鄭州雨園對初期雨水徑流污染物控制能力分析

韓衛(wèi)娜， 張瑞粉，王 雅，紀思羽

(1.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司交通設計院，河南 鄭州 450003；2.鄭州市碧沙崗公園，河南 鄭州 450003； 3.鄭州市經(jīng)緯廣場，河南 鄭州 450003)

在海綿城市建設過程中，控制雨水徑流污染是最主要目標之一[1]。隨著城市化進程的加快，城市降雨過程中沖刷下墊面沉積物以及淋洗大氣中的污染物，使雨水徑流中含有大量的SS，COD，N，P營養(yǎng)物、氯化物、油和脂、農藥和 PAHs(多環(huán)芳烴)等污染物。且降雨初期，雨水徑流污染物濃度最高[2]，嚴重影響著城市水體生態(tài)環(huán)境，雨水徑流非點源污染問題日益凸顯，對雨水初期徑流污染的控制已備受關注。生態(tài)草溝、透水路面、濕塘等作為重要的海綿設施，可以有效削減地面徑流污染物，控制面源污染，且在我國不同區(qū)域城市建設中已有應用，但因地區(qū)不同其徑流污染削減效果有較大差異，因此分析研究鄭州市鄭州雨園海綿設施對雨水徑流污染物控制能力具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

鄭州雨園2020年12月建成開放，位于鄭州市花園路東、渠北路北，原為長途汽車站，外部人流量較大，周圍景觀環(huán)境較為單一，公園紅線總占地面積約為14 044 m2。雨園設計年徑流控制率85%，以注重資源節(jié)約，保護生態(tài)環(huán)境，因地制宜，經(jīng)濟適用為規(guī)劃建設原則。雨園處于東風渠流域，結合公園周邊用地性質、綠地率、河道水系等條件，綜合確定海綿設施的類型與布局，有針對性地設置生態(tài)草溝、透水鋪裝、濕塘等小型、分散式海綿設施消納自身徑流雨水，高效利用現(xiàn)有設施和場地，將雨水控制與景觀相結合；采用海綿功能設施的不同類型進行組合，在公園內體現(xiàn)自身海綿城市理念的特色。

參照對象文化公園位于鄭州市花園路西側，距鄭州雨園500 m，園內未設置任何海綿設施，兩者同屬綠文廣場管理中心管理范圍，管護情況相似。

1.2 典型降雨選取方法

鄭州屬暖溫帶亞濕潤季風氣候。四季分明，雨熱同期，干冷同季。隨著四季更替，依次呈現(xiàn)春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雨雪的基本氣候特征。根據(jù)鄭州氣象站多年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鄭州市多年平均降雨量約為640.9 mm，汛期降水占74%左右，年平均降水日數(shù)約82 d，其中達到暴雨(≥50 mm)的年平均天數(shù)約為2.0 d，大暴雨(≥100 mm)平均天數(shù)0.25 d，大雨(≥25 mm)平均天數(shù)約為5.1 d，中雨(≥10 mm)平均天數(shù)約為10.9 d，出現(xiàn)小雨(<10 mm)的平均天數(shù)約為63.8 d。

降雨量年際變化較大，1984年—2014年極大值出現(xiàn)在2003年，為953.9 mm,極小值出現(xiàn)在2013年，為353.2 mm,極差為600.7 mm。2015年—2021年極大值出現(xiàn)在2021年，為1 339.0 mm,極小值出現(xiàn)在2017年，為597.6 mm,極差為741.4 mm(見圖1)。

降雨量季節(jié)分布不均，春季多年平均降雨量117.4 mm，夏季多年平均降雨量326.21 mm，秋季多年平均降雨量144.78 mm，冬季多年平均降雨量32.3 mm，分別占年降雨量的18.91%,52.56%,23.33%,5.20%。因此，降雨量主要集中在夏秋季，接近80%[3](見圖2)。

