低影響開發(fā)措施對雨水徑流的控制效應

黃國如,趙曉鶯，麥葉鵬

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640； 3.廣東省水利工程安全與綠色水利工程技術研究中心，廣東 廣州 510640；4.華南理工大學建筑學院，廣東 廣州 510640)

隨著全球氣候變化的進一步加劇和城市化進程加快，近年來我國極端氣候事件頻發(fā)，城市洪澇災害和水污染問題突出，為此國家大力開展海綿城市建設，其中低影響開發(fā)(low impact development，LID)技術是其重要手段[1-2]。LID措施被形象地稱為海綿體，通過建設綠色屋頂、透水鋪裝、生物滯留池和植被緩沖帶等小型和分散式的LID措施來降低城市擴張對自然環(huán)境的影響，旨在從源頭上針對高頻率的中小型降雨事件中徑流量和污染物進行控制。系統(tǒng)的實驗、監(jiān)測、評價對LID建設至關重要，在設置LID措施之前，需調(diào)研和收集現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，便于確定各種LID措施的布局和實施，然后根據(jù)合適的投資規(guī)模確定LID措施組合方案。

李家科等[3-7]對生物滯留池設施和雨水花園進行了長期的徑流量和污染物監(jiān)測，利用試驗裝置研究植被條件、污染特性以及填料類型、厚度和組合方式等因素對LID性能的影響；彭躍暖等[8-11]對綠色屋頂和生物滯留池試驗裝置進行分析，通過連續(xù)測定氣象數(shù)據(jù)來定量研究有無蓄水層的兩種結構綠色屋頂或不同植被的綠色屋頂對土壤水分蒸散發(fā)的影響；Mai等[12]基于人工降雨和人工模擬徑流對綠色屋頂、透水鋪裝及生物滯留池等多種LID措施試驗裝置進行試驗和分析；葛德等[13]分析北京市觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在降水量分別小于10 mm、30～80 mm和大于80 mm時，綠色屋頂?shù)膹搅髁肯鳒p率分別等于或接近100%、低于70%及低于55%。綠色屋頂雨水徑流削減率與場次降雨條件有關，隨著降水量增加，綠色屋頂?shù)挠晁畯搅飨鳒p率降低；另外，綠色屋頂?shù)挠晁畯搅飨鳒p能力還隨雨前干旱期延長而增強，且雨前干旱期的影響在小降雨事件中表現(xiàn)得更為明顯[14-19]。透水鋪裝具有讓路面雨水下滲、減少水污染、降低噪聲及增大防滑阻力等優(yōu)點，且透水鋪裝因易整體成型、可連續(xù)鋪設，整體結構穩(wěn)定性好，并且色彩豐富多變，廣泛應用于公園道路、廣場地面和人行道等，其功能的正常發(fā)揮需保證透水鋪裝的多孔結構具有足夠的滲透性，因此有些學者對透水鋪裝的滲透能力和徑流污染物去除能力進行了試驗研究[20-25]。盡管有些學者對部分LID措施開展了一些試驗研究，但對LID措施往往缺乏長期現(xiàn)場監(jiān)測和定量分析，且各地降雨特征和土壤類型不一，LID措施雨洪調(diào)控規(guī)律可能存在一定差異，因此，本文以廣州市天河智慧城透水鋪裝和綠地為研究對象，基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析透水鋪裝和綠地等LID措施的雨水徑流控制效應，以期為LID措施的規(guī)劃和設計提供參考。

1 監(jiān)測場地及方案

選取位于廣州市天河區(qū)智慧城某排水區(qū)域內(nèi)的一處透水鋪裝和綠地進行雨水徑流現(xiàn)場監(jiān)測，并在其附近一棟辦公樓樓頂安裝雨量計。透水鋪裝實際是一個停車場，整體上北高南低，但坡度較小，在透水鋪裝上產(chǎn)生的徑流最終匯入南邊的排水溝渠內(nèi)。透水鋪裝面積約為1 000 m2，沒有承接周邊區(qū)域的雨水徑流。綠地為一處坡式綠地，整體西高東低，坡度較小，所產(chǎn)生徑流最終匯集于東邊的排水溝渠內(nèi)。綠地面積約為350 m2，也沒有承接周邊區(qū)域的雨水徑流。此處的坡式綠地坡度較緩，綠地較寬，其特點類似于植被緩沖帶，本文將其視為植被緩沖帶。地表徑流經(jīng)綠地的綠色植被攔截及土壤下滲作用流速減緩，部分污染物被去除[26-27]。為能夠對透水鋪裝和綠地產(chǎn)流進行實時監(jiān)測，分別在透水鋪裝和綠地產(chǎn)流匯水溝渠出口處安裝矩形堰流量計測量流量過程，安裝在附近辦公樓樓頂?shù)挠炅坑媱t進行實時降水量監(jiān)測。

