蘆昌興,李鵬程,2,宮雪亮
(1. 山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院,濟(jì)南 250061;2.河北水利電力學(xué)院,河北 滄州 061001)
近年來,越來越多的城市面臨著雨水資源合理化利用問題。我國(guó)目前主要采用排水方式是硬地管道,在一定程度上起到了一定的作用,但硬地管道彈性較少,遇見大雨時(shí)往往不堪一擊,并不是解決雨澇和緩解污染的根本之策[1]。針對(duì)這一問題,國(guó)家提出發(fā)展海綿城市的戰(zhàn)略。雨水花園作為“海綿城市”建設(shè)低影響開發(fā)措施的重要方式,被廣泛應(yīng)用于雨水蓄滯及凈化領(lǐng)域。從水質(zhì)凈化機(jī)制上來看,雨水花園對(duì)雨水徑流中污染物的削減可以大致分成兩種:一是通過沉淀吸附作用,將污染物攔截;二是通過生物降解作用,將一些污染物徹底轉(zhuǎn)化或去除[2]。
國(guó)內(nèi)外對(duì)雨水花園的運(yùn)行規(guī)律及去污凈化效果進(jìn)行了不同的試驗(yàn)與研究。Laurenson[3]等通過批量測(cè)試評(píng)估了在伴有磷酸鹽的重金屬污染水的情況下,覆蓋物對(duì)重金屬的去除能力為硬木>松樹覆蓋>鋸末>壤土>硅沙。Bratiere[4]等通過一系列實(shí)驗(yàn)研究表明,P的去除效果取決于雨水花園構(gòu)造填料中磷(P)的含量。國(guó)內(nèi)雨水花園文獻(xiàn)研究起步較晚,但整體呈上升趨勢(shì),特別在建設(shè)“海綿城市”的國(guó)家政策刺激下,學(xué)術(shù)界給予積極響應(yīng),雨水花園作為“海綿細(xì)胞體”迅速得到重視[5]。陳舒等[6]針對(duì)于影響雨水過濾水質(zhì)的雨水花園的結(jié)構(gòu),如對(duì)濾料的厚度、排水層的厚度、填料層的填料進(jìn)行了分析與針對(duì)性試驗(yàn),李明翰[7]等研究了內(nèi)部蓄水層對(duì)生物滯留系統(tǒng)凈化水質(zhì)功效的影響,發(fā)現(xiàn)內(nèi)部蓄水層能顯著提高對(duì)銅(Cu)、懸浮物(SS)、氮(N)、磷(P)污染物的去除能力。
近年來,海綿城市建設(shè)陸續(xù)在濟(jì)南開展,如何將雨水凈化并有效綜合利用對(duì)改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境與海綿城市建設(shè)具有重要意義。針對(duì)于目前對(duì)雨水花園的研究選取角度單一,結(jié)構(gòu)改進(jìn)及運(yùn)行模擬不夠系統(tǒng)、全面的特點(diǎn),本文旨在探究雨水花園合理的結(jié)構(gòu)配置,將多因素、多水平考慮其中,運(yùn)用正交試驗(yàn)的方法,通過實(shí)地的運(yùn)行模擬,進(jìn)行整體觀測(cè)與分析,對(duì)雨水中的化學(xué)需氧量、懸浮物、總磷、總氮等污染物進(jìn)行分析,找到適宜濟(jì)南地區(qū)的雨水花園結(jié)構(gòu),為濟(jì)南市及類似區(qū)域低影響開發(fā)措施及水生態(tài)文明城市建設(shè)提供技術(shù)支持。
正交試驗(yàn)方法是根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)與正交性原理,從大量試驗(yàn)點(diǎn)中選取合適的 有代表性的點(diǎn),再按照“正交表”安排試驗(yàn)。由于正交表具有“均衡分散性”和“整齊可比性”的構(gòu)造原則,因此,按照此方法設(shè)計(jì)的試驗(yàn)次數(shù)少,并且能反映客觀事物的變化規(guī)律[8]。