依據(jù)圖2可知，鄭州市降雨主要集中在每年7月,8月份，歷史統(tǒng)計資料顯示，7月份平均降雨155.5 mm，降雨天數(shù)為11.6 d，日平均降雨量13.4 mm。因此本研究選擇以7月11日降雨為研究對象，氣候情況為溫度25 ℃～30 ℃，南風3 級～4 級，中雨，區(qū)域降雨量為17.1 mm，且降雨形成5 mm及以上路面徑流，本場降雨前2 h以上沒有其他降雨發(fā)生[4]。

1.3 取樣與測定方法

降雨初期時雨水徑流中污染物濃度最高，極易導致城市水環(huán)境污染。依據(jù)鄭州市海綿城市專項規(guī)劃(2017年—2030年)目標要求，采用源頭低影響開發(fā)措施，控制5 mm路面初期雨水徑流污染。因此取樣點選擇在兩個公園內相似區(qū)域雨水口，當路面形成雨水徑流5 mm時，用500 mL聚乙烯瓶采集雨水樣品，每個取樣點落水管下端采集水樣3個。將采集好的水樣立即送入實驗室，保存至4 ℃的恒溫箱中，測定水樣中SS,COD,TN,TP含量及pH值，確保24 h內測定完畢，指標測定方法見表1。

表1 測定指標與方法

2 結果與討論

2.1 海綿設施對初期雨水徑流污染物控制能力分析

2.1.1 生態(tài)草溝對初期雨水徑流污染物控制能力

雨水公園生態(tài)草溝構成為表層播種馬尼拉，匯水口處墊層為鵝卵石、級配碎石，厚度10 cm；文化公園未設置草溝，表層播種馬尼拉，匯水口無鋪設墊層。

如圖3,表2所示，通過初期雨水徑流污染物數(shù)據(jù)分析可知，雨園生態(tài)草溝初期雨水徑流中各污染物含量均低于文化公園內正常地形形態(tài)草坪的含量，且在0.05水平上，差異顯著，符合地表水環(huán)境質量Ⅳ類標準及國家水質標準，說明生態(tài)草溝對雨水徑流污染物有明顯的控制能力。其中，SS含量(質量濃度)為文化公園的47.6%，相對控制率達到52.4%。兩個公園綠地雨水徑流中COD含量均較高，可能與綠地中存在植物殘體分解產(chǎn)物有關[5]；對比表明，雨園生態(tài)草溝中TN,TP含量較低，這是因為受到植被、氣候環(huán)境等各種客觀因素的影響，綠地雨水徑流經(jīng)過生態(tài)草溝時，因為土壤-植被的作用流速較低，并通過土壤、植物與微生物的吸附、過濾截留和轉化吸收作用，可以有效去除多數(shù)懸浮顆粒污染物和部分溶解態(tài)污染物[6]。

表2 生態(tài)草溝初期雨水徑流中各污染物含量差異顯著性

2.1.2 透水混凝土路面對初期雨水徑流污染物控制能力

雨園透水路面面層采用透水混凝土、墊層為級配碎石，級配碎石中安裝濾水管；文化公園路面為不透水混凝土路面。

由圖4,表3可知，路面雨水徑流中主要污染物為SS，雨園透水混凝土路面徑流中污染物含量均低于文化公園混凝土路面，且差異顯著。其中，雨園SS含量為文化公園的5%，相對控制率達到95%，文化公園因不透水路面材料及其沖刷效應、管養(yǎng)車輛、人員流動等因素的影響，致使徑流污染物含量遠遠高于選取的其他取樣點，超出地表水環(huán)境質量Ⅴ類標準；而雨園在基本相同的外界環(huán)境條件下，應用新材料、技術，發(fā)揮了透水混凝土的阻滯、濾滲、吸附功能，污染物凈化率明顯提高，達到地表水環(huán)境質量Ⅳ類標準及以下。因此在海綿城市理念下，透水混凝土鋪裝系統(tǒng)作為一種新型的雨洪管理措施，可以有效削減初期雨水徑流中的污染物[7-8]。但雨園作為新建公園，透水混凝土路面能否長時間、高質量發(fā)揮截污和吸附作用，還有待于進一步觀察實驗。

表3 道路初期雨水徑流中各污染物含量差異顯著性

2.1.3 濕塘對初期雨水徑流污染物控制能力

雨園濕塘采用生物滯留池技術，其填料自上而下通常依次為覆蓋物、土壤、粗砂和礫石，底部設有排水系統(tǒng),周圍栽植水生植物；文化公園為磚砌式池塘，塘內栽植荷花、蘆葦?shù)戎参铩?/p>

