济南地区净化型雨水花园结构参数优选与试验研究

芦昌兴，李鹏程,2，宫雪亮

(1. 山东大学 土建与水利学院，济南 250061；2.河北水利电力学院，河北 沧州 061001)

近年来，越来越多的城市面临着雨水资源合理化利用问题。我国目前主要采用排水方式是硬地管道，在一定程度上起到了一定的作用，但硬地管道弹性较少，遇见大雨时往往不堪一击，并不是解决雨涝和缓解污染的根本之策[1]。针对这一问题，国家提出发展海绵城市的战略。雨水花园作为“海绵城市”建设低影响开发措施的重要方式，被广泛应用于雨水蓄滞及净化领域。从水质净化机制上来看，雨水花园对雨水径流中污染物的削减可以大致分成两种：一是通过沉淀吸附作用，将污染物拦截；二是通过生物降解作用，将一些污染物彻底转化或去除[2]。

国内外对雨水花园的运行规律及去污净化效果进行了不同的试验与研究。Laurenson[3]等通过批量测试评估了在伴有磷酸盐的重金属污染水的情况下，覆盖物对重金属的去除能力为硬木>松树覆盖>锯末>壤土>硅沙。Bratiere[4]等通过一系列实验研究表明，P的去除效果取决于雨水花园构造填料中磷(P)的含量。国内雨水花园文献研究起步较晚，但整体呈上升趋势，特别在建设“海绵城市”的国家政策刺激下，学术界给予积极响应，雨水花园作为“海绵细胞体”迅速得到重视[5]。陈舒等[6]针对于影响雨水过滤水质的雨水花园的结构，如对滤料的厚度、排水层的厚度、填料层的填料进行了分析与针对性试验，李明翰[7]等研究了内部蓄水层对生物滞留系统净化水质功效的影响，发现内部蓄水层能显著提高对铜(Cu)、悬浮物(SS)、氮(N)、磷(P)污染物的去除能力。

近年来,海绵城市建设陆续在济南开展,如何将雨水净化并有效综合利用对改善区域生态环境与海绵城市建设具有重要意义。针对于目前对雨水花园的研究选取角度单一，结构改进及运行模拟不够系统、全面的特点，本文旨在探究雨水花园合理的结构配置，将多因素、多水平考虑其中，运用正交试验的方法，通过实地的运行模拟，进行整体观测与分析，对雨水中的化学需氧量、悬浮物、总磷、总氮等污染物进行分析，找到适宜济南地区的雨水花园结构，为济南市及类似区域低影响开发措施及水生态文明城市建设提供技术支持。

1 研究方法及材料

1.1 试验设计

正交试验方法是根据数理统计学与正交性原理，从大量试验点中选取合适的 有代表性的点，再按照“正交表”安排试验。由于正交表具有“均衡分散性”和“整齐可比性”的构造原则，因此，按照此方法设计的试验次数少，并且能反映客观事物的变化规律[8]。

用正交试验法进行敏感性分析的最大优势在于:①对某一参数进行敏感性分析时，对其他参数也做改变,得出的结论具有更广泛参数水平上的代表性；②分析过程中建立参数不同的模型，极有可能会找到更加符合实际情况的一组参数值和模型[9]。

根据济南区域环境气候特点，在陈舒等[6,10-13]相关研究的基础上，选用四因素三水平正交试验设计雨水花园试验方案，具体因素及水平选取如表1所示，采用L9(34)设计正交试验方案表如表2所示。

表1 试验因素及水平选取表

表2 正交试验方案表

1.2 试验概况与数据采集

雨水花园试验选址济南某高校校园露天试验场地，定做9组试验装置，为便于观察及增加装置强度、稳定性，试验装置均采用有机玻璃制作，底部设置开孔，外接雨水管收集经过过滤净化的雨水，上部蓄水层顶部设有溢流孔，用于排放并收集超出雨水花园过滤净化能力范围的雨水，本次实验的现场布置如图1所示。

图1 正交试验现场布置图

对各试验雨水花园进行清水试验，将等量的清水分别经过过滤层进行过滤，对试验各测定指标进行统计，经过9次试验对比，雨水花园内部污染物指标TN、悬浮物、COD、TP的浓度平均值分别为1.25、6.33、6.94、0.11 mg/L，与进水中污染浓度进行比较，清水中各污染物浓度分别为1.50、8、9.1、0.03 mg/L，各试验样品测定指标浓度与原清水样品浓度对比，均有略微降低或是变化不大，由此判定，雨水花园本身内部各层结构中所含污染物不会对试验结果造成直接影响，具备开展试验所需条件。

