植草溝對北京市道路地表徑流的調(diào)控效應

郭 鳳, 陳建剛, 楊 軍, 孟瑩瑩, 龔應安

(1.北京林業(yè)大學 森林培育和保護教育部重點驗室, 北京 100083; 2.北京市水科學技術研究院,

北京 100044; 3.清華大學地球系統(tǒng)科學研究中心, 地球系統(tǒng)數(shù)值模擬教育部重點實驗室, 北京 100084)

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植草溝對北京市道路地表徑流的調(diào)控效應

郭 鳳1, 陳建剛2, 楊 軍3, 孟瑩瑩2, 龔應安2

(1.北京林業(yè)大學 森林培育和保護教育部重點驗室, 北京 100083; 2.北京市水科學技術研究院,

北京 100044; 3.清華大學地球系統(tǒng)科學研究中心, 地球系統(tǒng)數(shù)值模擬教育部重點實驗室, 北京 100084)

摘要：[目的] 分析植草溝對北京城市道路徑流的水量和水質(zhì)的調(diào)控效應，為北京市雨洪管理提供參考。 [方法] 實地建立植草溝,并根據(jù)北京市多年降雨資料和主干道路徑流水質(zhì)2010—2012年的監(jiān)測結果設置徑流水量和水質(zhì)。 [結果] (1) 降雨歷時短，降雨強度低時植草溝的調(diào)控水量的功能明顯。在降雨歷時為3 h,降雨重現(xiàn)期為0.33 a時,50 m2的植草溝可削減50 m2瀝青道路上產(chǎn)生的66%的徑流量,降雨強度相對降雨歷時來說對植草溝傳輸入滲的影響更大。 (2) 植草溝對水質(zhì)污染物有一定的去除效果,但達不到完全凈化。建設的植草溝能夠削減徑流中的氨氮達20%,總磷達35%,COD達22%。 (3) 植被覆蓋度能影響植草溝的調(diào)控能力。植被覆蓋度增加60%,植草溝對0.33年重現(xiàn)期降雨1 h的雨量入滲率提高了8%。(4) 若建立與北京市城六區(qū)道路等長度、寬2 m的植草溝,對1 a, 2 a重現(xiàn)期24 h降雨形成的道路徑流削減率分別為96.3%和56.0%,但對50 a極端降雨道路徑流量的削減率僅為13.0%。 [結論] 植草溝對北京市道路地表徑流具有一定的調(diào)蓄洪峰流量，延緩產(chǎn)流時間，減少徑流污染的作用，但無法單獨作為有效控制城市道路地表徑流水量的管理措施。

關鍵詞：植草溝; 道路; 地表徑流; 水量; 水質(zhì)

隨著城市化進程的加快，城市雨洪的控制與利用成為了城市環(huán)境研究的熱點。目前國內(nèi)外針對城市防洪排澇問題提出了各種工程和非工程的管理措施[1]。其中源自美國的最佳管理措施(BMPs，Best management practices)因其具有調(diào)蓄洪峰流量[2]，凈化水質(zhì)[3]，涵養(yǎng)地下水等作用，并具有與自然植被相結合[4]，完備的技術體系[5]等特點，逐漸成為了現(xiàn)代城市雨洪管理的一類重要措施。

北京市作為我國的政治經(jīng)濟文化中心，在過去20年里城市建設經(jīng)歷了一個飛速發(fā)展的過程[6]。然而，這個過程中城市雨洪問題卻日益突出，影響到北京城市居民的日常生活，一方面頻頻發(fā)生的城市內(nèi)澇造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[7]，另一方面，北京市面臨水源短缺[8]、地下水位下降、居民的正常生活用水難以保障的挑戰(zhàn)。而北京市汛期雨水豐富，但大多通過城市雨水管道排出，并沒有得到很好的利用[9]。因此研究如何對北京的雨洪進行有效管理具有很強的現(xiàn)實意義。植草溝是BMPs體系中的傳輸控制措施，是處理道路地表徑流的有效手段[10]。而造成北京內(nèi)澇的一個重要原因即是道路地表徑流[11]。由于目前針對植草溝在北京道路地表徑流管理中的應用和作用機制的研究相當缺乏，因此本研究以植草溝為主要對象，通過實地監(jiān)測其在模擬的北京道路地表徑流情況下的表現(xiàn)，擬為在北京雨洪管理中采用這種BMP措施提供基礎數(shù)據(jù)，為改善北京市汛期城市雨水排洪減災問題提供參考。

