植草沟在去除城市地表径流污染物中的应用研究

许浩浩，吕伟娅

(南京工业大学，江苏 南京 211816)

随着中国城市化进程的不断加快，不透水下垫面面积快速增加，导致城市的水文条件和污染物的排放特征发生了显著的变化[1]。城市屋顶和道路表面积累的大量未经处理的悬浮物、重金属、营养物质、油脂及病原菌等污染物在降雨过程中通过溶解、冲刷等作用直接进入地表径流，造成城市水体恶化[1-3]。刘大喜等[4]研究表明，城市受纳水体的水质受降雨径流影响严重，降雨后水体中TN、NH3-N、COD、BOD5、Cd、Cr6+的浓度均超过地表水Ⅴ类标准，以城市降雨径流为载体的面源污染已成为城市水环境污染的重要来源。

因此，如何有效地管理由降雨径流引发的城市面源污染已成为城市化进程中亟待解决的重要问题。低影响开发是指通过源头的、分散式的生态措施来实现对雨水和污染物的就地消纳和去除，是城市雨水管理的一种高效措施[5]。作为一种典型的低影响开发措施，植草沟通过对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放，实现城市的良性水文循坏并有效地改善了城市水环境的质量[6-7]。但当前主要集中于植草沟对雨水水量减控效果方面的研究，对植草沟去除污染物的机理及影响去除效果的因素等方面研究较少。

1 植草沟去除降雨径流中污染物的机理

周开壹等[9]研究指出，降雨径流中磷的去除主要是依靠植物根系吸收作用和土壤基质内形成的生物膜对磷的吸附和截留，使得植草沟除磷效果较好。Allen等[12]认为，当植草沟中存在一定的淹没条件时，植草沟结构层中会较易形成好氧区、缺氧区和厌氧区，通过不同区域的降解处理，使得氮磷被吸附、降解及发生形态转换，进而提高净化效果。McNett等[13]认为城市降雨径流中大约70%的磷是颗粒态形式，30%是溶解态形式，大多数的颗粒磷被吸附在粒径相对细小的TSS颗粒上，通过TSS的去除而去除，而植草沟对细小颗粒的TSS去除效果较差，因此导致对磷的去除效果不理想。长期运行监测的结果显示[14]，植草沟对降雨径流中TSS有良好的去除效果，TSS的去除主要是依靠土壤基质和植被的渗透、过滤、吸附和沉淀作用并被拦截在系统内部。Deonie等[15]指出大部分TSS在植草沟的前20 m内被去除，TSS的去除效果受沉积颗粒的粒径、密度及浓度等影响，去除率在22.0%～98.0%之间变化，但平均去除率仍达到了74.3%。

周开壹等[9]发现城市降雨径流中的绝大部分重金属吸附在TSS上，随着TSS的去除而去除，因此重金属与TSS的下降趋势一致。同时土壤及植物在重金属的降污中发挥了重要作用，通过吸附作用使得重金属进一步被去除。研究表明[16-17]，降雨径流中主要以颗粒态形式存在的Pb和Cu等重金属通过沉淀、过滤及截留等作用被去除，而溶解态重金属则被植物和土壤基质吸附、吸收。研究显示[9,18]，植草沟对于COD的去除主要是通过在土壤和填充基质内形成生物膜的吸附、降解和截留作用以及植物根系的吸收作用，同时径流中的COD与TSS存在一定的相关性，植草沟对COD的去除易受到TSS去除效果的影响。Zhao等[19]研究表明，COD、TN、TP均与TSS存在正相关关系，其中TP与TSS的相关性最为明显，降雨径流对表层土壤进行冲刷，使得营养物质随着表层土壤的迁移而大量流失。Michael等[20]研究显示，植草沟对碳氢化合物(多环芳烃、芘和苯佐芘)的平均去除率为71.0%±12.7%，通过沉淀、渗透、挥发、植物吸收及微生物降解作用得以去除，最高去除率达99.0%。

