雨水花園應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)降雨沖刷山體土壤淋出液水質(zhì)的處理效果

張孝忠，韋學(xué)玉

(1.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 徐州 210098；2.安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

1 工程概況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年會(huì)產(chǎn)生24-30次臺(tái)風(fēng)，其中約10-14次的臺(tái)風(fēng)會(huì)影響到我國(guó)的東部沿海[1-2]，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)大的破壞力給沿海地區(qū)水源地水質(zhì)、水處理工藝造成巨大影響[3-5]。臺(tái)風(fēng)攜帶的強(qiáng)降雨對(duì)以水庫(kù)為飲用水水源的水質(zhì)造成巨大影響[6-7]，強(qiáng)降雨沖刷庫(kù)區(qū)周邊土壤，使土壤泥質(zhì)及土壤中的污染物釋放后隨雨水匯入水庫(kù)，濁度、氨氮、總懸浮固態(tài)(TSS)等水質(zhì)指標(biāo)短時(shí)間急劇上升，且水質(zhì)惡化周期較長(zhǎng)，給水廠制供水帶來巨大挑戰(zhàn)[8-9]。比如濁度的突變會(huì)增加混凝過程中混凝劑的投加量，期間依靠強(qiáng)化混凝工藝依舊無法保證出水水質(zhì)穩(wěn)定[10-12]。從源頭上減緩臺(tái)風(fēng)引發(fā)的以濁度為主要污染物的水質(zhì)突變是當(dāng)下水廠解決臺(tái)風(fēng)引發(fā)的水質(zhì)突變的根本措施[13-14]。

筆者結(jié)合海綿城市“滲、蓄、滯、凈、用、排”理念[15-17]，結(jié)合小試試驗(yàn)，思考依靠自然積存、自然凈化、自然轉(zhuǎn)化的海綿設(shè)施去凈化水質(zhì)、削減污染物，從源頭上截流一部分污染物，一定程度上緩解水庫(kù)水質(zhì)[18-20]。本文以頻受臺(tái)風(fēng)影響的東南沿海某水庫(kù)為研究對(duì)象，定性分析LID設(shè)施對(duì)水質(zhì)的影響效果，以期為以水庫(kù)水為水源地且頻受臺(tái)風(fēng)影響的沿海地區(qū)提供技術(shù)支撐和理論指導(dǎo)。臺(tái)風(fēng)“?？?、“燦鴻”、“莫蘭蒂”、“悟空”影響期間，濁度、TSS均產(chǎn)生劇烈突變，濁度最大突變是正常時(shí)期的200倍以上，TSS在臺(tái)風(fēng)影響期間也升高了接近64倍。臺(tái)風(fēng)期和正常時(shí)期水庫(kù)主要水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比數(shù)據(jù)見表1。

表1 臺(tái)風(fēng)影響區(qū)間水庫(kù)主要水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比情況

2 研究材料與方法

2.1 土壤樣品的采集與指標(biāo)分析

使用土壤取樣器整體移取水庫(kù)周邊土壤，按原坡度移入設(shè)計(jì)水箱，檢測(cè)土壤樣品含水率0.18；濁度分析采用便攜式濁度儀，TSS分析采用溶解性固體測(cè)定儀。

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

淋溶實(shí)驗(yàn)裝置為有機(jī)玻璃材質(zhì)，長(zhǎng)100cm，寬50cm，高100cm，底部預(yù)留漏斗形出水孔，土壤淋溶模擬試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

2.3 雨水收集和試驗(yàn)方法

使用儲(chǔ)水罐收集雨水，雨水水質(zhì)見表2?；谒畮?kù)近年來臺(tái)風(fēng)影響時(shí)降雨的基本情況設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，見表3。

表2 雨水水質(zhì)