用正交試驗(yàn)法進(jìn)行敏感性分析的最大優(yōu)勢(shì)在于:①對(duì)某一參數(shù)進(jìn)行敏感性分析時(shí),對(duì)其他參數(shù)也做改變,得出的結(jié)論具有更廣泛參數(shù)水平上的代表性;②分析過程中建立參數(shù)不同的模型,極有可能會(huì)找到更加符合實(shí)際情況的一組參數(shù)值和模型[9]。
根據(jù)濟(jì)南區(qū)域環(huán)境氣候特點(diǎn),在陳舒等[6,10-13]相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,選用四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)雨水花園試驗(yàn)方案,具體因素及水平選取如表1所示,采用L9(34)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案表如表2所示。
表1 試驗(yàn)因素及水平選取表
表2 正交試驗(yàn)方案表
雨水花園試驗(yàn)選址濟(jì)南某高校校園露天試驗(yàn)場(chǎng)地,定做9組試驗(yàn)裝置,為便于觀察及增加裝置強(qiáng)度、穩(wěn)定性,試驗(yàn)裝置均采用有機(jī)玻璃制作,底部設(shè)置開孔,外接雨水管收集經(jīng)過過濾凈化的雨水,上部蓄水層頂部設(shè)有溢流孔,用于排放并收集超出雨水花園過濾凈化能力范圍的雨水,本次實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。
圖1 正交試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖
對(duì)各試驗(yàn)雨水花園進(jìn)行清水試驗(yàn),將等量的清水分別經(jīng)過過濾層進(jìn)行過濾,對(duì)試驗(yàn)各測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),經(jīng)過9次試驗(yàn)對(duì)比,雨水花園內(nèi)部污染物指標(biāo)TN、懸浮物、COD、TP的濃度平均值分別為1.25、6.33、6.94、0.11 mg/L,與進(jìn)水中污染濃度進(jìn)行比較,清水中各污染物濃度分別為1.50、8、9.1、0.03 mg/L,各試驗(yàn)樣品測(cè)定指標(biāo)濃度與原清水樣品濃度對(duì)比,均有略微降低或是變化不大,由此判定,雨水花園本身內(nèi)部各層結(jié)構(gòu)中所含污染物不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成直接影響,具備開展試驗(yàn)所需條件。
正式試驗(yàn)采用人工降雨,模擬降雨在雨水花園中形成的“匯水-漲水-回水”完整過程。降雨雨型采用芝加哥雨型暴雨強(qiáng)度公式,如式(1)所示。
(1)
式中:Q、P、t分別表示時(shí)段平均暴雨強(qiáng)度、降雨重現(xiàn)期、設(shè)計(jì)降雨歷時(shí);A、C、b、n均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。根據(jù)1992年修訂的《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》,濟(jì)南地區(qū)對(duì)應(yīng)的A、C、b、n分別取4700、0.753、17.500、0.898。設(shè)定降雨歷時(shí)t=60 min,峰值比例r=0.4時(shí),設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為2 a,暴雨歷時(shí)為60 min,雨水花園面積與匯水面積之比為1∶5。
相同降雨強(qiáng)度下每組試驗(yàn)重復(fù)三次,最終取測(cè)試結(jié)果平均值。記錄雨水花園的初始產(chǎn)流時(shí)間,雨水出流過程中每間隔6 min記錄一次出流總量。
