河流濱岸帶坡面對降雨徑流的污染削減效應(yīng)——以上海市櫻桃河為例

張 舟,鄒家唱,朱 韜,于佳欣,蔡晨冰,徐 迅

(1.華東師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)系, 上海 200241;2.中山大學(xué)環(huán)境工程系,廣東廣州 510006)

城市河流受納的污染分為點(diǎn)源污染、面源污染。近年來各地已對點(diǎn)源污染開發(fā)出較成熟的處理技術(shù)和排放制度,而對面源污染的控制仍存在較大缺失,其中城市降雨徑流已成為城市地表水環(huán)境的第三大污染源[1]。與此同時(shí),利用人工濕地系統(tǒng)、快速滲濾系統(tǒng)以及土壤含水層處理系統(tǒng)等各種處理方式進(jìn)行削減城市降雨徑流污染的研究受到廣泛關(guān)注[2]。

國外自20 世紀(jì)70 年代起已開始利用各類型的綠地來蓄滲地表徑流和削減徑流污染,其中最具代表性的是美國提出的最佳管理措施(BMPs)[3],而國內(nèi)對天然綠地削減徑流污染的研究起步相對較晚,且已有研究多為室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。針對以上問題,筆者以上海市櫻桃河為例,探究城市中的天然綠地對降雨徑流的污染削減效果并提出較優(yōu)設(shè)計(jì)方案。不同坡度、覆被植物種類的下凹式綠地對城市不同功能區(qū)降雨徑流污染的削減研究還有待進(jìn)一步研究[4]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

1.1 櫻桃河基本水環(huán)境指標(biāo)

櫻桃河為蘇州河末端支流,河寬約為19.2 m,水深約2 m。秋冬季節(jié)櫻桃河基本水質(zhì)狀況為：ρ(NH3-N)=1.02mg/L,ρ(TP)=0.32 mg/L,ρ(COD)=78.38 mg/L, pH 值為7.50, 電導(dǎo)率為0.73。其中COD 污染較嚴(yán)重,水質(zhì)整體評價(jià)為劣Ⅴ類。

1.2 方案設(shè)計(jì)

有關(guān)降雨污染的研究多集中于夏秋季節(jié),為彌補(bǔ)研究資料缺失,實(shí)驗(yàn)選擇秋冬季節(jié)。該季節(jié)氣候相對干燥,降雨不易形成徑流。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測對比,雨水自身污染物含量不及地表徑流污染物含量的1/20,為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)量和質(zhì)量,采用人工模擬方式進(jìn)行。

1.2.1 模擬降雨徑流

采用自來水沖刷路面的方式模擬降雨徑流,并采集水樣,作為流經(jīng)河流濱岸帶的初始水質(zhì)狀況。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)樣地選取

櫻桃河的河流濱岸帶平均帶寬約為5.5 m,東岸被低矮的林叢覆蓋,坡度較陡,約55°～60°;西岸整體較為平坦,但坡度不均,緩坡約為8°,陡坡約為29°。植被群落結(jié)構(gòu)包括灌木層、草本層,其中灌木層主要植物為法國冬青、六月雪,草本層主要植物為狗牙根、沿階草。土壤質(zhì)地較為均一,綜合評價(jià)為壤土。

河?xùn)|岸坡度較陡且多被林叢覆蓋,不利于開展實(shí)地研究;故選取河流西岸兩處不同坡度、不同植被的樣地進(jìn)行研究。

1.2.3 對比實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為探究河流濱岸帶的坡面設(shè)計(jì)對降雨徑流的污染削減效果及其影響因素,設(shè)置3 組對比：①不同坡度。選取1 處約8°的緩坡,記為A 坡;另1 處約為29°的較陡坡,記為B 坡。兩處均為3m×1m 矩形樣地。②不同坡長。選取1 處5 m ×1 m 矩形試驗(yàn)樣地,分別在坡長1 m,2 m,3m,4 m,5m 處設(shè)置出水采集口采樣。③不同植被。分別取相同坡度、不同植被的兩處3m×1 m 矩形樣地,在坡長為3 m 處設(shè)置出水采集口采集水樣。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)測定

對收集的水樣進(jìn)行pH 值, 電導(dǎo)率,COD, TP,NH3-N 5 項(xiàng)指標(biāo)檢測。根據(jù)太湖水域的總體監(jiān)測報(bào)告,包括蘇州河在內(nèi)的上海市內(nèi)河流富營養(yǎng)化嚴(yán)重,而櫻桃河作為蘇州河的支流,需對富營養(yǎng)污染源進(jìn)行嚴(yán)格控制,因此將NH3-N、TP 被確定為檢測指標(biāo);參見2009 年度中國環(huán)境狀況公報(bào),全國酸雨分布區(qū)域主要集中在長江以南-青藏高原以東地區(qū),故將pH 值列入檢測指標(biāo);根據(jù)對實(shí)驗(yàn)河流的水質(zhì)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)其COD 污染較嚴(yán)重,因此將COD 列為必測項(xiàng)目;而電導(dǎo)率是用來測量水質(zhì)的導(dǎo)電性能和礦化程度,反映降雨徑流對河水自由離子濃度和礦化程度的影響,故也將其列入檢測指標(biāo)。具體檢測方法見表1。

