不同類型護(hù)坡對(duì)降雨徑流中污染物的削減效果分析

王巖,張迎穎*,張志勇,徐佳兵,聞學(xué)政,劉海琴,宋雪飛,郭文景,周慶

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國家農(nóng)業(yè)科學(xué)農(nóng)業(yè)環(huán)境六合觀測實(shí)驗(yàn)站,江蘇 南京 210014;2.常州市武進(jìn)區(qū)前黃水利(務(wù))站,江蘇 常州 213172)

在太湖流域人口密度較高的村鎮(zhèn)中,尤其是河道支浜沿岸,目前依然保留了很多復(fù)種指數(shù)較高的蔬菜地,導(dǎo)致菜地表層土壤中氮、磷明顯積累,在降雨時(shí)易被雨水沖刷流入附近水體[1]引發(fā)河道富營養(yǎng)化及水體黑臭。該流域村鎮(zhèn)工業(yè)發(fā)達(dá),大片地區(qū)兼具農(nóng)村和工業(yè)區(qū)特征。這類廠村融合區(qū)[2]復(fù)合面源污染形式主要有降雨徑流及生產(chǎn)生活排水,來源涵蓋農(nóng)村日常生活污水、散養(yǎng)禽畜、種植-養(yǎng)殖-水產(chǎn)、廠區(qū)面源等類別。有研究表明:降雨徑流沖刷地表攜帶的氮、磷污染物已成為受納水體富營養(yǎng)化的重要營養(yǎng)物質(zhì)來源[3],建議在這類地區(qū)建設(shè)地表徑流攔截及凈化、綠化、美化設(shè)施[4],以減少徑流對(duì)地表水體的污染輸入。目前針對(duì)降雨徑流中攜帶的各類污染物已有諸多控制技術(shù),如源頭減量控制技術(shù)[5]、原位凈化技術(shù)[6]、過程攔截削減技術(shù)[7]等。其中,利用河道或水體原有護(hù)坡進(jìn)行生態(tài)改造,是攔截降雨徑流中污染物進(jìn)入自然水體的手段之一。

土面護(hù)坡常見于我國內(nèi)河航道中,屬無特殊防護(hù)狀態(tài)的天然土質(zhì)岸坡,這類護(hù)坡存在少量季節(jié)性生長的植物,植被覆蓋率低,水土保持能力差;單純植物護(hù)坡只適用于邊坡較矮和坡度較小的區(qū)域,雖然應(yīng)用有一定局限性,但已經(jīng)具有了一定的生態(tài)補(bǔ)償性。目前生態(tài)學(xué)、水土保持、土木學(xué)、土壤學(xué)等的關(guān)注熱點(diǎn)[8-10]——生態(tài)護(hù)坡,以保護(hù)、創(chuàng)造生物良好的生存環(huán)境和自然景觀為前提,在保證護(hù)坡具有一定強(qiáng)度、安全性和耐久性的同時(shí),兼顧工程的環(huán)境效應(yīng)和生物效應(yīng),以達(dá)到水體和土體、水體和生物相互涵養(yǎng)且適合生物生長的仿自然狀態(tài)[11]。現(xiàn)階段可選護(hù)坡類型或改造方式較多,具體技術(shù)如生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)、草墊護(hù)坡技術(shù)、植被網(wǎng)護(hù)坡技術(shù)、漿砌片石骨架植草護(hù)坡技術(shù)、液壓噴播植草護(hù)坡技術(shù)、鋼絲網(wǎng)格護(hù)坡技術(shù)、坡改平生態(tài)護(hù)坡技術(shù)等[12-16]。

本試驗(yàn)設(shè)置4種護(hù)坡類型:土面護(hù)坡、草皮+土壤護(hù)坡(草面護(hù)坡)、護(hù)坡磚+草+土壤護(hù)坡(磚面護(hù)坡)和植被網(wǎng)+草+土壤護(hù)坡(網(wǎng)面護(hù)坡),以人工配水的方式,模擬大到暴雨降雨強(qiáng)度下形成的降雨徑流,對(duì)比各類型護(hù)坡對(duì)降雨徑流中氮、磷、化學(xué)需氧量(COD)、總懸浮物(TSS)等污染物的攔截凈化效果差異以及水土保持情況的差異。本文旨在從水質(zhì)凈化性、結(jié)構(gòu)特性、抗沖刷性、水土保持效益等方面,篩選出適宜農(nóng)村集中居住區(qū)的生態(tài)護(hù)坡建設(shè)方式,以實(shí)現(xiàn)對(duì)徑流中污染物的攔截和削減,為生態(tài)河道建設(shè)及農(nóng)村人居環(huán)境改善提供技術(shù)選擇與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)材料