考慮到試驗(yàn)整體完成持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),較大體積自然降雨的保存受到條件的制約,并且雨水中的污染物容易受外界干擾或是自身發(fā)生變質(zhì)等,本次試驗(yàn)所用雨水采用人工配置,要求主要污染物的含量達(dá)到濟(jì)南市降雨的平均標(biāo)準(zhǔn),并且適當(dāng)幅度的提高,以提高試驗(yàn)進(jìn)出雨水的污染物濃度對(duì)比,本次試驗(yàn)相關(guān)污染物濃度配比如表3所示。
表3 配置雨水污染物濃度表 mg/L
本試驗(yàn)水質(zhì)的檢測(cè)方法如表4所示。
表4 水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)檢測(cè)方法
(1)不同因素下各水平對(duì)COD削減率的影響分析。不同因素下各水平對(duì)COD削減率如圖2所示。A3>A1>A2,說明狼尾草對(duì)COD的削減作用最大可達(dá)到59.41%,由此可見植被選擇在物理及生化方面作用明顯;植土層配料選擇方面,B1>B2>B3,三種配比下的植土層對(duì)COD削減率產(chǎn)生的差別較小,說明植土層配料本身或是其形成的生物膜對(duì)于有機(jī)物的截留所起作用并不明顯;C3>C2>C1,即當(dāng)選用30 cm石英砂+20 cm煤灰渣時(shí),COD削減率最大,達(dá)到59.20%;D1>D2>D3,說明在試驗(yàn)選用的濾料粒徑范圍內(nèi)粒徑越小對(duì)COD的削減率也越大,原因是其粒徑的減小,整體表面積的增大,加大了對(duì)雨水中有機(jī)物的截留。對(duì)于COD削減率最佳的雨水花園配置組合為B1、C3、A3、D1。
圖2 不同因素下各水平對(duì)COD削減率統(tǒng)計(jì)圖
(2)不同因素對(duì)COD削減的影響分析。由表5極差分析可得,各因素對(duì)COD去除率影響的排序?yàn)锳植被的選擇、C人工填料層填料選擇、D人工填料層填料粒徑、B種植土層配料的選擇。陳舒等[14]試驗(yàn)所得結(jié)果填料層填料對(duì)COD去除率影響極為顯著,所得結(jié)果與其結(jié)果不完全相同,可能的原因是試驗(yàn)所用的填料不同,對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的影響不同,同時(shí)試驗(yàn)前期運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較短,并沒有經(jīng)過常年的模擬論證,內(nèi)部生成的生物膜不完全,另外由于南北方氣溫、氣候的差異,生物膜的形成及所含微生物對(duì)不同污染物的去除存在差異,同樣在試驗(yàn)進(jìn)行過程中試驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性對(duì)結(jié)果也存在影響。
表5 各因素對(duì)COD去除率的方差檢驗(yàn)表
注:a表示R2=0.947(調(diào)整R2=0.899)。
有機(jī)質(zhì)(COD)在雨水中主要以溶解態(tài)的形式存在,其去除主要依靠濾料的吸附作用[15]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,濾料在有機(jī)質(zhì)(COD)的去除中具有顯著作用,同樣,由于每?jī)纱卧囼?yàn)間隔較長(zhǎng),對(duì)于該段間隔時(shí)間內(nèi)的污染物的去除主要依靠植被自身的吸收,從而減少蓄存在土壤中的有機(jī)質(zhì)含量,使得后續(xù)試驗(yàn)中的污染物含量從自身所含污染物中貢獻(xiàn)量得到降低,因此因素A植被的選擇對(duì)COD去除率的影響極為顯著。因素D人工填料粒徑的選擇對(duì)COD去除效果同樣顯著,這與濾料的吸附作用起到顯著作用相一致,顆粒粒徑的選擇直接影響填充濾料的密度,雨水經(jīng)過不同密度的濾料,其在濾料中的停留時(shí)間不同、與濾料的接觸面積不同,將直接影響其對(duì)污染物的去除率。
