常德城市“绿色海绵体”磷含量及其降雨截留特征

刘春慧，毛亮，宗想，罗丛强

（1.湖南文理学院生命与环境科学学院，湖南常德 415000；2.湖南德江监理有限公司，湖南常德 415000；3.水产高效健康生产湖南省协同创新中心，湖南常德 415000）

引言

海绵城市利用科学的雨洪管理模式，开发新型城市海绵单位来提高城市生态弹性，实现城市可持续发展的一种新型城市建设管理模式[1]。常德作为第一批全国海绵城市建设城市已建成一批具有“蓄、滞、渗、净、排、用”六大功能的“绿色”和“灰色”海绵体。其中“绿色”海绵体包括城市绿地、公园、生态滤池、植草沟、下沉式绿地、雨水花园和绿色屋顶等[2]。这些绿色海绵体具有削减雨水径流、控制面源污染、缓解城市“五岛”效应等作用。磷元素作为面源污染控制的重要营养元素一直受到广泛关注，是海绵城市中面源污染控制的关键元素，其在环境土壤中的形态和含量受到污染物来源、土壤类型、植被类型、降雨径流等诸多因素的影响[3]。目前海绵城市绿色海绵体的研究多集中在海绵设施的工程建设、绿色屋顶配置优化、生态海绵设施开发和生态滤池净化等多个方面[4]，而关于天然降雨径流下不同海绵设施营养元素的含量和截留迁移的研究较少，特别是对于已建成的城市绿色海绵体的运行状况和水质净化方面更少。本研究正是为了填补这方面的空缺，以磷元素为切入点，对比研究不同海绵城市绿地公园土壤和水体磷含量以及降雨下的截留特征，为海绵城市生态服务功能评价提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采集点的选择与概况

1.1.1 屈原公园

护城河是常德城区重要的排水系统组成部分，沿岸已建成了许多具备多功能的城市“海绵体”。其中护城河南面的“屈原公园”是海绵城市建设和治理的重点示范区，具有丰富的功能海绵体。“屈原公园”作为常德海绵城市示范点，主要起到拦截沅安路汇入护城河雨污的作用。

1.1.2 公园世家穿紫河段

穿紫河上游-公园世家-改造前，穿紫河上游受周边生活及农业用水污染严重，水体发黑发臭。改造后，污水经收集后注入到生态滤池中，净化后排入穿紫河，并在沿岸铺设植物缓冲带，水质得到了很大改善。

1.2 海绵城市核心示范区土地利用类型及土壤采样

于2017 年5 月进行土壤样品采集。环刀铝盒样本用于土壤容重测定，取土钻采集的表层土壤用自封袋保存，并迅速带回实验室进行理化指标分析。采集点的具体位置和植被描述见表1。

表1 土壤采样点植被描述及其位置

1.3 不同降雨事件下水样的采集

1.3.1 公园世家穿紫河段

于2017 年5—9 月不同降雨条件下，对公园世家旁的生态滤池水样进行连续采集。包括污水进口④、生态滤池出水口③、穿紫河河中②以及西边公路排水口①，具体采集点见图1。

图1 公园世家芦苇生态滤池监测点

1.3.2 屈原公园

屈原公园第三示范区为观测区（图2）。初期雨水较脏的部分从沅安路经公园土壤初步渗透或地表径流从7 号点（1 级出水口）流到生态滤池进行净化处理，经过净化后的水再经滤池底面的渗管5、6 号点（2 级出水口）收集送到蓄留塘。与此同时广场西入口的雨水通过线性排水沟进入广场中间的雨水轴线，然后从3号点进入蓄留塘。蓄留塘水体最终经4 号点（3 级蓄留池出水口）排入内湖1。降雨时根据产流情况采集1 级出水口、2 级出水口和3 级蓄留池出水口的水样，并记录好气象台发布降雨、气温、湿度等一系列数据。

图2 屈原公园三区平面图

1.4 测定方法与数据分析

土壤水分容重测定采用传统的铝盒法和环刀法，有机质含量测定采用重铬酸钾氧化法，正磷酸盐测定采用钼锑抗比色法[5]。用Excel 和SPSS16.0 进行制表与数据分析，origin8.0 进行制图。

2 结果分析与讨论

2.1 公园世家绿色海绵体理化性质

公园世家采集的“绿色海绵体”主要是生态滤池、河边底泥以及河岸护坡的土壤。如表2 所示，采样点1（芦苇生态滤池）和3（岸边底泥）水分含量最高，分别达到了52.5%和49.1%，采样点2、4、5、6（皆为岸边草坪）水分含量较低，在16.5%～21.3%之间变化。整个区域土壤水分平均值为29.45%；采样点1（芦苇生态滤池）和采样点3（岸边底泥）容重最低，分别为0.50 g/cm3和0.60 g/cm3。采样点2、4、5、6（皆为岸边草坪）容重较高，在1.11～1.49 g/cm3之间变化。

