鸢尾和马蔺对生物滞留柱水力特性及污染物去除效果比较研究

李冰冰，刘海荣，王漫冰，赵潇汀，齐力海

（1.天津农学院 园艺园林学院，天津 300384；2.天津市园林建设工程监理有限公司，天津 300191）

随着城市的快速发展，城市地表径流带来的雨洪及污染问题越来越受到重视，借鉴国际城市采用低影响开发、可持续发展的城市建设理念[1-2]，中国提出建设海绵城市的设计理念。通过海绵城市的建设希望城市能够像海绵一样下雨时吸水、储存水，无雨时能够将储存的水释放出来并加以利用[3-4]。生物滞留池是海绵城市建设的设施之一，其通过基质及植物构成的过滤系统[5-6]，对地表径流中的悬浮物、总磷、氨氮等有显著的去除效果[7-8]。目前，多数研究主要针对生物滞留基质的配置、不同植物去除污染物效果比较等方面[9-10]，而对于植物对生物滞留池出水量随时间的变化规律、总磷浓度和氨氮浓度随出水时间的变化规律未见报道。因此本研究以生物滞留柱模拟生物滞留池的试验方法，研究不同植物对生物滞留柱出水规律的影响以及总磷浓度和氨氮浓度随出水时间的变化规律，为生物滞留池功能植物选择提供科学依据，为生物滞留池的科学设计提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 试验设计

生物滞留柱：选用直径为25 cm，高为75 cm的塑料容器，下留4个直径为0.5 cm的排水孔，将该塑料容器置于直径为40 cm，高15 cm的集水盘中，集水盘距上沿2 cm处，设溢水孔一个，直径0.5 cm，上接有溢水管，溢水管的水由烧杯进行收集。塑料容器从下至上依次为砾石层（粒径＜3 cm）5 cm、土工布层、沙层5 cm、填料层（填料层为园土、蛭石、草炭体积比为1∶1∶1混合而成）55 cm、覆盖层（树皮）5 cm、蓄水层5 cm。该试验装置于2017年3月于天津农学院植物实验室内制作完成。

植物准备：2017年4月于天津市曹庄花卉市场选择生长健壮，株高为10～15 cm的马蔺和鸢尾同期土培苗（育苗钵高10 cm，直径10 cm）作为试验材料。取5个生物滞留柱，每个土柱以相等间距栽植7小钵鸢尾，另取5个生物滞留柱，每个土柱以相等间距栽植7小钵马蔺，设5个空白对照不种任何植物。试验在均匀的光照条件下进行，避免雨淋。

地表径流：试验用地表径流取自天津市西青区津静路，分别在径流的起涨段、峰顶段、退水段各取样3次，试验前将径流水混合均匀后立即取样，并开始试验。

试验方法：采用蒸馏水对生物滞留柱进行淋洗，直至出水水质各项指标基本稳定。通过淋洗稳定植物滞留柱填料层结构，估算生物滞留柱的平均进水量，共进行5次，间隔3 d进行1次，需15 d。以地表径流对生物滞留柱进行浇灌，在1 h内均匀进水3.5 L，待土柱开始排水后，每隔10 min收集水样1次，每次水样单独存放，待10 min间隔出水小于20 mL，停止收集单次水样。待出水完全停止，收集全部剩余水样，并单独存放，将水样带到实验室进行相关指标测定，同步监测进出水时间间隔，渗水速率等指标。

注：在不下雨的落干期采用蒸馏水进行日常养护。

1.2 数据统计分析

生物滞留柱对污染物的负荷去除率（RL）计算公式为：

式中：M进为进水污染物的重量，单位mg；M出为出水污染物的重量，单位mg；C进为进水污染物浓度，单位为mg·L-1；V进为进水量，单位L；C出为出水污染物浓度，单位为mg·L-1；V出为出水量，单位L。

生物滞留柱滞留水量计算公式为：

式中：V滞为滞留水量，单位L；V进为进水量，单位L；V出为出水量，单位L。

总磷、氨氮参照《水和废水监测分析方法（第四版）》进行测定。

2 结果与分析

2.1 出水特征比较分析

2.1.1 水力停留时间比较分析 种植不同植物的生物滞留柱从开始进水至开始出水经历时间不同，种植马蔺的生物滞留池进水后40 min开始出水，种植鸢尾的生物滞留池进水34 min后开始出水，而不种植任何植物的对照明显早于二者于进水27 min后开始出水，说明种植植物能够延长地表径流在生物滞留柱中的水力停留时间，与种植鸢尾相比，种植马蔺的效果更加明显，较长的水力停留时间可以为污染物的去除争取更多的时间，有利于污染物的去除。