(1)不同因素下各水平對(duì)懸浮物(SS)削減率的影響分析。由圖3各水平下懸浮物(SS)削減率趨勢(shì)圖所示,對(duì)于懸浮物(SS)削減率的影響,A3>A1>A2,擇為狼尾草和鳶尾時(shí)削減率均高,二者分別為72.22%和71.70%,植被對(duì)懸浮物的去除也即其對(duì)其他部分污染物的去除具有相同規(guī)律;B2>B1>B3,在三種植土層配比的變化中,懸浮物(SS)的削減率基本沒有發(fā)生變化,由此可見該因素不是影響懸浮物削減率的主要參考;對(duì)于懸浮物(SS)的削減效果,C1>C3>C2,在上層相同石英砂配比的條件下,瓜子片>煤灰渣>沸石;D1>D2>D3,整體削減率隨粒徑的增大而增大,存在一定程度的正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于懸浮物(SS)去除率效果最好的雨水花園結(jié)構(gòu)配置方案為A3、B2、C1、D1。
圖3 不同因素下各水平對(duì)懸浮物(SS)削減率統(tǒng)計(jì)圖
(2)不同因素對(duì)懸浮物(SS)削減的影響分析。方差檢驗(yàn)如表6所示,對(duì)懸浮物(SS)的去除效果依次為C人工填料的選擇、A植被選擇、D人工填料粒徑的選擇、B種植土配料選擇。雨水中的懸浮物(SS)的主要來源為初期徑流中的無機(jī)雜質(zhì),并且其累積會(huì)成為水體的持續(xù)污染源[16],因此雨水花園對(duì)雨水中懸浮物的去除效果是雨水花園對(duì)面源污染處理方面的重要指標(biāo)之一。懸浮物(SS)在水中的存在形式主要為顆粒態(tài),短期作用下通過系統(tǒng)的過濾即可完成[17],不需要經(jīng)過分解吸收,但方差檢驗(yàn)表顯示,各因素對(duì)懸浮物(SS)的去除均存在顯著影響,可能的原因是,植被與植土層的結(jié)合改變了植土層內(nèi)部的結(jié)構(gòu),使得其對(duì)污染物的去除產(chǎn)生影響。同樣植土層及人工填料層主要通過對(duì)雨水的過濾,降低懸浮物的含量。整體試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果顯示,雨水花園對(duì)懸浮物(SS)有較好的去除效果,平均削減率達(dá)62.89%,最大削減率可達(dá)91.78%。
表6 各因素懸浮物(SS)削減率的方差檢驗(yàn)
注:a表示R2=0.962(調(diào)整R2=0.929)。
(1)不同因素下各水平對(duì)TP削減率的影響分析。由圖4各水平下總磷削減率趨勢(shì)圖所示,對(duì)于TP削減率的影響,A3>A1>A2,與COD和SS不同,狼尾草對(duì)TP削減率最高時(shí)其平均削減率可達(dá)83.21%;B1>B3>B2,三種植土層配料選擇對(duì)于TP削減率的影響變化幅度不大;C3>C1>C2,煤灰渣對(duì)總磷的削減效果最強(qiáng),三種濾料中煤灰渣呈孔隙狀,與雨水有較大的接觸面積,對(duì)顆粒態(tài)磷有更好的吸附作用面,同時(shí)煤灰渣的組成成分為SiO2、FeO、Fe2O3等可與溶解態(tài)磷離子發(fā)生化學(xué)催化反應(yīng),從而對(duì)加速磷在煤灰渣表層的沉淀、絮凝。D1>D2>D3,說明在一定的粒徑范圍內(nèi),隨著人工填充濾料粒徑的減小,削減率逐漸升高。對(duì)于總磷去除率效果最好的雨水花園結(jié)構(gòu)配置方案為A3、B1、C3、D1。
圖4 不同因素下各水平對(duì)總磷(TP)削減率統(tǒng)計(jì)圖
