多塘濕地對降雨徑流的截留特點

李 丹，鄭丙輝，儲昭升*，侯澤英，袁 靜

1. 中國環(huán)境科學研究院，湖泊水污染治理與生態(tài)修復技術國家工程實驗室，北京 100012

2. 中國環(huán)境科學研究院，國家環(huán)境保護湖泊污染控制重點實驗室，北京 100012

3. 南京工業(yè)大學城市建設學院，江蘇 南京 211816

徑流污染是面源污染的主要類型之一，指污染物在降雨的淋洗沖刷下形成地表徑流[1-3]. 塘-濕地組合生態(tài)系統(tǒng)區(qū)別于人工濕地，具有水深大、蓄水佳、耐沖擊強、能夠凈化徑流污染且凈化后可以中水回用[4-5]等特點，不僅有助于水資源循環(huán)利用，也能緩解缺水性地區(qū)水資源短缺的難題[6-7]. 根據(jù)面源來水特征，利用地形合理設計塘-濕地，因地制宜凈化匯水區(qū)域內(nèi)的面源來水[8-9]，是當前面源污染控制與治理的關鍵環(huán)節(jié).

洱海是我國重要的水源地，雨季降雨集中，徑流污染嚴重，威脅洱海水環(huán)境和水生態(tài)的健康[10]. 2017年，洱海流域嘗試性的采用數(shù)個多塘濕地聯(lián)動運行截留面源污染[11-13]，采用“網(wǎng)絡星狀”分散布點，構建山區(qū)壩區(qū)的點線面整合，改變面源污水的匯流過程，將面源污水從源效應轉變?yōu)閰R效應.

人工雨水濕地、滯留池等水生態(tài)基礎設施通過人工干預、利用其自凈能力實現(xiàn)雨水調(diào)控. 據(jù)報道顯示，雨水濕地在場次降雨中對徑流流量峰值的削減率為70%～80%，對徑流總量的削減率在50%以上[14-15].單保慶等[4]研究表明，沉淀池、塘、濕地組成系統(tǒng)對TSS(總懸浮固體物)、CODCr、TN和TP的持留率分別為92.9%、96.0%、85.7%和80.9%. 然而，徑流污染隨機性強、水文學機制復雜、組分多變、時空分布差異大，增加了濕地對徑流污染攔截的難度. 水系統(tǒng)生態(tài)設計作為新型的生態(tài)處理方式，有助于改善濕地對徑流污染調(diào)控不足的缺點[16-17].

目前，生態(tài)工程設計的研究主要集中于不同工況、工藝組合及功能提效設計的方面[18-19]，缺乏對降雨過程中濕地水質(zhì)水量演變規(guī)律及其截留特點的研究. 為研究降雨徑流在多塘濕地中的截留特點，該研究對調(diào)蓄塘-表流濕地-塘-生態(tài)浮床-穩(wěn)定塘串聯(lián)系統(tǒng)在兩場次降雨過程及降雨后進出水水質(zhì)水量進行長時間連續(xù)性監(jiān)測，識別雨中和雨后多塘濕地的凈化特點，以期為多塘濕地截留徑流污染控制及調(diào)度提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 多塘濕地系統(tǒng)

小邑莊生態(tài)浮床多塘濕地(100°11′11.78″E、25°42′42.85″N)坐落于我國云南省大理白族自治州大理市境內(nèi)，處于大理古城與洱海之間，大理古城位于小邑莊濕地上游. 古城雖已建污水收集管網(wǎng)，但是在降雨量較大時，上游管網(wǎng)依然有冒井現(xiàn)象，易增加下游濕地的進水來水量. 小邑莊多塘濕地凈化處理后的面源污水，排放入下游調(diào)蓄帶，調(diào)蓄帶里的水部分供給周邊農(nóng)田灌溉，部分排放入洱海.