2.1.2 出水速度比较分析 随着进水量的增加，各滞留柱出水量也逐渐增加，至60 min时最后1次进水结束，进水量累计达到3 500 mL，单次出水量也达到最大对照435 mL、鸢尾296 mL、马蔺274.5 mL，平均出水速度为对照27.77 mL·min-1、鸢尾20.12 mL·min-1、马蔺20.45 mL·min-1。停止进水后，各滞留柱依然有水持续渗出，单次出水量逐渐减少，试验进行至60～85 min时，单次出水量表现为对照＞鸢尾＞马蔺，85～120 min，对照和鸢尾单次出水量差别不大，马蔺单次出水量低于对照和鸢尾，120 min后，各滞留柱单次出水量为20～40 mL，并逐渐趋于一致。从滞留柱开始出水至10 min间隔出水小于20 mL，历时约2.5 h，平均出水速度为对照9.22 mL·min-1＞鸢尾8.08 mL·min-1＞马蔺6.80 mL·min-1。对照大于鸢尾和马蔺的出水速度，说明种植植物可以降低生物滞留柱的出水速度，延迟洪峰出现时间，这可能与对照土壤水分主要以土层表面的少量蒸发为主，试验过程中对照生物滞留柱一直维持较高土壤含水量有关。另外，鸢尾出水速度高于马蔺出水速度，这可能是由于鸢尾的肉质根更易发生沟流或短流现象，使地表径流在进入土壤层的过程中产生不均匀的流动从而打开了一条阻力比较小的流动通道，使地表径流以更快的速度下渗。

2.1.3 滞水能力比较分析 单个滞留柱累计进水量均为3 500 mL，累计出水量分别为对照2 437 mL，占进水量的69.63%，鸢尾2 082 mL，占进水量的59.49%，马蔺1 708 mL，占进水量的48.80%。鸢尾和马蔺出水量分别为对照的85.43%和70.09%，马蔺出水量为鸢尾的82.04%,可见生物滞留柱约一半以上的地表径流被排出，这将影响污染物的去除效果。3种生物滞留柱滞留水量马蔺51.20%＞鸢尾40.51＞对照30.37%，说明植物能够加速土壤水分的消耗，使土壤含水量降低，从而能够提高生物滞留柱的滞水能力，有利于雨季地表径流的消耗和利用，对排除城市内涝起到一定的缓解作用。种植马蔺的生物滞留柱滞留水量明显大于种植鸢尾的生物滞留柱，这说明与鸢尾相比，马蔺更有利于提高生物滞留柱的滞水能力。

2.2 入渗速率比较分析

通过入渗速率的监测发现，马蔺入渗速率为250 mm·h-1，鸢尾为125 mm·h-1，二者入渗速率介于500～100 mm·h-1,入渗性良好，对照为57.69 mm·h-1，介于70～30 mm·h-1，入渗性较弱，说明植物有助于提高土壤的入渗速率，与鸢尾相比马蔺效果更明显。这可能与马蔺大量分布的须根，形成导流作用有关。

2.3 出水总磷浓度及氨氮浓度比较分析

2.3.1 出水总磷浓度比较分析 随着实验的进行，出水总磷浓度呈逐渐增加的特点，试验前1 h内，3种生物滞留柱出水总磷浓度相差不大，1 h后出水总磷浓度逐渐拉开距离，其中对照滞留柱出水总磷浓度一直维持较高水平，而鸢尾和马蔺一直并肩前进，最后5次试验，鸢尾出水总磷含量高于马蔺。

图2 总磷浓度随时间变化规律

2.3.2 出水氨氮浓度比较分析 与总磷浓度相比，氨氮浓度变化较大整体呈波浪形升高的趋势，试验的前1.5 h，3种生物滞留柱差异不大，随着时间的推移，三者逐渐拉开距离，其中对照和鸢尾维持较高水平，而马蔺相对来说氨氮浓度比较低。

图3 氨氮浓度随时间变化规律

2.3.3 出水累计总磷与氨氮含量比较分析 累计进入生物滞留柱的总磷为0.97 mg，累计排出总磷对照4.11 mg、鸢尾2.13 mg、马蔺1.71 mg,对照、鸢尾、马蔺的去除率分别为-323.64%、-119.89、-76.07%，说明生物滞留柱总磷以输出为主，植物对总磷有一定去除效果，与鸢尾相比，马蔺去除效果更好。进入生物滞留柱的氨氮为5.27 mg，各生物滞留柱排出的氨氮对照5.39 mg，鸢尾4.18 mg和马蔺3.03 mg，三者的去除率分别为-2.23%，20.67%和42.44%，说明基质中有一部分氨氮的析出，植物对氨氮去除效果较好，与鸢尾相比，马蔺的去除效果更好。

图4 累计去除总磷和氨氮量

3 结 论

以生物滞留池功能植物选择为目的，采用生物滞留柱模拟试验方法，通过进出水情况的监测，对栽种不同植物的生物滞留柱水力特性及污染物去除效果进行研究。试验结果表明：未种植植物的生物滞留柱出水时间早、水力停留时间短、滞留水量小、入渗速率低；鸢尾出水时间中等、水力停留时间中等、滞留水量中等、入渗速率中等；马蔺出水时间晚、水力停留时间长、滞留水量大、入渗速率高。总磷去除率对照为-323.64%、鸢尾为-119.89，马蔺为-76.07%，氨氮去除率对照为-2.23%，鸢尾为20.67%，马蔺为42.44%，种植植物有助于污染物的去除，与鸢尾相比，马蔺对地表径流中的总磷、氨氮去除效果更好，生物滞留柱对氨氮去除效果一般，而总磷主要以输出为主，去除效果不理想。