干植草溝雨水徑流滯蓄截污影響因素研究進展

余鑫，詹健，徐晨，劉早紅，石福平

(南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

由于城市化的快速推進，不透水表面不斷擴大以及土地使用活動的增加致使土壤被壓實，改變了正常的水文循環(huán)，最終導(dǎo)致降雨時徑流流量和體積的增加，城市積水嚴(yán)重，沉積物、污染物無法及時排放處理的現(xiàn)象[1]。為了延緩雨水徑流，控制面源污染，近幾十年來，城市建設(shè)中對排水系統(tǒng)的要求一直在提高，更加強調(diào)排水質(zhì)量，并且設(shè)計了專門的排水系統(tǒng)。在此背景下，低影響開發(fā)(LID)理念應(yīng)運而生，通過對源頭的控制來達到對降雨所帶來的徑流和污染的控制[2-4]。其中生態(tài)植草溝作為低影響開發(fā)理念的一種模式，常被用來減少城市雨水徑流量和減少暴雨徑流非點源污染，越來越多的植草溝被用于道路徑流的一級處理，被整合到現(xiàn)有項目的改造中，并代表了一種簡單、美觀的技術(shù)，用于沿線性系統(tǒng)輸送徑流[5]。

植草溝主要是通過植被和土壤基質(zhì)層提供的滯留、滲透作用來控制雨水徑流，從而緩解了城市內(nèi)澇的形成[6]。目前研究較多的植草溝主要有三種類型：標(biāo)準(zhǔn)傳輸植草溝、干植草溝和濕植草溝。標(biāo)準(zhǔn)傳輸植草溝即是淺植被明渠，其作用主要是引導(dǎo)雨水并輸送徑流。干植草溝也具有類似的特征，但除此之外，它們的底部被設(shè)計成由特殊材料制備的基質(zhì)層，對雨水徑流中的污染物在滲透過程中進行過濾和吸附，而且設(shè)置了地下排水系統(tǒng)，有效地減少了雨水徑流流量。濕植草溝的結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)傳輸型類似，一般用于高速公路的排水系統(tǒng)、停車場或者屋頂?shù)挠晁畯搅?，其在功能上近似于雨水濕地，與其他類型植草溝相比，增加了雨水徑流的停留時間，其土壤層長時間處于潮濕狀態(tài)，不適合建設(shè)在居住區(qū)[7-8]。根據(jù)研究表明[9]，干植草溝相比標(biāo)準(zhǔn)傳輸植草溝和濕植草溝來說強化了雨水徑流的傳輸、滲透、過濾和滯留能力，并且干植草溝更適用于居民區(qū)排水系統(tǒng)的建設(shè)。本文主要通過介紹干植草溝的結(jié)構(gòu)組成和功能，對干植草溝的相關(guān)影響因素進行探討研究。

1 干植草溝的結(jié)構(gòu)組成

干植草溝的基本構(gòu)成類似于綠色屋頂和生物滯留池等低影響開發(fā)設(shè)施，見圖1，主要由植被層、蓄水層、基質(zhì)層、排水層構(gòu)成[10-12]。道路上的雨水通過地表徑流或者溢流管進入植草溝內(nèi)，在植被層和基質(zhì)層的作用下，通過滯蓄、過濾、滲透和生物過程對雨水徑流問題進行改善，不僅有效減緩了暴雨徑流流量和峰值流量，對雨水沖刷路面帶來的污染物也有一定的去除效果。

a.正視圖 b.截面圖圖1 干植草溝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of dry grass swale