多塘濕地匯水區(qū)域總面積3.7×106m2，居民地占44.3%，農(nóng)用地占50.7%. 多塘濕地占地面積約10 000 m2，水域面積約7 000 m2，雨季時水深約1.9 m. 小邑莊生態(tài)浮床多塘濕地（見圖1）包括塘、濕地和生態(tài)浮床等工藝，共有9級單元：1級單元為調(diào)蓄塘，種植水葫蘆〔鳳眼蓮，Eichhornia crassipes(Mart.) Solms〕，植被覆蓋度為100%；2級單元為無植物種植的表流濕地；3～5級單元為表流濕地，采用單一種植，依次種梭魚草(Pontederia cordataL.)、水 蔥(Scirpus validusVahl.)，且梭魚草植被覆蓋度為100%；6級和7級單元為無植物的裸塘；8級單元為生態(tài)浮床濕地，浮體上水培種植經(jīng)濟作物，如水芹〔Oenanthe javanica(Bl.) DC.〕和空心菜(Ipomoea aquaticaForsk.)等，植被覆蓋度為100%；9級單元是無植物的穩(wěn)定塘. 該組合工藝被命名為調(diào)蓄塘-表流濕地-塘-生態(tài)浮床-穩(wěn)定塘.

圖1 小邑莊生態(tài)浮床多塘濕地平面布置示意Fig.1 General layout of Xiaoyizhuang multi-pond constructed wetland combination with ecological floating bed

1.2 樣品采集與測試方法

針對2017年8月25日和9月6日兩場次降雨，進行長時間連續(xù)監(jiān)測，分別歷時20和22.5 h，約為1 300 min. 降雨初期記錄為0時，每場降雨共采集23批次進出口水樣(計46個/每場)，濕地每一單元計10個水樣，采集4批次，共80樣品. 樣品用550 mL PVC塑料瓶收集，采集后立即運往實驗室對水質(zhì)指標進行監(jiān)測. 進出口流速采用LS1206B型旋槳式流速儀(南京水利水文自動化研究所防汛設備廠)測量.雨量數(shù)據(jù)采用自動雨量監(jiān)測系統(tǒng)U30 (OnsetHOBO，USA)測量. NH3-N、NO3--N、TN、PO43--P和TP的濃度分別采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)中納氏試劑分光光度法、紫外分光光度法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、鉬銻抗紫外分光光度法和過硫酸鉀消解鉬銻抗紫外分光光度法進行檢測. 試驗用水均為新制去離子水.

1.3 數(shù)據(jù)分析

多塘濕地進水污染物負荷量〔mass loading (ML)，g/d〕計算如式(1)所示，營養(yǎng)鹽去除率(η, %)和去除量(Rm, g/d)的計算分別如式(2)(3)所示.

式中：Cij和Coj分別為進、出水中污染物濃度，mg/L，其中j=1, 2, 3, 4, 5，分 別 表 示NH3-N、NO3--N、TN、PO43--P和TP；qi和qo分別為進、出水水量，m3/d.

多塘濕地進水水量(qi, m3/d)按式(4)計算，進水的水力負荷〔HLR, m3/(m2·d)〕和水力停留時間(HRT, d)分別按式(5)(6)計算：

式中：μ為進水斷面流速，m/s；H為進水斷面水深，m；W為進水斷面溝渠的寬，m；A為多塘濕地水域面積，m2；V為多塘濕地有效容積，m3.

采用Excel 2016和Origin 9.0等軟件對數(shù)據(jù)進行分析和繪圖.

2 結果與分析

2.1 進水水量及降雨量隨時間的變化特征

2017年8月25日和9月6日兩次降雨過程中進出水水量及降雨量隨時間的變化特征如圖2所示. 由圖2可見，兩次降雨雨量差異顯著，多塘濕地進水水量變化較大，出水相對穩(wěn)定，但總體趨勢與進水保持一致. 9月6日累計雨量(28.2 mm)大于8月25日(16.4 mm). 雨強的波動性對進水量影響不顯著，但累計雨量影響徑流產(chǎn)生量，因此顯著影響進水量. 8月25日雨強在降雨15 min后最大，為12.8 mm/h；進水量峰值出現(xiàn)在降雨575 min時，為12 776.4 m3/d. 9月6日雨強峰值出現(xiàn)在降雨后30 min，為27.2 min/h；降雨120 min時累計雨量達24.1 mm，720 min時累計雨量達27.3 mm，990 min時累計雨量達27.9 mm. 而多塘濕地進水量在前180 min持續(xù)上升，后緩慢下降約150 min后又快速上升，在330 min達到峰值(14 227.2 m3/d). 降雨過程中進水量隨著雨情變化而變化，進水量峰值出現(xiàn)的時間均滯后于不同階段累計雨量.

