植草沟在城市降雨径流控制中的应用研究

许浩浩，吕伟娅

(南京工业大学，江苏 南京 211816)

随着城市化进程的不断加快，屋顶和硬化地面等不透水面积大幅增加，改变了城市自然的水文效应，造成雨水径流形成时间缩短，雨洪峰值增大，从而引发了城市内涝[1]。此外，由于降雨径流的剧烈冲刷作用使得屋面及路面大量的营养物质、悬浮物、重金属、油脂类物质、毒性有机物及致病菌等污染物进入受纳水体，这不仅会导致城市水环境的恶化，还会严重危害生态系统及人类的健康[2]。研究表明[3]，在美国，城市降雨径流已被列为导致江河湖泊污染的第三大污染源，在一些州，城市水体BOD年负荷40%～80%来自降雨径流。因此，如何解决由城市化引发的城市内涝、水资源短缺和城市面源污染等问题现已成为中国城市发展过程中必须解决的关键问题。

一些发达国家在几十年城市雨洪管理与利用的实践中，相继形成了低影响开发、暴雨最佳管理措施和水敏感性城市设计等管理理念和技术体系。暴雨最佳管理措施通常以绿地、路面、广场和停车场等城市元素作为雨洪管理的设施，具体包括生物滞留池、透水性路面、绿化屋顶及下凹式绿地等[1]。这些雨洪管理措施可以有效解决城市化引发的一系列水生态和水环境等问题。植草沟作为现代城市暴雨最佳管理措施的重要组成部分，在暴雨径流量及洪峰削减、径流污染控制、地下水补给及景观价值方面具有良好的生态效益和经济效益。植草沟在欧美等发达国家已发展成为最有效和应用最广泛的城市暴雨管理措施之一。因此研究植草沟的技术特点、径流削减及水质净化效果对该技术今后的实践与应用具有重要意义。

1 技术特点

植草沟是指种植植被的景观性地表沟渠排水系统，以种植草本植物为主，断面形态多为倒抛物线形、三角形及梯形等[4]。通常根据地表径流在植草沟中的传输方式，可将植草沟分为3种类型：标准传输植草沟、干式植草沟及湿式植草沟[5]。标准传输植草沟主要是将集水区的降雨径流引导并传输到其他地表水处理设施；干式植草沟在设计时考虑了土壤过滤层以及地下排水系统，强化了植草沟的渗滤、传输及处理能力；湿式植草沟是类似沟渠型的湿地生态系统，通过长期保持湿润状态以加强渗透、净化效果[4-6]。与其他2种植草沟相比，干式植草沟的结构更为复杂，主要由五部分组成：200～300 mm的地表填洼层、200～300 mm的植被根系有机质层、400～600 mm的土壤基质层、300～400 mm的砾石层以及排水管层[4]。其中植草沟的边坡坡度(垂直∶水平)不宜大于1∶3，纵坡不应大于4%[7]，当植草沟设置在道路旁时，为保证道路雨水能平缓进入植草沟，进水口应采用孔口路牙等形式，同时为了防止进水口被冲刷，应在进水口处铺设碎石或鹅卵石[4]。植草沟不仅适用于城市道路、广场、停车场和公园绿地等区域，还可作为生物滞留池、透水路面及湿塘等低影响开发设施的预处理设施，甚至可代替雨水管渠排水系统[7]。