正式试验采用人工降雨，模拟降雨在雨水花园中形成的“汇水-涨水-回水”完整过程。降雨雨型采用芝加哥雨型暴雨强度公式，如式(1)所示。

(1)

式中：Q、P、t分别表示时段平均暴雨强度、降雨重现期、设计降雨历时；A、C、b、n均为经验参数。根据1992年修订的《给水排水设计手册》，济南地区对应的A、C、b、n分别取4700、0.753、17.500、0.898。设定降雨历时t=60 min，峰值比例r=0.4时，设计暴雨重现期为2 a，暴雨历时为60 min，雨水花园面积与汇水面积之比为1∶5。

相同降雨强度下每组试验重复三次，最终取测试结果平均值。记录雨水花园的初始产流时间，雨水出流过程中每间隔6 min记录一次出流总量。

考虑到试验整体完成持续时间较长，较大体积自然降雨的保存受到条件的制约，并且雨水中的污染物容易受外界干扰或是自身发生变质等，本次试验所用雨水采用人工配置，要求主要污染物的含量达到济南市降雨的平均标准，并且适当幅度的提高，以提高试验进出雨水的污染物浓度对比，本次试验相关污染物浓度配比如表3所示。

表3 配置雨水污染物浓度表 mg/L

本试验水质的检测方法如表4所示。

表4 水质相关指标检测方法

2 试验结果分析

2.1 正交试验下雨水花园对化学需氧量(COD)削减率影响分析

(1)不同因素下各水平对COD削减率的影响分析。不同因素下各水平对COD削减率如图2所示。A3>A1>A2，说明狼尾草对COD的削减作用最大可达到59.41%，由此可见植被选择在物理及生化方面作用明显；植土层配料选择方面，B1>B2>B3，三种配比下的植土层对COD削减率产生的差别较小，说明植土层配料本身或是其形成的生物膜对于有机物的截留所起作用并不明显；C3>C2>C1，即当选用30 cm石英砂+20 cm煤灰渣时，COD削减率最大，达到59.20%；D1>D2>D3，说明在试验选用的滤料粒径范围内粒径越小对COD的削减率也越大，原因是其粒径的减小，整体表面积的增大，加大了对雨水中有机物的截留。对于COD削减率最佳的雨水花园配置组合为B1、C3、A3、D1。

图2 不同因素下各水平对COD削减率统计图

(2)不同因素对COD削减的影响分析。由表5极差分析可得，各因素对COD去除率影响的排序为A植被的选择、C人工填料层填料选择、D人工填料层填料粒径、B种植土层配料的选择。陈舒等[14]试验所得结果填料层填料对COD去除率影响极为显著，所得结果与其结果不完全相同，可能的原因是试验所用的填料不同，对试验产生的影响不同，同时试验前期运行时间相对较短，并没有经过常年的模拟论证，内部生成的生物膜不完全，另外由于南北方气温、气候的差异，生物膜的形成及所含微生物对不同污染物的去除存在差异，同样在试验进行过程中试验装置的稳定性对结果也存在影响。

表5 各因素对COD去除率的方差检验表

注：a表示R2=0.947(调整R2=0.899)。

有机质(COD)在雨水中主要以溶解态的形式存在，其去除主要依靠滤料的吸附作用[15]。本试验结果表明，滤料在有机质(COD)的去除中具有显著作用，同样，由于每两次试验间隔较长，对于该段间隔时间内的污染物的去除主要依靠植被自身的吸收，从而减少蓄存在土壤中的有机质含量，使得后续试验中的污染物含量从自身所含污染物中贡献量得到降低，因此因素A植被的选择对COD去除率的影响极为显著。因素D人工填料粒径的选择对COD去除效果同样显著，这与滤料的吸附作用起到显著作用相一致，颗粒粒径的选择直接影响填充滤料的密度，雨水经过不同密度的滤料，其在滤料中的停留时间不同、与滤料的接触面积不同，将直接影响其对污染物的去除率。

2.2 正交试验下雨水花园对悬浮物(SS)削减率影响分析

(1)不同因素下各水平对悬浮物(SS)削减率的影响分析。由图3各水平下悬浮物(SS)削减率趋势图所示，对于悬浮物(SS)削减率的影响，A3>A1>A2,择为狼尾草和鸢尾时削减率均高，二者分别为72.22%和71.70%，植被对悬浮物的去除也即其对其他部分污染物的去除具有相同规律；B2>B1>B3，在三种植土层配比的变化中，悬浮物(SS)的削减率基本没有发生变化，由此可见该因素不是影响悬浮物削减率的主要参考；对于悬浮物(SS)的削减效果，C1>C3>C2，在上层相同石英砂配比的条件下，瓜子片>煤灰渣>沸石；D1>D2>D3，整体削减率随粒径的增大而增大，存在一定程度的正相关关系。对于悬浮物(SS)去除率效果最好的雨水花园结构配置方案为A3、B2、C1、D1。