圖2 8月25日和9月6日兩次降雨過程中累計雨量、雨強和進出水水量隨時間的變化特征Fig.2 Variation in characteristics of accumulated amount of rainfall, rainfall intensity, the amount of influent and effluent over time during the two rainfall processes on August 25th and September 6th

2.2 進水水力負荷的變化特征

2017年8月25日和9月6日兩次降雨過程中多塘濕地進水水力負荷和水力停留時間的變化特征如圖3所示. 由圖3可見，兩次降雨過程中，水力負荷差異顯著，水力停留時間一直在1.24～7.08 d之間. 當水力負荷大于1.0 m3/(m2·d)時，多塘濕地水力停留時間基本低于2 d. 未降雨時，水力負荷約為0.27～0.29 m3/(m2·d). 降雨過程中，由于降雨的發(fā)生加劇了地表徑流，使得多塘濕地進水量增大，水力負荷增加. 8月25日水力負荷峰值出現(xiàn)在降雨后575 min時，為2.20 m3/(m2·d)，相對于降雨量變化，水力負荷明顯滯后.9月6日降雨后水力負荷持續(xù)上升，140 min時達1.76 m3/(m2·d)，峰值出現(xiàn)在330 min，為2.45 m3/(m2·d)，此后持續(xù)下降，并在990 min時達到第二個峰值，為1.99 m3/(m2·d). 這說明進水量峰值和水力負荷峰值明顯晚于雨強峰值及累計雨量峰值，其滯后時間約為30～150 min. 這是由于降雨形成徑流過程需要時間，且自上游而來的來水，需要時間匯入多塘濕地. 不同場次降雨徑流滯后時間也存在差異，這與累計雨量和雨強均有關，其決定了水力負荷變化滯后于降雨時間.

圖3 8月25日和9月6日兩次降雨過程中水力負荷和水力停留時間隨時間的變化特征Fig.3 Variation in characteristics of hydraulic load and residence time over time during the two rainfall processes on August 25th and September 6th

2.3 進出水氮磷污染物濃度的分布特征

2017年8月25日和9月6日進出水氮磷污染物濃度分布如圖4所示. 由圖4可見，8月25日進水TN和TP濃度平均值分別為(5.89±0.34) (1.150±0.078)mg/L，9月6日進水TN和TP濃度平均值分別為(6.32±0.70) (0.900±0.058) mg/L，進水污染物組分的差異主要與在降雨期間匯水區(qū)域內(nèi)面源污染的氮磷輸入有關[20]. 降雨后的30 min內(nèi)，污染物濃度達到峰值.進水污染物濃度隨時間變化無顯著規(guī)律，這是由于面源污染不同組分隨機性較強，從而其在時間上無顯著特點. 降雨過程中進水污染物濃度相對穩(wěn)定，這主要由于匯水區(qū)域內(nèi)徑流量大，較大的水量有利于污染物濃度的穩(wěn)定[21]. 出水污染物濃度隨時間變化差異顯著，8月25日NH3-N出水濃度多高于進水濃度，在降雨后70 min內(nèi)，出水磷濃度也多高于進水濃度，主要由于降雨初期，水量變大可能造成底質(zhì)擾動，導致部分單元某些污染物出水濃度大于進水濃度. 9月6日出水氮濃度多低于進水濃度，而降雨后期出水磷濃度多高于進水濃度. 不同污染物在濕地中的凈化過程差異可以解釋濕地出水污染物濃度變化與水力負荷、污染物濃度及污染負荷的不同步[22].

