多峰值降雨下典型源頭LID設(shè)施對(duì)徑流污染物的去除特性

廖 暉,劉成林,李潔芬

(1.湖南瀏陽(yáng)經(jīng)開(kāi)區(qū)水務(wù)股份有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410300;2.廣州市創(chuàng)景市政工程設(shè)計(jì)有限公司,廣東廣州 510000)

在全球變暖的地表環(huán)境背景下,很多地區(qū)強(qiáng)降水事件增多,且降水頻率及強(qiáng)度出現(xiàn)不穩(wěn)定的趨勢(shì),并使當(dāng)?shù)氐慕涤暧晷桶l(fā)生了明顯改變[1-3],總降雨量、暴雨強(qiáng)度等參數(shù)的時(shí)空分布明顯改變[4-6]。內(nèi)澇等災(zāi)害事件頻發(fā),給城市運(yùn)行和居民生活造成嚴(yán)重影響[7-9]。值得注意的是,很多研究人員對(duì)地表徑流污染物濃度分布及典型源頭低影響開(kāi)發(fā)(LID)設(shè)施的效果分析是基于芝加哥雨型,而芝加哥雨型屬于單峰型雨型,在實(shí)際情況中,多峰值降雨事件出現(xiàn)的概率是多于單峰值降雨事件的。且單峰型降雨事件中,地表徑流污染物濃度分布情況也與多峰值降雨事件存在差異。龔紅君[10]對(duì)天津城區(qū)的一場(chǎng)雙峰值降雨事件進(jìn)行了地表徑流污染物濃度實(shí)測(cè)分析。分析表明,整個(gè)降雨過(guò)程中,污染物濃度整體呈先升高后降低再升高的趨勢(shì),顯著受降雨量影響。在實(shí)際運(yùn)用中,缺少對(duì)多峰值雨型下地表徑流污染物濃度及典型源頭LID設(shè)施去除率的相關(guān)研究。

為了探究多峰值降雨雨型對(duì)地表徑流污染物濃度分布規(guī)律及對(duì)典型源頭LID設(shè)施去除效果的影響,在西北某市展開(kāi)了相關(guān)試驗(yàn)。根據(jù)該市近40年的實(shí)測(cè)降雨資料統(tǒng)計(jì)分析,該市的降雨量時(shí)間分布差異較大,全市一年內(nèi)的降雨量變化形狀多呈現(xiàn)出多峰值情況。本文通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的2次多峰值降雨過(guò)程中的地表徑流污染物濃度以及典型源頭LID設(shè)施進(jìn)出口徑流污染物濃度,來(lái)分析不同降雨雨型對(duì)各類(lèi)典型源頭LID設(shè)施運(yùn)行效果的影響。

1 樣品采集及試驗(yàn)方法

1.1 典型源頭LID設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)

透水鋪裝由面層(透水磚)、找平層、基層、墊層等部分構(gòu)成。找平層采用粗、中砂或干硬性水泥砂漿(水泥與砂質(zhì)量比約為1∶6)找平,厚度為20～30 mm;基層采用透水級(jí)配碎石、透水水泥混凝土或透水水泥穩(wěn)定碎石基層,厚度約為250 mm ;墊層以天然砂礫為材料。

雨水花園和高位花壇由蓄水層、覆蓋層、換土層、透水土工布和礫石層組成。蓄水層約為200 mm,覆蓋層約為50 mm,換土層約為300 mm,礫石層約為250 mm。