图3 不同因素下各水平对悬浮物(SS)削减率统计图

(2)不同因素对悬浮物(SS)削减的影响分析。方差检验如表6所示，对悬浮物(SS)的去除效果依次为C人工填料的选择、A植被选择、D人工填料粒径的选择、B种植土配料选择。雨水中的悬浮物(SS)的主要来源为初期径流中的无机杂质，并且其累积会成为水体的持续污染源[16],因此雨水花园对雨水中悬浮物的去除效果是雨水花园对面源污染处理方面的重要指标之一。悬浮物(SS)在水中的存在形式主要为颗粒态，短期作用下通过系统的过滤即可完成[17]，不需要经过分解吸收，但方差检验表显示，各因素对悬浮物(SS)的去除均存在显著影响，可能的原因是，植被与植土层的结合改变了植土层内部的结构，使得其对污染物的去除产生影响。同样植土层及人工填料层主要通过对雨水的过滤，降低悬浮物的含量。整体试验运行结果显示，雨水花园对悬浮物(SS)有较好的去除效果，平均削减率达62.89%，最大削减率可达91.78%。

表6 各因素悬浮物(SS)削减率的方差检验

注：a表示R2=0.962(调整R2=0.929)。

2.3 正交试验下雨水花园对总磷(TP)削减率影响分析

(1)不同因素下各水平对TP削减率的影响分析。由图4各水平下总磷削减率趋势图所示，对于TP削减率的影响，A3>A1>A2，与COD和SS不同，狼尾草对TP削减率最高时其平均削减率可达83.21%；B1>B3>B2，三种植土层配料选择对于TP削减率的影响变化幅度不大；C3>C1>C2，煤灰渣对总磷的削减效果最强，三种滤料中煤灰渣呈孔隙状，与雨水有较大的接触面积，对颗粒态磷有更好的吸附作用面，同时煤灰渣的组成成分为SiO2、FeO、Fe2O3等可与溶解态磷离子发生化学催化反应，从而对加速磷在煤灰渣表层的沉淀、絮凝。D1>D2>D3，说明在一定的粒径范围内，随着人工填充滤料粒径的减小，削减率逐渐升高。对于总磷去除率效果最好的雨水花园结构配置方案为A3、B1、C3、D1。

图4 不同因素下各水平对总磷(TP)削减率统计图

(2)不同因素对TP削减的影响分析。由方差检验分析可得，对于总磷削减率的影响，对于因素C、因素A均有Sig<0.01，人工填料层填料的选择及种植植被对总磷削减率的影响均为及其显著，本次试验对于总磷的削减效果是植被对于溶解态磷吸收和滤料对于颗粒态磷的吸附、沉淀、絮凝共同作用的结果。将更多类型的滤料，或是组合滤料的不同配比，植被的选择及植被的搭配组合作为因素将作为下一步研究的重点内容。因素D Sig<0.05，人工填料层填料粒径对于总磷削减率的影响显著，而因素B Sig>0.05，因此种植土层配料的选择对总磷削减率的影响不显著。种植土层通过土质对颗粒态磷具有较大的去除率，拦截了大部分的磷[18]，但通过改变种植土层的配料，增大其河沙的比例，并没有对总磷的削减产生实质影响，因此本组试验选用的配料不是影响雨水花园总磷削减率的关键因素。

2.4 正交试验下雨水花园对总氮(TN)削减率影响分析

(1)不同因素下各水平对TN削减率的影响分析。由图5各水平下总氮(TN)削减率趋势图所示，A3>A2>A1，B1>B2>B3，植被选择和植土层配料选择这两种因素对总氮(TN)削减的影响变化幅度不大；C2>C1>C3，在上层相同石英砂配比的条件下，瓜子片和煤灰渣对总氮(TN)削减率较大，其削减率分别为78.04%、73.59%；D2>D3>D1，人工填料对雨水中总氮(TN)削减率的影响，下层中等粒径>下层大粒径>下层小粒径，整体幅度变化不明显。对于总氮(TN)削减率效果最好的雨水花园结构配置方案为A3、B1、C2、D2。

