基于實(shí)地監(jiān)測(cè)的新型粒狀海綿介質(zhì)土的性能研究

蔡業(yè)釗，劉東煊，劉 建，佘 年，，龔小強(qiáng)

1)珠海深圳清華大學(xué)研究院創(chuàng)新中心智慧海綿城市建設(shè)規(guī)劃研究所，廣東珠海519080；2)深圳大學(xué)建設(shè)工程生態(tài)技術(shù)研究所，廣東深圳 518060

生物滯留設(shè)施指在地勢(shì)相對(duì)較低的區(qū)域，通過植物、土壤和微生物系統(tǒng)可蓄滲、凈化徑流雨水的設(shè)施，是海綿城市建設(shè)中最典型的“細(xì)胞體”，因其兼具良好的水量控制、水質(zhì)處理和景觀功能，在海綿城市建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用.海綿城市介質(zhì)土應(yīng)用于生物滯留設(shè)施的種植層，是生物滯留設(shè)施諸多功能的核心．目前，中國(guó)對(duì)這類生物滯留設(shè)施的種植層生長(zhǎng)基質(zhì)還缺乏深入研究，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程多是參考西方發(fā)達(dá)國(guó)家的，缺乏適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件特征的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，使得海綿城市介質(zhì)土的造價(jià)太高，難以推廣，或由于設(shè)計(jì)施工缺乏標(biāo)準(zhǔn)流程，導(dǎo)致竣工后設(shè)施的滲透性遠(yuǎn)低于預(yù)期，成為蚊蠅的滋生地.因此，有必要研發(fā)出一種適用于大多數(shù)地域氣候條件的生物滯留設(shè)施介質(zhì)土，深化中國(guó)關(guān)于生物滯留設(shè)施海綿城市介質(zhì)土的研究，為海綿城市設(shè)計(jì)和施工提供穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)資料.

生物滯留系統(tǒng)是否具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的滲透性和污染凈化能力，是評(píng)價(jià)其設(shè)施有效性的最重要因素.另外，生長(zhǎng)介質(zhì)的生產(chǎn)、運(yùn)行和維護(hù)成本也是重要的考慮因素.一般來說，傳統(tǒng)海綿介質(zhì)土滲透性約為50～150 mm/h，一般由50%～60%(體積分?jǐn)?shù))的砂和40%～50%(體積分?jǐn)?shù))的壤土/壤質(zhì)砂土/砂質(zhì)壤土組成[1]，介質(zhì)中黏土體積分?jǐn)?shù)應(yīng)最小化，最好在5%～8%以內(nèi)[2].但上述介質(zhì)土配比由于缺乏有機(jī)質(zhì)，很難滿足景觀設(shè)計(jì)的要求.考慮到植物生長(zhǎng)的需要，美國(guó)華盛頓州的生物滯留介質(zhì)由60%(體積分?jǐn)?shù))砂和40%(體積分?jǐn)?shù))的腐植土混合而成，介質(zhì)土中的黏粒小于5%(體積分?jǐn)?shù))[3]. 然而，2012年，美國(guó)荷瑞然環(huán)境咨詢公司在華盛頓州雷蒙德市的6個(gè)生物滯留設(shè)施監(jiān)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)該類生長(zhǎng)介質(zhì)釋放出總磷(total phosphorus，TP)、銅(Cu)和鋅(Zn)，對(duì)受納水體中的三文魚造成威脅[4].以腐植土為機(jī)質(zhì)的生長(zhǎng)介質(zhì)出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物浸出現(xiàn)象，特別是在植物進(jìn)入生長(zhǎng)穩(wěn)定期之前，已有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)存在TP和重金屬的浸出問題[5-6].防止?fàn)I養(yǎng)物從介質(zhì)中浸出的方法之一是替換腐植土.比較典型的研究是由華盛頓州低影響研發(fā)中心和西雅圖大學(xué)共同開發(fā)的生長(zhǎng)介質(zhì)，其中效果最佳、且性價(jià)比合適的介質(zhì)是由砂、椰糠、生物炭和種植土組成的[7].另外，以鋁化合物為基礎(chǔ)的介質(zhì)TP去除效果也較好[8-10].

