2种生态植草沟对路面径流净化效果的对比

张瑞斌

1.江苏龙腾工程设计股份有限公司 2.江苏省雨污水资源化利用工程技术研究中心 3.南京市生态河道工程技术研究中心

随着城镇化的发展，城市不透水路面增加，容易出现城市内涝、洪峰径流过大等问题，同时雨水径流携带大量的污染物进入市政管网后增加下游有机物负荷，因此海绵城市建设意义重大[1-2]。常规植草沟的截面大多以梯形为主[3-4]，边坡顺直，雨水流动速度快，无法缓解径流峰流量，在暴雨季节雨水猛烈冲刷下容易坍塌，净化雨水的过滤层又多以简单的上下叠加形式设置，严重影响雨水的渗透和快速排出，且过滤层的净化效果较差，这些都限制了植草沟的推广和应用[5-6]。作为给水厂生产过程中的副产物，铝污泥含有大量铝离子及其聚合物，用作生物填料时可有效提高脱氮除磷效果[7-8]。笔者将铝污泥生物填料与台阶型植草沟相结合，以常规植草沟作为对照，构建台阶型生态植草沟系统，研究并分析该系统净化路面径流水质的效果，以期为海绵城市建设提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

铝污泥取自给水厂，主要成分为Al2O3，浓度为38.62%～45.84%，体积密度为(1.18±0.10)g/cm3，孔隙率为40%，比表面积为21.54～36.50 m2/g，电导率为0.010 4～0.014 0 S/m。铝污泥原料经过搅拌、造粒后，在105～120 ℃下烘干2～3 h，以去除水分；在500～600 ℃下无氧焙烧6～8 h，自然冷却后制备成铝污泥生物填料。

1.2 试验设计

试验地点位于南京市江宁区某新建小区，该小区建设时间短，绿地率高，适合试验的开展。在小区主干道一侧的绿地上沿纵坡方向建造2种渗透型干式植草沟，分别记作设施Ⅰ和设施Ⅱ(图1)，承接路面雨水。经计算，2种植草沟汇水面积均为150 m2。设施Ⅰ为常规植草沟，纵向全长10 m，坡度0.5%，最大深度0.3 m，横向为倒梯形剖面，底宽0.6 m，侧面坡度为1∶2，底部设置了种植土层、砂层及穿孔下排水管道。其中，种植土层为混有腐殖质、动物粪便、膨润土和灰土的营养土，厚度8 cm；砂层选用粒径为2～3 mm的粗砂，厚度30 cm，且种植土层和砂层之间铺设有透水土工布；穿孔下排水管道管径100 mm，纵向布置，表面开孔直径2 mm，管底距砾石层底部10 cm。设施Ⅱ为台阶型生态植草沟，在设施Ⅰ基础上将两侧坡面改造，设置三级台阶，每级台阶水平面宽15 cm，水平面从上往下依次设置厚度均为5 cm的碎石过滤层(粒径10～20 mm)、砾石过滤层(粒径5～10 mm)、铝污泥过滤层(粒径1～5 mm)；过滤层采用石笼网装填，且笼孔直径小于所装材质的粒径。设施Ⅰ和设施Ⅱ的表面均种植多年生草本植物黑麦草，种植后需经10～15 d维护管理，以确保栽种成活，待生长至约10 cm即可进行试验。试验期间选择2020年3月中的2场降雨事件，设施Ⅰ和设施Ⅱ均有出流，具体数据如表1所示，根据中国气象局降水强度等级划分标准，降雨事件1为中雨(24 h内降雨量为10.0～24.9 mm)，降雨事件2为大雨(24 h内降雨量为25.0～49.9 mm)。下文用设施Ⅰ-1代表设施Ⅰ在降雨事件1中对路面径流的处理情况，其余类同。