(2)不同因素對(duì)TP削減的影響分析。由方差檢驗(yàn)分析可得,對(duì)于總磷削減率的影響,對(duì)于因素C、因素A均有Sig<0.01,人工填料層填料的選擇及種植植被對(duì)總磷削減率的影響均為及其顯著,本次試驗(yàn)對(duì)于總磷的削減效果是植被對(duì)于溶解態(tài)磷吸收和濾料對(duì)于顆粒態(tài)磷的吸附、沉淀、絮凝共同作用的結(jié)果。將更多類型的濾料,或是組合濾料的不同配比,植被的選擇及植被的搭配組合作為因素將作為下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容。因素D Sig<0.05,人工填料層填料粒徑對(duì)于總磷削減率的影響顯著,而因素B Sig>0.05,因此種植土層配料的選擇對(duì)總磷削減率的影響不顯著。種植土層通過土質(zhì)對(duì)顆粒態(tài)磷具有較大的去除率,攔截了大部分的磷[18],但通過改變種植土層的配料,增大其河沙的比例,并沒有對(duì)總磷的削減產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響,因此本組試驗(yàn)選用的配料不是影響雨水花園總磷削減率的關(guān)鍵因素。
(1)不同因素下各水平對(duì)TN削減率的影響分析。由圖5各水平下總氮(TN)削減率趨勢(shì)圖所示,A3>A2>A1,B1>B2>B3,植被選擇和植土層配料選擇這兩種因素對(duì)總氮(TN)削減的影響變化幅度不大;C2>C1>C3,在上層相同石英砂配比的條件下,瓜子片和煤灰渣對(duì)總氮(TN)削減率較大,其削減率分別為78.04%、73.59%;D2>D3>D1,人工填料對(duì)雨水中總氮(TN)削減率的影響,下層中等粒徑>下層大粒徑>下層小粒徑,整體幅度變化不明顯。對(duì)于總氮(TN)削減率效果最好的雨水花園結(jié)構(gòu)配置方案為A3、B1、C2、D2。
表7 各因素總磷(TP)削減率的方差檢驗(yàn)
注:a表示R2= 0.928(調(diào)整R2= 0.863)。
圖5 不同因素下各水平對(duì)總氮(TN)削減率統(tǒng)計(jì)圖
(2)不同因素對(duì)TN削減的影響分析。由表8方差檢驗(yàn)分析可得,對(duì)于總氮削減率的影響,對(duì)于因素C、A均有Sig<0.01,人工填料層填料的選擇及種植植被對(duì)總氮削減率的影響均為及其顯著,而因素B Sig>0.05,因此種植土層配料的選擇對(duì)總氮削減率的影響不顯著。因此在研究雨水花園的結(jié)構(gòu)配置對(duì)總氮削減率的影響時(shí),人工填料、種植植被和人工填料的粒徑應(yīng)作為主要的因素考慮,而對(duì)于種植土層的配置原料進(jìn)行改變或是加入其他化學(xué)材料對(duì)總氮削減率的影響應(yīng)進(jìn)一步探究。
表8 各因素總氮(TN)削減率的方差檢驗(yàn)
注:a表示R2=0.992(調(diào)整R2=0.985)。
采用綜合評(píng)價(jià)法TOPSIS法對(duì)凈化效應(yīng)進(jìn)行綜合分析。TOPSIS法為處理多目標(biāo)問題的決策方法,該方法是通過為決策問題定義理想解、負(fù)理想解,在設(shè)計(jì)的方案中選取距離理想解最大,距離負(fù)理想解最小的,將其定義為滿意解[21],所得正交極差分析表如表8所示。
表9 正交極差分析表
對(duì)雨水花園試驗(yàn)方案利用 法計(jì)算其凈化效應(yīng)所得相對(duì)接近度排序結(jié)果進(jìn)行方差分析,可得其方差檢驗(yàn)表如表10所示。
表10 相對(duì)接近度排序結(jié)果的方差檢驗(yàn)表
注:a表示R2=0.994(調(diào)整R2=0.989)。
