河流滨岸带坡面对降雨径流的污染削减效应——以上海市樱桃河为例

张 舟,邹家唱,朱 韬,于佳欣,蔡晨冰,徐 迅

(1.华东师范大学环境科学系, 上海 200241;2.中山大学环境工程系,广东广州 510006)

城市河流受纳的污染分为点源污染、面源污染。近年来各地已对点源污染开发出较成熟的处理技术和排放制度,而对面源污染的控制仍存在较大缺失,其中城市降雨径流已成为城市地表水环境的第三大污染源[1]。与此同时,利用人工湿地系统、快速渗滤系统以及土壤含水层处理系统等各种处理方式进行削减城市降雨径流污染的研究受到广泛关注[2]。

国外自20 世纪70 年代起已开始利用各类型的绿地来蓄渗地表径流和削减径流污染,其中最具代表性的是美国提出的最佳管理措施(BMPs)[3],而国内对天然绿地削减径流污染的研究起步相对较晚,且已有研究多为室内模拟实验。针对以上问题,笔者以上海市樱桃河为例,探究城市中的天然绿地对降雨径流的污染削减效果并提出较优设计方案。不同坡度、覆被植物种类的下凹式绿地对城市不同功能区降雨径流污染的削减研究还有待进一步研究[4]。

1 实验设计与数据采集

1.1 樱桃河基本水环境指标

樱桃河为苏州河末端支流,河宽约为19.2 m,水深约2 m。秋冬季节樱桃河基本水质状况为：ρ(NH3-N)=1.02mg/L,ρ(TP)=0.32 mg/L,ρ(COD)=78.38 mg/L, pH 值为7.50, 电导率为0.73。其中COD 污染较严重,水质整体评价为劣Ⅴ类。

1.2 方案设计

有关降雨污染的研究多集中于夏秋季节,为弥补研究资料缺失,实验选择秋冬季节。该季节气候相对干燥,降雨不易形成径流。经实验检测对比,雨水自身污染物含量不及地表径流污染物含量的1/20,为保证实验数量和质量,采用人工模拟方式进行。

1.2.1 模拟降雨径流

采用自来水冲刷路面的方式模拟降雨径流,并采集水样,作为流经河流滨岸带的初始水质状况。

1.2.2 实验样地选取

樱桃河的河流滨岸带平均带宽约为5.5 m,东岸被低矮的林丛覆盖,坡度较陡,约55°～60°;西岸整体较为平坦,但坡度不均,缓坡约为8°,陡坡约为29°。植被群落结构包括灌木层、草本层,其中灌木层主要植物为法国冬青、六月雪,草本层主要植物为狗牙根、沿阶草。土壤质地较为均一,综合评价为壤土。

河东岸坡度较陡且多被林丛覆盖,不利于开展实地研究;故选取河流西岸两处不同坡度、不同植被的样地进行研究。

1.2.3 对比实验设置

为探究河流滨岸带的坡面设计对降雨径流的污染削减效果及其影响因素,设置3 组对比：①不同坡度。选取1 处约8°的缓坡,记为A 坡;另1 处约为29°的较陡坡,记为B 坡。两处均为3m×1m 矩形样地。②不同坡长。选取1 处5 m ×1 m 矩形试验样地,分别在坡长1 m,2 m,3m,4 m,5m 处设置出水采集口采样。③不同植被。分别取相同坡度、不同植被的两处3m×1 m 矩形样地,在坡长为3 m 处设置出水采集口采集水样。

1.3 水质指标测定

对收集的水样进行pH 值, 电导率,COD, TP,NH3-N 5 项指标检测。根据太湖水域的总体监测报告,包括苏州河在内的上海市内河流富营养化严重,而樱桃河作为苏州河的支流,需对富营养污染源进行严格控制,因此将NH3-N、TP 被确定为检测指标;参见2009 年度中国环境状况公报,全国酸雨分布区域主要集中在长江以南-青藏高原以东地区,故将pH 值列入检测指标;根据对实验河流的水质监测,发现其COD 污染较严重,因此将COD 列为必测项目;而电导率是用来测量水质的导电性能和矿化程度,反映降雨径流对河水自由离子浓度和矿化程度的影响,故也将其列入检测指标。具体检测方法见表1。