图1 2种植草沟结构示意Fig.1 Structure of two kind of grass swales

表1 降雨事件的降雨特征Table 1 Characteristics of rainfalls in rainfall events

1.3 样品采集与分析

设施 Ⅰ 和设施 Ⅱ 沿道路纵向布置且与道路之间无开口路缘石，没有集中进水点，因此选择距植草沟起始端1、3、5、7、9 m处作为5个水质测量点，取平均值；由于2种植草沟的汇水面位于同一条道路的一侧且面积相同，监测时发现进水水质几乎相同，因此选取设施Ⅱ的进水作为进水水质。分别在2个设施出水口处采集水样，出水流量采用Hydro Vision流量计测定。降雨初期每5～10 min采集1个样品，后期采样间隔时间取30～60 min，具体根据降雨强度而定。所有水质指标均实行过程样的连续监测，结合流量过程的监测获得单次降雨事件的污染物平均浓度(整个降雨径流事件中该污染物质量与径流总体积之比)。使用SL3-A翻斗式雨量计监测研究区域的降雨特征数据。

SS粒径采用光电感应法(激光粒度粒形分析仪，Mastersizer 3000，Malvern)测定；CODCr采用重铬酸盐法测定；TP浓度采用钼酸铵分光光度法(紫外可见分光光度计，UV1200，MAPADA)测定；TN和NH3-N浓度采用气相分子吸收光谱法(气相分子吸收光谱仪，GMA3510，森普)测定。

2 结果与分析

2.1 植草沟径流量削减效应

植草沟径流总量削减效应统计结果如表2所示。由表2可见，设施 Ⅰ 在2次降雨事件中径流总量削减率分别为51.45%和44.79%，而改良后的设施 Ⅱ 水量削减效果优于设施Ⅰ，径流总量削减率分别达到63.04%和55.21%。2种植草沟在2次降雨事件下的出水口流量拟合曲线如图2所示。由图2可知，由于植草沟土壤初始的孔隙存储和渗透[9]，设施 Ⅰ 和设施 Ⅱ 均完全消纳了最初降雨产生的进水，且随着降雨的进行，设施 Ⅱ 特有的台阶型构造延长了径流路径和植草沟的消纳时间，使设施 Ⅱ 出流时间大幅延缓。在随后的降雨过程中设施 Ⅰ、Ⅱ 均发生了出流；相较于设施 Ⅰ，设施 Ⅱ 出流的峰值流量显著削减，峰值时间至少延迟24～30 min，出流总流量减小。

表2 植草沟径流总量削减效应统计Table 2 Statistical analysis of runoff volume reduction by grass swales

图2 2种植草沟在2次降雨事件下的出口流量拟合曲线Fig.2 Fitting curve of outlet flow of two kind of grass swales under two rainfall events

2.2 植草沟SS和CODCr削减效应

植草沟进出水中颗粒物粒径分布及SS、CODCr污染物的削减统计结果见表3和表4。由表3和表4可知，设施Ⅰ和设施Ⅱ均可有效降低出流SS浓度和粒径较大的颗粒物占比，设施Ⅰ对径流中SS浓度和总量的削减率分别可达66.28%和83.63%，设施Ⅱ对径流中SS浓度和总量的削减率分别可达79.54%和92.44%。研究表明，城市地表降雨径流中其他污染物浓度与SS浓度有着相似的变化趋势，且这种相关关系能够保持相当一段时间[10]，植草沟对径流中CODCr的去除易受到SS去除效果的影响。

表3 2种植草沟进出水中颗粒物粒径分布Table 3 Particle size distribution in the inlet and outlet water by two kind of grass swales

表4 植草沟SS、CODCr污染物削减效应统计Table 4 Statistical analysis of SS, CODCr reduction by grass swales

在中雨条件下，设施Ⅰ对径流中CODCr和总量削减率分别可达51.11%和76.26%，设施Ⅱ对径流中CODCr和总量削减率分别可达67.08%和87.83%，设施Ⅱ的去除效果显著。

2.3 植草沟NH3-N和TN削减效应

植草沟对NH3-N、TN污染物的削减效应统计结果如表5所示。由表5可见，设施 Ⅰ 在2次降雨事件中对NH3-N浓度的削减率分别为-15.22%和0.93%，对TN浓度的削减率分别为27.74%和35.83%；设施 Ⅱ 在2次降雨事件中对NH3-N浓度的削减率分别为30.43%和34.75%，对TN浓度的削减率分别为57.92%和63.61%。在2次降雨事件中，设施 Ⅰ 对NH3-N总量的削减率分别为44.06%和45.31%，对TN总量的削减率分别为64.92%和64.57%；设施 Ⅱ 对NH3-N总量的削减率分别为74.29%和70.77%，对TN总量的削减率分别为84.45%和83.70%。