2 植草沟的应用

植草沟一般指开放式洼地或沟渠，表面种植植物。根据地表径流在植草沟中的传输方式，植草沟可分为标准传输植草沟、干植草沟和湿植草沟3种类型，其中干式植草沟的结构自上而下通常依次为：填洼层、根系有机质层、土壤基质层、砾石层，底部一般设有排水系统[21-22]。植草沟可用于城市绿地、道路、停车场及各类建筑小区等诸多场所。运用在城市道路时，采用孔口路牙等形式的进水口，同时在进水口设置保护层以防止植草沟被冲刷[21]。各类场地内的植草沟可根据地形、汇水面积及景观效果等因素综合考虑进行布置。植草沟可在源头、污染物传输过程以及和其他措施联合运行，在完成输送排放功能的同时，也能够满足雨水的收集及净化[23]。是一种被发达国家广泛采用的低成本、高效率的径流管控措施。

3 植草沟对降雨径流水质的净化效果

Wang等[26]研究表明，与30 m的植草沟相比，60 m的植草沟对TSS、碳氢化合物和金属的去除率分别提高了20.0%、25.0%和30.0%～65.0%，建议植草沟的最小长度应为30 m，可以保证去除效果。潘姣[27]研究表明，当水力停留时间为5.5、7.0、10.0、18.0 min时，污染物的削减率分别为48.0%、70.0%、67.0%和80.0%，建议水力停留时间为6.0～8.0 min时污染物去除效果较好，还发现当植草沟中的雨水流速小于0.8 m/s，纵向坡度为1%～5%时，有利于提高净化效果。Terry等[28]研究表明，径流中TSS和TP的进水浓度越高，植草沟对TSS和TP的去除效果越好，50.0%～80.0%的TSS大约在10 m内被去除。Zhao等[29]研究表明，降雨径流中沉积物粒径﹥75.0 μm的颗粒占的比例越大，去除率就越高，植草沟对粒径﹤75.0 μm的颗粒去除效果不理想，几乎很难被去除。Wang等[8]试验显示，水力负荷对黑麦草沟和天堂草沟两类植草沟净化地表径流的影响较大，草高次之，有效水深影响最小，两类植草沟的最佳运行条件均为水力负荷0.5 m3/(m2·d)、草高15.0 cm和水深4.0 cm，两类植草沟对径流中TSS、TP和TDP的削减率均在60.0%以上，黑麦草沟的整体净化能力略高于天堂草沟。

植草沟对地表径流中不同污染物的去除效果差异性明显，且降雨强度、水力负荷、进水浓度、草高、有效水深、沟渠长度、流速、坡度、植物及土壤基质种类等均会对植草沟的去除效果产生影响，通过合理地设计植草沟结构可以改善其水质净化效果。

4 植草沟存在的问题及未来研究方向

植草沟因具有控制水质和水量效果好、建设成本低、运营管理方便及美化环境等特点，已发展成为控制城市面源污染应用广泛和有效的措施之一。然而，目前关于植草沟在控制降雨径流污染方面的研究还较为缺乏，其设计与应用尚不够成熟，从研究来看仍存在一些不足：①在设计方面，植草沟输送的地表径流量比传统雨水管道要小，但其对坡度和地形的要求比传统雨水管道要高，且在设计时要更多考虑与道路景观设计的协调性，在运营过程中要有相应的维护管理措施，若设计或维护管理不当，易造成植草沟侵蚀，当前国内对植草沟还没有统一的设计标准，在设计及后期运行的管理上缺少依据[26]；②在研究深度上，对植草沟去除污染物的效果及机理的研究尚不够深入，影响植草沟水质净化效果的因素还不是很明确，这些因素具体如何影响植草沟净化过程还需进一步研究，且目前的研究大多采用实验室模型模拟或小面积实验地研究，缺乏对植草沟在工程实践中的研究；③植草沟的设计仍比较单调，对植物的搭配组合以及与周围景观协调方面的研究还需深入。

综上所述，为更高效发挥植草沟去除城市地表径流污染物的效果，今后应着重从以下几个方面开展研究：①在不降低水力负荷的前提下，能使污染物的削减效果达到最大化的植草沟的结构设计，包括长度、深度、坡度、土壤基质及植物类型等；②植草沟净化重金属、病原菌、多环芳烃及农药等特殊污染物的效果及机理；③通过研究植草沟净化污染物的特性来增强其对水量及水质的控制效果，将植草沟纳入景观规划之中，注重植草沟的管理及后期养护。

总的来说，设计合理的植草沟可有效去除降雨径流中营养物质、重金属、TSS、油脂及病原菌等污染物，从而改善城市水环境质量。作为一种低成本、高效率的生态技术，植草沟将在控制城市面源污染的实际应用中发挥积极作用。