生物滞留池结构参数优选与试验研究

李鹏程，苏永军，贾悦，郝放*

(1.河北水利电力学院沧州市遥感与智慧水利技术创新中心，河北 沧州 061001; 2.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250012)

随着社会经济的发展、城市化进程的推进，原有天然下垫面条件遭到破坏，急剧的降雨产、汇流引起严重的内涝灾害，同时雨水直排造成了水资源浪费，加剧了水环境污染[1-2].生物滞留池作为低影响开发措施(LID)的重要技术手段之一，分为削减径流污染的“过滤型生物滞留池”和调控径流量的“蓄滞型生物滞留池”[3].

目前，大量国内外研究证实生物滞留池对削减降雨径流(雨水存蓄、延缓初始产流、洪峰延滞)及水体净化(削减总磷、总氮、悬浮物等)具有良好效应.生物滞留池结构配置及参数选择影响生物滞留系统的水力负荷及水体净化工作效率，植物种类的选取及其木质素含量对系统的渗透性产生影响，陈晓艺等[4]对比美人蕉、芦苇和香蒲3种植物，美人蕉木质素含量最低，所在系统渗透系数最大，渗透系数的不同将直接影响系统水力停留时间和污染物削减接触时间，同时系统根区土壤及根区深度变化对径流削减效应产生差异[5-7].朋四海等[8]研究表明，土壤的选择及配比不同，系统渗透率存在差异，渗透率低的池 Ⅱ 与渗透速率高的池 Ⅰ 对TP，NH3-N去除率基本相同，对SS，NO3-N的去除率更高.过滤层的层次结构模型，对于实现蓄滞及净化综合指标具有较好的效果[9-10].蒋春博[9]通过HYDRUS-1D模型模拟，确定了组合型滤料的厚度、饱和含水率等水分迁移敏感参数，填料吸附常数、填料厚度等为污染物运移敏感性参数.过滤性填料类型、填装方式及滤料粒径的变化对氮磷、COD等污染物净化效应影响显著，粒径越小去除效果越好[11].综上，文中选定植物种类、土壤配置、过滤层、过滤层粒径作为试验因素，分别对各因素设定3个水平，进行优选分析，探究鲁中地区不同结构配置生物滞留池水文效应及生态效应.

1 正交试验设计

1.1 正交试验方案设计

对于涉及多因素、多水平工况的试验，实地开展过程烦琐，且受到试验场地面积、材料、费用等因素的制约.正交试验可反映试验结果客观规律，有效减少试验次数，分析不同类型生态滞留池各因素的敏感性.

结合鲁中地区特点[6-8]，植物种类因素选定为鸢尾草、千屈菜、狼尾草，种植密度均为56株/m2.土壤层根据试验条件中植物种类多为草本植被的特性，厚度定为30 cm，土壤3个水平对应容重分别为1.28,1.24，1.21 g/cm3.通过研究北方地区典型滤料的污染物去除效果[6，8-9]，过滤层拟定水平如下：石英砂、瓜子片；石英砂、沸石；石英砂、炉渣.过滤层粒径的水平为上层≤0.2 cm，下层:小粒径；上层≤0.2 cm,下层:中粒径；上层≤0.2 cm,下层:大粒径.过滤层粒径3个水平对应小、中、大粒径分别为瓜子片3～8 mm，8～15 mm，≥15 mm；煤灰渣3～5 mm，5～8 mm，≥8 mm；沸石粒径1～3 mm，3～5 mm，5～8 mm.

试验因素及水平设定如表1所示.采用L9(34)正交试验表设计试验[12].

表1 试验因素及水平选取表

1.2 试验指标与分析方法

1.2.1 试验指标

试验变量应客观反映生物滞留池蓄滞及净化效果，在研究相关资料的基础上，在蓄滞效应方面选取雨水存蓄率、产流起始时间、峰现时间；净化效应上选取化学需氧量(COD)、悬浮物(SS)、总磷(TP)、总氮(TN)作为试验指标，用以评价各类结构配置的生物滞留池综合效应.

1.2.2 分析方法

利用极差法对生物滞留池蓄滞及净化效应指标平均值分析，判断因素及水平的影响主次.

为平衡误差波动及试验因素、水平对试验指标的影响，利用方差分析进行显著性检验.