目前，由于國(guó)內(nèi)對(duì)海綿城市介質(zhì)土的研究處于剛剛起步階段，遠(yuǎn)跟不上我國(guó)海綿城市建設(shè)的速度，造成介質(zhì)土的使用幾乎都是參照國(guó)外的成果.因此，本研究探索一種能最大程度上克服傳統(tǒng)海綿介質(zhì)土缺點(diǎn)，且成本低廉的新型粒狀海綿介質(zhì)土.相對(duì)基于砂和腐殖土混合而成的傳統(tǒng)介質(zhì)土，新型粒狀海綿介質(zhì)土呈顆粒狀，沒有額外添加砂或腐殖土，具有較大的孔隙率和較好的滲透性，經(jīng)過多次改良，調(diào)整粒徑比例及附加填充物，優(yōu)化了對(duì)污染物的去除效果. 該新型粒狀海綿介質(zhì)土可通過持續(xù)的優(yōu)化改良，根據(jù)實(shí)際建設(shè)需求不斷進(jìn)行性能調(diào)整，有望大幅度降低海綿城市建設(shè)過程中海綿介質(zhì)土的成本， 并形成生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)， 使之能夠進(jìn)一步地推廣應(yīng)用.

1 主要指標(biāo)及研究手段

1.1 滲透性

根據(jù)生物滯留設(shè)施的施工要求，對(duì)于滲透性較差的土壤，應(yīng)該以介質(zhì)土換填，以改良土壤的滲透性.實(shí)踐中，生物滯留設(shè)施介質(zhì)土的滲透性需要統(tǒng)一的考核指標(biāo)和方式.介質(zhì)土的厚度不但影響雨水的下滲速度和存積厚度，而且也影響水壓分布.另外，生物滯留設(shè)施的出水口高度、環(huán)境溫度、水飽和程度及壓實(shí)程度等在一定程度上也影響下滲速度，因此，對(duì)介質(zhì)土的滲透性研究，應(yīng)排除上述影響因素，以直接研究不同配方本身的透水性能為目的.① 根據(jù)相關(guān)滲透性研究，設(shè)置土柱實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)定在固定柱管水流的速度測(cè)定介質(zhì)土的滲透速度.為排除干擾因素，實(shí)驗(yàn)前通常需要設(shè)定統(tǒng)一的柱管口徑、介質(zhì)土厚度、加水深度及管柱內(nèi)介質(zhì)土的飽和程度等，從而得出基于統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)條件的滲透率.② 通過土壤滲透檢測(cè)儀進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，這也是本研究集中探討的方式．由于土壤滲透檢測(cè)儀是根據(jù)達(dá)西定律設(shè)計(jì)的，所以在實(shí)驗(yàn)過程中，不需要統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)條件，即可實(shí)際檢測(cè)一種介質(zhì)土的相關(guān)滲透數(shù)據(jù)，代入達(dá)西定律公式，即可獲得排除干擾因素基于介質(zhì)本身的滲透性指標(biāo).

1.2 污染物去除

化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)、總懸浮固體(suspended solids，SS)、氨氮(NH3-N)、總氮(total nitrogen，TN)、TP和酸堿度(pH值)是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo).根據(jù)生物滯留設(shè)施的設(shè)計(jì)要求，污染的雨水在通過介質(zhì)土層處理后，能夠?qū)崿F(xiàn)上述指標(biāo)的削減和優(yōu)化就是介質(zhì)土的作用所在.其中，在進(jìn)水污染指標(biāo)為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》定義的Ⅴ類水或接近Ⅴ類水的情況下，如果出水能夠達(dá)到Ⅲ類水指標(biāo)，說明介質(zhì)土的凈化作用良好.在進(jìn)水污染物濃度較高的情況下，通過比較出水污染物濃度消減量與進(jìn)水污染物濃度的比值來描述介質(zhì)土對(duì)水質(zhì)的凈化作用，比值越大，消污能力越強(qiáng). 其中，因?yàn)榱椎暮渴窃迦A最重要的限制因子，TP質(zhì)量濃度是一個(gè)非常重要的指標(biāo)；其次是懸浮物，因?yàn)榇罅康奈廴疚飼?huì)附著在懸浮物上.懸浮物分為SS和總懸浮固體(total suspended solids, TSS).其中，TSS包含溶解的鹽類，SS不包括溶解的鹽類.本研究所采用的數(shù)據(jù)和測(cè)定方式都不包括鹽類的SS，而SS中是否包括可沉降懸浮物，本研究不做具體區(qū)分.

