不同生態(tài)護坡材料對徑流中氨氮及磷酸鹽削減效果的試驗研究

趙璧奎，胡佳純，洪昌紅，周銘浩，陳家豪

(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635；2. 廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635；3. 河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東 廣州 510635)

徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制、雨水資源化利用是海綿城市建設(shè)規(guī)劃的4大控制目標[1]。河湖水系是城市海綿體的重要組成部分，是城市資源、環(huán)境、生態(tài)、景觀的載體[2]。應(yīng)用生態(tài)護坡材料實施生態(tài)岸線恢復(fù)工程，是實現(xiàn)污染物截留、增強河道自然凈化能力的重要措施。

生態(tài)護坡及其植被對水質(zhì)凈化的機理與效果仍處于研究探索中。蔡婧等[3]通過現(xiàn)場模擬徑流試驗，研究了柴籠、灌叢墊、植草3種不同類型的生態(tài)護坡對地表徑流的延滯作用和污染控制作用，證明生態(tài)護坡在控制地表徑流污染方面具有良好的生態(tài)效益。王慧子等[4]選取麥冬、香根草、狗牙根3種植物作為護坡植物進行模擬降雨沖刷試驗，研究了植物對降雨徑流攜帶的泥沙等懸浮固體污染物的攔截效果。張文源[5]等針對深圳坪山河“賓格石籠網(wǎng)箱+中空生態(tài)砌塊+聯(lián)鎖砌塊+植被修復(fù)”的組合式生態(tài)護坡方式，研究暴雨徑流削減效益和污染物的削減效益。李亞娟等[6]應(yīng)用MIKE 中EcoLab 模塊，模擬研究河流濕地水動力及水質(zhì)凈化效果。另外也有學(xué)者從生態(tài)護坡對河道水質(zhì)凈化效果的視角開展研究，分別從不同生態(tài)護坡濱水植物選擇[7-10]、多孔混凝土與水生生物組合優(yōu)化[11]等方面進行了大量研究。從現(xiàn)有研究成果看，生態(tài)護坡植物對河道中的COD、TN、TP 等多種污染物質(zhì)均有著較好的去除效果，能夠滿足河道水質(zhì)凈化的要求[12]。此外，國內(nèi)外學(xué)者就生物滯留設(shè)施中填料改良對地表徑流水質(zhì)凈化作用開展了大量試驗研究[13-16]，為生態(tài)護坡對地表徑流水質(zhì)凈化作用提供很好的借鑒參考。

隨著“生態(tài)岸線恢復(fù)”被納入海綿城市建設(shè)績效評價與考核指標的約束性指標[17]，生態(tài)岸線恢復(fù)將更加受到重視，生態(tài)護坡材料應(yīng)用前景將更加廣闊。然而，目前生態(tài)護坡材料種類繁多，新型護坡材料的水質(zhì)凈化效果差異尚不明晰。筆者選取了當前廣泛應(yīng)用的5種生態(tài)護坡材料作為研究對象，采取模擬徑流試驗方法，探究不同生態(tài)護坡材料對徑流氨氮、磷酸鹽削減效果，為護坡材料的選用提供借鑒，并結(jié)合試驗結(jié)果對生態(tài)護坡的應(yīng)用提出幾點建議。

1 材料與方法

1.1 材料選擇

選取當前應(yīng)用最為廣泛的格賓石籠、生態(tài)砌塊和具有推廣應(yīng)用前景的現(xiàn)澆綠化混凝土、植物蜂巢等材料作為研究對象，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，5種護坡材料特性如表1所示，并選擇普通植草護坡作為參照組。

圖1 主要生態(tài)護坡材料結(jié)構(gòu)形式示意

表1 5種護坡材料結(jié)構(gòu)特性對比

1.2 試驗裝置

分別構(gòu)筑了每種護坡材料的試驗段，每個試驗段長為6 m、寬為1.5 m，坡度為1:2.25，完成護坡材料構(gòu)筑后，在結(jié)構(gòu)材料表層鋪設(shè)5 cm厚回填素土作為植土層，并鋪設(shè)馬尼拉草[19]草皮，植草鋪設(shè)、培育4個月后開展模擬試驗。5種生態(tài)護坡中，生態(tài)砌塊植被覆蓋率為18.13%，其余試驗段表面均全部覆蓋植被，試驗時植被生長良好。

