干植草沟雨水径流滞蓄截污影响因素研究进展

余鑫，詹健，徐晨，刘早红，石福平

(南昌大学 建筑工程学院，江西 南昌 330031)

由于城市化的快速推进，不透水表面不断扩大以及土地使用活动的增加致使土壤被压实，改变了正常的水文循环，最终导致降雨时径流流量和体积的增加，城市积水严重，沉积物、污染物无法及时排放处理的现象[1]。为了延缓雨水径流，控制面源污染，近几十年来，城市建设中对排水系统的要求一直在提高，更加强调排水质量，并且设计了专门的排水系统。在此背景下，低影响开发(LID)理念应运而生，通过对源头的控制来达到对降雨所带来的径流和污染的控制[2-4]。其中生态植草沟作为低影响开发理念的一种模式，常被用来减少城市雨水径流量和减少暴雨径流非点源污染，越来越多的植草沟被用于道路径流的一级处理，被整合到现有项目的改造中，并代表了一种简单、美观的技术，用于沿线性系统输送径流[5]。

植草沟主要是通过植被和土壤基质层提供的滞留、渗透作用来控制雨水径流，从而缓解了城市内涝的形成[6]。目前研究较多的植草沟主要有三种类型：标准传输植草沟、干植草沟和湿植草沟。标准传输植草沟即是浅植被明渠，其作用主要是引导雨水并输送径流。干植草沟也具有类似的特征，但除此之外，它们的底部被设计成由特殊材料制备的基质层，对雨水径流中的污染物在渗透过程中进行过滤和吸附，而且设置了地下排水系统，有效地减少了雨水径流流量。湿植草沟的结构与标准传输型类似，一般用于高速公路的排水系统、停车场或者屋顶的雨水径流，其在功能上近似于雨水湿地，与其他类型植草沟相比，增加了雨水径流的停留时间，其土壤层长时间处于潮湿状态，不适合建设在居住区[7-8]。根据研究表明[9]，干植草沟相比标准传输植草沟和湿植草沟来说强化了雨水径流的传输、渗透、过滤和滞留能力，并且干植草沟更适用于居民区排水系统的建设。本文主要通过介绍干植草沟的结构组成和功能，对干植草沟的相关影响因素进行探讨研究。

1 干植草沟的结构组成

干植草沟的基本构成类似于绿色屋顶和生物滞留池等低影响开发设施，见图1，主要由植被层、蓄水层、基质层、排水层构成[10-12]。道路上的雨水通过地表径流或者溢流管进入植草沟内，在植被层和基质层的作用下，通过滞蓄、过滤、渗透和生物过程对雨水径流问题进行改善，不仅有效减缓了暴雨径流流量和峰值流量，对雨水冲刷路面带来的污染物也有一定的去除效果。

a.正视图 b.截面图图1 干植草沟结构示意图Fig.1 Structure diagram of dry grass swale

1.1 植被层

植草沟作为景观性的地表排水系统，通过在基质层上种植植被，利用植被拦截滞留和基质层的过滤功能，使雨水径流中的大多数悬浮固体污染物和少量溶解性污染物得以去除[13]。植被层作为植草沟的上层部分，对雨水径流起到滞蓄效果，因此对植被层中植物的选择也至关重要[14]。目前大多数学者主要从植物的生态适应性、截污能力、景观性、经济效益几个方面对植草沟的植被层进行研究。范钦栋等[15]采用层次分析法(APR)[16]对40种植草沟植物进行评分筛选，最终筛选出18种更适合植草沟种植的Ⅰ级植物，相对于其他植物来说Ⅰ级植物更适应生态环境，对雨水径流流量的控制以及净化能力更显著，筛选出的Ⅰ级植物类型见表1。当然，在进行植草沟植物选择时也要考虑就近原则，优先选择本土植物，这样更利于植被的存活。

表1 筛选出的Ⅰ级植物[14]

1.2 蓄水层

植草沟坡面设有蓄水结构，在强降雨天气用以滞蓄和输送雨水，避免雨水径流在道路囤积形成城市内涝。在干旱天气时，蓄水层存留的水可持续供给植被层植物生长，以免长时间缺水导致植被枯死。

1.3 基质层

1.4 排水层

排水层主要由级配碎石和砂层构成，中间用土工布相隔开来。排水层在整个生态植草沟系统中起到支撑的作用，保障雨水通过出水管顺利地排放，并且在干旱期可以起到蓄水的作用，保证植被层中的植被能够持续生长[21]。