表2 公园世家土壤理化性质指标

由表2 还可知，6 个采样点中1 号和3 号土壤的总磷和有机质含量最高，分别达到790 mg/kg 和351 mg/kg、117.2 g/kg 和62.8 g/kg。水分含量对比发现1，3号土壤的水分含量也远高于其余采样点，分别是52.5%和49.1%。其地点是公园世家芦苇池和岸边土壤。公园世家芦苇池净化的主要是生活污水，并且污水停留的时间较长，而岸边也有一部分的生活污水在内，因此有机质和总磷含量较高。2、4、5、6 号样点总磷分别为107 mg/kg、129 mg/kg、124 mg/kg、116 mg/kg，这4个采样点都是河岸草坪为主的绿色城市海绵体，其主要净化的污染都是来自于过往行人或交通工具居多的沙粒尘埃，这一点也可以从4 个点的容重看出，该4 个点的容重远高于1 号和3 号样点。

2.2 屈原公园水分含量，容重测定及总磷含量

屈原公园采集的绿色海绵体主要是多级生态滤池、公路护坡以及雨水花园的土壤，其水分、容重、有机质和总磷含量如表3 所示。屈原公园土壤水分在16.2%～26.4%之间变化，其中7 号点（蓄留池）土壤水分高于其它采样点。8 号土壤来自1 级芦苇滤池，多为细砂，其容重和有机质含量均较低，分比为0.5 g/cm3和4.1 g/kg。10 号土壤来自雨水花园，并种植有兰花草和雪松，其有机质含量最高为11.5 g/kg。

表3 屈原公园土壤理化性质指标

2.3 不同降雨事件过程中生态滤池中总磷的状况

2.3.1 公园世家在不同降雨时的总磷含量

从2017 年5—9 月产生溢流的降雨事件共四起，分别为5 月11—12 日的小雨（24 h 降雨量12.2 mm），5月22 日的大雨（24 h 降雨量48 mm），6 月11—13 日的中雨（24 h 降雨量21.5 mm），9 月19 日的爆雨（24 h降雨量71 mm）。

不同事件下公园世家穿紫河段各采样点总磷的变化状况如图3。公园世家旁边有个生活污水场，会定期的将生活污水排放到生态滤池中，通过测定排放的生活污水、经过生态滤池过滤的水及穿紫河河道水样表明，生态滤池对生活污水具有很好的过滤效果，对污水中的磷去除率达到80%以上，并可以将黑色的生活污水净化排放，这与赵静等[6]的研究类似。但进一步分析表明，虽然生态滤池对生活污水中磷具有很好的过滤效果，但不得不承认的是大暴雨条件下排放的过滤水中的磷浓度仍达不到地表水排放的标准，为劣五类。

图3 不同事件中各采样点总磷的浓度

2.3.2 屈原公园生态滤池在不同降雨时的总磷含量

从2017 年5—9 月产生溢流的降雨事件与公园世家相同，也为4 起，降雨产生的径流在流经3 个滤池后其总磷的变化状况如图4。结果表明，滤池的过滤作用使不同滤池的径流中的总磷产生了显著的差异（P＜0.05）。降雨产生的径流中的总磷在依次流经不同滤池后均出现了降低的现象，且滤池对总磷的过滤作用主要发生在一级滤池中，3 个滤池的联动过滤作用对总磷的去除率可达54%，且这种过滤效果随降雨强度的增加而降低[7]。

图4 不同降雨事件中屈原公园三级滤池总磷的含量及去除率

3 结论

屈原公园与公园世家都是常德典型的海绵城市示范区域，但其目标功能不一样，“绿色海绵体”磷含量和截留能力都有所区别。公园世家生态滤池的主要目的是净化周围生活污水，而屈原公园的净化目标是道路或周围冲刷汇流的水体。公园世家采样点土壤水分含量较高，体现出了淹水条件下的土壤特点；由于土壤总磷含量较高，生态滤池磷存在释放的风险。公园世家生态滤池对周边排放的生活污水总磷的去除率达到80%以上，但经过生态滤池过滤的水质量仍停留在劣五类。降雨过程中屈原公园三级生态滤池对总磷的去除率可达54%，但仍达不到地表水三类标准。因此应加强对城市海绵体生态净化功能的监测和维护，及时发现潜在释放风险，持续发挥海绵城市功能。