2 径流削减效果

沈子欣等[8]研究表明，生态植草沟能够将大雨(12 mm/h)和暴雨(24～30 mm/h)的洪峰到来时间延迟20 min以上，对径流的削减率能达到20%以上，且土壤基质孔隙率、粒径和间隙越大，植草沟对水量的滞留效果越好。魏源源等[9]试验显示，植草沟的滞蓄效果与降雨总量呈负相关关系，当降雨量小于24.3 mm时，植草沟无出水流量，当降雨量为37.2、96.9 mm时，植草沟发生溢流，但对2种降雨的洪峰延迟时间均能保持在10 min以上。陈敬宣[10]试验表明，当降雨量为12.2、48.6 mm时，黑麦草植草沟和白三叶植草沟排水情况都能达到要求，当降雨量为218.3 mm时，2种植草沟排水情况均较差，且均会出现侵蚀沟，但后期黑麦草植草沟仅2周的时间便可基本恢复正常排水功能，而白三叶植草沟较难恢复。Allen[11]研究显示，植草沟对雨水径流峰值的平均削减率为50%～53%，对径流总体积的削减率达46%～54%，峰值延迟时间达33～34 min。有研究表明，降雨历时越短，降雨强度越小，植草沟对降雨径流水量的调控效果越明显。Guo等[12]试验显示，当降雨重现期为0.33 a，降雨历时为3 h时，50 m2的植草沟可削减50 m2沥青路面上产生的66%的降雨径流量，降雨强度比降雨历时对植草沟入渗、截流的影响更大，植被覆盖度也会对植草沟的调控能力产生影响；当降雨重现期为0.33 a、降雨历时为1 h时，植被覆盖度增加60%的植草沟对降雨径流量的削减率提高了8%；还发现对于长和宽均为2 m的植草沟来说，当降雨历时为24 h时，对1、2 a重现期的降雨形成的道路径流削减率分别为96.3%、56%，而对50 a重现期的径流量削减率仅为13%。黄俊杰等[13]研究表明，普通植草沟与设置下排水的改良植草沟的径流水量削减率分别为31.1%、35.5%，2种设施均能有效削减径流量和峰值，延迟径流峰值出现时间，但改良植草沟的水文控制效果要优于普通植草沟，还发现植草沟对径流的削减效果受进水条件的影响，进水深度越小，水量削减效果越好。

汪艳宁等[14]试验显示，当渗透系数为5.31～6.81×10-5m/s，水力负荷为5.88 m3/(m2·d)时，植草沟可消纳相当于自身面积2.16倍的不透水路面产生的径流量；当水力负荷由1.47 m3/(m2·d)增至5.88 m3/(m2·d)时，设施对径流量的削减率从95.99%降低至70.87%，总的来说植草沟能削减70%以上的洪峰流量。Muhammad等[15]研究表明，植草沟对径流的调控主要通过渗透、污染物去除和径流传输3个处理阶段完成，降雨径流首先被保留在土壤和植被层中，然后渗透到地下并通过雨水穿孔管传递到地下储存沟，通过这种方式，植草沟对30 mm/h的降雨可以在较长一段时间内滞留大量的雨水并延迟出现的时间，总的来说，植草沟对小型降雨的径流削减率为40%～75%。试验显示[16]，植草沟无法消纳的最大水量和下渗的最大水量是在设计植草沟时应考虑的2个重要水力参数，当这2个值分别为2.3～3.3 cm(均值为2.8 cm)和0.4～2.2 cm(均值为1.3 cm)时，系统截流效果最好。研究表明[4]，设计过滤带或截止坝能有效提高植草沟对径流量的削减能力，而在坡度较缓的地区，通过增加砾石储水层、改良土壤基质层、设计延程排水管等方法并不能够明显增加植草沟对径流的减控效果。Ana等[17]研究表明，随着运行时间的延长，植草沟会出现土壤基质孔隙的堵塞问题，这会使得土壤截流率下降30%左右，因此，要定期检查并更换堵塞的土壤基质，加强日常维护管理工作，使其保持良好的雨水削减和调蓄作用。

上述研究表明，植草沟能有效削减径流量和峰值，延迟径流峰值到达时间，但其对径流的调控效果受降雨特征(降雨强度、降雨历时、降雨量)、植被条件(植物种类、植被覆盖度)、土壤基质条件以及堵塞状态等因素的影响。