表1 目標(biāo)檢測的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)及其測定方法

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 坡度對污染物削減效應(yīng)的影響

取矩形樣地最高邊的中點(diǎn)作為入水口,分別引導(dǎo)模擬降雨徑流流經(jīng)A,B 樣地,在坡長2 m 處設(shè)置出水采集口進(jìn)行采樣。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行8 次沖刷,每次持續(xù)10 min,每隔2 min 取樣1 次。對樣品進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)測定,得到結(jié)果見圖1。

因各水樣pH、電導(dǎo)率均變化微小,且與受納水體情況相當(dāng),故該兩項(xiàng)指標(biāo)影響可忽略。經(jīng)計(jì)算得到, NH3-N 削減率：A 坡為65.07%, B 坡僅為11.47%;TP 削減率：A 坡為 61.43%, B 坡為36.57%;COD 削減率：A 坡為10.74%, B 坡僅為3.3%。綜上可知,較為平緩的A 坡效果更好。分析如下：①模擬降雨徑流主要受重力作用流經(jīng)濱岸帶,坡度越陡,相對應(yīng)的水力停留時(shí)間越短,植物吸收以及土壤基質(zhì)吸附污染物的時(shí)間也較短;②陡坡上水流的重力分量較大,增加了植物攔截污染物的壓力負(fù)荷,使得水流中的污染物質(zhì)不易被攔截吸附,更可能因水流沖刷導(dǎo)致輕微的水土流失,使土壤中的污染物進(jìn)入徑流而加劇其污染程度。

2.2 帶寬對污染物削減效應(yīng)的影響

取樣地最高邊的中點(diǎn)作為入水口,在不同坡長處(1、2、3、4、5 m)進(jìn)行采樣,每1 m 處作4 組實(shí)驗(yàn),分別收集進(jìn)水與出水。

以坡長1 m 處為例：0 min 時(shí)的NH3-N 濃度即為模擬降雨徑流的初始質(zhì)量濃度,其后每隔3 min 采集水樣1 次,測量NH3-N 質(zhì)量濃度(表2)。

圖1 不同坡度河濱帶的污染物質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化

表2 坡長1 m 處的NH3-N 質(zhì)量濃度

圖2 坡長1 m 處NH3-N 的質(zhì)量濃度

第4 組數(shù)據(jù)明顯偏離其他3 條線的一般趨勢,因此將其作為明顯誤差線剔除。分析可能其原因?yàn)槿藶檎`差：傾倒模擬雨水時(shí)不均勻或速度過快,造成流經(jīng)樣地的水流量瞬間增大,水流速度加快,相當(dāng)于降雨強(qiáng)度較大的情況。較強(qiáng)水流將土壤中的污染物沖刷出來,造成后續(xù)采樣濃度反而偏大的情況出現(xiàn)。

對其他3 組求平均值,得到其NH3-N 削減率為26.61%。同理,算得1 m 處TP 和COD 削減率分別為13.52%與2.39%。其他坡長實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在不同坡長處的削減率

通過比較發(fā)現(xiàn),當(dāng)坡長為4 ～5 m 時(shí)河流濱岸帶對降雨徑流中污染物的削減效果最佳。此時(shí)坡度為8°,坡長約為4 ～4.9 m。

2.3 植被對污染物削減效應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)選取覆蓋度約為90%的草地與冬青地分別進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。草地代表植株矮小、根系不發(fā)達(dá)的草本植物;而冬青代表根系發(fā)達(dá)、機(jī)械組織強(qiáng)、植株緊密的蕨類和草本植物。取矩形樣地最高邊中點(diǎn)作為入水口,在坡長均為3 m 處設(shè)置采樣點(diǎn),每隔3 min采樣1 次,共進(jìn)行6 組實(shí)驗(yàn)。求出兩地的平均削減效果,得不同植被對污染物的削減效果見圖4。

如圖4 所示,冬青地比草地的污染削減效果更好。相同條件下, 冬青地的NH3-N 削減率為38.90%,草地只有13.94%;冬青地的COD 削減率為36.31%,草地為29.91%;冬青地的TP 削減率為63.16%,而草地只有36.97%。