試驗(yàn)裝置:設(shè)計(jì)護(hù)坡模擬裝置(圖1)為單面護(hù)坡,由不銹鋼支架和PVE板制成,α=38°,坡底長 180 cm,坡面長200 cm,坡面寬150 cm,土壤厚度為30 cm。每個(gè)護(hù)坡設(shè)有2片隔檔,將護(hù)坡分割為坡面長2 m、寬0.5 m的3個(gè)平行。坡頂設(shè)有溢流裝置,可使進(jìn)水從坡頂均勻地進(jìn)入護(hù)坡。坡底設(shè)有集流槽,可對(duì)護(hù)坡表面徑流進(jìn)行收集。

圖1 試驗(yàn)裝置

護(hù)坡植物:選取在江南地區(qū)可自主越冬、耐寒且適合粗放管理的草本植物黑麥草[17](LoliumperenneL.),其為多年生草本植物,喜溫涼濕潤氣候,宜于夏季涼爽、冬季不太寒冷地區(qū)生長。

共設(shè)計(jì)4種護(hù)坡處理:1)土壤處理(土面護(hù)坡)。坡體填充土壤,坡面無植被,無護(hù)坡網(wǎng),無護(hù)坡磚,無硬質(zhì)化處理。坡面植被密度為0 棵·m-2。作為對(duì)照處理,模擬實(shí)際工程應(yīng)用中無特殊防護(hù)狀態(tài)的天然土質(zhì)護(hù)坡設(shè)置。2)土壤+植被處理(草面護(hù)坡)。坡體填充土壤,坡面種植黑麥草,種子撒播量約32 g·m-2。坡面植被密度為3 900 棵·m-2。模擬實(shí)際工程應(yīng)用中河道草皮(草墊)護(hù)坡設(shè)置。3)土壤+黑麥草+護(hù)坡磚(磚面護(hù)坡)。坡體填充土壤,坡面鋪設(shè)八字磚(400 mm×200 mm×65 mm),八字磚空隙處種植黑麥草,種子撒播量約20 g·m-2。坡面植被密度為2 300棵·m-2。模擬實(shí)際工程應(yīng)用中河道網(wǎng)格護(hù)坡設(shè)置。4)土壤+黑麥草+植被網(wǎng)(網(wǎng)面護(hù)坡)。坡體填充土壤,坡面鋪設(shè)植被網(wǎng),種植黑麥草,坡面植被密度為3 900 棵·m-2。模擬實(shí)際工程應(yīng)用中河道護(hù)坡網(wǎng)護(hù)坡設(shè)置。

利用隔膜泵(SEKO賽高機(jī)械隔膜閥計(jì)量泵,型號(hào)MS1C138C31)抽取試驗(yàn)用水進(jìn)入坡頂溢水堰,模擬降雨徑流進(jìn)入護(hù)坡。

1.2 試驗(yàn)方法

于2020年3月開展試驗(yàn),試驗(yàn)溫度12～17 ℃。護(hù)坡草皮提前穩(wěn)定養(yǎng)護(hù)1個(gè)月,期間每周澆水1～2次,于試驗(yàn)開始前1 d將草皮統(tǒng)一刈割至地上部8 cm高,土面護(hù)坡每周至少除草1次。參照我國氣象部門降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),試驗(yàn)所需要的降雨強(qiáng)度設(shè)置為大到暴雨,考慮蘇南農(nóng)村集中居住區(qū)區(qū)域河網(wǎng)密集、地貌坡度相對(duì)一致,除硬質(zhì)化地面外,房前屋后尚保留部分菜地或綠地,采用區(qū)域綜合徑流系數(shù)0.45,設(shè)置匯水面積為200 m2雨水徑流量,按國家標(biāo)準(zhǔn)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50014—2006》計(jì)算公式:Q=ψ×F×q。式中:Q為雨水口徑流量(L·min-1);Ψ為徑流系數(shù);F為匯水面積(m2);q為降雨強(qiáng)度(mm·min-1)。大到暴雨降雨強(qiáng)度換算成雨水口徑流量為2.3 L·min-1。