試驗裝置由2 t儲水桶、供水管、開關(guān)、流量計、分水管組成供水系統(tǒng)，為了區(qū)分生態(tài)護坡對地表徑流和壤中流的水質(zhì)凈化效果，試驗裝置下邊緣設(shè)置2個出水管，分別收集地表徑流和壤中流，試驗裝置示意及現(xiàn)場照片如圖2所示。

圖2 試驗裝置示意及試驗段現(xiàn)場照片

1.3 邊界條件

考慮氮、磷是引起水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵指標，試驗選取氨氮、磷酸鹽兩項水質(zhì)指標為代表。試驗用水是某試驗基地生活污水，并添加少量氯化銨、磷酸二氫鉀等物質(zhì)配置而成。

參照深圳市2年一遇設(shè)計暴雨強度150.71 L/(s·hm2)，假設(shè)護坡外邊界道路為3車道，即道路寬度為10.5 m，試驗段寬度為1.5 m，匯水面積為15.75 m2，推算試驗段平均匯水流量約為12.11 L/min，每一組護坡上邊界的入流流量大小盡量維持恒定，徑流模擬時間長度為60 min。實際試驗中受水桶內(nèi)水位變化及管線水頭損失影響，實際入口流量存在波動變化，每次試驗單獨進行，不同組次的水質(zhì)濃度也存在一定差異，每組試驗的平均流量和平均水質(zhì)濃度如表2所示。

表2 每組試驗的平均流量及水質(zhì)濃度

1.4 監(jiān)測與采用

1) 采樣頻率

試驗開始時刻打開總開關(guān)并快速調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)流量對應(yīng)開度。從試驗開始時刻T0起，每隔5 min記錄入口處流量計讀數(shù)。分別記錄地表徑流、壤中流開始溢流的時刻，并從各自開始溢流時刻開始按照5 min間隔監(jiān)測記錄流量值，兩個出口流量采用量筒計時法計量。每次監(jiān)測記錄流量時均同步采集3處監(jiān)測點處的水質(zhì)樣品，當試驗第60 min時，關(guān)閉供水閥門并加密地表徑流和壤中流的監(jiān)測和采樣，直到地表徑流、壤中流均結(jié)束溢流時，試驗結(jié)束。

2) 水質(zhì)檢測

1.5 評價方法

1) 濃度削減率

選取濃度削減率指標評價生態(tài)護坡的污染物削減效果。地表徑流和壤中流的氨氮、磷酸鹽兩項水質(zhì)指標的濃度削減率Re計算公式見式(1)(2)：

(1)

(2)

因試驗過程中流量及對應(yīng)水質(zhì)均為波動變化，計算平均濃度時按照逐時段水質(zhì)濃度值及其時段對應(yīng)的水量進行加權(quán)平均：

(3)

(4)

(5)

式中C1t、C2t、C3t分別為入口處、地表徑流出口、壤中流出口在t時刻的濃度，mg/L；V1t、V2t、V3t分別為t時段入口處、地表徑流出口、壤中流出口出水量，L。

綜合護坡材料對地表徑流、壤中流的削減率，按照水量比例進行加權(quán)平均，以此計算某種護坡材料對某一水質(zhì)指標的綜合削減率，見式(6)：

(6)

(7)

3) 徑流入滲比例Ir

徑流入滲比例Ir指模擬試驗過程中，入滲形成土壤水的水量占模擬試驗入口總水量的比例，如式(7)所示，用該指標衡量不同材料的徑流入滲能力相對大小，輔助分析水質(zhì)指標在地表徑流削減率、壤中流削減率和綜合削減率的關(guān)系。

(8)

2 結(jié)果分析

2.1 徑流入滲比例分析

試驗結(jié)果如圖2所示，不同護坡材料徑流入滲比例差異較大，其中現(xiàn)澆綠化混凝土、生態(tài)砌塊相對較高，分別為64.6%、62.87%，5組護坡材料的平均徑流入滲比例為47.81%，試驗表明其中4種生態(tài)護坡材料的徑流入滲比例均顯著高于普通植草護坡。

圖2 不同護坡材料的徑流入滲比例比較示意

2.2 削減效果分析評價

1) 不同護坡材料對氨氮削減規(guī)律

不同護坡材料的地表徑流、壤中流的氨氮相對濃度過程如圖3所示。植物蜂巢的出口氨氮濃度呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢。其余4種護坡材料的地表徑流和壤中流的氨氮濃度變化趨勢均呈現(xiàn)前15～20 min濃度逐漸升高(充盈期)、20～60 min出口水質(zhì)濃度維持相對穩(wěn)定(平穩(wěn)期)、60 min關(guān)閉徑流輸入后出口濃度又逐漸降低(恢復(fù)期)等3個階段的過程規(guī)律。