正交極差分析表中A植被選擇所對(duì)應(yīng)的K值,及該因素下的平均值進(jìn)行比較,A3>A1>A2,表明對(duì)于雨水花園凈化效應(yīng)的綜合影響狼尾草>鳶尾>千屈菜;B種植土層配料選擇所對(duì)應(yīng)的K值,B1>B3>B2,表明對(duì)于雨水花園凈化效應(yīng)的綜合影響的順序?yàn)锽1、B3、B2;C人工填料層填料選擇所對(duì)應(yīng)的K值,C2>C3>C1,表明對(duì)于雨水花園凈化效應(yīng)的綜合影響的順序?yàn)镃2、C3、C1,即沸石、煤灰渣、瓜子片;D人工填料層填料粒徑所對(duì)應(yīng)的K值,D1>D3>D2,表明對(duì)于雨水花園凈化效應(yīng)的綜合影響的順序?yàn)镈1、D3、D2,與常規(guī)認(rèn)知的濾料粒徑變小,表面積增大,與雨水的接觸面積及接觸時(shí)間變大,其凈化效果將得到增強(qiáng)的結(jié)果不一致,考慮到試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間較短、材料粒徑本身相差不大等帶來的影響,雨水花園凈化效應(yīng)在一定范圍內(nèi)隨著人工填料粒徑的減小而增大。
由正交極差表中R值比較分析,其主次順序?yàn)镃、A、D、B,即對(duì)雨水花園凈化效應(yīng)影響的因素的影響程度為人工填料層填料選擇>植被選擇>人工填料層填料粒徑>種植土層配料選擇。由方差檢驗(yàn)表統(tǒng)計(jì)分析,因素A、B、C、D均有Sig.<0.01,表明對(duì)于雨水花園凈化效應(yīng)的影響因素人工填料層填料選擇、植被選擇、人工填料層填料粒徑、種植土層配料選擇均及其顯著。
試驗(yàn)為人工降雨模式,通過人工配置的方式階段性的模擬整體匯流方式,在裝置未發(fā)生溢流的情況下進(jìn)行的,后續(xù)系列試驗(yàn)的改進(jìn)應(yīng)該采用降雨的原始徑流,使不同工況下的徑流在雨水花園內(nèi)部污染物移動(dòng)、水力特性與實(shí)際相一致。
通過對(duì)雨水花園在濟(jì)南的實(shí)地模擬運(yùn)行與相關(guān)理論研究表明,雨水花園在削減雨水的COD、懸浮物(SS)、總磷(TP)、總氮(TN)以及重金屬等方面效果顯著,對(duì)降低降雨面源污染,防止水體富營(yíng)養(yǎng)化、污染土壤,凈化水質(zhì)等促進(jìn)“海綿城市”建設(shè)方面發(fā)揮著重要作用。雨水花園各配置方案利用 法進(jìn)行的排序可以直觀判斷九組試驗(yàn)在雨水綜合凈化效應(yīng)所表現(xiàn)的優(yōu)劣。從雨水花園凈化效應(yīng)的結(jié)果,同時(shí)結(jié)合具體實(shí)施效果,結(jié)合相關(guān)雨水花園實(shí)施效果,綜合比較分析,確定最佳雨水花園凈化效應(yīng)的綜合配置方案為A3、B1、C2、D1,即植被選擇為狼尾草,種植土層配料的選擇為4份園土+3份腐葉土+3份砂土,人工填料的選擇為30 cm石英砂+20 cm沸石,人工填料的粒徑選擇小粒徑,后續(xù)試驗(yàn)中可依次設(shè)置凈化效果最佳的配置結(jié)構(gòu),對(duì)試驗(yàn)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
以上結(jié)論可為濟(jì)南地區(qū)凈化型雨水花園結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料的選取配置提供科學(xué)依據(jù),對(duì)于其他氣候、環(huán)境特性相似的地區(qū)的雨水資源凈化也具有一定指導(dǎo)意義,對(duì)氣候、環(huán)境特性相差較大的地區(qū),其他低影響開發(fā)工程措施,可參考本文的研究方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析,從而得到指導(dǎo)工程實(shí)踐的具體理論及方案。
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