分析如下：喬灌木冬青根系較為發(fā)達(dá),對水分和有機(jī)物質(zhì)的吸收能力更強(qiáng),可增強(qiáng)其對污染物的吸附作用;且植株緊密,機(jī)械支撐系統(tǒng)比草本植物更堅(jiān)固,增加其抗沖擊壓力負(fù)荷以有效應(yīng)對強(qiáng)降雨徑流,利于對污染物的攔截作用;此外因其根系對土壤的固著更加緊實(shí),可有效減緩徑流沖刷的水土流失,減少土壤中的污染物的淋溶,優(yōu)化凈化效果[5]。pH 值與電導(dǎo)率相對變化很小,影響可忽略。

2.4 討 論

圖4 不同植被河濱帶對降雨徑流的污染削減效果

通過本次實(shí)驗(yàn),證實(shí)了河流濱岸帶對污染程度較輕的降雨徑流削減效果顯著。任玉芬等[6]對屋面、路面、草坪的徑流水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測,比較分析發(fā)現(xiàn),3 種下墊面類型的徑流水質(zhì)均較差,COD、TN、TP、BOD5平均質(zhì)量濃度超過地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。這與本實(shí)驗(yàn)中人工模擬降雨徑流的污染物濃度相符合[7]。

同時(shí)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可得知：在不同坡度,不同坡長及植被條件下,不同污染物的削減效果差異較大。究其原因,不同污染物隨水流流經(jīng)河流濱岸帶時(shí),具有不同的削減方式：COD、TP 的削減主要依靠土壤覆被植物吸收利用、土壤基質(zhì)吸附及土壤微生物分解利用;NH3-N 的削減途徑包括土壤基質(zhì)吸附、基質(zhì)及覆被植物的過濾、沉淀以及揮發(fā),覆被植物吸收和土壤基質(zhì)中微生物引起的硝化、反硝化作用。這些削減方式都與土壤理化性質(zhì)及覆被植物特性有極大關(guān)系[8-10],削減效果都直接受到坡度、坡長及覆被植物的影響。

除上文所述,河流濱岸帶對實(shí)際降雨徑流中污染物削減效應(yīng)的影響因素還有降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間等,這些因素可引起降雨徑流在河流濱岸帶的水力停留時(shí)間及所含污染物濃度的變化。其中降雨量和降雨強(qiáng)度是兩個(gè)重要因素,強(qiáng)度越大,雨水對城市下墊面的沖刷就越強(qiáng);在相同污染物累積的條件下,降雨量越大,徑流中污染物濃度越低。因此在河濱帶的建筑參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),還應(yīng)考慮到當(dāng)?shù)氐慕涤曛芷诩敖涤陱?qiáng)度等客觀因素。

3 結(jié) 論

a.在模擬地表降雨徑流為中低污染物濃度負(fù)荷ρ(COD)=40.0 ～154.0 mg/L;ρ(NH3-N)=4.0 ～13.9 mg/L;ρ(TP)=0.5 ～2.9 mg/L)時(shí),河流濱岸帶對其有良好的污染物削減效率,出水水質(zhì)能達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅳ～Ⅴ類地表水標(biāo)準(zhǔn)。

b.在低溫少雨、中低污染物濃度的地表降雨徑流情況下,河濱帶對降雨徑流的污染削減的較優(yōu)設(shè)計(jì)方案為：坡度為8°±0.5°,坡長為4 ～5 m,有類似冬青的根系發(fā)達(dá)、機(jī)械組織較強(qiáng)的植被覆蓋。此時(shí)模擬地表徑流平均入水水質(zhì)狀況ρ(COD)=154.7 mg/L, ρ(TP)=0.55 mg/L, ρ(NH3-N)=1.19 mg/L等,出水水質(zhì)：ρ(COD)=77.38 mg/L, ρ(TP)=0.29 mg/L, ρ(NH3-N)=0.69 mg/L。削減率分別為49.98%,47.27%,41.61%。出水水質(zhì)達(dá)到國家城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。

c.在設(shè)計(jì)城市河濱帶時(shí),若地域不受限制,盡量保持10°以下的坡度以及4 ～5 m 的帶寬;若由于地域限制不能在城市中心地帶保證4 ～5 m 的河岸坡長,應(yīng)盡可能減緩河濱帶坡度(保持30°以下),同時(shí)選取類似喬灌木冬青等根系發(fā)達(dá)、機(jī)械組織抗沖擊力較強(qiáng)的植被,緊密栽種覆蓋河流濱岸帶,以達(dá)到相對較好的污染削減效果。

d.受限于實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)及其生態(tài)特征、人工模擬的誤差等因素,實(shí)驗(yàn)結(jié)論適用范圍具有一定的局限性;關(guān)于影響河濱帶污染削減效果的因素,在降雨強(qiáng)度、河濱帶覆蓋植被等方面還需要進(jìn)一步研究探討。

致謝：感謝華東師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)系車越副教授、呂永鵬博士在實(shí)驗(yàn)方案等方面的指導(dǎo)與論文修改方面的寶貴建議。

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