采用紫外可見多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(LH-CNP4)測(cè)定水質(zhì)樣品的污染物濃度，采用全玻璃微孔濾膜真空過濾裝置測(cè)量計(jì)算TSS質(zhì)量濃度，均在具有計(jì)量資質(zhì)認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)分別遵循GB/T 11893—1989《水質(zhì)總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》、HJ 636—2012《水質(zhì)總氮的測(cè)定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》、HJ 535—2009《水質(zhì)氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》、HJ 828—2017《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鹽法》和GB/T 11901—1989《水質(zhì)懸浮物重量法》.

1.3 植物生長(zhǎng)適合性

由于新型粒狀海綿介質(zhì)土的物理性狀及部分化學(xué)性質(zhì)的改變，觀測(cè)研究選定本土植物的生長(zhǎng)情況，初步確定適于新型粒狀介質(zhì)土上的本土植物，為后續(xù)新型粒狀介質(zhì)土的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ).本研究的介質(zhì)土植物生長(zhǎng)觀測(cè)點(diǎn)位于珠海市，瀕臨南海，位于21°48′N—22°27′N與113°03′E—114°19′E之間，地處低緯度亞熱帶季風(fēng)區(qū)，屬于南亞熱帶與熱帶過渡型海洋性氣候，全年平均氣溫22.4 ℃，相對(duì)濕度79%，年均日照時(shí)數(shù)為1 991.8 h，歷史最高日照時(shí)數(shù)2 545 h，年太陽(yáng)輻射總量為4 651.6 MJ/m2，是廣東南亞熱帶地區(qū)熱量最豐富的地區(qū)之一.全年冬夏季風(fēng)交替，降雨充沛，為多雨地區(qū)，降雨量大，降雨期集中，臺(tái)風(fēng)暴雨偶發(fā)，年平均降雨量為1 700～2 300 mm.5月至9月為集中降雨期. 域內(nèi)土壤主要分布有赤紅壤、潴育型水稻土、鹽漬型水稻土和濱海鹽漬土4種類型，滲透性整體偏低，不利于雨水下滲.對(duì)植物健康生長(zhǎng)的觀測(cè)目標(biāo)是在滿足了海綿介質(zhì)土具有較高的長(zhǎng)期滲透率，能有效固氮除磷，促進(jìn)污染物吸收的前提下，篩選出一批適合介質(zhì)土健康生長(zhǎng)的植物.

2 材料與方法

2.1 實(shí)地監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

本研究選擇位于珠海市香洲區(qū)的前山水質(zhì)凈化廠作為實(shí)地監(jiān)測(cè)點(diǎn).前山水質(zhì)凈化廠是珠海市第1座全地埋式污水處理廠，其中地面部分全部按照海綿城市要求進(jìn)行建設(shè)，通過實(shí)景和模型等向珠海市民展示海綿城市原理和效果.圖1為實(shí)地監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的區(qū)位和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置分布.

圖1 實(shí)地監(jiān)測(cè)選址區(qū)位Fig.1 (Color online) Location of field monitoring

實(shí)地監(jiān)測(cè)主要包括對(duì)高位花壇、雨水花園等生物滯留設(shè)施進(jìn)行流量和土壤濕度監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行水質(zhì)采樣分析和植物生長(zhǎng)觀察.本研究的監(jiān)測(cè)基地包括透水鋪裝，但由于透水鋪裝不涉及新型海綿介質(zhì)土的應(yīng)用，本研究不對(duì)其監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析.由于雨水花園的出流位置不適宜進(jìn)行水質(zhì)取樣，本研究只對(duì)高位花壇的進(jìn)流和出流進(jìn)行水質(zhì)采樣.水質(zhì)采樣采用輕便型自動(dòng)水質(zhì)采樣機(jī)，并通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制激活采樣機(jī)對(duì)高位花壇設(shè)施的進(jìn)出水口，進(jìn)行定時(shí)等量混合的自動(dòng)水質(zhì)采樣.土壤濕度的測(cè)定包括使用土壤濕度監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行土壤含水率的連續(xù)監(jiān)測(cè)，并通過記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的時(shí)間序列式存儲(chǔ)，同時(shí)通過土壤滲透性測(cè)定儀對(duì)土壤的滲透率進(jìn)行定期人工測(cè)定.另外，場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置了獨(dú)立的多功能自動(dòng)氣象站，對(duì)區(qū)域內(nèi)的降雨量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也對(duì)風(fēng)力、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和濕度進(jìn)行記錄.