2 干植草沟对雨水径流流量控制效果的影响因素

植草沟对雨水径流的滞蓄效果主要是通过雨水下渗、滞留来延长雨水的水力停留时间。其对雨水径流的控制作用由多种因素决定，植草沟的长度、横断面面积、沟底宽度、入渗面的坡度、植被层植被的选择以及覆盖率、基质种类以及厚度、垫层结构、降雨强度、降雨历时和汇水方式等都对植草沟的滞蓄能力起着决定性作用[22]。张炜等[23]通过在实验室进行模拟实验，探讨了在不同进水水力负荷情况下植草沟的水文特性，实验结果表明可以通过改变进水水力负荷或者改变植草沟断面尺寸来促进植草沟雨水径流错峰效果，并以此来提升植草沟雨水径流流量控制能力。马晓谦等[24]通过对长安大学室内研究结果分析得出结论：植草沟的断面坡度取值范围为1/4～1/3，这样可以保证雨水径流以较浅的深度和较低流速在植草沟内流动，增强了植草沟滞蓄净化作用。本文主要从植草沟的植被层、基质层、降雨强度以及汇水方式等几个方面来对植草沟的滞蓄效果进行分析探讨。

2.1 植被层对植草沟雨水径流流量控制的影响效果

袁丽丽等[25]通过对大叶油草、百慕大草、假俭草3种不同植物对雨水径流的消减能力、洪峰的延缓能力以及蓄排水能力进行实验，得出结论：以假俭草作为植被层的植草沟在相同降雨强度下各方面都体现出最优状态。孟莹莹等[26]分析了在不同植被覆盖率下植草沟的雨水径流过程，结果显示植草沟中植物生长越茂盛，植草沟对雨水径流的滞蓄效果越显著。当沟内植被覆盖率达到0.9时，植草沟能够容纳自身产流和汇水区域的全部雨水，当沟内植被覆盖率不足0.5时应及时进行填土补植。提高植被的覆盖率可以有效地提高植草沟对雨水的滞蓄能力，并且提供良好的景观效果，但植被不易过量增长，需要定期进行修剪，以防止植草沟的过流断面过小导致雨水径流的控制效果不佳。植被层植被的最大高度为75～180 mm，设计高度一般为50～150 mm。当然对植草沟的修剪也要适中，植被过量修剪会增大雨水径流速度，进而降低了植草沟污染物去除效果[27]。Nurhazirah等[28]的研究也证实了这一点，植被的高度、类型是影响植草沟流动特性及其粗糙度系数变化的重要因素之一。

2.2 基质层结构对植草沟雨水径流流量控制的影响效果

植草沟的滞蓄能力受雨水径流在基质层中下渗作用的影响，当植草沟基质层含水率较低时，雨水径流渗透速率较大，对雨水径流能起到明显的滞蓄作用，延长了植草沟的出流时间，有效地消减了雨水径流流量，防止雨水径流在短时间内无法排出形成城市内涝[29]。基质层的组成成分对植草沟滞蓄能力也有着较大的影响。张辰等[8]建立了4种不同基质配比的植草沟进行实验比较，分别为：素土∶珍珠岩=9∶1，素土∶煤渣=9∶1，素土∶煤渣=8.5∶1.5以及纯素土，实验结果显示基质层为纯素土时，植草沟产生的表面径流量最大，用煤渣和珍珠岩改良过的植草沟基质层能有效地提高雨水的下渗能力，且植草沟改良基质的优化效果：珍珠岩改良基质层>煤渣改良基质层>素土基质层。在土壤中加入珍珠岩或者煤渣进行改良基质层，由于珍珠岩的裂隙结构和煤渣的多孔结构，有效地提升了基质层的孔隙率，进而提高了雨水的下渗能力[30]。并且随着孔隙率的提升，孔隙尺寸变小，更好地保证了基质层的保水能力。沈子欣等[31]通过研究也证实了基质层中基质的粒径大小、孔隙率大小以及间隙大小均与植草沟雨水径流控制能力相关。