1.2 典型源頭LID設(shè)施進(jìn)出口水樣采集監(jiān)測(cè)方法

選取市區(qū)內(nèi)數(shù)量較多且具代表性的典型源頭LID設(shè)施開(kāi)展徑流水樣采樣工作。主要對(duì)雨水花園、高位花壇和透水鋪裝3類(lèi)典型源頭LID設(shè)施進(jìn)行采樣,本研究中的3類(lèi)LID設(shè)施均在同一小區(qū)內(nèi),對(duì)每個(gè)設(shè)施的進(jìn)出水口設(shè)置采樣點(diǎn),共6個(gè)采樣點(diǎn)。通過(guò)對(duì)3類(lèi)設(shè)施的進(jìn)水口和出水口進(jìn)行同步水質(zhì)監(jiān)測(cè),獲得單場(chǎng)降雨過(guò)程中進(jìn)入及排出的污染物濃度。由于降雨存在不確定性,根據(jù)實(shí)時(shí)降雨情況,一場(chǎng)降雨采集水樣的數(shù)量為8～16個(gè)。在徑流開(kāi)始后進(jìn)行采樣,前4個(gè)水樣的采樣間隔為10～15 min,4～16個(gè)水樣的采樣間隔為30～40 min,直到降雨結(jié)束。監(jiān)測(cè)的主要水質(zhì)指標(biāo)有固體懸浮物總量(SS)、化學(xué)需氧量(CODCr)、總氮(TN)、總磷(TP)、鉛、鋅、石油類(lèi)。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)方法

監(jiān)測(cè)的主要水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)方法如表1所示。

表1 主要水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)方法Tab.1 Main Water Quality Detection Methods

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

在2021年7月—8月,分別對(duì)2場(chǎng)降雨事件(大雨量雙峰型和小雨量多峰型)進(jìn)行了水樣監(jiān)測(cè)采集工作,并對(duì)典型源頭LID設(shè)施的污染物去除率及各自所在小區(qū)的徑流控制率進(jìn)行分析。

2.1 降雨事件分析

(1)1號(hào)降雨事件中,累計(jì)降雨量為37 mm,降雨歷時(shí)7 h。該事件中存在2個(gè)峰值雨量,分別為4 mm和6 mm。該降雨事件的雨型為大雨量雙峰型,雨量時(shí)間分布如圖1(a)所示。

圖1 雨量時(shí)間分布Fig.1 Rainfall-Time Distribution on Event 1 and Event 2

(2)2號(hào)降雨事件中,累計(jì)降雨量為14.00 mm,降雨歷時(shí)5 h,該事件的最大峰值雨量為2 mm。該降雨事件的雨型為小雨量多峰型,雨量分布如圖1(b)所示。

2.2 典型源頭LID設(shè)施徑流控制率分析

3種典型源頭LID設(shè)施所在小區(qū)的徑流控制率如表2所示。

表2 典型源頭LID設(shè)施徑流控制率Tab.2 Control Rate of Runoff of Typical Source LID Facilities

通過(guò)表2可知,在2號(hào)降雨事件中(小雨量多峰型),高位花壇和雨水花園的徑流控制率達(dá)到了100%,透水鋪裝的徑流控制率達(dá)到了98.29%;在1號(hào)降雨事件中(大雨量雙峰型),高位花壇的徑流控制率為76.23%,透水鋪裝的徑流控制率的控制率為83.89%,雨水花園的徑流控制率為70.15%。

2.3 典型源頭LID設(shè)施污染物去除率分析

2.3.1 高位花壇水質(zhì)指標(biāo)分析

高位花壇進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 高位花壇(進(jìn)出口)污染物濃度-降雨時(shí)間(1號(hào)降雨事件)Fig.2 High Flower Bed (Inlet and Outlet) Pollutant Concentration-Rainfall Time (Rainfall Event 1)

圖3 高位花壇(進(jìn)口)污染物濃度-降雨時(shí)間(2號(hào)降雨事件)Fig.3 High Flower Bed (Inlet) Pollutant Concentration-Rainfall Time (Rainfall Event 2)

由圖2～圖3可知,在大雨量雙峰值的降雨事件中,高位花壇的進(jìn)口污染物濃度分布呈單峰分布,且峰值濃度出現(xiàn)在降雨事件第一個(gè)峰值之前;高位花壇的出口污染物濃度分布仍呈單峰分布,但峰值濃度出現(xiàn)在降雨事件第一個(gè)峰值之后;在降雨事件中發(fā)生第二次峰值降雨后,污染物濃度分布未出現(xiàn)新的峰值。說(shuō)明大雨量的情況下,會(huì)對(duì)地表的沖刷程度更加徹底,故在出現(xiàn)第二次降雨峰值時(shí),地表污染物濃度不再升高。該高位花壇在該降雨事件中,對(duì)SS、CODCr的去除率達(dá)到了70%以上;對(duì)TP的去除率達(dá)到了89%以上。鉛、鋅、石油類(lèi)濃度變化較小,在降雨過(guò)程中沒(méi)有明顯的峰值現(xiàn)象,TP平均質(zhì)量濃度為0.12 mg/L,鉛平均質(zhì)量濃度為0.001 mg/L,鋅平均質(zhì)量濃度為0.096 mg/L,石油類(lèi)平均質(zhì)量濃度為0.063 mg/L。