1材料與方法

1.1　試驗地概況及溝渠設計

試驗地位于北京市門頭溝區(qū)北京市水科學技術研究院試驗站，實驗站在北京市西南，東經(jīng)115°51′48″，北緯39°36′10″處。試驗植草溝建設在試驗站東南角，所處地塊面積為200 m2，平坦無坡度。植草溝的設計參考市政道路排水設計規(guī)范以及城市雨洪管理設計手冊[12-13]中對植草溝的設計參數(shù)要求，植草溝的長度設計為25 m，寬度為2 m，縱向坡度為5‰，設置末端出水口(雨水口1)與植草溝底部持平，距離進水口20 m處(雨水口2)有高10 cm的溢流口。植草溝構建時間為2013年6月15—20日。具體的設計細節(jié)見圖1。雨水口1略高于地面即可，確保周圍土壤不會隨水流流入管道。

圖1　植草溝設計(圖中長度數(shù)據(jù)單位為mm)

根據(jù)城市建設中的實際情況，植草溝填埋的土壤采用了建筑物周圍的回填土，采用顆粒分級法測定其質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，土壤的主要物理性質(zhì)為：含水率0.09%，濕容重2.50 g/cm3，總孔隙度39.39%，毛管孔隙度31.85%，飽和含水量16.33%。

植草溝種植的植被為麥冬(Ophiopogonjaponicus)，植株間距為15 cm。麥冬具有常綠、耐寒、耐旱、耐陰、對土壤要求不嚴、病蟲害少的優(yōu)點[14]。在植草溝建成1個星期后栽種麥冬并進行10~15 d的正常維護管理，確保栽種成活，最后測得成活率約為99.3%。

1.2　試驗設計

根據(jù)北京多年降雨數(shù)據(jù)和道路地表徑流水質(zhì)數(shù)據(jù)設計進水量，配定污染物濃度。試驗共17個處理(表1)，為探究植草溝的水處理效果，分別針對水量(8個處理)、水質(zhì)(4個處理)以及10 cm高度出水口排水(5個處理)進行試驗設計。每次試驗均進行1次重復。

表1中水量的設計方式如下：根據(jù)公式(1)計算得到單車道路2.5 m寬，20 m長度匯水面積(50 m2)在不同重現(xiàn)期條件下的匯水量。植草溝的研究，中國目前大多選用0.33~1.0 a的重現(xiàn)期[11]，本研究為剖析植草溝在雨量小時的入滲作用，以及徑流傳輸條件下水量及降雨歷時方面的變化規(guī)律，故試驗選擇2個重現(xiàn)期0.33 a和0.5 a，分別在歷時為1 h和3 h條件下進行試驗，試驗為2因素2水平，如表1處理1-1和處理1-8；選擇重現(xiàn)期為1 a，歷時為1 h條件的處理3-5，對植草溝在10 cm溢流口條件下的處理水量進行驗證。

表1　水量和水質(zhì)試驗設計

水量設計參考北京市《城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃設計暴雨徑流計算標準》中的暴雨徑流公式：

(1)

式中：q——設計暴雨強度〔L/(s·hm-2)〕；p——設計重現(xiàn)期(a)；t——降雨歷時(min)。

試驗開始前，應用S點采樣法，取表層土樣進行含水量的測定。先根據(jù)不同重現(xiàn)期調(diào)節(jié)好水泵的出流量，并準確讀出水表的初始讀數(shù)。計時開始即開始供水，并沿程記錄濕潤時間及末端出流時間，與此同時每隔15 min測定指定點(與入水口距離5，10，15，20，25 m)的流速、水深，同時記錄末端出流水量，并在停止供水后繼續(xù)測定水深變化。

表1水質(zhì)試驗中污染物濃度的設計根據(jù)北京市道路多年地表徑流監(jiān)測的水質(zhì)指標含量：NH3—N為3.74～5.83 mg/L，TN為11.1～18.9 mg/L，TP為0.36～0.86 mg/L，COD為153～779 mg/L，TSS為266～678 mg/L。分別應用氯化銨(NH4Cl)、硝酸鉀(KNO3)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、葡萄糖(C6H12O6)、地表沉積物配定NH3—N，TN，TP，COD，TSS在上述含量范圍內(nèi)，結果如表1。水質(zhì)采樣因模擬過程中不涉及初期徑流沖刷效應[15]，故在試驗中采集2次出口流量作為重復，采集1.5 L水樣于取樣桶中，放冰箱中4 ℃冷藏，并在24 h內(nèi)測定氨氮，其他指標7 d內(nèi)測定。