為模擬現(xiàn)實(shí)情況,防止污染物形態(tài)發(fā)生變化,試驗(yàn)當(dāng)天調(diào)節(jié)配水濃度和水泵流量。從開始進(jìn)水時(shí)開始計(jì)時(shí),至坡底出現(xiàn)穩(wěn)定匯流后,記錄各處理水力停留時(shí)間(HRT),每5 min記錄1次坡底匯流量,并采集水樣,共取5次。為防止土壤含水量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,每次進(jìn)水試驗(yàn)相隔1周。

1.3 測定指標(biāo)

污染物削減率計(jì)算公式:ωi=(C0V0-CiVi)/C0V0×100。式中:ωi為i時(shí)刻污染物削減率(%);C0和Ci分別為初始進(jìn)水和i時(shí)刻坡底出水中此類污染物質(zhì)量濃度(mg·L-1);V0和Vi分別為初始進(jìn)水和i時(shí)刻坡底出水體積(L)。當(dāng)徑流經(jīng)過坡體后出現(xiàn)污染物浸出情況時(shí),即CiVi大于C0V0時(shí),坡體對(duì)此類污染物削減率為負(fù)值。

顆粒態(tài)磷濃度的計(jì)算公式:CPP=CTP-CTDP。式中:Cpp為顆粒態(tài)磷質(zhì)量濃度(mg·L-1);CTP為總磷濃度(mg·L-1);CTDP為溶解態(tài)總磷質(zhì)量濃度(mg·L-1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同護(hù)坡對(duì)降雨徑流中磷削減率的影響

從圖2可知:不同處理對(duì)于徑流中顆粒態(tài)磷(PP)和總磷(TP)的凈化效果存在差異。從坡底出現(xiàn)徑流開始計(jì)時(shí),0～25 min內(nèi)網(wǎng)面護(hù)坡、磚面護(hù)坡、草面護(hù)坡和土面護(hù)坡對(duì)PP的削減率分別為83.27%～88.86%、85.00%～95.42%、72.07%～94.26%和-194.79%～55.69%,平均削減率分別為86.42%、89.28%、85.33%和-91.03%。其中磚面護(hù)坡、網(wǎng)面護(hù)坡和草面護(hù)坡之間凈化效果差異不顯著,但這3個(gè)處理的凈化效果顯著優(yōu)于土面護(hù)坡(P<0.05)。0～25 min磚面、網(wǎng)面和草面護(hù)坡的PP削減率較為穩(wěn)定,隨時(shí)間變化波動(dòng)較小;土面護(hù)坡的削減率呈緩慢下降趨勢。

圖2 各護(hù)坡坡底出水中磷削減率隨出水時(shí)間的變化

網(wǎng)面、磚面、草面和土面護(hù)坡對(duì)地表徑流中TP的平均削減率依次為60.11%、62.87%、55.19%和 54.49%。磚面護(hù)坡凈化效果最好,但各處理間差異不顯著。在0～25 min磚面護(hù)坡的TP削減率基本保持不變;網(wǎng)面護(hù)坡和土面護(hù)坡隨時(shí)間延長TP削減率呈下降的趨勢,其中網(wǎng)面護(hù)坡的下降趨勢小于土面護(hù)坡;草面護(hù)坡的TP削減率隨時(shí)間延長呈波動(dòng)上升的趨勢。

2.2 不同護(hù)坡對(duì)降雨徑流中氮削減率的影響

圖3 各護(hù)坡坡底出水中氮削減率隨出水時(shí)間的變化

網(wǎng)面護(hù)坡、磚面護(hù)坡、草面護(hù)坡和土面護(hù)坡對(duì)TN的削減率分別為25.11%～50.96%、22.86%～35.63%、-29.40%～37.99%和-278.42%～-218.69%,平均削減率分別為38.29%、31.68%、6.45%和 -248.12%。網(wǎng)面和磚面護(hù)坡對(duì)TN的凈化效果優(yōu)于草面護(hù)坡,但三者間無顯著差異,這3種處理的效果均顯著好于土面護(hù)坡(P<0.05)。試驗(yàn)期間,網(wǎng)面和磚面護(hù)坡對(duì)TN的削減率較為穩(wěn)定,隨時(shí)間變化波動(dòng)較小;草面護(hù)坡的削減率隨時(shí)間延長呈上升的趨勢,削減率由負(fù)值變?yōu)檎?土面護(hù)坡對(duì)TN的削減率則為負(fù)值,變化范圍為-218.69%～-278.42%,出水濃度明顯大于進(jìn)水濃度。