在小雨量多峰型的降雨事件中,高位花壇的進(jìn)口污染物濃度分布沒(méi)有出現(xiàn)先增后減的分布狀態(tài),而是僅出現(xiàn)了最大值,且在整個(gè)事件中,污染物濃度呈負(fù)斜率直線型。由于整個(gè)降雨事件中總雨量較小,高位花壇沒(méi)有明顯徑流產(chǎn)生,表現(xiàn)出了較好的徑流控制效果。相較于大雨量雙峰值事件,該高位花壇在小雨量多峰值的事件中,對(duì)SS、CODCr的去除率提高至85%以上;對(duì)TN的去除率提高至83%以上,說(shuō)明小雨量多峰值的雨型對(duì)地表的沖刷速度會(huì)小于大雨量雙峰值的雨型,通過(guò)兩次峰值雨量的沖刷后才出現(xiàn)污染物的濃度峰值。且由于污染物流入典型源頭LID設(shè)施的速度較慢,一定程度上減輕了典型源頭LID設(shè)施的處理負(fù)荷,從而能夠更好地發(fā)揮典型源頭LID設(shè)施的污染物去除效果。

2.3.2 透水鋪裝水質(zhì)指標(biāo)分析

透水鋪裝進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖4 透水鋪裝(進(jìn)出口)污染物濃度-降雨時(shí)間(1號(hào)降雨事件)Fig.4 Permeable Pavement (Inlet and Outlet) Pollutant Concentration-Rainfall Time (Rainfall Event 1)

圖5 透水鋪裝(進(jìn)出口)污染物濃度-降雨時(shí)間(2號(hào)降雨事件)Fig.5 Permeable Pavement (Inlet and Outlet) Pollutant Concentration-Rainfall Time (Rainfall Event 2)

由圖4～圖5可知,在大雨量雙峰值的降雨事件中,透水鋪裝的進(jìn)口污染物濃度分布呈單峰分布,且峰值濃度出現(xiàn)在降雨事件第一個(gè)峰值之前;透水鋪裝的出口污染物濃度分布仍呈單峰分布,但峰值濃度出現(xiàn)在降雨事件第二個(gè)峰值之后,且較第二個(gè)降雨峰值約晚2 h出現(xiàn);在降雨事件中發(fā)生第二次峰值降雨后,污染物濃度分布未出現(xiàn)新的峰值。該透水鋪裝在該降雨事件中,對(duì)SS、CODCr的去除率達(dá)到了70%以上;對(duì)TP的去除率達(dá)到了82%以上,對(duì)TN的去除率較低,在50%左右。TP、鋅、石油類(lèi)濃度變化較小,在降雨過(guò)程中沒(méi)有明顯的峰值現(xiàn)象,TP平均質(zhì)量濃度為0.12 mg/L,鋅平均質(zhì)量濃度為0.23 mg/L,石油類(lèi)平均質(zhì)量濃度為0.13 mg/L。

在小雨量多峰型的降雨事件中,透水鋪裝的進(jìn)口污染物濃度分布有2個(gè)峰值,分別出現(xiàn)在第二、三個(gè)峰值雨量后,在整個(gè)降雨事件中,進(jìn)口污染物濃度呈下降趨勢(shì);透水鋪裝的出口污染物峰值濃度出現(xiàn)在第三個(gè)峰值雨量后,且相對(duì)第二個(gè)進(jìn)口污染物濃度峰值沒(méi)有太大的延遲,說(shuō)明在小雨量多峰值的降雨事件中,透水鋪裝對(duì)徑流污染物的截留能力要弱于大雨量雙峰值的情況。在多峰值降雨事件中,透水鋪裝被多次峰值雨量沖刷后,原本滯留在透水鋪裝中的污染物再次被沖刷出來(lái)。故該透水鋪裝在本次研究中的多峰值降雨事件中,相對(duì)于雙峰值降雨事件,對(duì)SS、CODCr的去除率降低至54%左右;對(duì)TN的去除率降低至42%左右。