圖4 8月25日和9月6日兩次降雨過程中進出水氮磷濃度隨時間變化特征Fig.4 Variation in characteristics of nitrogen and phosphorus concentration in the influent and effluent over time during the two rainfall processes on August 25th and September 6th

2.4 進水氮磷負荷量的變化特征

2017年8月25日和9月6日進水氮磷負荷量的變化特征如圖5所示. 由圖5可見，兩次降雨氮磷污染負荷差異明顯. 進水污染物負荷與進水量波動趨勢基本一致，說明降雨過程中水量影響較大. 9月6日TN和TP負荷量大于8月25日的氮磷負荷量，主要源于9月6日降雨量較大，導致徑流量增大，增加了多塘濕地進水量，從而污染物負荷量較大. 8月25日在降雨后的275 min持續(xù)上升，后略有下降，在515～575 min達到峰值. 9月6日TN和TP負荷峰值出現(xiàn)在降雨后330 min時，此后呈現(xiàn)先下降后上升趨勢.當無明顯降雨時，多塘濕地進水污染物負荷依然持續(xù)上升，這一結果進一步說明進水污染物負荷量峰值出現(xiàn)的時間晚于降雨峰值. 降雨后濕地進水污染物負荷量均顯著大于初始污染物負荷(0點即非降雨期)，說明由降雨引發(fā)的徑流污染不可忽視. 已有研究[23-24]證實，采用調(diào)控初期(降雨后30 min)雨水控制徑流污染負荷，這一結論只能作為應急措施控制徑流污染，長遠發(fā)展降雨徑流污染控制依然需要立足水量及污染負荷.

圖5 8月25日和9月6日兩次降雨過程中進水TN和TP負荷量隨時間的變化特征Fig.5 Variation in characteristics of influent TN and TP mass load over time during the two rainfall processes on August 25th and September 6th

2.5 每單元氮磷濃度流程分布特征

2017年8月25日和9月6日每單元氮磷濃度隨流程分布特征如圖6所示. 由圖6可見，兩次降雨氮磷濃度隨流程總體均呈下降趨勢，然而在2～6級單元均有不同程度的波動，特別是表流濕地區(qū)域波動性較為顯著，表流濕地水深較淺，來水水量大造成底質(zhì)擾動. 6級單元水深較深，但是由于沒有植物，且塘面積相對較小，對污染物凈化能力不穩(wěn)定. 8級單元是生態(tài)浮床，水深較深，且植被覆蓋度較高，有利于污染物的凈化[25]. 9級單元是穩(wěn)定塘，水深較深，但無植物，雖有利于出水水質(zhì)的穩(wěn)定，但凈化能力相對較弱.8月25日在170和575 min時各單元氮磷污染物濃度波動性均較大，這與降雨過程中濕地進水水量始終高于非降雨期，較大的污染物負荷影響濕地對污染物的去除有關. 9月6日在180 min磷濃度波動最強，特別是2～4級單元，這說明表流濕地對水量較大的來水緩沖能力弱. 450 min氮濃度波動性顯著，由于進水污染物負荷隨著峰值的出現(xiàn)，負荷過載，增強了濕地脫氮的壓力，且濕地對污染物的去除需要充足的時間，這也增加了濕地對污染物沿程凈化的擾動[19,26]. 因此，濕地對污染物的凈化不但與來水有關，也與濕地自身特點，特別是各單元工藝特點有關.

圖6 8月25日和9月6日兩次降雨過程中每單元TN和TP濃度隨流程的變化特征Fig.6 Distribution characteristics of nitrogen and phosphorus concentration in per unit along the flow path during the rainfall on August 25th and September 6th

2.6 污染物去除率和去除量的變化特征

2017年8月25日和9月6日氮磷污染物去除率和去除量隨時間的變化特征如圖7所示. 由圖7可見，8月25日TN、TP去除率分別為33.6%～81.6%和29.6%～78.0%，9月6日TN、TP去除率分別為50.0%～88.7%和25.2%～74.7%. 兩次降雨過程中，在前120 min濕地污染物去除率持續(xù)上升，此后相對穩(wěn)定. 降雨期間水質(zhì)變幅較小，水量變幅大，說明水量對濕地去除效果的影響較為明顯. 濕地去除量波動性大于去除率，說明濕地對污染物去除率達到一定范圍時，污染物的去除量隨著進水污染負荷的增加依然可以得到提升，說明濕地對于污染物的消納有良好的韌性. 這也可以用于解釋濕地出水濃度即使高于進水，但匹配水量后依然有良好的污染物去除效果. 8月25日氮磷去除量峰值出現(xiàn)在455～575 min，瞬時去除量分別為58.5和10.8 g/d；9月6日氮磷去除量峰值出現(xiàn)在330～390 min，瞬時去除量分別為86.9和9.9 g/d，與進水負荷量以及水力負荷量變化一致，說明去除量更適用表征濕地對徑流的實際攔截程度.

