不同类型护坡对降雨径流中污染物的削减效果分析

王岩,张迎颖*,张志勇,徐佳兵,闻学政,刘海琴,宋雪飞,郭文景,周庆

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室/国家农业科学农业环境六合观测实验站,江苏 南京 210014;2.常州市武进区前黄水利(务)站,江苏 常州 213172)

在太湖流域人口密度较高的村镇中,尤其是河道支浜沿岸,目前依然保留了很多复种指数较高的蔬菜地,导致菜地表层土壤中氮、磷明显积累,在降雨时易被雨水冲刷流入附近水体[1]引发河道富营养化及水体黑臭。该流域村镇工业发达,大片地区兼具农村和工业区特征。这类厂村融合区[2]复合面源污染形式主要有降雨径流及生产生活排水,来源涵盖农村日常生活污水、散养禽畜、种植-养殖-水产、厂区面源等类别。有研究表明:降雨径流冲刷地表携带的氮、磷污染物已成为受纳水体富营养化的重要营养物质来源[3],建议在这类地区建设地表径流拦截及净化、绿化、美化设施[4],以减少径流对地表水体的污染输入。目前针对降雨径流中携带的各类污染物已有诸多控制技术,如源头减量控制技术[5]、原位净化技术[6]、过程拦截削减技术[7]等。其中,利用河道或水体原有护坡进行生态改造,是拦截降雨径流中污染物进入自然水体的手段之一。

土面护坡常见于我国内河航道中,属无特殊防护状态的天然土质岸坡,这类护坡存在少量季节性生长的植物,植被覆盖率低,水土保持能力差;单纯植物护坡只适用于边坡较矮和坡度较小的区域,虽然应用有一定局限性,但已经具有了一定的生态补偿性。目前生态学、水土保持、土木学、土壤学等的关注热点[8-10]——生态护坡,以保护、创造生物良好的生存环境和自然景观为前提,在保证护坡具有一定强度、安全性和耐久性的同时,兼顾工程的环境效应和生物效应,以达到水体和土体、水体和生物相互涵养且适合生物生长的仿自然状态[11]。现阶段可选护坡类型或改造方式较多,具体技术如生态袋护坡技术、草垫护坡技术、植被网护坡技术、浆砌片石骨架植草护坡技术、液压喷播植草护坡技术、钢丝网格护坡技术、坡改平生态护坡技术等[12-16]。

本试验设置4种护坡类型:土面护坡、草皮+土壤护坡(草面护坡)、护坡砖+草+土壤护坡(砖面护坡)和植被网+草+土壤护坡(网面护坡),以人工配水的方式,模拟大到暴雨降雨强度下形成的降雨径流,对比各类型护坡对降雨径流中氮、磷、化学需氧量(COD)、总悬浮物(TSS)等污染物的拦截净化效果差异以及水土保持情况的差异。本文旨在从水质净化性、结构特性、抗冲刷性、水土保持效益等方面,筛选出适宜农村集中居住区的生态护坡建设方式,以实现对径流中污染物的拦截和削减,为生态河道建设及农村人居环境改善提供技术选择与参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计和试验材料

试验装置:设计护坡模拟装置(图1)为单面护坡,由不锈钢支架和PVE板制成,α=38°,坡底长 180 cm,坡面长200 cm,坡面宽150 cm,土壤厚度为30 cm。每个护坡设有2片隔档,将护坡分割为坡面长2 m、宽0.5 m的3个平行。坡顶设有溢流装置,可使进水从坡顶均匀地进入护坡。坡底设有集流槽,可对护坡表面径流进行收集。

图1 试验装置

护坡植物:选取在江南地区可自主越冬、耐寒且适合粗放管理的草本植物黑麦草[17](LoliumperenneL.),其为多年生草本植物,喜温凉湿润气候,宜于夏季凉爽、冬季不太寒冷地区生长。

共设计4种护坡处理:1)土壤处理(土面护坡)。坡体填充土壤,坡面无植被,无护坡网,无护坡砖,无硬质化处理。坡面植被密度为0 棵·m-2。作为对照处理,模拟实际工程应用中无特殊防护状态的天然土质护坡设置。2)土壤+植被处理(草面护坡)。坡体填充土壤,坡面种植黑麦草,种子撒播量约32 g·m-2。坡面植被密度为3 900 棵·m-2。模拟实际工程应用中河道草皮(草垫)护坡设置。3)土壤+黑麦草+护坡砖(砖面护坡)。坡体填充土壤,坡面铺设八字砖(400 mm×200 mm×65 mm),八字砖空隙处种植黑麦草,种子撒播量约20 g·m-2。坡面植被密度为2 300棵·m-2。模拟实际工程应用中河道网格护坡设置。4)土壤+黑麦草+植被网(网面护坡)。坡体填充土壤,坡面铺设植被网,种植黑麦草,坡面植被密度为3 900 棵·m-2。模拟实际工程应用中河道护坡网护坡设置。