表3 臺(tái)風(fēng)降雨基本情況

綜合考慮臺(tái)風(fēng)影響期間降雨的復(fù)雜性，本試驗(yàn)過程中將降雨強(qiáng)度控制為20、30mm/h，降雨時(shí)間一般比較集中，不同臺(tái)風(fēng)過境期間降雨時(shí)間有存在差異，為了便于研究降雨時(shí)間對(duì)水質(zhì)的影響，特將連續(xù)降雨時(shí)間控制為16h。

2.4 雨水花園結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到臺(tái)風(fēng)期間降雨的極端性，在雨水花園設(shè)計(jì)時(shí)選用根莖強(qiáng)硬、根系發(fā)達(dá)的紅花檵木和花葉杞柳按1∶1比例種植，同時(shí)在雨水花園邊緣區(qū)采用φ200-400的卵石護(hù)坡，消納雨水對(duì)設(shè)施造成的沖擊；種植土按照素土：中粗砂：腐殖土為1∶3∶1配置，種植厚度300mm，下部增設(shè)厚度為30mmφ30～50mm的礫石層，礫石層內(nèi)部鋪設(shè)透水管收集雨水，收集雨水經(jīng)透水管排出設(shè)施外。

3 結(jié)果與分析

3.1 出水濁度對(duì)比

雨水花園可以有效控制淋出液濁度值，如圖2所示。在不接入海綿設(shè)施情況下，淋出液隨模擬降雨的進(jìn)行，出水濁度在0～0.5h內(nèi)急速升高，隨后隨著降雨的進(jìn)行濁度逐漸趨于穩(wěn)定值；降雨強(qiáng)度30mm/h的淋出液濁度大于20mm/h的淋出液濁度，即同一時(shí)刻，降雨強(qiáng)度越大，淋出液濁度越高；當(dāng)淋出液接入雨水花園設(shè)施后，設(shè)施出水濁度隨降雨時(shí)間的進(jìn)行緩慢升高，濁度值一直被控制在100NTU以下；同等降雨條件下，在降雨持續(xù)1h以后，接入設(shè)施比不接入海綿設(shè)施出水濁度低了近400NTU，即雨水花園對(duì)淋出液中以濁度為代表的污染物進(jìn)行了有效截流。

圖2 接入LID設(shè)施與未接設(shè)施出水濁度對(duì)比圖

3.2 出水TSS含量對(duì)比

TSS作為地表徑流污染的主要污染物，而且是其他污染物的載體，研究TSS含量變化對(duì)于論證雨水花園對(duì)淋出液污染物含量重要意義[21-22]。雨水花園可截流45%以上的TSS。淋溶初始的0.5h內(nèi)，雨水花園對(duì)淋出液TSS控制率最高達(dá)到64%；不接設(shè)施時(shí)，淋出液隨模擬降雨的進(jìn)行，出水TSS在0～0.5h內(nèi)急速升高，隨后隨著降雨的進(jìn)行TSS逐漸趨于穩(wěn)定值，1h以后，降雨強(qiáng)度越大，淋出液TSS含量反而低；當(dāng)淋出液接入雨水花園后，出水TSS得到了一定程度的控制，1h以后出水TSS穩(wěn)定在70mg/L以下，比淋出液中TSS低30～50mg/L，如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)雨水花園對(duì)淋出液污染物進(jìn)行了有效截流，借助雨水花園處理，可以一定程度上凈化臺(tái)風(fēng)影響下的山體土壤淋出液。

(2)設(shè)計(jì)雨水花園時(shí)，應(yīng)選取根系發(fā)達(dá)、抗風(fēng)性強(qiáng)的植物，充分發(fā)揮其根系固水能力，防止強(qiáng)降雨破壞組團(tuán)的結(jié)構(gòu)。

(3)雨水花園有效截流臺(tái)風(fēng)降雨沖刷土壤釋放的污染物，有利于減輕污染負(fù)荷，給后續(xù)水廠水處理帶來巨大效益，如減少混凝劑的投加、減緩濾池過濾沖洗頻次等。

(4)本實(shí)驗(yàn)結(jié)論建立在小試試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，還需結(jié)合實(shí)際進(jìn)行數(shù)據(jù)和理論修正。