1.3　指標測定方法

水量指標測定方法：溝渠試驗總的進水量通過水表讀數(shù)差減法得到(m3，精確到小數(shù)點后5位)；出水量通過量筒、量杯人工測量(ml，精確到個位)；流速通過簡易浮標法測定(cm/s),浮標位移通過直尺讀數(shù)(cm，精確到小數(shù)點后2位)，時間通過秒表讀數(shù)(s，精確到小數(shù)點后2位)；水深通過直尺讀數(shù)直接測定(cm，精確到小數(shù)點后2位)；入滲量通過水量平衡進水量與出水量差減法得到(m3，精確到小數(shù)點后5位)。

水質(zhì)指標的測定根據(jù)國家水質(zhì)標準檢測分析方法：①NH3—N為重鉻酸鹽法(GB/T11914—1989)；②TN為堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB/T11894—1989)；③TP為鉬酸銨分光光度法(GB/T11893—1989)；④COD為重鉻酸鹽法(GB/T11914—1989)；⑤TSS為重量法(GB/T11901—1989)。

植被覆蓋度的測定方式是在1.5 m高處用數(shù)碼相機垂直拍照后，在Photoshop軟件中分析照片中植被所占的比例。

土壤滲透過程線的測定方法是在溝渠灌滿水后，測定水深(cm，小數(shù)點后2位)隨時間(s，小數(shù)點后2位)的變化。

2結果及分析

2.1　植草溝對徑流水量的調(diào)控作用

本文中因供水量恒定，植草溝的調(diào)蓄作用主要體現(xiàn)在2個方面：延緩產(chǎn)流時間，增加入滲水量。

對于無高度出水口情況，從表2結果可以看出，植草溝末端排水口出流時間為20～40 min，即延緩產(chǎn)流時間20 min到40 min不等；植草溝入滲率為21%～85%，即可有效增加入滲水量，反映其對洪峰流量的控制。

降雨條件的不同，對溝渠的水量調(diào)蓄效果有一定的影響，降雨歷時不變時，降雨強度越大，出流時間越短，入滲率越小；降雨強度相同時，降雨歷時越長，出流時間不變，溝渠的入滲量相應的減小。這表明溝渠的產(chǎn)流時間受降雨強度影響較大。降雨強度不變，而溝渠的入滲量減小，這主要是隨著降雨歷時的延長，土壤滲透速率逐漸減小，接近飽和滲透速率。

表2　植草溝對產(chǎn)流時間和入滲率的調(diào)控

10 cm高出水口記錄的數(shù)據(jù)表明(表3)，在洼蓄存儲條件下降雨強度越大，出流時間越快；0.5 a重現(xiàn)期降雨3 h的降雨量才有出流，并且對1 a重現(xiàn)期降雨1 h的降雨量幾乎可以完全容納并入滲。實測數(shù)據(jù)顯示，在10 cm高出流口條件下溝渠1 h可處理水量約為1.5 m3。

表3　10 cm高出水口條件下溝渠調(diào)蓄水量

2.2　植草溝對徑流水質(zhì)的凈化作用

本試驗使用地表沉積物配定懸浮物，但由于地表沉積物易沉降，不便于實驗測量；同時，總氮配定結果誤差值較大，且低于道路地表徑流的多年平均值。因此，本研究只對TP，NH3—N，COD這3個指標進行分析。

從圖2可以看出，試驗建立的植草溝對氨氮的去除率為10%～20%，對總磷的去除率為15%～35%，對COD的去除率較恒定，約為20%。降雨條件的不同，對水質(zhì)凈化效果也有影響，相同降雨歷時條件下，降雨強度越小，溝渠對水質(zhì)的凈化作用越明顯。

2.3　植被覆蓋度對植草溝調(diào)控能力的影響

植被覆蓋度會影響植草溝的處理能力。經(jīng)測定，植草溝的覆蓋度7月為21.34%，9月為85.71%。從表2的結果可以看出，植草溝的調(diào)蓄能力與植被的覆蓋度密切相關。草的覆蓋度越大，溝渠末端的排水口出流時間越長，入滲率越大。植被覆蓋度增加60%，入滲率約提高10%，總體體現(xiàn)的是植草溝的調(diào)蓄能力越大。

從圖2中也可以看出，植被蓋度越大，溝渠對氨氮及總磷的去除效果越好。當植被覆蓋率增加60%時，氨氮去除率可提高約10%，總磷去除率可提高約20%，而對COD的去除效果差別不大，這主要因為氮磷為植物生長必須的大量元素，COD是有機物綜合含量的指標之一，主要由微生物分解，土壤及植物對它的作用并不明顯。