開始溢流時，試驗開始時各種材料對氨氮的削減率達到最大，地表徑流的氨氮水質(zhì)濃度僅有輸入濃度的7%～46%，壤中流的氨氮水質(zhì)濃度則僅有輸入濃度的6%～58%。經(jīng)過15～20 min的徑流入滲，土壤含水率趨于飽和，出口濃度逐漸上升。20～60 min入流與產(chǎn)流趨于平衡，同時對氨氮的吸附也趨于穩(wěn)定。T=60 min時關(guān)閉閥門，入口流量為0，出口處流量逐漸減小，此時的出口濃度也呈現(xiàn)下降趨勢。

分析20～60 min平穩(wěn)期不同材料的氨氮濃度，在一定程度上可以代表護坡材料對氨氮的削減能力。普通植草護坡、現(xiàn)澆綠化混凝土的地表徑流濃度約為該組的入口平均濃度的0.9倍，此階段兩種材料的地表徑流中氨氮濃度相對輸入平均濃度降低了10%；同理格賓石籠、生態(tài)砌塊兩種材料的地表徑流氨氮濃度相對輸入平均濃度降低了30%～40%；植物蜂巢的地表徑流出流濃度在試驗過程中呈現(xiàn)持續(xù)上升過程，在徑流模擬結(jié)束時刻達到峰值后，濃度又迅速下降。

由圖3可知，不同材料的壤中流氨氮相對濃度規(guī)律不同，其平穩(wěn)期出現(xiàn)時間、持續(xù)時間存在較大差異。其中現(xiàn)澆綠化混凝土壤中流氨氮濃度在T=25～54 min期間維持平穩(wěn)，期間壤中流氨氮濃度比入口平均濃度降低了30%；生態(tài)砌塊壤中流在T=0～60 min期間維持平穩(wěn)，其氨氮濃度比入口平均濃度降低了35%。

圖3 不同護坡材料的氨氮相對濃度變化過程示意

按式(1)(3)綜合流量、水質(zhì)的試驗結(jié)果，根據(jù)式(6)計算不同護坡材料試驗段對氨氮綜合削減率(見圖4)。從圖4可見，不同材料對氨氮綜合削減率從大到小依次為植物蜂巢(68%)、格賓石籠(54%)、生態(tài)砌塊(41%)、現(xiàn)澆綠化混凝土(23%)、普通植草(22%)。

圖4 不同護坡材料的氨氮指標削減效果分析示意

2) 不同護坡材料對磷酸鹽削減規(guī)律

不同護坡材料的地表徑流、壤中流的磷酸鹽相對濃度變化過程如圖5所示。試驗結(jié)果表明，與氨氮濃度變化規(guī)律類似，5種護坡材料的地表徑流和壤中流的磷酸鹽濃度變化趨勢也存在充盈期、平穩(wěn)期、恢復(fù)期3個階段。

平穩(wěn)期普通植草護坡、現(xiàn)澆綠化混凝土兩種材料的地表徑流磷酸鹽濃度比入口平均濃度降低3%～9%；格賓石籠、生態(tài)砌塊、植物蜂巢3種材料的地表徑流磷酸鹽濃度分別比入口平均濃度降低25%、37%、49%。

圖5 不同護坡材料的磷酸鹽變化示意

不同護坡材料試驗段對磷酸鹽的地表徑流削減率、壤中削減率及加權(quán)平均的綜合削減率如圖6所示。從圖6可見，不同材料對磷酸鹽綜合削減率從大到小依次為植物蜂巢(59%)、格賓石籠(43%)、生態(tài)砌塊(38%)、現(xiàn)澆綠化混凝土(13%)、普通植草(12%)。

3) 削減率的規(guī)律分析

試驗表明所研究的5種生態(tài)護坡在對氨氮、磷酸鹽的削減上呈現(xiàn)以下規(guī)律：

① 5種生態(tài)護坡對氨氮削減率均高于對磷酸鹽的削減率，并且呈現(xiàn)出地表徑流的削減率普遍小于壤中流削減率，土壤所起到的吸附降解作用更加顯著，因此，提高材料的入滲強度、增加入滲比例，在一定程度上可以增加護坡材料對氨氮、磷酸鹽的削減作用；