1.1 植被層

植草溝作為景觀性的地表排水系統(tǒng)，通過在基質(zhì)層上種植植被，利用植被攔截滯留和基質(zhì)層的過濾功能，使雨水徑流中的大多數(shù)懸浮固體污染物和少量溶解性污染物得以去除[13]。植被層作為植草溝的上層部分，對雨水徑流起到滯蓄效果，因此對植被層中植物的選擇也至關(guān)重要[14]。目前大多數(shù)學(xué)者主要從植物的生態(tài)適應(yīng)性、截污能力、景觀性、經(jīng)濟效益幾個方面對植草溝的植被層進行研究。范欽棟等[15]采用層次分析法(APR)[16]對40種植草溝植物進行評分篩選，最終篩選出18種更適合植草溝種植的Ⅰ級植物，相對于其他植物來說Ⅰ級植物更適應(yīng)生態(tài)環(huán)境，對雨水徑流流量的控制以及凈化能力更顯著，篩選出的Ⅰ級植物類型見表1。當(dāng)然，在進行植草溝植物選擇時也要考慮就近原則，優(yōu)先選擇本土植物，這樣更利于植被的存活。

表1 篩選出的Ⅰ級植物[14]

1.2 蓄水層

植草溝坡面設(shè)有蓄水結(jié)構(gòu)，在強降雨天氣用以滯蓄和輸送雨水，避免雨水徑流在道路囤積形成城市內(nèi)澇。在干旱天氣時，蓄水層存留的水可持續(xù)供給植被層植物生長，以免長時間缺水導(dǎo)致植被枯死。

1.3 基質(zhì)層

1.4 排水層

排水層主要由級配碎石和砂層構(gòu)成，中間用土工布相隔開來。排水層在整個生態(tài)植草溝系統(tǒng)中起到支撐的作用，保障雨水通過出水管順利地排放，并且在干旱期可以起到蓄水的作用，保證植被層中的植被能夠持續(xù)生長[21]。

2 干植草溝對雨水徑流流量控制效果的影響因素

植草溝對雨水徑流的滯蓄效果主要是通過雨水下滲、滯留來延長雨水的水力停留時間。其對雨水徑流的控制作用由多種因素決定，植草溝的長度、橫斷面面積、溝底寬度、入滲面的坡度、植被層植被的選擇以及覆蓋率、基質(zhì)種類以及厚度、墊層結(jié)構(gòu)、降雨強度、降雨歷時和匯水方式等都對植草溝的滯蓄能力起著決定性作用[22]。張煒等[23]通過在實驗室進行模擬實驗，探討了在不同進水水力負荷情況下植草溝的水文特性，實驗結(jié)果表明可以通過改變進水水力負荷或者改變植草溝斷面尺寸來促進植草溝雨水徑流錯峰效果，并以此來提升植草溝雨水徑流流量控制能力。馬曉謙等[24]通過對長安大學(xué)室內(nèi)研究結(jié)果分析得出結(jié)論：植草溝的斷面坡度取值范圍為1/4～1/3，這樣可以保證雨水徑流以較淺的深度和較低流速在植草溝內(nèi)流動，增強了植草溝滯蓄凈化作用。本文主要從植草溝的植被層、基質(zhì)層、降雨強度以及匯水方式等幾個方面來對植草溝的滯蓄效果進行分析探討。

2.1 植被層對植草溝雨水徑流流量控制的影響效果

袁麗麗等[25]通過對大葉油草、百慕大草、假儉草3種不同植物對雨水徑流的消減能力、洪峰的延緩能力以及蓄排水能力進行實驗，得出結(jié)論：以假儉草作為植被層的植草溝在相同降雨強度下各方面都體現(xiàn)出最優(yōu)狀態(tài)。孟瑩瑩等[26]分析了在不同植被覆蓋率下植草溝的雨水徑流過程，結(jié)果顯示植草溝中植物生長越茂盛，植草溝對雨水徑流的滯蓄效果越顯著。當(dāng)溝內(nèi)植被覆蓋率達到0.9時，植草溝能夠容納自身產(chǎn)流和匯水區(qū)域的全部雨水，當(dāng)溝內(nèi)植被覆蓋率不足0.5時應(yīng)及時進行填土補植。提高植被的覆蓋率可以有效地提高植草溝對雨水的滯蓄能力，并且提供良好的景觀效果，但植被不易過量增長，需要定期進行修剪，以防止植草溝的過流斷面過小導(dǎo)致雨水徑流的控制效果不佳。植被層植被的最大高度為75～180 mm，設(shè)計高度一般為50～150 mm。當(dāng)然對植草溝的修剪也要適中，植被過量修剪會增大雨水徑流速度，進而降低了植草溝污染物去除效果[27]。Nurhazirah等[28]的研究也證實了這一點，植被的高度、類型是影響植草溝流動特性及其粗糙度系數(shù)變化的重要因素之一。