TOPSIS评价法主要是确定综合评价指标，通过测验指标与正、负理想解的相对接近度反映生物滞留池效果的优劣[13].

2 生物滞留池正交试验

2.1 试验概况及数据采样

试验选址山东大学水工实验室前场地，定做9个试验装置，装置底部设出流孔，顶部开孔溢流，现场试验如图1所示.

图1 正交试验现场布置图

试验采用人工降雨，暴雨重现期2 a，历时60 min，生物滞留池面积与汇水面积比为1∶5，降雨雨型采用芝加哥雨型经验公式[11]，即每分钟人工向生物滞留池中汇入对应体积的人工调配雨水.底部开孔通过50 cm×35 cm×20 cm塑料盒人工接取雨水，间隔时间为6 min，称量精度为1 g.平均暴雨强度Q计算公式为

(1)

式中：P为重现期，文中取2 a；t为设计降雨历时,文中取60 min；A,C,b,n为经验参数，分别取值为4 700，0.753，17.500，0.898.

经过培植1 a后，生物滞留池运转良好，植物生长旺盛，遂开展试验.首先进行清水试验，确保生物滞留池内部各层结构中所含污染物不会对试验结果造成直接影响.试验雨水为人工调配，要求净化指标对应浓度较区域日常降雨平均水平适当提高，以增大净化前后对比效果，具体调配情况如表2所示，表中ρ为质量浓度.每组开展3次有效试验，利用测定数据平均值进行分析[14-15].水质由山东省冶金产品质量监督检测站测试.

表2 调配雨水污染物指标汇总表

2.2 生物滞留池蓄滞及净化指标评价方法

生物滞留池对雨水存蓄能力的衡量一般通过雨水存蓄率来体现，计算公式为

(2)

式中：α为雨水存蓄率；Q1为汇集雨水量；Q2为经生物滞留池后的雨水出流径流总量.雨水污染物指标削减率计算公式为

(3)

表3为正交试验统计结果，表中t1,t2分别为初始产流时间和峰现时间.

表3 正交试验相关指标平均值统计表

通过表3分析可以看出，生物滞留池在雨水蓄滞及净化效应显著，9组试验平均雨水存蓄率达56.08%，平均产流起始时间及平均峰现时间分别为103.94，146.50 min，两者呈正相关关系.水体净化效应方面，对悬浮物(SS)、总磷削减整体效果明显,平均削减率分别达到62.89%和70.86%，对COD削减效果较明显，平均削减率为48.03%，对总氮的削减效果相对较弱，平均削减率为42.56%.

3 试验分析

3.1 试验指标极差分析

通过极差分析方法，分别对7组试验指标进行处理，结果如表4，5所示.为更清晰直观地分析各因素及水平变化时试验指标的变化趋势，制作如图2，3所示的趋势图.

表4 蓄滞效应指标极差分析

图2 延滞时间与因素水平趋势图

对雨水蓄滞效应指标进行分析，由表4可得，3项试验指标中，因素A排序最优次数为3，其余因素B，C，D均为0；因素C排序最末次数为2，因素B为1，因素A，D为0，因此因素A植物种类为最主要因素，植物木质素碳含量影响茎、叶枯落物分解率系数，同时其根系缠绕、固结土壤能力不同，进而影响土壤渗透性[3，10]，因素D过滤层粒径为次要因素，因素B土壤配置再次之，因素C过滤层为最次要因素.

影响因素A植物种类，水平A2最优次数为3，其余为0，水平A3排序最末次数为3，其余为0，因此最佳水平为A2；对于影响因素B土壤配置，水平B3最优次数为2，B1次数为1，水平B1，B2，B3排序最末次数均为1，综上分析最佳水平为B3；对于影响因素C过滤层，水平C3最优次数为2，C2，C3次数分别为1，0，水平C1，C2，C3排序最末次数分别为2，0，1，C1，C2，C3排序位次加权值分别为8，5，5，综上分析最佳水平为C3.对于影响因素D过滤层粒径，水平D1最优次数为3，其余为0，水平D2排序最末次数为3，其余为0，综上分析最佳水平为D1.

综上所述，仅通过极差分析，生物滞留池蓄滞效应最佳组合为A2B3C3D1.影响产流起始时间的最佳组合为A2B1C3D1，影响峰现时间的最佳组合为A2B3C2D1，2项指标的显著性因素水平选取相同，规律一致，雨水存蓄率为蓄滞效应的关键指标[9，11]，雨水存蓄可削减降雨洪峰及径流量，同时下渗雨水可有效补给地下水，影响雨水存蓄率最佳组合为A2B3C3D1.

