德城區(qū)重要的排水系統(tǒng)組成部分，沿岸已建成了許多具備多功能的城市“海綿體”。其中護城河南面的“屈原公園”是海綿城市建設和治理的重點示范區(qū)，具有豐富的功能海綿體?！扒珗@”作為常德海綿城市示范點，主要起到攔截沅安路匯入護城河雨污的作用。

1.1.2 公園世家穿紫河段

穿紫河上游-公園世家-改造前，穿紫河上游受周邊生活及農業(yè)用水污染嚴重，水體發(fā)黑發(fā)臭。改造后，污水經收集后注入到生態(tài)濾池中，凈化后排入穿紫河，并在沿岸鋪設植物緩沖帶，水質得到了很大改善。

1.2 海綿城市核心示范區(qū)土地利用類型及土壤采樣

于2017 年5 月進行土壤樣品采集。環(huán)刀鋁盒樣本用于土壤容重測定，取土鉆采集的表層土壤用自封袋保存，并迅速帶回實驗室進行理化指標分析。采集點的具體位置和植被描述見表1。

表1 土壤采樣點植被描述及其位置

1.3 不同降雨事件下水樣的采集

1.3.1 公園世家穿紫河段

于2017 年5—9 月不同降雨條件下，對公園世家旁的生態(tài)濾池水樣進行連續(xù)采集。包括污水進口④、生態(tài)濾池出水口③、穿紫河河中②以及西邊公路排水口①，具體采集點見圖1。

圖1 公園世家蘆葦生態(tài)濾池監(jiān)測點

1.3.2 屈原公園

屈原公園第三示范區(qū)為觀測區(qū)（圖2）。初期雨水較臟的部分從沅安路經公園土壤初步滲透或地表徑流從7 號點（1 級出水口）流到生態(tài)濾池進行凈化處理，經過凈化后的水再經濾池底面的滲管5、6 號點（2 級出水口）收集送到蓄留塘。與此同時廣場西入口的雨水通過線性排水溝進入廣場中間的雨水軸線，然后從3號點進入蓄留塘。蓄留塘水體最終經4 號點（3 級蓄留池出水口）排入內湖1。降雨時根據(jù)產流情況采集1 級出水口、2 級出水口和3 級蓄留池出水口的水樣，并記錄好氣象臺發(fā)布降雨、氣溫、濕度等一系列數(shù)據(jù)。

圖2 屈原公園三區(qū)平面圖

1.4 測定方法與數(shù)據(jù)分析

土壤水分容重測定采用傳統(tǒng)的鋁盒法和環(huán)刀法，有機質含量測定采用重鉻酸鉀氧化法，正磷酸鹽測定采用鉬銻抗比色法[5]。用Excel 和SPSS16.0 進行制表與數(shù)據(jù)分析，origin8.0 進行制圖。

2 結果分析與討論

2.1 公園世家綠色海綿體理化性質

公園世家采集的“綠色海綿體”主要是生態(tài)濾池、河邊底泥以及河岸護坡的土壤。如表2 所示，采樣點1（蘆葦生態(tài)濾池）和3（岸邊底泥）水分含量最高，分別達到了52.5%和49.1%，采樣點2、4、5、6（皆為岸邊草坪）水分含量較低，在16.5%～21.3%之間變化。整個區(qū)域土壤水分平均值為29.45%；采樣點1（蘆葦生態(tài)濾池）和采樣點3（岸邊底泥）容重最低，分別為0.50 g/cm3和0.60 g/cm3。采樣點2、4、5、6（皆為岸邊草坪）容重較高，在1.11～1.49 g/cm3之間變化。

表2 公園世家土壤理化性質指標

由表2 還可知，6 個采樣點中1 號和3 號土壤的總磷和有機質含量最高，分別達到790 mg/kg 和351 mg/kg、117.2 g/kg 和62.8 g/kg。水分含量對比發(fā)現(xiàn)1，3號土壤的水分含量也遠高于其余采樣點，分別是52.5%和49.1%。其地點是公園世家蘆葦池和岸邊土壤。公園世家蘆葦池凈化的主要是生活污水，并且污水停留的時間較長，而岸邊也有一部分的生活污水在內，因此有機質和總磷含量較高。2、4、5、6 號樣點總磷分別為107 mg/kg、129 mg/kg、124 mg/kg、116 mg/kg，這4個采樣點都是河岸草坪為主的綠色城市海綿體，其主要凈化的污染都是來自于過往行人或交通工具居多的沙粒塵埃，這一點也可以從4 個點的容重看出，該4 個點的容重遠高于1 號和3 號樣點。