本研究高位花壇長(zhǎng)9.3 m，寬1.0 m，其監(jiān)測(cè)設(shè)備具體布置如圖2．監(jiān)測(cè)主要通過雨水立管收集旁邊建筑屋面的徑流以及自身面積內(nèi)的降雨，對(duì)雨水立管進(jìn)行改裝把屋面雨水徑流引入到特制水箱中，然后通過水箱的排水孔溢流堰和高精度的連續(xù)液位監(jiān)測(cè)把徑流液位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成流量數(shù)據(jù)，徑流在通過高位花壇結(jié)構(gòu)層滯蓄和凈化后，監(jiān)測(cè)溢流管的出流量.水質(zhì)取樣點(diǎn)分別布置在花壇的進(jìn)出流的特制水箱內(nèi)，并根據(jù)氣象站的降雨數(shù)據(jù)手機(jī)遠(yuǎn)程激活進(jìn)行取樣.雨水花園長(zhǎng)5.0 m，寬2.5 m，其監(jiān)測(cè)設(shè)備的具體布置如圖3.監(jiān)測(cè)過程與高位花壇類似，徑流在通過雨水花園結(jié)構(gòu)層滯蓄凈化后，監(jiān)測(cè)溢流井和相連通的排水槽的水位變化，并計(jì)算轉(zhuǎn)化成出流流量數(shù)據(jù).

圖2 高位雨水花壇監(jiān)測(cè)設(shè)備布置Fig.2 (Color online) Setup of field monitoring for elevated bioretention parterre

圖3 雨水花園監(jiān)測(cè)設(shè)備布置Fig.3 (Color online) Setup of field monitoring for rain garden

3 結(jié)果與討論

3.1 流量與滲透性監(jiān)測(cè)階段性結(jié)果

為驗(yàn)證新型粒狀海綿介質(zhì)土對(duì)實(shí)際雨水徑流和污染物的控制效果，本研究在珠海前山水質(zhì)凈化廠內(nèi)的高位花壇、雨水花園和透水鋪裝分別設(shè)置了監(jiān)測(cè)工作站．其中，高位花壇和雨水花園的種植層都填充了新型粒狀海綿介質(zhì)土，厚約600 mm，作為對(duì)雨水徑流的滯蓄凈化層.當(dāng)實(shí)際有效降雨發(fā)生后，持續(xù)監(jiān)測(cè)雨水入流與設(shè)施的溢流管流量，并進(jìn)行水質(zhì)取樣以檢驗(yàn)設(shè)施對(duì)目標(biāo)污染物的去除效果，最終把流量、水質(zhì)和降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合分析.

本研究共監(jiān)測(cè)到9場(chǎng)有效的實(shí)際降雨，其流量數(shù)據(jù)見表1和表2. 監(jiān)測(cè)期間，研究區(qū)域降雨總量為689.3 mm，其中，有效降雨總量為544.5 mm，約占79%. 此外，9場(chǎng)降雨種降雨量最大為121.5 mm，最小為15.5 mm；5 min降雨強(qiáng)度峰值平均為109.6 mm/h，最小為62.4 mm/h，最大為192 mm/h.

表1 實(shí)地降雨監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 實(shí)地降雨監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

在9場(chǎng)實(shí)際降雨中，填充了新型粒狀介質(zhì)土的高位花壇和雨水花園均表現(xiàn)出優(yōu)異的低影響開發(fā)(low impact development, LID)效果，其徑流總量控制和徑流峰值削減比例如圖4和表3，其平均徑流總量控制率分別達(dá)到了85.1%和67.0%，最大徑流控制率分別為94.1%和100%．在2020-05-26的降雨中，降雨總量達(dá)121.5 mm，降雨峰值為192.0 mm/h，但高位花壇和雨水花園的徑流總量控制率仍分別為82.2%和37.3%；高位花壇和雨水花園對(duì)9場(chǎng)降雨的徑流總量控制率的變異系數(shù)(coefficient of variation， COV)分別為0.09和0.32，證明新型粒狀海綿介質(zhì)土內(nèi)部有充足的孔隙率能支持對(duì)小型降雨的完全滯蓄，并充分凈化下滲而不產(chǎn)生溢流出流.