圖2　植草溝對徑流水質(zhì)的凈化效果

2.4　植草溝處理水量估算

滲透過程線(圖3)末端斜率為土壤的飽和滲透速率，測定結果：7月為1.94×10-6m/s，9月為1.87×10-6m/s。滲透過程線的測定為溝渠一次性注滿水，測定水深隨時間的變化。7月的測定結果比9月的大，這主要與溝渠經(jīng)受的干旱天數(shù)有關，試驗前晴天數(shù)，7月份約10 d, 9月份約3 d。另外，試驗在50 min左右的數(shù)值變化較大，可能是前期植草溝構建時對底部土壤擾動較大，使得土壤20—30 cm土層孔隙增大。有研究表明，隨著植被的恢復，土壤穩(wěn)定入滲速率會不斷提高[16]，這與本文的結果略有出入，筆者分析主要是因為本研究的試驗時期較短，溝渠恢復時間不足，但對滲透速率的測定結果影響不大。

圖3　植草溝處理土壤滲透過程

由此可計算，溝渠的水力負荷能力為1.87×10-6～1.94×10-6m3/(m2·s)，則理論上試驗建立的植草溝1 h可處理的水量約為7 m3(洼蓄存儲)，1 h入滲水量約為0.34 m3，可推算在1 a重現(xiàn)期、降雨1 h條件下溝渠可處理的匯水面積約為80 m2。

為剖析植草溝對極端降雨的水量調(diào)蓄作用，如2012年7月21日北京市61 a來最強降雨，本文估算植草溝對50 a重現(xiàn)期降雨的調(diào)蓄作用。由《北京統(tǒng)計年鑒》可查得2012年北京市城六區(qū)道路總長度為6 271 km，總面積為9 236 hm2。假定在北京城六區(qū)內(nèi)建立與道路等長度、寬2 m，與實驗所建植草溝構造一致的植草溝。根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》中瀝青道路徑流系數(shù)0.9計算道路徑流量，則建立的植草溝對道路徑流的削減率如表4所示。

表4　模擬植草溝調(diào)蓄水量

由上表可知，建立的植草溝可對1 a和2 a重現(xiàn)期降雨形成的道路地表徑流削減效果良好，但對于極端降雨，植草溝僅能處理小部分道路地表徑流量。由此可見植草溝在暴雨、特大暴雨等極端天氣下只能作為道路雨洪綜合管理措施的一個組成部分，而不能作為一個主要的雨洪管理手段使用。

3結論與討論

根據(jù)前人試驗的經(jīng)驗性總結[17]，植草溝對徑流污染的去除率一般為COD 47%～82%，TP 20%～40%，NH3—N 25%～74%，TSS 60%～80%，TN 20%～60%。與前人的結果相比，本試驗中植草溝對污染物的去除率偏低,COD去除率僅為20%，TP和NH3—N的去除也沒有達到一般水平，這主要是植草溝對污染物的去除作用還與植草種類及溝渠長度有關[18]，也與進水的污染物濃度有關[19]。

植草溝可削減道路徑流量[20]，但其入滲水量與溝渠填料有關，填料滲透性好則植草溝入滲水量大[21]，本試驗建立的50 m2植草溝土壤背景為建筑回填土，顆粒分級法測定0.075～0.005 mm的土壤顆粒含量為58.50%，滲透系數(shù)較小，導致其處理水量相對較低。有研究表明，瀝青道路0.33 a(0.026 mm/min)重現(xiàn)期產(chǎn)流時間約為15 min，0.5 a(0.044 mm/min)重現(xiàn)期產(chǎn)流時間約為5 min[22]，這充分體現(xiàn)了植草溝的延緩產(chǎn)流時間作用。同時植草溝也具有削減洪峰的作用[18]，但本研究中植草溝出水口高度的作用還有待進一步證實。本試驗中植草溝的植被覆蓋度越大，其調(diào)控效果越好，這主要是因為隨著植被的恢復，土壤穩(wěn)定入滲速率會不斷提高[16]。另外，本文對植草溝的水力負荷分析表明其僅對低強度降雨調(diào)蓄作用良好，這與國內(nèi)外相關研究結果一致[23-25]。

通過對本文試驗結果的分析可得到以下主要結論。

(1) 植草溝具有延緩產(chǎn)流時間，涵養(yǎng)地下水的作用。降雨歷時越短，降雨強度越低，植草溝的處理能力發(fā)揮的越好，降雨強度相對降雨歷時來說對植草溝傳輸入滲能力的影響更大；植被覆蓋度越大，植草溝的水量調(diào)控效果越好。