2.2 屈原公園水分含量，容重測定及總磷含量

屈原公園采集的綠色海綿體主要是多級生態(tài)濾池、公路護坡以及雨水花園的土壤，其水分、容重、有機質和總磷含量如表3 所示。屈原公園土壤水分在16.2%～26.4%之間變化，其中7 號點（蓄留池）土壤水分高于其它采樣點。8 號土壤來自1 級蘆葦濾池，多為細砂，其容重和有機質含量均較低，分比為0.5 g/cm3和4.1 g/kg。10 號土壤來自雨水花園，并種植有蘭花草和雪松，其有機質含量最高為11.5 g/kg。

表3 屈原公園土壤理化性質指標

2.3 不同降雨事件過程中生態(tài)濾池中總磷的狀況

2.3.1 公園世家在不同降雨時的總磷含量

從2017 年5—9 月產生溢流的降雨事件共四起，分別為5 月11—12 日的小雨（24 h 降雨量12.2 mm），5月22 日的大雨（24 h 降雨量48 mm），6 月11—13 日的中雨（24 h 降雨量21.5 mm），9 月19 日的爆雨（24 h降雨量71 mm）。

不同事件下公園世家穿紫河段各采樣點總磷的變化狀況如圖3。公園世家旁邊有個生活污水場，會定期的將生活污水排放到生態(tài)濾池中，通過測定排放的生活污水、經過生態(tài)濾池過濾的水及穿紫河河道水樣表明，生態(tài)濾池對生活污水具有很好的過濾效果，對污水中的磷去除率達到80%以上，并可以將黑色的生活污水凈化排放，這與趙靜等[6]的研究類似。但進一步分析表明，雖然生態(tài)濾池對生活污水中磷具有很好的過濾效果，但不得不承認的是大暴雨條件下排放的過濾水中的磷濃度仍達不到地表水排放的標準，為劣五類。

圖3 不同事件中各采樣點總磷的濃度

2.3.2 屈原公園生態(tài)濾池在不同降雨時的總磷含量

從2017 年5—9 月產生溢流的降雨事件與公園世家相同，也為4 起，降雨產生的徑流在流經3 個濾池后其總磷的變化狀況如圖4。結果表明，濾池的過濾作用使不同濾池的徑流中的總磷產生了顯著的差異（P＜0.05）。降雨產生的徑流中的總磷在依次流經不同濾池后均出現(xiàn)了降低的現(xiàn)象，且濾池對總磷的過濾作用主要發(fā)生在一級濾池中，3 個濾池的聯(lián)動過濾作用對總磷的去除率可達54%，且這種過濾效果隨降雨強度的增加而降低[7]。

圖4 不同降雨事件中屈原公園三級濾池總磷的含量及去除率

3 結論

屈原公園與公園世家都是常德典型的海綿城市示范區(qū)域，但其目標功能不一樣，“綠色海綿體”磷含量和截留能力都有所區(qū)別。公園世家生態(tài)濾池的主要目的是凈化周圍生活污水，而屈原公園的凈化目標是道路或周圍沖刷匯流的水體。公園世家采樣點土壤水分含量較高，體現(xiàn)出了淹水條件下的土壤特點；由于土壤總磷含量較高，生態(tài)濾池磷存在釋放的風險。公園世家生態(tài)濾池對周邊排放的生活污水總磷的去除率達到80%以上，但經過生態(tài)濾池過濾的水質量仍停留在劣五類。降雨過程中屈原公園三級生態(tài)濾池對總磷的去除率可達54%，但仍達不到地表水三類標準。因此應加強對城市海綿體生態(tài)凈化功能的監(jiān)測和維護，及時發(fā)現(xiàn)潛在釋放風險，持續(xù)發(fā)揮海綿城市功能。