下凹式綠地對雨水徑流的控制效果研究

張國慶

（上海市金山區(qū)公路管理所，上海市201599）

0 引言

下凹式綠地，作為低影響開發(fā)技術(shù)之一，是一種綠地高度低于周圍地面高度的雨水管理系統(tǒng)的統(tǒng)稱。狹義的下凹式綠地即指低于周邊道路或地面200 mm以內(nèi)的綠地。下凹式綠地由植物和填料兩個部分組成，通過下滲、滯留、吸附等作用實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)地表徑流、削減徑流污染物、補(bǔ)充地下水等目的[1]。此外，下凹式綠地還具有滯塵減噪、遏制城市熱島效應(yīng)等環(huán)境調(diào)節(jié)功能[2]，并能夠靈活應(yīng)用于城市道路、公園、居民小區(qū)、學(xué)校等眾多場景，因此在海綿城市建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

下凹式綠地對徑流雨水的控制主要包括蓄滯和凈化兩個方面。植物種類以及種植密度的不同都會影響其發(fā)揮攔截徑流雨水和吸收雨水中營養(yǎng)物質(zhì)的作用；由于不同的填料基質(zhì)對污染物的吸附、過濾效果以及滲透效果不同，因此對徑流雨水的蓄滯和凈化效果也不同。因此，需要全面考察下凹式綠地各組成部分在雨水調(diào)控中發(fā)揮的作用和效果，才能合理設(shè)計(jì)綠地的相關(guān)參數(shù)、準(zhǔn)確選擇效果最佳的植物、填料等，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)化。

本文通過自制裝置模擬降雨，研究了下凹式綠地對地表徑流的調(diào)控效果和污染物的削減效果，并從下凹深度和基質(zhì)種類兩個方面研究了對徑流調(diào)節(jié)效果的影響，旨在為下凹式綠地的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的細(xì)砂、椰糠、火山巖、煤渣、沸石以及鳶尾均購于南京市某園藝場；試驗(yàn)所用的氯化銨（NH4Cl）、硝酸鈉（NaNO3）、磷酸二氫鉀（KH2PO4）、葡萄糖（Glucose）、高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O）均為南京化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純藥品。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置包括配水系統(tǒng)和下凹式綠地主體結(jié)構(gòu)兩部分，如圖1所示。

圖1 下凹式綠地裝置

試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

（1）分別在下凹深度為10 cm、15 cm、20 cm的下凹式綠地裝置中裝填一定比例混合的細(xì)砂、土壤和椰糠基質(zhì)，基質(zhì)高度為50 cm，表層種植鳶尾。三個裝置分別在0.25 a、0.5 a、1 a、5 a的重現(xiàn)期，20∶1的匯流比下，按照芝加哥雨型，利用流量計(jì)每10 min調(diào)節(jié)進(jìn)水流量模擬實(shí)際降雨過程并記錄裝置出水情況直至出流結(jié)束。

（2）在三個下凹深度相同的裝置中，將細(xì)砂、土壤、椰糠分別與火山巖、煤渣、沸石按一定比例混合填入，填料高度為50 cm，表層種植鳶尾，分別命名為1#、2#、3#下凹式綠地。按照表1的污染物濃度在水桶中配制人工雨水，固定重現(xiàn)期為2 a，匯流比為15∶1，利用流量計(jì)每10 min調(diào)節(jié)進(jìn)水流量模擬實(shí)際降雨，并從開始出水時每10 min從出水口取樣并記錄出水流量等直至出流結(jié)束。所取水樣保存于500 mL聚氯乙烯瓶中并在24 h內(nèi)完成污染物濃度測定，測定方法均依照國家標(biāo)準(zhǔn)方法[3]。

表1 試驗(yàn)配水水質(zhì)情況

3 下凹式綠地的蓄滯效果研究

3.1 下凹深度和降雨強(qiáng)度的影響

如圖2所示，10 cm、15 cm、20 cm三種下凹深度下綠地對雨水的蓄滯情況。從圖2中可以看出，下凹深度為10 cm時，在0.5 a、1 a、5 a重現(xiàn)期下均產(chǎn)生溢流，溢流率分別為9.09%、12.66%、28.%，下凹深度為15 cm時，在1 a和5 a重現(xiàn)期產(chǎn)生了溢流，溢流率分別為2.87%、15.88%；下凹深度為20 cm時，僅在5 a重現(xiàn)期下產(chǎn)生了溢流，且溢流率僅為7.18%。相比之下，10 cm的下凹深度無法應(yīng)對0.5 a重現(xiàn)期及以上的降雨，而15 cm和20 cm的下凹深度能夠較好地應(yīng)對頻繁降雨事件及較大降雨。