2.2 基質(zhì)層結(jié)構(gòu)對植草溝雨水徑流流量控制的影響效果

植草溝的滯蓄能力受雨水徑流在基質(zhì)層中下滲作用的影響，當(dāng)植草溝基質(zhì)層含水率較低時，雨水徑流滲透速率較大，對雨水徑流能起到明顯的滯蓄作用，延長了植草溝的出流時間，有效地消減了雨水徑流流量，防止雨水徑流在短時間內(nèi)無法排出形成城市內(nèi)澇[29]。基質(zhì)層的組成成分對植草溝滯蓄能力也有著較大的影響。張辰等[8]建立了4種不同基質(zhì)配比的植草溝進行實驗比較，分別為：素土∶珍珠巖=9∶1，素土∶煤渣=9∶1，素土∶煤渣=8.5∶1.5以及純素土，實驗結(jié)果顯示基質(zhì)層為純素土?xí)r，植草溝產(chǎn)生的表面徑流量最大，用煤渣和珍珠巖改良過的植草溝基質(zhì)層能有效地提高雨水的下滲能力，且植草溝改良基質(zhì)的優(yōu)化效果：珍珠巖改良基質(zhì)層>煤渣改良基質(zhì)層>素土基質(zhì)層。在土壤中加入珍珠巖或者煤渣進行改良基質(zhì)層，由于珍珠巖的裂隙結(jié)構(gòu)和煤渣的多孔結(jié)構(gòu)，有效地提升了基質(zhì)層的孔隙率，進而提高了雨水的下滲能力[30]。并且隨著孔隙率的提升，孔隙尺寸變小，更好地保證了基質(zhì)層的保水能力。沈子欣等[31]通過研究也證實了基質(zhì)層中基質(zhì)的粒徑大小、孔隙率大小以及間隙大小均與植草溝雨水徑流控制能力相關(guān)。

2.3 降雨強度對植草溝雨水徑流流量控制的影響效果

陳敬宣等[32]對石家莊市濱水生態(tài)公園內(nèi)植草溝某段時間內(nèi)處理降雨徑流情況進行探究，當(dāng)降雨強度較小時，植草溝的滯蓄效果良好，當(dāng)降雨強度較大時，植草溝的滯蓄效果較好，當(dāng)降雨強度達到暴雨甚至特大暴雨時，植草溝的滯蓄效果較差。特大暴雨容易侵蝕溝體，對植草溝的植被層造成了嚴(yán)重的破壞，雨后需要重新填土補植。郭翀羽等[33]通過對北方城市地區(qū)的植物緩沖帶雨水徑流控制機理進行實驗探究，得出結(jié)論：當(dāng)降雨強度較低時，緩沖帶內(nèi)雨水徑流系數(shù)隨著降雨時長的增加而增長，當(dāng)降雨強度較高時，緩沖帶內(nèi)雨水徑流系數(shù)隨降雨歷時先急劇增長，隨后增長速度減緩最后趨近穩(wěn)定。許仕榮等[34]的實驗結(jié)論也證實了這一點，當(dāng)降雨強度增大時，植草溝等LID措施對雨水徑流的消減效果變?nèi)?，并隨著降雨強度的進一步增大而趨近穩(wěn)定。