② 不同材料對氨氮、磷酸鹽的削減率差異較大，不同材料的壤中流對氨氮、磷酸鹽的綜合削減率由小到大依次為植物蜂巢(68%，59%)、格賓石籠(54%，43%)、生態(tài)砌塊(41%，38%)、現(xiàn)澆綠化混凝土(23%，13%)、普通植草(22%，12%)。

4) 單位面積護坡污染物質(zhì)削減量分析

入流濃度的不同對削減率的評價會造成一定影響[20]，主要體現(xiàn)為入流負荷強度的增大，削減率會呈現(xiàn)降低趨勢。為此在評價綜合削減率的同時，需考慮入流流量、輸入濃度等邊界條件存在波動，推求每個試驗塊對氨氮、磷酸鹽的物質(zhì)削減量，并根據(jù)實驗塊面積，計算得到本次模擬實驗的60 min時間內(nèi)，單位面積生態(tài)護坡材料對氨氮、磷酸鹽的物質(zhì)削減量(如圖7所示)。分析表明，每平方米生態(tài)護坡材料在60 min模擬實驗中平均可以削減氨氮86 mg、磷酸鹽126 mg，其中格賓石籠每平方米削減的氨氮188 mg、磷酸鹽198 mg，格賓石籠對物質(zhì)削減量是5種材料中最高。

圖7 單位面積護坡材料對氨氮、磷酸鹽削減量示意

3 討論

蔡婧[3]等研究了柴籠、灌叢墊、植草3種不同類型的生態(tài)護坡對地表徑流的延滯作用和污染控制作用，提出植草護坡延滯地表徑流的能力不及柴籠和灌叢墊，與本次試驗結(jié)果提出普通植草護坡綜合去削減率較低、增強護坡入滲率有利于提高污染物質(zhì)削減率等結(jié)論和判斷基本相一致。研究結(jié)果表明：植草護坡對泥沙結(jié)合態(tài)營養(yǎng)鹽的攔截率分別達到85.93%和80.53%～85.33%，顯著高于本文試驗所得到的綜合削減率，由于入流濃度、流量控制等條件的差異，導(dǎo)致試驗結(jié)果所得的削減率存在較大差異，屬于正常情況。張文源[5]等配置了TP、NH3-N濃度分別為1.53 mg/L、7.65 mg/L的水樣，深圳“聯(lián)鎖砌塊+千屈菜”的護坡形式對流經(jīng)整個組合護坡帶后TP的削減率可以達到32%～52%，NH3-N的削減率可以達到37%～56%。從其試驗水樣濃度范圍、試驗結(jié)果去除率與筆者試驗得到的綜合削減率結(jié)果相近。從試驗方法上，筆者提出分別監(jiān)測地表徑流、壤中流的流量與水質(zhì)，解釋兩種徑流形態(tài)的削減率差異規(guī)律，可為相關(guān)研究提供借鑒。

李家科[20]等通過大量實驗深入研究了生態(tài)濾溝對徑流凈化的效果，認為粉煤灰+沙(FS)為人工填料層的生態(tài)濾溝凈化效果最好。吳林坤認為植物能夠改變植物根系微環(huán)境，增強根系周圍土壤對氮、磷的吸附作用[21]。因此，通過對生態(tài)護坡土壤基質(zhì)的改良，改善植物組合，進一步提升生態(tài)護坡對污染物的削減效果還有一定空間。

4 結(jié)語

生態(tài)護坡作為海綿城市生態(tài)岸線恢復(fù)的一項重要指標，對增強海綿城市徑流污染控制具有重要的作用。研究表明所選擇的5種生態(tài)護坡均對氨氮、磷酸鹽有顯著的削減效果，且對氨氮的削減率均大于對磷酸鹽的削減率，對氨氮、磷酸鹽的綜合削減率由大到小依次為植物蜂巢(68%，59%)、格賓石籠(54%，43%)、生態(tài)砌塊(41%，38%)、現(xiàn)澆綠化混凝土(23%，13%)、普通植草(22%，12%)。研究揭示了壤中流的削減率普遍高于地表徑流削減率的基本規(guī)律；發(fā)現(xiàn)了在維持入流濃度及流量不變條件下，生態(tài)護坡的出口濃度存在先升高—維持平衡—逐步降低3個階段。研究定量評價了不同護坡材料對氨氮、磷酸鹽的削減效果，可以為護坡材料選擇和海綿城市相關(guān)研究提供參考。