圖2 不同下凹深度下的蓄滯情況

此外，在下凹深度一定，例如10 cm時，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，溢流體積逐漸增大，下凹式綠地的水量削減率逐漸減小，當(dāng)重現(xiàn)期從0.25 a增加到5 a時，水量削減率從100%減小到72.00%，所以重現(xiàn)期越大，下凹式綠地對徑流雨水的削減效果越差。

3.2 填料基質(zhì)的影響

如圖3所示，填料基質(zhì)不同的情況下，下凹式綠地的蓄滯效果有所不同。首先，1#、2#、3#裝置在產(chǎn)流延遲上都有一定效果，分別為9 min、10 min、7 min，這說明火山巖和煤渣的保水性較好。三個裝置的峰值削減率分別為36.1%、29.8%、48.37%，峰值延遲時間分別為30 min、20 min、30 min。此外三個裝置均未產(chǎn)生溢流，水量削減率都為100%。所以添加了火山巖、煤渣、沸石后，對產(chǎn)流延遲、峰值延遲、峰值削減、水量削減都有一定改善效果，且改善效果各不相同。

圖3 三個裝置的蓄滯效果

4 下凹式綠地的去污效果研究

圖4所示為三個下凹式綠地裝置對TN、TP、COD、SS的去除效果，從圖中可以看出，三個裝置對總氮的去除效果差異較大，其中2#裝置的去除率最高，為48%，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)配制的總氮由氨氮和硝態(tài)氮組成，土壤中的負(fù)電荷有利于吸附帶正電荷的氨氮，被吸附的氨氮經(jīng)過硝化細(xì)菌會轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮，而煤渣可以提供硝化反應(yīng)所需的堿性環(huán)境，所以煤渣對氮的去除效果較好[4]。

圖4 三個裝置的總氮（TN）去除效果

如圖5所示，三個裝置對總磷的去除效果相差不大，去除率分別為82.7%、75%和70.9%，其中1#裝置總磷去除率相對較高，可能是由于火山巖的孔隙率大，比表面積大，有利于對磷的吸附[5]。

圖5 三個裝置的總磷（TP）去除效果

對于COD，1#和2#裝置的去除效果均不太理想，去除率不超過35%，如圖6所示，這可能是因?yàn)槿芙庑缘腃OD是通過微生物氧化降解作用去除的，而生物降解作用與裝置中的微生物數(shù)量和溶解氧有關(guān)[6]。

圖6 三個裝置的COD去除效果

三個裝置對SS的去除效果都非常好，如圖7所示，去除率均在95%左右，這主要是因?yàn)镾S的去除主要以填料的物流截留為主，而實(shí)驗(yàn)裝置中的填料中含有大量細(xì)砂，細(xì)砂對SS的過濾截留效果較好。但SS的去除容易造成填料的堵塞，有研究人員認(rèn)為填料表層5.08～12.7 cm應(yīng)該定期檢查并更換[7]。

圖7 三個裝置的S S去除效果

5 結(jié) 語

通過對不同下凹式綠地裝置進(jìn)行模擬降雨實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）下凹深度會影響綠地的蓄滯效果，下凹深度越大，溢流水量越少，水量削減效果越好。但是出于安全考慮，下凹深度不能過大，國家規(guī)定的下凹深度為10~20 cm；降雨強(qiáng)度對蓄滯效果也會產(chǎn)生影響，降雨強(qiáng)度越大，綠地對徑流的削減率越小。

（2）不同的填料基質(zhì)，對雨水徑流的調(diào)控效果也有所不同，火山巖、煤渣、沸石對產(chǎn)流延遲、峰值延遲、峰值削減、水量削減等都有一定改善，其中，火山巖的總體改善效果較好，在2 a重現(xiàn)期，15∶1的匯流比下，對產(chǎn)流的延遲時間為9 min，峰值削減率為36.1%，水量削減率為100%。

（3）填料基質(zhì)不同，下凹式綠地對污染物的削減效果也不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤渣對總氮的去除效果最好，去除率為48%，火山巖對總磷的去除效果較好，去除率為82.7%，沸石對COD的去除率相對較高，為34.9%；火山巖、煤渣、沸石對SS的去除效果均較好，去除率在95%左右。