2.4 匯水方式對植草溝雨水徑流流量控制的影響效果

目前植草溝的匯水方式主要有三種模式：沿程多點匯水、沿程漫流匯水和集中匯水。張瀟月等[35]在進水水力負荷為4 m3/h的條件下，研究了植草溝的三種匯水方式對雨水徑流流量的控制效果，實驗結(jié)果顯示：沿程多點匯水方式的植草溝雨水徑流流量消減了8.33%，峰值消減率達到5.83%，峰值出現(xiàn)時間較傳統(tǒng)的排水管道推遲了10.3 min；沿程漫流匯水方式的植草溝雨水徑流流量消減了9.51%，峰值消減率達到6.44%，峰值出現(xiàn)時間較傳統(tǒng)的排水管道推遲了12.2 min；集中匯水方式的植草溝雨水徑流流量消減了7.06%，峰值消減率達到 2.67%，峰值出現(xiàn)時間較傳統(tǒng)的排水管道推遲了 9.6 min。由上述數(shù)據(jù)可知，在相同進水水力負荷條件下，沿程漫流匯水方式的植草溝對雨水徑流控制效果最佳，說明雨水徑流與植草溝土壤的接觸面積影響著植草溝雨水徑流的控制能力。

3 干植草溝對雨水徑流污染控制效果的影響因素

3.1 植被層對植草溝雨水徑流污染控制的影響效果

3.2 基質(zhì)層結(jié)構(gòu)對植草溝雨水徑流污染控制的影響效果

3.3 降雨強度對植草溝雨水徑流污染控制的影響效果

3.4 匯水方式對植草溝雨水徑流污染控制的影響效果

4 結(jié)論與展望

植草溝作為一種綠色的地表排水系統(tǒng)，對雨水徑流的滯蓄截污效果非常顯著，為目前解決城市內(nèi)澇問題提供了可行性方案。干植草溝相比于傳輸型植草溝和濕植草溝來說滲透效果和除污效果更佳，常被應(yīng)用于城市雨水徑流控制中。植草溝的理念雖然被提出來很久了，但我國近年來才開始對植草溝進行研究，而且對干植草溝相關(guān)影響因素的研究尚不深入。在降雨強度較小時，植草溝對地面雨水徑流控制效果較好，但隨著降雨強度的增大，雨水徑流的控制效果逐漸降低，特別是遇到暴雨天氣，植草溝的作用跟明渠并無太大差異，因此對干植草溝進行改良是目前研究的一大重要課題。

植草溝的植物選擇至關(guān)重要，不同植被對雨水徑流滯蓄截污效果也各不相同。在選擇植被時，盡量選擇根莖發(fā)達的植物，根莖發(fā)達的植物固土保水能力較強，對植草溝的溝壁土壤層起到很好的保護作用，能夠更好地應(yīng)對降雨強度的變化導(dǎo)致溝體的沖刷侵蝕。為使植草溝能更好地控制雨水徑流，植草溝的植被覆蓋率應(yīng)達到一定程度，可以將多種植物進行組合種植，植被覆蓋率越高，植草溝的滯蓄截污效果越佳，但植物不宜過高，需要定期進行修剪，以保證植草溝有足夠的過流斷面面積。在選擇植物時，也應(yīng)該優(yōu)先考慮蒸散量大的植物物種，蒸散量大的植被層對雨水徑流削減能力更強。當(dāng)然，在選擇植物物種時要因地制宜，優(yōu)先選擇適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻谋就林参?，確保種植的植物有較高的存活率。

植草溝的基質(zhì)層也是影響雨水徑流控制的重要因素，合理進行基質(zhì)層改良可以優(yōu)化植草溝的滯蓄納污能力。目前研究最多的是通過不同基質(zhì)混合配比來提高基質(zhì)層的孔隙率，進而提高雨水徑流的滲透效果來達到對水中污染物的吸附控制，眾多研究表明混合基質(zhì)層比單一基質(zhì)層的雨水徑流控制效果要好得多，但當(dāng)雨水徑流較大時仍容易導(dǎo)致基質(zhì)層中基質(zhì)流失現(xiàn)象，基質(zhì)層中的填料以及一些有機質(zhì)流出，造成二次面源污染。因此如何研發(fā)出新型基質(zhì)層或者對現(xiàn)有基質(zhì)進行改良以達到抑制基質(zhì)層發(fā)生流失現(xiàn)象，更好地對雨水徑流進行滯蓄截污，這是我們需要進一步探討研究的內(nèi)容。