2.3.3 雨水花園水質(zhì)指標(biāo)分析

雨水花園進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 雨水花園(進(jìn)出口)污染物濃度-降雨時(shí)間(1號(hào)降雨事件)Fig.6 Rain Garden (Inlet and Outlet) Pollutant Concentration-Rainfall Time (Rainfall Event 1)

由圖6可知,在大雨量雙峰值的降雨事件中,雨水花園的進(jìn)口污染物濃度分布沒(méi)有出現(xiàn)先增后減的分布狀態(tài),而是僅出現(xiàn)了最大值,該最大值相較第一個(gè)降雨峰值提早約2 h出現(xiàn),在整個(gè)事件中,污染物濃度呈下降趨勢(shì);雨水花園的出口污染物濃度分布呈單峰分布,且峰值濃度與第二個(gè)降雨峰值出現(xiàn)的時(shí)間基本一致;在小雨量多峰型的降雨事件中,雨水花園的出口沒(méi)有明顯的徑流出現(xiàn),表現(xiàn)出較好的徑流控制效果。該雨水花園在大雨量雙峰值降雨事件中,對(duì)SS、CODCr的去除率達(dá)到了90%以上;對(duì)TP的去除率達(dá)到了95%以上,對(duì)TN的去除率達(dá)到了86%以上。TP、鉛、鋅、石油類(lèi)濃度變化較小,在降雨過(guò)程中沒(méi)有明顯的峰值現(xiàn)象,TP平均質(zhì)量濃度為0.016 mg/L,鋅平均質(zhì)量濃度為0.060 mg/L,石油類(lèi)平均質(zhì)量濃度為0.001 mg/L。相對(duì)高位花壇,雨水花園具有更多樣、更完善的植物根系吸附體系以及更長(zhǎng)的徑流滯留通道,故在相同的大雨量雙峰值降雨事件中,雨水花園的污染物去除效果要好于高位花壇的污染物去除效果。

3 結(jié)論

(1)不同降雨量和雨型會(huì)對(duì)典型源頭LID設(shè)施的污染物濃度時(shí)間分布造成影響。在本研究的大雨量雙峰值的降雨事件中,各典型源頭LID設(shè)施的進(jìn)出口污染物濃度分布基本呈單峰分布。在小雨量多峰值的降雨事件中,各LID設(shè)施的進(jìn)口污染物濃度分布仍呈單峰分布,但出口污染物濃度分布不再呈單峰分布,而是呈負(fù)斜率直線型。

(2)具有植物覆蓋的典型源頭LID設(shè)施在小雨量多峰值的降雨事件中表現(xiàn)出更好的污染物去除效果。雨水花園和高位花壇對(duì)SS、CODCr的去除率為85%～90%;對(duì)TN的去除率為76%～83%,對(duì)TP的去除率為76%～95%;不具備植物覆蓋的典型源頭LID設(shè)施(透水鋪裝)對(duì)SS、CODCr的去除率僅為54%左右;對(duì)TN的去除率僅為42%左右。

(3)不同降雨事件之間由于降雨量、最大降雨峰值及降雨時(shí)長(zhǎng)不同,而導(dǎo)致徑流的不同,最終也是因?yàn)閺搅鞯牟煌a(chǎn)生了徑流總量和典型源頭LID設(shè)施的徑流控制效果、徑流污染物去除率在不同雨型之間有差別的現(xiàn)象。分析得出,降雨量較大且峰值雨量較為明顯、徑流污染較為嚴(yán)重且內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)較大的工業(yè)區(qū)或商業(yè)區(qū),布置雨水花園、高位花壇等生物滯留帶類(lèi)型的典型源頭LID設(shè)施來(lái)削減徑流量,降低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)以及凈化初期雨水所造成的徑流污染;降雨量較小且存在多個(gè)峰值雨量的地區(qū),可以布置透水鋪裝、透水瀝青等硬化鋪裝類(lèi)典型源頭LID設(shè)施以及調(diào)蓄池來(lái)收集凈化后的雨水,從而達(dá)到削減初期雨水污染,雨水循環(huán)利用的目的。