徑流峰值削減如圖4和表3所示．由圖表可見，高位花壇的降雨峰值削減比最大為70.5%，最小為30.4%，而雨水花園降雨峰值削減比最大為100%，最小為51.0%，其中，峰值完全消減發(fā)生在2020-05-11的15.5 mm降雨事件中． 此外， 高位花壇和雨水花園對(duì)9場(chǎng)降雨的峰值削減比的變異系數(shù)分別為0.29和0.24，證明了設(shè)施內(nèi)的新型介質(zhì)土在應(yīng)對(duì)總量及強(qiáng)度各異的有效降雨時(shí)有著相對(duì)穩(wěn)定的徑流峰值削減能力.

圖4 實(shí)地降雨LID流量總量與峰值監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 (Color online) Results of flow monitoring during actual storm events for LID facilities

表3 實(shí)地降雨LID流量總量與峰值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5為高位花壇和雨水花園的土壤含水率的時(shí)間序列監(jiān)測(cè)結(jié)果，其涵蓋本研究目前時(shí)間跨度內(nèi)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的所有降雨場(chǎng)次.由圖5可見，在雨量大小各異的降雨情況下，介質(zhì)土的最大含水率(體積分?jǐn)?shù))始終在40%～45%間浮動(dòng)，驗(yàn)證了其孔隙率約為40%的物理特性.在降雨期間，土壤含水率達(dá)到最大值，但在降雨結(jié)束后2～3 h 內(nèi)土壤含水率迅速下降并在相當(dāng)長(zhǎng)的一段雨前干旱時(shí)間里(幾天至幾十天)緩慢下降，說明了介質(zhì)土在擁有充足的孔隙率能滯蓄徑流峰值并及時(shí)排出的同時(shí)，也能保持適中的水分涵養(yǎng)能力(最低含水率約20%)供給干旱時(shí)期植物生長(zhǎng)的需要，這得益于經(jīng)過研究改良的新型粒狀海綿介質(zhì)土的土壤材質(zhì)和粒徑級(jí)配.另外，本研究于2020-03-18、 2020-05-12和2020-07-05利用土壤滲透率測(cè)定儀測(cè)得新型粒狀海綿介質(zhì)土的平均飽和滲透率分別為914、760和835 mm/h，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)海綿介質(zhì)土的飽和滲透率(50～150 mm/h).

為探索該新型粒狀海綿介質(zhì)土的性狀和效能，盡可能排除在介質(zhì)土中加入其他混合添加物造成的干擾，因此，沒有在介質(zhì)土表面加入海綿城市建設(shè)中常用的有機(jī)覆蓋物.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的觀察記錄得知，裸露的介質(zhì)土表面會(huì)隨著時(shí)間和多次降雨的沖刷逐漸形成一層松散的、較多裂縫的表層板結(jié)，板結(jié)的下層仍然保持土壤的顆粒狀.結(jié)合目前含水率監(jiān)測(cè)和滲透率測(cè)定儀的結(jié)果，以及設(shè)施內(nèi)植物生長(zhǎng)情況來看，該層板結(jié)并無顯著影響介質(zhì)土的滲透性，反而有利于保護(hù)下層土壤的含水率和土壤顆粒的完整性，避免在陽(yáng)光直射的情況下或在蒸發(fā)率高的區(qū)域和時(shí)段，如園林維護(hù)不及時(shí)或雨前干旱時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，造成土壤中的水分蒸發(fā)損失過大，保證了植物生長(zhǎng)所需要的水分，也間接增強(qiáng)了海綿設(shè)施中景觀綠化存活的韌性.在實(shí)際應(yīng)用中，仍然推薦在新型粒狀海綿介質(zhì)土的表土鋪蓋一層輕質(zhì)、保水、無毒性、自然降解周期長(zhǎng)的有機(jī)覆蓋物，如樹皮、果殼和碎木等，進(jìn)一步加強(qiáng)介質(zhì)土的水分保持、溫度調(diào)節(jié)和表面抗沖刷能力.