表5 植草沟对NH3-N、TN污染物削减效应统计Table 5 Statistical analysis of NH3-N, TN reduction by grass swales

2.4 植草沟TP削减效应

植草沟TP污染物削减效应统计结果如表6所示。由表6可见，在2次降雨事件中，设施Ⅰ对TP浓度的削减率分别为44.83%和49.12%，对TP总量的削减率分别为73.21%和71.91%;设施Ⅱ对TP浓度的削减率分别为72.41%和78.36%，对TP总量的削减率分别为89.80%和90.31%，设施Ⅱ对磷的去除效果明显优于设施Ⅰ。

表6 植草沟TP污染物削减效应统计Table 6 Statistical analysis of TP reduction by grass swales

3 讨论

由试验可知，设施Ⅱ对SS的净化机制除了植被、土壤层和砂层的过滤、截留作用[10-11]外，较长的径流路径和三道过滤层使SS更容易被截留，很少存在沉淀颗粒物受径流冲刷再悬浮的问题。设施Ⅰ出流NH3-N浓度不降反升(表5)，一方面可能是大粒径颗粒优先沉降，小粒径颗粒具有更高的污染物吸附效应[10]；另一方面是植草沟表层土壤中部分污染物更易通过淋溶和解吸进入径流，导致出流污染物浓度不降反升[12]。设施Ⅱ的去除效果优于设施Ⅰ，主要原因是一般路面径流的pH为6.5～8.0[4]，铝污泥等电点约6.4，此时铝污泥表面带负电，带正电的NH3-N通过静电作用和分子间作用力吸附在多孔结构的过滤层上[13-14]，尤其过滤层内部的微生物硝化反硝化作用大量削减水流中的NH3-N[15-16]，而绝大部分小粒径SS则通过三道过滤层的截留被去除(表4)，小颗粒的污染物吸附效应大幅减弱；另外，过滤层能够营造雍水环境，降雨强度越大，径流与过滤层的接触面积越大，增强了过滤层对污染物的去除效果。

径流污染物总量削减率与进出水污染物浓度及径流量有关，径流总量的量级远大于污染物浓度的量级，因此，受径流总量削减效应影响，污染物总量也呈现出较好的削减效应，再加上植草沟对污染物的过滤吸附作用，其污染物总量削减率高于径流总量削减率。设施Ⅰ对溶解态污染物浓度影响较小，下渗作用[21]成为设施Ⅰ去除污染物的主要机制；而设施Ⅱ的台阶型坡面延长了径流路径，台阶水平面上设置的填料过滤层强化去除径流污染物，造成设施Ⅱ径流总量和峰值流量减少，峰值时间大幅延迟，污染物浓度和总量削减率提高。由试验结果可知，2次降雨事件设施Ⅱ出流水质均优于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水质标准，甚至部分指标达到Ⅲ类水质标准，而设施Ⅰ除了TN指标，其他指标均达到Ⅳ类水质标准，说明台阶型生态植草沟可取得较好的水质控制及污染负荷削减效果。

4 结论

(1)在2次降雨事件中，改良后的设施Ⅱ径流量削减效果优于设施Ⅰ，径流总量削减率分别为63.04%和55.21%，峰值流量显著降低，峰值时间至少延迟24～30 min。

(2)设施Ⅱ具有较好的水质控制及污染负荷削减效果，对径流中SS、CODCr、NH3-N、TN和TP浓度削减率分别可达79.54%、67.08%、34.75%、63.61%和78.36%，对总量削减率分别可达92.44%、87.83%、74.29%、84.45%和90.31%。

(3)设施Ⅱ在2次降雨事件中，出流水质均优于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水质标准，部分指标达到Ⅲ类水质标准。