表7 各因素总磷(TP)削减率的方差检验

注：a表示R2= 0.928(调整R2= 0.863)。

图5 不同因素下各水平对总氮(TN)削减率统计图

(2)不同因素对TN削减的影响分析。由表8方差检验分析可得，对于总氮削减率的影响，对于因素C、A均有Sig<0.01，人工填料层填料的选择及种植植被对总氮削减率的影响均为及其显著，而因素B Sig>0.05，因此种植土层配料的选择对总氮削减率的影响不显著。因此在研究雨水花园的结构配置对总氮削减率的影响时，人工填料、种植植被和人工填料的粒径应作为主要的因素考虑，而对于种植土层的配置原料进行改变或是加入其他化学材料对总氮削减率的影响应进一步探究。

表8 各因素总氮(TN)削减率的方差检验

注：a表示R2=0.992(调整R2=0.985)。

2.5 基于净化效应影响因素的雨水花园的构建分析

采用综合评价法TOPSIS法对净化效应进行综合分析。TOPSIS法为处理多目标问题的决策方法，该方法是通过为决策问题定义理想解、负理想解，在设计的方案中选取距离理想解最大，距离负理想解最小的，将其定义为满意解[21]，所得正交极差分析表如表8所示。

表9 正交极差分析表

对雨水花园试验方案利用 法计算其净化效应所得相对接近度排序结果进行方差分析，可得其方差检验表如表10所示。

表10 相对接近度排序结果的方差检验表

注：a表示R2=0.994(调整R2=0.989)。

正交极差分析表中A植被选择所对应的K值，及该因素下的平均值进行比较，A3>A1>A2，表明对于雨水花园净化效应的综合影响狼尾草>鸢尾>千屈菜；B种植土层配料选择所对应的K值，B1>B3>B2，表明对于雨水花园净化效应的综合影响的顺序为B1、B3、B2；C人工填料层填料选择所对应的K值，C2>C3>C1，表明对于雨水花园净化效应的综合影响的顺序为C2、C3、C1，即沸石、煤灰渣、瓜子片；D人工填料层填料粒径所对应的K值，D1>D3>D2，表明对于雨水花园净化效应的综合影响的顺序为D1、D3、D2，与常规认知的滤料粒径变小，表面积增大，与雨水的接触面积及接触时间变大，其净化效果将得到增强的结果不一致，考虑到试验运行时间较短、材料粒径本身相差不大等带来的影响，雨水花园净化效应在一定范围内随着人工填料粒径的减小而增大。

由正交极差表中R值比较分析，其主次顺序为C、A、D、B，即对雨水花园净化效应影响的因素的影响程度为人工填料层填料选择>植被选择>人工填料层填料粒径>种植土层配料选择。由方差检验表统计分析，因素A、B、C、D均有Sig.<0.01，表明对于雨水花园净化效应的影响因素人工填料层填料选择、植被选择、人工填料层填料粒径、种植土层配料选择均及其显著。

3 结 论

试验为人工降雨模式，通过人工配置的方式阶段性的模拟整体汇流方式，在装置未发生溢流的情况下进行的，后续系列试验的改进应该采用降雨的原始径流，使不同工况下的径流在雨水花园内部污染物移动、水力特性与实际相一致。

通过对雨水花园在济南的实地模拟运行与相关理论研究表明，雨水花园在削减雨水的COD、悬浮物(SS)、总磷(TP)、总氮(TN)以及重金属等方面效果显著，对降低降雨面源污染，防止水体富营养化、污染土壤，净化水质等促进“海绵城市”建设方面发挥着重要作用。雨水花园各配置方案利用 法进行的排序可以直观判断九组试验在雨水综合净化效应所表现的优劣。从雨水花园净化效应的结果，同时结合具体实施效果，结合相关雨水花园实施效果，综合比较分析，确定最佳雨水花园净化效应的综合配置方案为A3、B1、C2、D1，即植被选择为狼尾草，种植土层配料的选择为4份园土+3份腐叶土+3份砂土，人工填料的选择为30 cm石英砂+20 cm沸石，人工填料的粒径选择小粒径，后续试验中可依次设置净化效果最佳的配置结构，对试验分析结果进行验证。

以上结论可为济南地区净化型雨水花园结构的设计、材料的选取配置提供科学依据，对于其他气候、环境特性相似的地区的雨水资源净化也具有一定指导意义，对气候、环境特性相差较大的地区，其他低影响开发工程措施，可参考本文的研究方法进行优化设计分析，从而得到指导工程实践的具体理论及方案。

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