3.2 污染物去除統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)雨水徑流典型污染物的去除效果是評(píng)價(jià)海綿介質(zhì)土有效性和適用性另一個(gè)非常重要的指標(biāo)．本研究選擇監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的4場(chǎng)有效降雨(總降雨量滿足設(shè)施出流條件)，分別是2020-05-10、2020-05-20、2020-05-26和2020-06-06，通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制激活現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)采樣機(jī)對(duì)高位花壇的進(jìn)出流位置進(jìn)行定時(shí)等量混合的水質(zhì)采樣，并把樣品及時(shí)送檢，每項(xiàng)指標(biāo)設(shè)3個(gè)平行樣本，4場(chǎng)降雨的水質(zhì)結(jié)果如圖6．從圖6可見，填充了新型粒狀海綿介質(zhì)土的高位花壇對(duì)4種典型水質(zhì)指標(biāo)和總懸浮固體均有顯著的去除效果且出流的指標(biāo)濃度較為穩(wěn)定，初步達(dá)到了地表水環(huán)境Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)．另外，進(jìn)流的水質(zhì)分析結(jié)果也反映了匯水區(qū)的污染物累積濃度基本與雨前干旱時(shí)間長(zhǎng)度有關(guān)，2020-05-10的雨前干旱時(shí)間約為16 d，其進(jìn)流的各項(xiàng)指標(biāo)濃度均較高，其他3次的雨前干旱時(shí)間則小于1周，其各指標(biāo)濃度則相對(duì)較低．因此，初步判斷新型粒狀海綿介質(zhì)土能較好地應(yīng)對(duì)降雨徑流中濃度變化較大的各典型污染物，保證LID設(shè)施的水質(zhì)凈化能力，未來將持續(xù)監(jiān)測(cè)，以進(jìn)行更深入的數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析．

圖5 填充新型粒狀海綿介質(zhì)土的高位花壇和雨水花園的土壤含水率(體積分?jǐn)?shù))監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 (Color online) Monitoring of soil moisture for bioretention parterre and rain garden with innovative granular growing media

3.3 植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果

基于前述關(guān)于觀測(cè)點(diǎn)珠海市的氣候和土壤條件特征，結(jié)合新型粒狀介質(zhì)土的理化特性，本研究對(duì)實(shí)驗(yàn)的植物篩選要求制定了以下標(biāo)準(zhǔn)：① 抗性強(qiáng)，要求植物耐水性高，耐強(qiáng)風(fēng)，耐強(qiáng)光照，病蟲害少；② 是珠海市較為常見的草本或灌木，或是已成功引種馴化不會(huì)引起新物種入侵等災(zāi)害的植物；③ 地面覆蓋能力強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)；④ 成本低，生長(zhǎng)快，觀賞效果好；⑤ 低養(yǎng)護(hù)成本，除極端暴雨及強(qiáng)臺(tái)風(fēng)情況外，少維護(hù)或無須維護(hù)；⑥ 海綿城市建設(shè)常選植物.因此，初步選擇了44種價(jià)格適宜且方便采購(gòu)的植物進(jìn)行觀察實(shí)驗(yàn)，主要包含以下4個(gè)類別：① 桃葉珊瑚和金葉大花六道木等常綠灌木19種；② 金葉女貞和花葉杞柳等落葉灌木12種；③ 鳶尾、細(xì)葉芒等宿根地被7種；④ 細(xì)葉芒等觀賞草6種.分別在試驗(yàn)田和試驗(yàn)盆中填入足量的新型粒狀介質(zhì)土，移栽植物前進(jìn)行不定量澆水處理使土壤保持不同的濕潤(rùn)程度，每種植物種植3株，對(duì)比觀測(cè)另外使用普通原狀土壤種值1株進(jìn)行比較.對(duì)各個(gè)植物在新型粒狀介質(zhì)土中的生長(zhǎng)情況跟蹤觀察1年，根據(jù)每種植物3個(gè)平行對(duì)比樣的平均生長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行判斷.