利用隔膜泵(SEKO赛高机械隔膜阀计量泵,型号MS1C138C31)抽取试验用水进入坡顶溢水堰,模拟降雨径流进入护坡。

1.2 试验方法

于2020年3月开展试验,试验温度12～17 ℃。护坡草皮提前稳定养护1个月,期间每周浇水1～2次,于试验开始前1 d将草皮统一刈割至地上部8 cm高,土面护坡每周至少除草1次。参照我国气象部门降雨强度标准,试验所需要的降雨强度设置为大到暴雨,考虑苏南农村集中居住区区域河网密集、地貌坡度相对一致,除硬质化地面外,房前屋后尚保留部分菜地或绿地,采用区域综合径流系数0.45,设置汇水面积为200 m2雨水径流量,按国家标准《室外排水设计规范:GB50014—2006》计算公式:Q=ψ×F×q。式中:Q为雨水口径流量(L·min-1);Ψ为径流系数;F为汇水面积(m2);q为降雨强度(mm·min-1)。大到暴雨降雨强度换算成雨水口径流量为2.3 L·min-1。

为模拟现实情况,防止污染物形态发生变化,试验当天调节配水浓度和水泵流量。从开始进水时开始计时,至坡底出现稳定汇流后,记录各处理水力停留时间(HRT),每5 min记录1次坡底汇流量,并采集水样,共取5次。为防止土壤含水量对试验结果的影响,每次进水试验相隔1周。

1.3 测定指标

污染物削减率计算公式:ωi=(C0V0-CiVi)/C0V0×100。式中:ωi为i时刻污染物削减率(%);C0和Ci分别为初始进水和i时刻坡底出水中此类污染物质量浓度(mg·L-1);V0和Vi分别为初始进水和i时刻坡底出水体积(L)。当径流经过坡体后出现污染物浸出情况时,即CiVi大于C0V0时,坡体对此类污染物削减率为负值。

颗粒态磷浓度的计算公式:CPP=CTP-CTDP。式中:Cpp为颗粒态磷质量浓度(mg·L-1);CTP为总磷浓度(mg·L-1);CTDP为溶解态总磷质量浓度(mg·L-1)。

2 结果与分析

2.1 不同护坡对降雨径流中磷削减率的影响

从图2可知:不同处理对于径流中颗粒态磷(PP)和总磷(TP)的净化效果存在差异。从坡底出现径流开始计时,0～25 min内网面护坡、砖面护坡、草面护坡和土面护坡对PP的削减率分别为83.27%～88.86%、85.00%～95.42%、72.07%～94.26%和-194.79%～55.69%,平均削减率分别为86.42%、89.28%、85.33%和-91.03%。其中砖面护坡、网面护坡和草面护坡之间净化效果差异不显著,但这3个处理的净化效果显著优于土面护坡(P<0.05)。0～25 min砖面、网面和草面护坡的PP削减率较为稳定,随时间变化波动较小;土面护坡的削减率呈缓慢下降趋势。

图2 各护坡坡底出水中磷削减率随出水时间的变化

网面、砖面、草面和土面护坡对地表径流中TP的平均削减率依次为60.11%、62.87%、55.19%和 54.49%。砖面护坡净化效果最好,但各处理间差异不显著。在0～25 min砖面护坡的TP削减率基本保持不变;网面护坡和土面护坡随时间延长TP削减率呈下降的趋势,其中网面护坡的下降趋势小于土面护坡;草面护坡的TP削减率随时间延长呈波动上升的趋势。

2.2 不同护坡对降雨径流中氮削减率的影响

图3 各护坡坡底出水中氮削减率随出水时间的变化

网面护坡、砖面护坡、草面护坡和土面护坡对TN的削减率分别为25.11%～50.96%、22.86%～35.63%、-29.40%～37.99%和-278.42%～-218.69%,平均削减率分别为38.29%、31.68%、6.45%和 -248.12%。网面和砖面护坡对TN的净化效果优于草面护坡,但三者间无显著差异,这3种处理的效果均显著好于土面护坡(P<0.05)。试验期间,网面和砖面护坡对TN的削减率较为稳定,随时间变化波动较小;草面护坡的削减率随时间延长呈上升的趋势,削减率由负值变为正值;土面护坡对TN的削减率则为负值,变化范围为-218.69%～-278.42%,出水浓度明显大于进水浓度。

2.3 不同护坡对降雨径流中COD和TSS削减率的影响

从图4可知:网面、砖面、草面和土面护坡的COD平均削减率分别为38.06%、56.48%、55.10%和37.77%,其中砖面护坡对COD的净化效果高于其他3种护坡。在试验过程中,砖面和草面护坡的COD削减率呈上升趋势,变化范围分别为49.00%～68.76%和27.11%～78.01%;网面护坡的COD削减率随时间变化较小,变化范围为30.25%～44.39%;土面护坡在5～10 min出现剧烈下降,削减率为28%～40%。