对雨水净化效应指标进行分析，由表5分析可得,4项试验指标中，因素C排序位于首位次数为3，因素A为1，因素B，D为0，因素B排于末位次数为4，其余因素A，C，D均为0，因此因素C过滤层为最主要因素，其他次要因素重要程度顺序依次为因素A、因素D、因素B.悬浮物削减率影响顺序均为C，A，D，B，氮、磷元素多以颗粒态附着在悬浮物上，因此悬浮物与总磷、总氮、氨氮等污染物在削减率上多呈现正相关关系[15].

表5 净化效应指标极差分析

影响因素A植物种类，水平A3,A2最优次数为3，1，其余为0，水平A1,A2排序最末次数均为2，其余为0，因此最佳水平为A3；对于影响因素B土壤配置，水平B1,B2最优次数为3，1，其余为0，水平B1,B2,B3排序最末次数分别为1，1，2，综上分析最佳水平为B1；对于影响因素C过滤层，水平C3最优次数为2，C2次数为1，水平C1,C2,C3排序最末次数分别为1，2，1，C1,C2,C3排序位次加权值分别为8，9，7，综上分析最佳水平为C3.对于影响因素D过滤层粒径，水平D1最优次数为3，D2为1，其余为0，水平D3排序最末次数为3，D1为1，其余为0，综上分析最佳水平为D1.

综上所述，仅通过极差分析，生物滞留池净化效应最佳组合为A3B1C3D1.化学需氧量(COD)削减率最佳组合为A3B1C3D1，悬浮物(SS)削减率影响因素的最佳组合为A3B2C1D1，总磷(TP)削减率影响因素的最佳水平为A2B1C3D1，总氮(TN)削减率影响因素的最佳组合为A3B1C2D2.

由图2可以看出，对于延滞时间的影响，因素A，B，D具有相同的规律，植物种类对应水平的选取顺序均为2，1，3，千屈菜为优选植被.过滤层滤料水平变化时，初始产流时间及洪峰延迟时间的变化趋势不明显，沸石均为优选滤料.随过滤层粒径的增大，试验指标呈现先降低后升高的趋势，下层滤料：小粒径为优选粒径.对于影响因素土壤配置，产流起始时间随砂质土配比的减小呈下降趋势，峰现时间呈上升趋势，产流起始时间的变化规律可能由于雨水渗流时存在优先流，对试验结果形成扰动[14]，试验过程中应及时松土，减小由此产生的误差.

由图3趋势图可得，当植物种类不同时，存蓄率及相关削减率表现不同，如千屈菜对总磷、总氮的削减效果最佳，鸢尾草、狼尾草对悬浮物、COD削减效果较显著.当土壤配置变化时，各组试验指标没有明显变化趋势.过滤层的选择中沸石对各污染物的去除处于较均衡的状态，但其在雨水存蓄率方面作用效果更显著，煤灰渣对试验雨水蓄滞效应的相关指标效果最佳，对雨水存蓄方面效果较差.对于雨水存蓄率及各污染物的削减率随粒径的增大呈现减小的趋势，较小的粒径能增大与雨水的接触面积，延长反应时间[8，11]，对蓄滞及净化效应具有促进作用.

图3 变化率与因素水平趋势图

3.2 生物滞留池分类及其指标极差、方差分析

由于不同区域水文、气候及环境存在差异，对降雨径流蓄滞及水体净化指标要求不同，根据蓄滞与净化的指标权重值不同，将生物滞留池进行分类，满足不同地区的低影响开发需求.具体生物池滞留池指标占比赋值及类型如表6所示，其中ex,ej分别为蓄滞效应相关占比和净化效应指标占比.

表6 生物滞留池的相关指标占比赋值及类型

以弱蓄滞、强过滤型生物滞留池为对象，分析配置方案中各因素及水平的选取对该类型生物滞留池的影响.各组试验相对接近度的排序结果及其正交极差分析表如表7所示，其中Si+,Si-分别为任意可行解与到相应理想解和负理想解之间的距离，Ci为可行解对理想解的相对接近度.