圖7 8月25日和9月6日兩次降雨過程中氮磷去除率和去除量隨時間的變化特征Fig.7 Distribution characteristics of nitrogen and phosphorus removal efficiency and mass removal over time during the two rainfall processes on August 25th and September 6th

3 討論

雨水徑流是面源污染的主要形式之一. 多塘濕地系統(tǒng)截留徑流污染是一種有效的生態(tài)工程技術，能夠?qū)⒌乇硭得嬖磥硭伞霸础备淖優(yōu)椤皡R”，有助于區(qū)域水循環(huán)利用及面源污染治理，增加污染物在匯水區(qū)域內(nèi)部循環(huán)，從而降低了污染物的輸出，減輕其對周圍水體污染的潛在風險.

3.1 多塘濕地進水影響因素

徑流的發(fā)生與降雨密切相關，常靜[27]研究發(fā)現(xiàn)，污染物沖刷過程的主要影響因素為降雨量、降雨時長及降雨雨強. 該研究中，隨著時間推移多塘濕地的進水水量與累計雨量的波動具有相似性，且具有滯后性. 不同雨量、雨強以及降雨時長差異造成污染沖刷的差異，因此污染物的濃度在同場次降雨中具有一定的波動性，特別是降雨初期，波動性較為明顯. 以往研究[23-24]強調(diào)降雨徑流初期雨水攔截，這是由于初期雨水污染物濃度較高. 而該研究證實，在降雨初期污染物濃度明顯上升，但整場降雨過程污染濃度多高于非降雨期，且由于水量的增加，污染物負荷始終較大. 因此，降雨徑流控制中降雨過的水量及水質(zhì)變化均需要重點關注.

3.2 多塘濕地系統(tǒng)對降雨徑流的水文調(diào)控作用

王春連等[8]研究證實前置塘+二階表流濕地組合系統(tǒng)對降雨徑流具有較好的調(diào)控效果，場降雨徑流削減率為64%～83%；單保慶等[4]研究了塘-濕地組合系統(tǒng)對城市旅游區(qū)降雨徑流污染的在線截控作用，發(fā)現(xiàn)在暴雨連續(xù)流事件中該體系具有較好的徑流調(diào)控作用，徑流削減率達85%. 該研究徑流污染中氮磷去除率最高達88.7%，最低為25.2%，這主要與降雨徑流水量負荷有關. 當水量過大會造成濕地對徑流截留的難度[22]. 不同場次降雨中，濕地水位上升，水深加深，有效容積變大，有助于水力停留時間的延長，這也證實了濕地可以通過增大有效容積，實現(xiàn)徑流污染的截留. 這與肖海文等[9]研究結果相似，他們證實降雨期間人工濕地進水流量大于出水流量，濕地水位明顯上漲，蓄納容積增大. 因此，在降雨徑流的控制中，可以根據(jù)降雨量的預測，對多塘濕地的水位進行調(diào)控，增加其對降雨徑流的蓄納空間，以增強濕地對徑流的截留.

3.3 多塘濕地組合工藝對污染物截留的影響

多塘濕地的設計也會影響其對徑流污染的截留.Olding等[28]發(fā)現(xiàn)，坑塘濕地的設計特征和設計形態(tài)會影響雨水塘的水質(zhì)化學性質(zhì)，特別是水力負荷、水力停留時間及水深均直接影響局部好氧環(huán)境的存在，從而影響氮磷的硝化、反硝化、吸收和釋放等過程，影響濕地對徑流污染的凈化. 該研究中表流濕地的凈化效率在沿程上波動顯著，與Olding等[28]研究結果一致，表流濕地水深較淺，濕地容積有限，易造成水力停留時間不足，導致濕地污染物凈化效能穩(wěn)定性較差. 不同場次降雨過程中，由于雨量的差異引起濕地進水水力負荷的差異，進而導致濕地內(nèi)部擾動差異，影響濕地的微生境和氧氣的分布. 而調(diào)蓄塘-表流濕地-塘-生態(tài)浮床-穩(wěn)定塘耦合工藝系統(tǒng)采用深淺交錯的工藝進行聯(lián)動運行，有助于在不同單元形成不同的微生境，營造不同的氧環(huán)境，通過沉淀、吸附、同化、硝化、反硝化等過程，實現(xiàn)對徑流污染的截留、緩沖和存儲. 該組合工藝聯(lián)動，對不同降雨徑流條件下的產(chǎn)流時間、流量、徑流削減率具有多重調(diào)控作用，延長了污染物在流域內(nèi)部的滯留時間，減少了污染負荷的輸出，對降雨徑流過程中污染物總量具有較好的截留效果.