图4 各护坡坡底出水中化学需氧量(COD)和总悬浮物(TSS)削减率随出水时间的变化

水中悬浮态颗粒物(TSS)质量浓度计算结果显示:网面、砖面、草面和土面护坡的TSS平均削减率依次为 22.00%、85.00%、33.61%和-176.71%。土面护坡由于缺少植物根茎或构筑物,出现严重的水土流失,TSS质量浓度出水明显高于进水,约为进水浓度的2.0～8.2倍,悬浮物去除效果最差,与其他处理差异显著,TSS最高值出现在15～20 min。砖面护坡因黑麦草根茎生长和护坡砖固定,对TSS的拦截效果最好,且全程较为稳定,削减率变化幅度为82.42%～89.60%。网面护坡和草面护坡分别于试验刚开始或结束时出现负值,其他时段的TSS削减率变化较小。

2.4 试验结束时不同护坡黑麦草生长状态差异

试验开始时,黑麦草平均株高8.07 cm,根长8.78 cm,单株平均干重0.029 g。试验结束后,采集单穴黑麦草测定生长情况(表1),发现各护坡黑麦草株高差异较小,网面护坡和砖面护坡平均株高分别为27.50和27.12 cm,略小于草面护坡株高(28.33 cm)。砖面护坡黑麦草根长(16.27 cm)略大于网面护坡(15.67 cm)和草面护坡(10.83 cm)。网面、砖面、草面和土面护坡黑麦草单株平均干重分别为0.038、0.036 和0.034 g。由于缺少坡面构筑物限制,网面护坡和草面护坡的单位面积植物干重较大,分别为砖面护坡的1.58和1.51倍。

表1 试验结束后黑麦草生长情况

2.5 护坡特征与污染物削减的相关性分析

在试验中可以明显观察到坡面植物和构筑物的存在对水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)产生的影响。降雨径流进入坡面后开始计时,各处理于不同时段开始产生径流。网面、砖面、草面和土面护坡出现径流的平均时间分别为18′07″、15′55″、14′46″和13′29″。

2.6 不同护坡对径流中污染物削减率Zi分综合评价

从表2可知:对比4种护坡对PP、TP、COD等指标削减率的Zi值发现,砖面护坡各指标去除效果优于其他护坡,其次为网面护坡、草面护坡,最后为土面护坡。

表2 不同护坡污染指标削减率Zi值

3 讨论与结论

从相关性分析结果可以看出,由于坡面植物密度的差异,导致护坡对相同流速的进水产生不同程度的延缓作用,表现为护坡HRT值的不同。而植物拦截程度的差异和HRT值的不同也使径流中污染物,尤其是与TSS相关的污染物去除产生差异。TSS本身是一种污染物,也是各类污染物的载体,通过络合吸附等作用吸纳很多其他污染物,如COD和磷等。其中磷素是导致富营养化的关键因子,因此在防控雨水径流中的磷素污染时应重点关注对TSS的拦截和去除[22-23]。植物密度的增加和HRT的延长可以减缓流速,促进泥沙沉降与固土截沙,在去除TSS的同时,降低径流中与颗粒物相关的其他污染物的浓度,间接减少径流中污染物进入水体的比例。

从长期运行看,护坡对硝态氮的去除是通过微生物反硝化作用和土壤深层歧化作用实现的[27]。试验设置为每周进行1次进水试验,也是模拟现实护坡干湿交替的实际情况。各护坡植物生物量、微生物生境和种群的差异,在未进水(降雨)时段会持续对护坡土壤截留径流中的各类污染物进行不同程度的分解,导致各护坡处理在下次试验时土壤吸收吸附能力不同,间接影响护坡对径流污染物的去除效果。李宏钧等[28]通过研究植物纤维毯对道路边坡的影响,发现植物纤维毯可以改善边坡微生物环境,形成稳定的微生物群落,促进植物生长。在本试验中,网面护坡对硝态氮和TN有相对较高的去除能力,可能是由于植被网的存在更有利于构建微生物环境,间接促进植物对氮的吸收以及护坡对下一次径流中硝态氮的吸附;较长的根长将硝态氮通过淋溶过程引至土壤深层,并在还原条件下通过歧化还原成铵态氮。然而,网面护坡对颗粒物的拦截效果低于砖面护坡,所以对于颗粒物及相关污染物的去除效果低于砖面护坡。

在未来护坡研究中,首先可以从增加驳坎等坡面构筑物元素,增加坡面高、中、低植物类型以促进形成复合根系等角度考虑,加强坡面粗糙系数,形成有效固土效果。本研究中4种护坡对氮的去除效果明显低于对磷的除去效果,这可能是由于各处理反硝化能力的不足,因此可从材料角度选取孔隙度较大的填料或砖,以促进反硝化微生物生境的构建和颗粒物拦截的设置,达到高效削减氮、磷的目的。值得注意的是,网面护坡和草面护坡黑麦草在生长旺季(株高为40 cm左右时),因生长密度过高出现死苗现象,而砖面护坡的死苗比例较小,因此在选择网面护坡或草面护坡这类坡面构筑物较少的护坡改造时,建议减少植被密度、增加不同高度植物以形成散热区或加强人工刈割频率,保障植物存活率和美观程度。