表7 相对接近度排序及极差分析表

由表7可得正交试验对应9组方案综合效应排序，表中Kij为对应试验影响因素j列上对应的i水平综合效应的接近度之和，对于因素A不同水平对该类型生物滞留池综合效应的影响，对应的相对接近度分别K11=1.365 1，K21=1.016 8，K31=1.524 0，即K31>K11>K21，因素A对应为狼尾草时生物滞留池效果最佳，即因素A的最佳水平为狼尾草.对比千屈菜，其他2种水平鸢尾草、狼尾草，相对效果其增长率为34.25%，49.88%，弱蓄滞、强过滤型生物滞留池效果增长明显.同理对应因素B，K22K34>K24，因素D过滤层粒径对应最佳效果水平上层石英砂≤0.2 cm；下层滤料:小粒径.

j=3时，对应因素C过滤层最佳效果水平为上层30 cm厚石英砂，下层20 cm厚沸石，当水平1中过滤层填料由瓜子片变换为水平2沸石时，对应的效应增长率为80.37%，效果相对于其他3种因素增幅明显，在实际工程建设中，可根据具体材料获取、工程成本等方面综合考量.

综合以上各因素对应不同水平的效果，弱蓄滞、强过滤型生物滞留池对应的最佳参数结构组合为A3B1C2D1，即植物种类：狼尾草；土壤配置：40%栽培土，30%草炭土，30%砂质土；过滤层填料：上层30 cm厚石英砂，下层20 cm厚沸石；过滤层粒径：上层≤0.2 cm；下层:小粒径.

对应配置方案所得相对接近度排序结果进行方差分析计算，对各因素参数敏感性进行分析，计算所得的方差检验表如表8所示.

表8 相对接近度方差分析表

对于选定的弱蓄滞、强过滤型生物滞留池，因素C的Sig.值为0，小于其他因素的Sig.值，说明过滤层填料对该类型生物滞留池综合效应影响最具有统计学意义.因素D的Sig.值为0.009，因素C，D对试验结果影响在0.01水平具有统计学意义，因素A，B对试验结果影响不具有统计学意义.经过方差计算所得分析结果与极差分析所得结论一致.

4 结 论

结合实地试验模拟，研究生物滞留池不同因素及水平对其蓄滞及净化效应的影响，确定不同型式生物滞留池结构参数的优选及配置方案，提出了利用正交试验对不同型式生物滞留池进行优化的方法，具体结论如下：

1)从9组试验数据直观分析，生物滞留池具有良好雨水蓄滞及净化效应，平均雨水存蓄率为56.08%，平均产流起始时间为103.94 min，平均峰现时间为146.50 min，COD，SS，TN和TP的平均削减率分别为48.03%，62.89%，70.86%和42.56%.

2)通过极差分析，生物滞留池蓄滞效应因素影响显著性从大到小依次为植物种类、过滤层粒径、土壤配置、过滤层，最佳组合为千屈菜，60%栽培土、30%草炭土、10%砂质土，上层30 cm厚石英砂、下层20 cm厚煤灰渣，上层石英砂≤0.2 cm、下层滤料:小粒径；净化效应因素影响显著性从大到小依次为过滤层、植物种类、过滤层粒径、土壤配置，最佳组合为狼尾草，60%栽培土、30%草炭土、10%砂质土，上层30 cm厚石英砂、下层20 cm厚煤灰渣，上层石英砂≤0.2 cm、下层滤料:小粒径.

3)利用TOPSIS决策分析评价方法，对正交试验实测的相关指标进行加权，简化分析，得出不同类型生物滞留池结构参数优选方案.弱蓄滞、强过滤型生物滞留池对应的最佳参数结构组合为植物种类：狼尾草；土壤配置：40%栽培土，30%草炭土，30%砂质土；过滤层填料：上层30 cm厚石英砂，下层20 cm厚沸石；过滤层粒径：上层≤0.2 cm；下层:小粒径.极差与方差分析方法均表明，对于选定的弱蓄滞、强过滤型生物滞留池，因素过滤层、过滤层粒径影响在0.01水平下具有统计学意义，因素植物种类、土壤配置影响不具有统计学意义.

本研究可为鲁中地区生物滞留池结构配置和参数优化提供科学依据，其他区域可依据该试验方案及分析方法进行调整，从而提供理论依据和实践技术支持.