2.3 降雨强度对植草沟雨水径流流量控制的影响效果

陈敬宣等[32]对石家庄市滨水生态公园内植草沟某段时间内处理降雨径流情况进行探究，当降雨强度较小时，植草沟的滞蓄效果良好，当降雨强度较大时，植草沟的滞蓄效果较好，当降雨强度达到暴雨甚至特大暴雨时，植草沟的滞蓄效果较差。特大暴雨容易侵蚀沟体，对植草沟的植被层造成了严重的破坏，雨后需要重新填土补植。郭翀羽等[33]通过对北方城市地区的植物缓冲带雨水径流控制机理进行实验探究，得出结论：当降雨强度较低时，缓冲带内雨水径流系数随着降雨时长的增加而增长，当降雨强度较高时，缓冲带内雨水径流系数随降雨历时先急剧增长，随后增长速度减缓最后趋近稳定。许仕荣等[34]的实验结论也证实了这一点，当降雨强度增大时，植草沟等LID措施对雨水径流的消减效果变弱，并随着降雨强度的进一步增大而趋近稳定。

2.4 汇水方式对植草沟雨水径流流量控制的影响效果

目前植草沟的汇水方式主要有三种模式：沿程多点汇水、沿程漫流汇水和集中汇水。张潇月等[35]在进水水力负荷为4 m3/h的条件下，研究了植草沟的三种汇水方式对雨水径流流量的控制效果，实验结果显示：沿程多点汇水方式的植草沟雨水径流流量消减了8.33%，峰值消减率达到5.83%，峰值出现时间较传统的排水管道推迟了10.3 min；沿程漫流汇水方式的植草沟雨水径流流量消减了9.51%，峰值消减率达到6.44%，峰值出现时间较传统的排水管道推迟了12.2 min；集中汇水方式的植草沟雨水径流流量消减了7.06%，峰值消减率达到 2.67%，峰值出现时间较传统的排水管道推迟了 9.6 min。由上述数据可知，在相同进水水力负荷条件下，沿程漫流汇水方式的植草沟对雨水径流控制效果最佳，说明雨水径流与植草沟土壤的接触面积影响着植草沟雨水径流的控制能力。

3 干植草沟对雨水径流污染控制效果的影响因素

3.1 植被层对植草沟雨水径流污染控制的影响效果

3.2 基质层结构对植草沟雨水径流污染控制的影响效果

3.3 降雨强度对植草沟雨水径流污染控制的影响效果

3.4 汇水方式对植草沟雨水径流污染控制的影响效果

4 结论与展望

植草沟作为一种绿色的地表排水系统，对雨水径流的滞蓄截污效果非常显著，为目前解决城市内涝问题提供了可行性方案。干植草沟相比于传输型植草沟和湿植草沟来说渗透效果和除污效果更佳，常被应用于城市雨水径流控制中。植草沟的理念虽然被提出来很久了，但我国近年来才开始对植草沟进行研究，而且对干植草沟相关影响因素的研究尚不深入。在降雨强度较小时，植草沟对地面雨水径流控制效果较好，但随着降雨强度的增大，雨水径流的控制效果逐渐降低，特别是遇到暴雨天气，植草沟的作用跟明渠并无太大差异，因此对干植草沟进行改良是目前研究的一大重要课题。

植草沟的植物选择至关重要，不同植被对雨水径流滞蓄截污效果也各不相同。在选择植被时，尽量选择根茎发达的植物，根茎发达的植物固土保水能力较强，对植草沟的沟壁土壤层起到很好的保护作用，能够更好地应对降雨强度的变化导致沟体的冲刷侵蚀。为使植草沟能更好地控制雨水径流，植草沟的植被覆盖率应达到一定程度，可以将多种植物进行组合种植，植被覆盖率越高，植草沟的滞蓄截污效果越佳，但植物不宜过高，需要定期进行修剪，以保证植草沟有足够的过流断面面积。在选择植物时，也应该优先考虑蒸散量大的植物物种，蒸散量大的植被层对雨水径流削减能力更强。当然，在选择植物物种时要因地制宜，优先选择适应当地气候的本土植物，确保种植的植物有较高的存活率。

植草沟的基质层也是影响雨水径流控制的重要因素，合理进行基质层改良可以优化植草沟的滞蓄纳污能力。目前研究最多的是通过不同基质混合配比来提高基质层的孔隙率，进而提高雨水径流的渗透效果来达到对水中污染物的吸附控制，众多研究表明混合基质层比单一基质层的雨水径流控制效果要好得多，但当雨水径流较大时仍容易导致基质层中基质流失现象，基质层中的填料以及一些有机质流出，造成二次面源污染。因此如何研发出新型基质层或者对现有基质进行改良以达到抑制基质层发生流失现象，更好地对雨水径流进行滞蓄截污，这是我们需要进一步探讨研究的内容。