圖6 高位花壇進(jìn)出流水質(zhì)檢測(cè)比對(duì)結(jié)果Fig.6 Water quality test results of inflow and outflow of bioretention parterre

1年的培育試驗(yàn)，觀測(cè)基地現(xiàn)場(chǎng)的植物生長(zhǎng)情況如圖7．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，存活的植物達(dá)41種，大部分植物均具有良好的長(zhǎng)勢(shì).常綠灌木、落葉灌木和宿根地被等珠三角本土植物均可良好地生長(zhǎng)于新型粒狀海綿介質(zhì)土，部分觀賞草的選擇則需仔細(xì)斟酌使用，同時(shí)可推斷出新型介質(zhì)土將適宜大部分華南本土植物及海綿城市建設(shè)常用選植的生長(zhǎng).在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，可多選擇本研究中正常存活的常綠灌木、落葉灌木、宿根地被及部分觀賞草進(jìn)行混合種植搭配，即可保證海綿設(shè)施正常運(yùn)行和植物正常生長(zhǎng)，也具有良好的景觀效果.

本研究主要研究新型粒狀介質(zhì)土的功能性，研究過程中僅通過觀察植物長(zhǎng)勢(shì)做出判斷，暫不做深入的機(jī)理分析.

圖7 新型粒狀海綿介質(zhì)土對(duì)比普通種植土的植物生長(zhǎng)情況Fig.7 (Color online) Observation of landscape healthiness for innovative granular growing media vs. ordinary normal planting soil

結(jié) 語

本研究研發(fā)了一種成本低廉和性質(zhì)穩(wěn)定的新型海綿介質(zhì)土，制作過程中通過添加一定配比的輔助添加劑，以達(dá)到定向改良新型粒狀海綿介質(zhì)土的滲透性和優(yōu)化對(duì)某些特定污染物的去除效果，具體參數(shù)已申請(qǐng)專利(待批).根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外海綿城市建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以中粗砂、壤土和腐殖質(zhì)為主的傳統(tǒng)海綿介質(zhì)土滲透性約50～150 mm/h，SS去除率約80%，通過對(duì)市場(chǎng)平均物價(jià)的調(diào)研確認(rèn)，成本約為人民幣350元/m3.實(shí)地應(yīng)用結(jié)果表明，相比目前國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)海綿介質(zhì)土，新型粒狀海綿介質(zhì)土具有滲透性和污染物去除效果，成本低廉且后期運(yùn)行維護(hù)便利等.基于腐殖質(zhì)和添加椰糠等材料的傳統(tǒng)海綿介質(zhì)土，雖然滿足滲透率、污染物去除率和適宜植物生長(zhǎng)等指標(biāo)要求，但由于材料來源不穩(wěn)定且成本高昂，其推廣空間有限；新型粒狀海綿介質(zhì)土則不添加腐殖質(zhì)，通過生物酶直接將原土加工為性質(zhì)穩(wěn)定的級(jí)配顆粒，通過土壤本身物理結(jié)構(gòu)的吸附能力及生物酶的作用，擁有比傳統(tǒng)海綿介質(zhì)土的更高的滲透率及更好的污染物去除效果.但考慮到新型粒狀海綿介質(zhì)土是一種全新的介質(zhì)土材料，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，實(shí)際場(chǎng)地項(xiàng)目的應(yīng)用時(shí)間較短，建議部分示范性的生物滯留設(shè)施采用新型粒狀海綿介質(zhì)土，并進(jìn)行長(zhǎng)期的密切觀察和監(jiān)測(cè)取樣以驗(yàn)證該介質(zhì)土的長(zhǎng)期可靠性和穩(wěn)定性.

新型粒狀海綿介質(zhì)土仍需要進(jìn)一步改良其性狀，包括顆粒的硬度、污染物吸附能力和顆粒物配比經(jīng)過等.由于部分地區(qū)存在地下水水位較高情況，海綿介質(zhì)土經(jīng)過長(zhǎng)期被浸泡可能發(fā)生軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致顆粒的黏聚力下降從而降低土壤的孔隙率.另外，該新型介質(zhì)土不適宜在雨水期間施工，因?yàn)樵谕寥罎駶?rùn)的時(shí)候被踩踏會(huì)導(dǎo)致顆粒被破壞，因此其暫不適合于高強(qiáng)度場(chǎng)景應(yīng)用，如透水鋪裝或其他表面載荷較大的區(qū)域或道路.