為開展透水鋪裝和綠地所產(chǎn)生雨水徑流水質監(jiān)測，在產(chǎn)流之后，在流量計后端進行人工取樣，并送至實驗室分析水質。具體采樣方案為：在降雨開始前抵達采樣位置，自產(chǎn)流開始，于流量計后端每5 min取一個樣，當徑流較小時可適當延長采樣間隔，直至產(chǎn)流結束。樣品收集于2 000 mL的聚乙烯塑料瓶內(nèi)，并在結束采樣后及時送至實驗室進行水質分析檢測。徑流水質監(jiān)測污染物指標有6項：懸浮物(SS)、五日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)。

2 雨水徑流水量控制效應分析

2.1 透水鋪裝

透水鋪裝雨水徑流水量監(jiān)測工作從2018年5月開始，選取2018年5月2日至10月16日共20場降雨進行分析。20180626(小雨、單峰)、20180723(小雨、雙峰)、20180907(暴雨、單峰)和20181016(大雨、單峰)4場典型降雨情形下透水鋪裝徑流過程如圖1所示，20場降雨的降雨特征及其對應的透水鋪裝徑流量削減率如表1所示。

表1 不同場次降雨的降雨特征及透水鋪裝徑流量削減率

由表1可知，這20場降雨的降雨歷時在14～159 min，降水量在7.6～90.6 mm，雨前干旱期在 0.1～6 d，降雨特征較為豐富，透水鋪裝的雨水徑流量削減率在36.1%～86.5%。運用SPSS24.0軟件分析不同降雨特征與透水鋪裝徑流量削減率的相關關系，結果表明透水鋪裝徑流量削減率隨著雨前干旱期增長而上升(Pearson相關系數(shù)r>0)，隨著降雨歷時、降水量和最大雨強的增大而下降(r<0)，透水鋪裝徑流量削減率與平均雨強的相關關系很弱(r≈0)。透水鋪裝徑流量削減率與降雨歷時呈極顯著相關關系(p=0.004<0.01)，與降水量呈顯著相關關系(p=0.037<0.05)。不同降雨特征與透水鋪裝雨水徑流量削減率的關系如圖2所示。

由圖2可知，透水鋪裝徑流深與降水量的擬合決定系數(shù)R2為0.958，擬合程度非常高。降雨歷時、降水量與透水鋪裝徑流量削減率的擬合決定系數(shù)R2分別為0.475 9和0.318 4，擬合程度均一般。雨前干旱期與透水鋪裝徑流量削減率擬合程度(R2=0.206 5)不高，但通過趨勢線分析可知徑流量削減率總體上隨著雨前干旱期增長而上升。平均雨強和最大雨強與透水鋪裝徑流量削減率的擬合決定系數(shù)R2分別為0.000 9和0.098 4，擬合程度較低，趨勢不明顯。

2.2 綠地

綠地雨水徑流量監(jiān)測工作從2018年6月開始，選取2018年6月26日至2018年10月17日共11場降雨進行分析。20180626(小雨、單峰)、20180723(小雨、雙峰)、20180907(暴雨、單峰)和20181016(大雨、單峰)等4場典型降雨下綠地產(chǎn)流過程如圖3所示。11場降雨的降雨特征及其對應的綠地徑流量削減率如表2所示。

表2 不同場次降雨特征及綠地徑流量削減率結果

由表2可知，這11場降雨的歷時在14～340 min，降水量在4～90.6 mm，雨前干旱期在0.1～13 d，最大雨強在0.4～2.8 mm/min，降雨特征變化區(qū)間較大，綠地的雨水徑流量削減率在22.6%～93.1%。運用SPSS24.0軟件分析不同降雨特征與綠地徑流量削減率的相關關系，結果表明綠地徑流量削減率隨著雨前干旱期增加而上升(Pearson相關系數(shù)r>0)，隨著降雨歷時、降水量、平均雨強和最大雨強的增加而下降(r<0)。綠地徑流量削減率與降雨歷時呈顯著相關(p=0.028<0.01)，與降水量呈極顯著相關(p=0.004<0.05)。不同降雨特征與綠地雨水徑流量削減率之間的趨勢分析如圖4所示。

由圖4可知，綠地的徑流深與降水量之間的擬合決定系數(shù)R2為0.981 5，擬合程度非常高。降雨歷時、平均雨強、最大雨強與綠地徑流量削減率的擬合決定系數(shù)R2分別為0.594 2、0.504 6和0.478 8，擬合程度一般。降水量與綠地徑流量削減率的擬合決定系數(shù)R2為0.746 1，擬合程度較高。雨前干旱期與綠地徑流量削減率擬合程度(R2=0.232)不高，但通過趨勢線分析可知綠地徑流量削減率隨著雨前干旱期增加而上升。

通過對比透水鋪裝和綠地徑流量削減率與降水量的擬合關系式，可發(fā)現(xiàn)在降雨較小時，綠地的徑流量削減率比透水鋪裝的大；降水量較大時，綠地的徑流量削減率則比透水鋪裝的小。究其原因，當降水量較小時，綠地表層植被和土壤相較于透水鋪裝能夠更多地截留雨水徑流。當降水量較大時，綠地表層土壤在前期達到飽和后，后期對雨水徑流的滲透攔截作用變小，再加上綠地坡度較大，其徑流更加不易蓄滯；而透水鋪裝的下層墊層材料的滲透能力較好，滲透能力變化不大，其坡度也較小，因而在大雨時可以削減更多的雨水徑流。