表1 目标检测的各项水质指标及其测定方法

2 实验结果与讨论

2.1 坡度对污染物削减效应的影响

取矩形样地最高边的中点作为入水口,分别引导模拟降雨径流流经A,B 样地,在坡长2 m 处设置出水采集口进行采样。实验共进行8 次冲刷,每次持续10 min,每隔2 min 取样1 次。对样品进行水质指标测定,得到结果见图1。

因各水样pH、电导率均变化微小,且与受纳水体情况相当,故该两项指标影响可忽略。经计算得到, NH3-N 削减率：A 坡为65.07%, B 坡仅为11.47%;TP 削减率：A 坡为 61.43%, B 坡为36.57%;COD 削减率：A 坡为10.74%, B 坡仅为3.3%。综上可知,较为平缓的A 坡效果更好。分析如下：①模拟降雨径流主要受重力作用流经滨岸带,坡度越陡,相对应的水力停留时间越短,植物吸收以及土壤基质吸附污染物的时间也较短;②陡坡上水流的重力分量较大,增加了植物拦截污染物的压力负荷,使得水流中的污染物质不易被拦截吸附,更可能因水流冲刷导致轻微的水土流失,使土壤中的污染物进入径流而加剧其污染程度。

2.2 带宽对污染物削减效应的影响

取样地最高边的中点作为入水口,在不同坡长处(1、2、3、4、5 m)进行采样,每1 m 处作4 组实验,分别收集进水与出水。

以坡长1 m 处为例：0 min 时的NH3-N 浓度即为模拟降雨径流的初始质量浓度,其后每隔3 min 采集水样1 次,测量NH3-N 质量浓度(表2)。

图1 不同坡度河滨带的污染物质量浓度随时间变化

表2 坡长1 m 处的NH3-N 质量浓度

图2 坡长1 m 处NH3-N 的质量浓度

第4 组数据明显偏离其他3 条线的一般趋势,因此将其作为明显误差线剔除。分析可能其原因为人为误差：倾倒模拟雨水时不均匀或速度过快,造成流经样地的水流量瞬间增大,水流速度加快,相当于降雨强度较大的情况。较强水流将土壤中的污染物冲刷出来,造成后续采样浓度反而偏大的情况出现。

对其他3 组求平均值,得到其NH3-N 削减率为26.61%。同理,算得1 m 处TP 和COD 削减率分别为13.52%与2.39%。其他坡长实验结果见图3。

图3 各项水质指标在不同坡长处的削减率

通过比较发现,当坡长为4 ～5 m 时河流滨岸带对降雨径流中污染物的削减效果最佳。此时坡度为8°,坡长约为4 ～4.9 m。

2.3 植被对污染物削减效应的影响

实验选取覆盖度约为90%的草地与冬青地分别进行模拟实验。草地代表植株矮小、根系不发达的草本植物;而冬青代表根系发达、机械组织强、植株紧密的蕨类和草本植物。取矩形样地最高边中点作为入水口,在坡长均为3 m 处设置采样点,每隔3 min采样1 次,共进行6 组实验。求出两地的平均削减效果,得不同植被对污染物的削减效果见图4。

如图4 所示,冬青地比草地的污染削减效果更好。相同条件下, 冬青地的NH3-N 削减率为38.90%,草地只有13.94%;冬青地的COD 削减率为36.31%,草地为29.91%;冬青地的TP 削减率为63.16%,而草地只有36.97%。