(2) 植草溝具有一定的污染物去除能力，并且降雨強度大，去除效果較差，植被覆蓋率增加，去除效果會相應提高；

(3) 試驗建立的植草溝無法單獨作為有效控制城市道路地表徑流水量的管理措施。

本研究雖然證實了植草溝在北京道路徑流水量和水質(zhì)管理方面的作用，但還存在一些不足。在水量方面，由于設計的入流量恒定，沒有進行植草溝減小洪峰流量的試驗，但增加入滲量在一定程度上反映了對洪峰流量的控制作用。此外實際道路產(chǎn)流、匯流情況要復雜的多，而在合適路段建立植草溝進行模擬降雨試驗將更接近真實情況。植草溝寬度、長度的設定也要考慮不同等級道路規(guī)劃等諸多因素。在今后的研究中，將對這一不足進行改進。另外水質(zhì)配定的部分指標沒有達到道路徑流的監(jiān)測結果，使得對植草溝的調(diào)控能力分析不夠完善，在今后的研究中，可逐漸完善植草溝對道路地表徑流的凈化能力研究。

在本研究中植草溝的設計及建立以城市道路地表徑流水質(zhì)、水量為背景，以在城市規(guī)劃建設中的應用為目的。試驗結果證明建立的植草溝可促進道路地表徑流的入滲，降低出流量，對城市建設及道路地表徑流的控制具有參考價值。試驗中發(fā)現(xiàn)以《市政道路設計規(guī)范》為參考建立的植草溝不能滿足對水質(zhì)的凈化作用，流經(jīng)植草溝后的地表徑流水質(zhì)污染物含量仍然較高，這就要求對植草溝的出流進行進一步的處理或?qū)ο嚓P設計規(guī)范進行補充完善。

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Regulatory Effect of Grassed Swales on Road Surface Runoff in Beijing City

GUO Feng1, CHEN Jiangang2, YANG Jun3, MENG Yingying2, GONG Ying’an2

(1.KeyLaboratoryofSilvicultureandConservation,MinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.InstituteofWaterScienceandTechnologyofBeijing,Beijing100044,China; 3.MinistryofEducationKeyLaboratoryforEarthSystemModeling,CenterforEarthSystemScience,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract：[Objective] To analyze the regulatory effect of grassed swales on road surface runoff in order to provide reference for managing rainfall flood in Beijing City. [Methods] The grassed swales were constructed, and the volume and quality of water flowing was designed based on the data of the average rainfall situation and water quality of road surface runoff in Beijing City recorded during 2010—2012. [Results] (1) The effect on reducing the volume of surface runoff was stronger under rain events with short durations and low intensities. When the duration of the simulated rain event was set to three hours and the return period of rainfall was set as 0.33 year, the 50 m2grassed swales can reduce 66% of the total volume of surface runoff generated from a 50 m2road section. The intensity of a rain event has stronger influence on reducing the volume of surface runoff than the duration; (2) The grassed swales could improve the water quality but could not remove the pollutants entirely. The removal rates of ammonia nitrogen, total phosphorus, and chemical oxygen demand(COD) was 20%, 35%, and 22%, respectively; (3) The vegetation cover had an impact on the effectiveness of the grassed swales. When the vegetation cover increased by 60%, the volume of infiltrated water increased by 8% for a simulated rain event with 0.33-year return period and one hour of duration. (4) If two-meter wide grassed swales can be built along all roads in the six urban districts, they can reduce the road surface runoff resulted from rain events with one-year and two-year return period in 24 hours by 96.3% and 56%, respectively. However, for extreme precipitation such as rain events with 50-year return period, the reduction of road surface runoff is only 13%. [Conclusion] The grassed swales had certain effects on reducing the peak flow, delaying the time of runoff, and improving the water quality of runoff in Beijing City, but it is not an effective management measure to control the urban road surface runoff water, when used alone.

Keywords:grassed swales; road; surface runoff; water quantity; water quality

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0176-06

中圖分類號：TV213.9

通信作者：楊軍(1973—),男(漢族),四川省攀枝花市人,博士博士生導師,主要從事城市生態(tài)、全球城市環(huán)境變化。 E-mail：larix001@gmail.com。

收稿日期：2014-03-13修回日期：2014-04-22

資助項目：北京市科委項目“北京中心城區(qū)下凹橋區(qū)積滯水防控技術研究與示范”(Z121100000312037);教育部留學回國人員啟動基金(652450)

第一作者：郭鳳(1989—),女(漢族),吉林省農(nóng)安縣人,碩士研究生,主要研究方向為城市雨洪管理。E-mail：gf19891989@126.com。