3 雨水徑流水質控制效應分析

由于現(xiàn)場水質監(jiān)測工作難度較大，能夠完整監(jiān)測的降雨徑流水質場次不多，選取2018年7月3日及2018年7月23日兩場降雨徑流水質的監(jiān)測結果進行分析。20180703場次降雨為單峰型，其累計降水量為7.6 mm，降水量較小，最大雨強為 1.2 mm/min，雨前干旱期為1.0 d；20180723場次降雨為雙峰型，其累計降水量為7.8 mm，第1個雨峰的最大雨強為1.6 mm/min，第2個雨峰的最大雨強為 0.6 mm/min，雨前干旱期為4.0 d；20180703和20180723場次降雨透水鋪裝和綠地的雨水徑流污染物質量濃度變化過程分別如表3和表4所示。

表3 20180703場次降雨透水鋪裝和綠地徑流污染物質量濃度變化過程

表4 20180723場次降雨透水鋪裝和綠地徑流污染物質量濃度變化過程

由表3可知，20180703場次降雨時，透水鋪裝雨水徑流污染物質量濃度變化不大，是因為降水量不大，在降雨的前期和后期沖刷起來的污染物變化不大，再加上透水鋪裝對雨水徑流污染物的凈化能力變化不大；綠地的雨水徑流污染物在沖刷起來后，在流動的過程中被攔截和吸附，在降雨徑流較小時，表現(xiàn)更加明顯，因而其徑流污染物基本上隨著徑流變小而降低。由表4可知，20180723場次降雨時，由于第2次雨峰的沖刷，徑流中的SS、BOD5和CODMn的質量濃度又隨時間增大而增大，而TN和NH3-N在第1次沖刷后殘余量可能不多，所以其質量濃度逐漸降低；綠地雨水徑流BOD5、CODMn、TP、TN和NH3-N的質量濃度基本隨著時間增大而降低，原因可能是其在第1次沖刷后殘余量不多，所以質量濃度逐漸降低。20180703和20180723兩場降雨下，透水鋪裝和綠地雨水徑流的場次降雨徑流污染物平均質量濃度(EMC)和污染物負荷量等特征如表5所示。

由表5和GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》可知，20180703場次降雨下，透水鋪裝雨水徑流的水質為Ⅲ類，而綠地雨水徑流的水質為Ⅴ類，綠地雨水徑流中SS、BOD5、CODMn、TN和NH3-N的質量濃度比透水鋪裝的高，其中SS、BOD5、CODMn和NH3-N的質量濃度差值達到50%左右，而綠地雨水徑流中TP的質量濃度則比透水鋪裝的低51.4%。20180723場次降雨下，透水鋪裝雨水徑流和綠地雨水徑流的水質皆為劣Ⅴ類，綠地雨水徑流中BOD5、CODMn、TP、TN、NH3-N質量濃度比透水鋪裝的高，差值在10.0%～36.2%，而綠地雨水徑流中SS的質量濃度則比透水鋪裝的低104.9%。20180723場次降雨時的透水鋪裝和綠地雨水徑流污染物質量濃度均比20180703場次降雨時的高，分析其原因，兩場降雨的降水量接近，所處季節(jié)也相同，其主要影響因素為雨前干旱期。20180703場次降雨的雨前干旱期為1.0 d，20180723場次降雨的雨前干旱期為4.0 d，而雨前干旱期越久，地表累積的污染物越多，從而其沖刷到雨水徑流中的污染物也就越多。此外，雖然各場次降雨綠地雨水徑流的污染物質量濃度總體上比透水鋪裝的高，但是各場次降雨下透水鋪裝徑流污染物負荷量都比綠地的大，這是因為透水鋪裝徑流量要比綠地徑流量大得多所導致的。

表5 不同降雨下透水鋪裝和綠地雨水徑流水質特征

4 結 論

a.透水鋪裝徑流量削減率隨著雨前干旱期增加而上升，隨著降雨歷時、降水量和最大雨強增加而下降，透水鋪裝徑流量削減率與降雨歷時極顯著相關，與降水量顯著相關。

b.綠地徑流量削減率隨著雨前干旱期增加而上升，隨著降雨歷時、降水量、平均雨強和最大雨強增加而下降，綠地徑流量削減率與降雨歷時顯著相關，與降水量極顯著相關。

c.對比透水鋪裝和綠地徑流量削減率與降水量關系可發(fā)現(xiàn)，在降雨較小時，綠地徑流量削減率比透水鋪裝的大；在降水量較大時，綠地徑流量削減率則比透水鋪裝的小。

d.20180723場次降雨時的透水鋪裝和綠地雨水徑流污染物的質量濃度均比20180703場次降雨時的高，其主要影響因素為雨前干旱期長短，20180703場次降雨的雨前干旱期為1.0 d，20180723場次降雨的雨前干旱期為4.0 d，而雨前干旱期越久，地表累積的污染物越多，從而其沖刷到雨水徑流中的污染物也就越多。