生物滯留池主要通過填料的過濾與吸附作用，以及植物根系的吸收作用來凈化雨水[9]。由圖5,表4可以看出，濕塘內生物滯留池對SS有很好的凈化效果，相對文化公園控制率達到72%，這與HSIEH等[10]的研究結果相近(生物滯留池對城市綜合雨水徑流中TSS的去除率為29%～96%)。對COD的控制率相對達到45%，但對N,P營養(yǎng)性污染物去除效果不明顯，諸多研究結果也表明，生物滯留池對城市雨水徑流中N,P營養(yǎng)物質的去除效果很不穩(wěn)定，這可能與填充材料的空隙大小及栽植植物的種類有關，而選擇的降雨雨型也是影響徑流污染物含量的重要因素。

表4 濕塘初期雨水徑流中各污染物含量差異顯著性

2.1.4 出水口對初期雨水徑流污染物控制能力

雨園出水口雨水是經(jīng)過雨水蓄水模塊濾滲、沉淀后的雨水，文化公園雨水井內為雨水徑流匯集雨水。

由圖6,表5可以看出,經(jīng)過雨水蓄水模塊的雨水徑流中各污染物含量均低于文化公園，且除TP外，差異顯著。其中，SS控制率相對于文化公園達到95%，這是因為初期雨水落到公園表面后經(jīng)過海綿設施的截污、凈化，較大懸浮物和漂浮物被截留，雨水匯集并儲存到模塊蓄水池后，懸浮物經(jīng)過自然沉淀和重力作用，沉入模塊底部，從而使水澄清。COD,TN,TP含量達到地表水環(huán)境質量Ⅳ類標準及以下，因此儲蓄在雨水模塊中的雨水再經(jīng)過雨水處理設備的過濾、消毒后，可用于澆灑路面、景觀補水；也可經(jīng)過蓄水池將雨水下滲，達到補充地下水資源，改善生態(tài)環(huán)境的目的。

表5 出水口初期雨水徑流中各污染物含量差異顯著性

2.2 海綿設施對初期雨水徑流pH影響

由圖7，表6可以看出,雨園初期雨水徑流pH值相比于文化公園雨水徑流變化值較小、差異不顯著，說明海綿設施對初期雨水徑流的pH值無明顯影響。兩個公園pH值均在7～9之間，基本符合《地表水環(huán)境質量標準》中無量綱6～9之間。

表6 初期雨水徑流pH值差異顯著性

3 結論分析

1)上述分析可知，鄭州雨園初期雨水徑流中污染物含量基本上均顯著低于文化公園，pH值符合《地表水環(huán)境質量標準》，說明雨園海綿設施生態(tài)草溝、透水路面、濕塘對雨水徑流污染物有很好的凈化能力，其中對SS控制率相對達到78.6%，符合鄭州市海綿城市專項規(guī)劃(2017年—2030年)中要求的年SS總量削減率大于50%，為鄭州以后海綿設施應用提供參考依據(jù)。另外，雨園生態(tài)草溝雨水徑流中TN，TP含量低于透水路面、濕塘、出水口含量，這可能與生態(tài)草溝周邊栽植的紫荊、西府海棠、金葉復葉槭等植物對徑流污染物中N，P的削減效果有關，在今后以海綿城市理念下的園林綠化建設中，建議可選擇具有此類削減徑流污染物作用的苗木進行植物配置。

2)本研究是基于正常降雨而非模擬試驗情況下進行的相關數(shù)據(jù)分析，且兩個公園建設時間不同，科學性與誤差并存；又因試驗場地及條件的限制，本研究僅僅針對一次典型降雨的初期雨水徑流進行檢測分析，具有一定的片面性和局限性。在今后的研究中，建議以不同雨型的不同歷時雨水徑流中污染物含量為目標，更加深入的開展海綿城市理念下雨水徑流中污染物的相關研究，為改善城市水環(huán)境提供更加科學、精準的數(shù)據(jù)參考。