2.3 不同護(hù)坡對(duì)降雨徑流中COD和TSS削減率的影響

從圖4可知:網(wǎng)面、磚面、草面和土面護(hù)坡的COD平均削減率分別為38.06%、56.48%、55.10%和37.77%,其中磚面護(hù)坡對(duì)COD的凈化效果高于其他3種護(hù)坡。在試驗(yàn)過程中,磚面和草面護(hù)坡的COD削減率呈上升趨勢,變化范圍分別為49.00%～68.76%和27.11%～78.01%;網(wǎng)面護(hù)坡的COD削減率隨時(shí)間變化較小,變化范圍為30.25%～44.39%;土面護(hù)坡在5～10 min出現(xiàn)劇烈下降,削減率為28%～40%。

圖4 各護(hù)坡坡底出水中化學(xué)需氧量(COD)和總懸浮物(TSS)削減率隨出水時(shí)間的變化

水中懸浮態(tài)顆粒物(TSS)質(zhì)量濃度計(jì)算結(jié)果顯示:網(wǎng)面、磚面、草面和土面護(hù)坡的TSS平均削減率依次為 22.00%、85.00%、33.61%和-176.71%。土面護(hù)坡由于缺少植物根莖或構(gòu)筑物,出現(xiàn)嚴(yán)重的水土流失,TSS質(zhì)量濃度出水明顯高于進(jìn)水,約為進(jìn)水濃度的2.0～8.2倍,懸浮物去除效果最差,與其他處理差異顯著,TSS最高值出現(xiàn)在15～20 min。磚面護(hù)坡因黑麥草根莖生長和護(hù)坡磚固定,對(duì)TSS的攔截效果最好,且全程較為穩(wěn)定,削減率變化幅度為82.42%～89.60%。網(wǎng)面護(hù)坡和草面護(hù)坡分別于試驗(yàn)剛開始或結(jié)束時(shí)出現(xiàn)負(fù)值,其他時(shí)段的TSS削減率變化較小。

2.4 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)不同護(hù)坡黑麥草生長狀態(tài)差異

試驗(yàn)開始時(shí),黑麥草平均株高8.07 cm,根長8.78 cm,單株平均干重0.029 g。試驗(yàn)結(jié)束后,采集單穴黑麥草測定生長情況(表1),發(fā)現(xiàn)各護(hù)坡黑麥草株高差異較小,網(wǎng)面護(hù)坡和磚面護(hù)坡平均株高分別為27.50和27.12 cm,略小于草面護(hù)坡株高(28.33 cm)。磚面護(hù)坡黑麥草根長(16.27 cm)略大于網(wǎng)面護(hù)坡(15.67 cm)和草面護(hù)坡(10.83 cm)。網(wǎng)面、磚面、草面和土面護(hù)坡黑麥草單株平均干重分別為0.038、0.036 和0.034 g。由于缺少坡面構(gòu)筑物限制,網(wǎng)面護(hù)坡和草面護(hù)坡的單位面積植物干重較大,分別為磚面護(hù)坡的1.58和1.51倍。

表1 試驗(yàn)結(jié)束后黑麥草生長情況

2.5 護(hù)坡特征與污染物削減的相關(guān)性分析

在試驗(yàn)中可以明顯觀察到坡面植物和構(gòu)筑物的存在對(duì)水力停留時(shí)間(hydraulic retention time,HRT)產(chǎn)生的影響。降雨徑流進(jìn)入坡面后開始計(jì)時(shí),各處理于不同時(shí)段開始產(chǎn)生徑流。網(wǎng)面、磚面、草面和土面護(hù)坡出現(xiàn)徑流的平均時(shí)間分別為18′07″、15′55″、14′46″和13′29″。

2.6 不同護(hù)坡對(duì)徑流中污染物削減率Zi分綜合評(píng)價(jià)