調(diào)蓄塘有利于徑流污染的沉淀、吸附等過程，塘中漂浮植物水葫蘆具有良好的凈污功能，且繁殖能力強，當水位升高時，隨著水位浮動，不影響其生長，能夠保證良好的植被覆蓋度，利于對污染物的吸收、吸附. 該塘比較深，水位上升，且較高的植被覆蓋度，有助于濕地在垂直方向上不同氧環(huán)境的營造. 表流濕地中，水深較淺，進水水量增加，水力負荷增大，雖增強了濕地的擾動，但有助于濕地氧氣的補給，創(chuàng)建好氧的反應環(huán)節(jié). 此外，表流濕地增加水體擾動，導致局部污染物濃度高于進水濃度，但由于多塘濕地后續(xù)單元深水塘水深較深，降雨過程中水位上升，有效容積增大，有利于污水停留，可緩解過水量帶來的擾動. 生態(tài)浮床工藝的耦合，其浮床床體可以隨著水位波動而自行調(diào)節(jié)，且隨著水深的加深，在垂直縱向形成不同的氧梯度，有利于好氧缺氧環(huán)境的形成以及硝化和反硝化的過程，浮床植物利于增強根際微生物活性，增加溶解性氧含量等，有利于各類微生物在濕地生長繁殖，強化人工濕地凈化能力[29-30]. 特別是在水量較大、進水水力負荷較大的情況下，水深的增加，使得水力停留時間仍能保持在1 d以上，保證了污水與濕地的接觸時間，有利于污染的截留凈化. 因此，深水多塘濕地為污水提供更多的蓄納空間，利于濕地對于水量的調(diào)節(jié). 另外，各單元多種工藝耦合聯(lián)用，且不同水深交替運行，有利于營造不同微生境，有助于氮磷遷移轉化，增強對水質(zhì)的凈化作用，該組合工藝聯(lián)動運行能夠強化對徑流及其污染物的削減[20,31].

4 結論

a) 多塘濕地進水量隨降雨雨情變化而變化，進水量峰值出現(xiàn)的時間均滯后于雨強峰值和累計雨量，雨強的波動性對濕地進水量影響不顯著，累計雨量顯著影響徑流的產(chǎn)生量，進而影響濕地進水水量，造成濕地進水水力負荷急劇上升. 9月6日，濕地水力負荷最大，達2.45 m3/(m2·d). 由于降雨過程中，水位上升，有效容積增大，多塘濕地的水力停留時間為1.24～7.08 d，有利于多塘濕地對污染物的截留.

b) 多塘濕地進水水質(zhì)變化隨降雨過程無顯著規(guī)律，這主要由于匯水區(qū)域面源污染組分復雜. 出水污染物濃度變幅較大，主要由于進水量過大，局部區(qū)域擾動過大. 整個降雨過程中，進水污染物負荷與進水量變化一致，降雨期間水量和污染物負荷始終大于非降雨期，說明降雨期間徑流污染僅采用洪峰控制是不充分的，特別是雨季降雨頻繁的地區(qū)，其降雨徑流污染控制需要考慮污染負荷的影響.

c) 降雨期間多塘濕地對徑流污染有良好的截留作用，TN、TP去除率分別為33.6%～88.7%和25.2%～78.0%. 進水水力負荷的增加增強了濕地的擾動，導致局部污染物濃度高于進水濃度，但由于調(diào)蓄塘-表流濕地-塘-生態(tài)浮床-穩(wěn)定塘耦合工藝系統(tǒng)結構多元化，且水深較深，有助于污染物在濕地內(nèi)部的消納滯留.