分析如下：乔灌木冬青根系较为发达,对水分和有机物质的吸收能力更强,可增强其对污染物的吸附作用;且植株紧密,机械支撑系统比草本植物更坚固,增加其抗冲击压力负荷以有效应对强降雨径流,利于对污染物的拦截作用;此外因其根系对土壤的固着更加紧实,可有效减缓径流冲刷的水土流失,减少土壤中的污染物的淋溶,优化净化效果[5]。pH 值与电导率相对变化很小,影响可忽略。

2.4 讨 论

图4 不同植被河滨带对降雨径流的污染削减效果

通过本次实验,证实了河流滨岸带对污染程度较轻的降雨径流削减效果显著。任玉芬等[6]对屋面、路面、草坪的径流水质进行了监测,比较分析发现,3 种下垫面类型的径流水质均较差,COD、TN、TP、BOD5平均质量浓度超过地表水环境质量Ⅴ类标准。这与本实验中人工模拟降雨径流的污染物浓度相符合[7]。

同时从实验数据也可得知：在不同坡度,不同坡长及植被条件下,不同污染物的削减效果差异较大。究其原因,不同污染物随水流流经河流滨岸带时,具有不同的削减方式：COD、TP 的削减主要依靠土壤覆被植物吸收利用、土壤基质吸附及土壤微生物分解利用;NH3-N 的削减途径包括土壤基质吸附、基质及覆被植物的过滤、沉淀以及挥发,覆被植物吸收和土壤基质中微生物引起的硝化、反硝化作用。这些削减方式都与土壤理化性质及覆被植物特性有极大关系[8-10],削减效果都直接受到坡度、坡长及覆被植物的影响。

除上文所述,河流滨岸带对实际降雨径流中污染物削减效应的影响因素还有降雨量、降雨强度、降雨时间等,这些因素可引起降雨径流在河流滨岸带的水力停留时间及所含污染物浓度的变化。其中降雨量和降雨强度是两个重要因素,强度越大,雨水对城市下垫面的冲刷就越强;在相同污染物累积的条件下,降雨量越大,径流中污染物浓度越低。因此在河滨带的建筑参数设计时,还应考虑到当地的降雨周期及降雨强度等客观因素。

3 结 论

a.在模拟地表降雨径流为中低污染物浓度负荷ρ(COD)=40.0 ～154.0 mg/L;ρ(NH3-N)=4.0 ～13.9 mg/L;ρ(TP)=0.5 ～2.9 mg/L)时,河流滨岸带对其有良好的污染物削减效率,出水水质能达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅳ～Ⅴ类地表水标准。

b.在低温少雨、中低污染物浓度的地表降雨径流情况下,河滨带对降雨径流的污染削减的较优设计方案为：坡度为8°±0.5°,坡长为4 ～5 m,有类似冬青的根系发达、机械组织较强的植被覆盖。此时模拟地表径流平均入水水质状况ρ(COD)=154.7 mg/L, ρ(TP)=0.55 mg/L, ρ(NH3-N)=1.19 mg/L等,出水水质：ρ(COD)=77.38 mg/L, ρ(TP)=0.29 mg/L, ρ(NH3-N)=0.69 mg/L。削减率分别为49.98%,47.27%,41.61%。出水水质达到国家城镇污水处理厂污染物排放标准的一级B 标准。

c.在设计城市河滨带时,若地域不受限制,尽量保持10°以下的坡度以及4 ～5 m 的带宽;若由于地域限制不能在城市中心地带保证4 ～5 m 的河岸坡长,应尽可能减缓河滨带坡度(保持30°以下),同时选取类似乔灌木冬青等根系发达、机械组织抗冲击力较强的植被,紧密栽种覆盖河流滨岸带,以达到相对较好的污染削减效果。

d.受限于实验地点及其生态特征、人工模拟的误差等因素,实验结论适用范围具有一定的局限性;关于影响河滨带污染削减效果的因素,在降雨强度、河滨带覆盖植被等方面还需要进一步研究探讨。

致谢：感谢华东师范大学环境科学系车越副教授、吕永鹏博士在实验方案等方面的指导与论文修改方面的宝贵建议。

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