從表2可知:對(duì)比4種護(hù)坡對(duì)PP、TP、COD等指標(biāo)削減率的Zi值發(fā)現(xiàn),磚面護(hù)坡各指標(biāo)去除效果優(yōu)于其他護(hù)坡,其次為網(wǎng)面護(hù)坡、草面護(hù)坡,最后為土面護(hù)坡。

表2 不同護(hù)坡污染指標(biāo)削減率Zi值

3 討論與結(jié)論

從相關(guān)性分析結(jié)果可以看出,由于坡面植物密度的差異,導(dǎo)致護(hù)坡對(duì)相同流速的進(jìn)水產(chǎn)生不同程度的延緩作用,表現(xiàn)為護(hù)坡HRT值的不同。而植物攔截程度的差異和HRT值的不同也使徑流中污染物,尤其是與TSS相關(guān)的污染物去除產(chǎn)生差異。TSS本身是一種污染物,也是各類污染物的載體,通過絡(luò)合吸附等作用吸納很多其他污染物,如COD和磷等。其中磷素是導(dǎo)致富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子,因此在防控雨水徑流中的磷素污染時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)TSS的攔截和去除[22-23]。植物密度的增加和HRT的延長可以減緩流速,促進(jìn)泥沙沉降與固土截沙,在去除TSS的同時(shí),降低徑流中與顆粒物相關(guān)的其他污染物的濃度,間接減少徑流中污染物進(jìn)入水體的比例。

從長期運(yùn)行看,護(hù)坡對(duì)硝態(tài)氮的去除是通過微生物反硝化作用和土壤深層歧化作用實(shí)現(xiàn)的[27]。試驗(yàn)設(shè)置為每周進(jìn)行1次進(jìn)水試驗(yàn),也是模擬現(xiàn)實(shí)護(hù)坡干濕交替的實(shí)際情況。各護(hù)坡植物生物量、微生物生境和種群的差異,在未進(jìn)水(降雨)時(shí)段會(huì)持續(xù)對(duì)護(hù)坡土壤截留徑流中的各類污染物進(jìn)行不同程度的分解,導(dǎo)致各護(hù)坡處理在下次試驗(yàn)時(shí)土壤吸收吸附能力不同,間接影響護(hù)坡對(duì)徑流污染物的去除效果。李宏鈞等[28]通過研究植物纖維毯對(duì)道路邊坡的影響,發(fā)現(xiàn)植物纖維毯可以改善邊坡微生物環(huán)境,形成穩(wěn)定的微生物群落,促進(jìn)植物生長。在本試驗(yàn)中,網(wǎng)面護(hù)坡對(duì)硝態(tài)氮和TN有相對(duì)較高的去除能力,可能是由于植被網(wǎng)的存在更有利于構(gòu)建微生物環(huán)境,間接促進(jìn)植物對(duì)氮的吸收以及護(hù)坡對(duì)下一次徑流中硝態(tài)氮的吸附;較長的根長將硝態(tài)氮通過淋溶過程引至土壤深層,并在還原條件下通過歧化還原成銨態(tài)氮。然而,網(wǎng)面護(hù)坡對(duì)顆粒物的攔截效果低于磚面護(hù)坡,所以對(duì)于顆粒物及相關(guān)污染物的去除效果低于磚面護(hù)坡。

在未來護(hù)坡研究中,首先可以從增加駁坎等坡面構(gòu)筑物元素,增加坡面高、中、低植物類型以促進(jìn)形成復(fù)合根系等角度考慮,加強(qiáng)坡面粗糙系數(shù),形成有效固土效果。本研究中4種護(hù)坡對(duì)氮的去除效果明顯低于對(duì)磷的除去效果,這可能是由于各處理反硝化能力的不足,因此可從材料角度選取孔隙度較大的填料或磚,以促進(jìn)反硝化微生物生境的構(gòu)建和顆粒物攔截的設(shè)置,達(dá)到高效削減氮、磷的目的。值得注意的是,網(wǎng)面護(hù)坡和草面護(hù)坡黑麥草在生長旺季(株高為40 cm左右時(shí)),因生長密度過高出現(xiàn)死苗現(xiàn)象,而磚面護(hù)坡的死苗比例較小,因此在選擇網(wǎng)面護(hù)坡或草面護(hù)坡這類坡面構(gòu)筑物較少的護(hù)坡改造時(shí),建議減少植被密度、增加不同高度植物以形成散熱區(qū)或加強(qiáng)人工刈割頻率,保障植物存活率和美觀程度。