3 水质净化效果

表1 植草沟去除污染物效果 %

潘姣[21]研究表明，当降雨强度增加时，植草沟对污染物去除率有所降低，而降雨量总体积与去除率无相关关系，植草沟对TSS的去除率高达79%～98%，还发现当进水污染物的浓度较低时，植草沟对污染物的去除效果反而变差，当TSS进水浓度分别为40、100 mg/L时，去除率分别为0、50%。Terry等[22]研究表明，植草沟对TSS的削减率依赖于TSS进水浓度，50%～80%的TSS和20%～23%的TP在离进水口10 m内被去除，且TSS和TP进水浓度越高，去除效果越明显。研究表明[5]，30 m的植草沟对TSS、金属和碳氢化合物的削减率分别为60%、2%～16%和50%，而60 m的植草沟对TSS、金属和碳氢化合物的削减率分别为80%、46%～67%和75%，还发现径流中80%的污染物是在植草沟的60～75 m内被去除的，因此建议植草沟的最小长度为30 m。Ryan等[23]试验表明，梯形植草沟对TSS的去除率比三角形植草沟提高了10%，坡度越小、长度越长、集水区面积越小的植草沟除污效果越明显，而纵向坡度对除污效果影响较小。赵金辉等[24]研究表明，污染物浓度与降雨历时呈负相关关系，植草沟长度与各污染物去除效率之间呈明显正相关关系，尤其是与TSS的去除效率高度相关。Zhao等[25]研究表明，植草沟与湿地滞留塘组合系统对TN、TP、COD和TSS去除效果显著且稳定，还发现沉积颗粒的粒径大小对污染物的去除率有明显影响，植草沟对粒径超过75 μm颗粒的去除率高达80%，而对粒径小于75 μm颗粒的去除率较低，甚至为负值，尤其对于粒径小于25 μm的颗粒。Wang等[26]研究表明，天堂草沟和黑麦草沟2种植草沟的净化效果受水力负荷、草高和水深的影响，影响大小依次为：I水力负荷﹥I草高﹥I水深，2种植草沟的最佳运行条件相同，均为水力负荷0.5 m3/(m2·d)，草高15 cm，水深4 cm，且黑麦草沟的整体净化效果优于天堂草沟。周开壹等[27]研究表明，当气温为29 ℃，坡度为1%，流速为0.18 m/s，植草平均长度为8 cm，长度为50 m时，多孔混凝土的植草沟对污染物的去除效果最优。扶蓉等[28]等研究表明，多孔混凝土的低碳植草沟的填料宜选择颗粒小、质地均匀、保水保肥能力好以及有降污、吸附重金属能力的物质如红壤、过磷酸钙、木炭、沸石及秸秆堆肥等，植物宜选择适应性强、耐雨水冲刷、根系发达、吸附能力好的草本植物。

上述研究表明，水力停留时间、流速、植被种类、有效水深、长度及基质类型等因素均会对植草沟的净化效果产生影响，但总的来说，设计合理的植草沟可取得较好的水质控制及污染负荷的削减效果。

4 结论与展望

近年来，基于其在改善城市雨水径流方面的良好效果，植草沟已成为一种高效的暴雨最佳管理措施。然而，总体来说植草沟用于城市雨洪控制与利用方面的研究还比较缺乏，如何合理设计和维护植草沟，使之能有效减缓城市化带来的水生态和水环境等问题将是今后的研究重点。可以从以下3个方面进行研究：①植草沟的水力模型和水质模型的研究，深入研究对污染物去除的机理，建立植草沟对雨水水量、水质处理效果与影响因素之间的模型；②既能满足对城市暴雨径流量的削减，又能高效、稳定地去除各种径流污染物的植草沟的研究，如通过优化植草沟的结构设计、填充基质及植物种类等，在不降低水力负荷的前提下最大化提高对污染物的削减效果；③植草沟长期运行稳定性的研究，尤其是悬浮物、重金属及油脂等会在植草沟内积累而使基质达到饱和，针对土壤阻塞问题，开发出适合植草沟能够保持高效运行的维护措施。