生態植草溝對降雨徑流污染物去除率試驗分析

巴 諾

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

1 生態植草溝技術發展

生態植草溝技術起源于歐美國家，是針對城市面源污染治理的一項重要技術成果[1]。生態植草溝不僅能控制面源污染，自身也具有景觀功能[2]。在當前海綿城市建設的新理念之中，生態植草溝技術也被看作為泥沙與污染物的主要“過濾器”[3]。在20世紀90年代，歐美等國家學者開始致力于城市面源污染治理技術的研究[4- 8]，通過總結城市面源污染的運移規律，分析出城市面源污染治理的最佳措施，其中生態植草溝被認定為其中最為主要的一項措施[9]。在一些發達國家，生態植草溝得到廣泛的認可和應用[10]。我國對于生態植草溝的研究起步較晚，屬于初步發展階段，而隨著生態文明逐步成為研究的熱點和焦點，海綿城市新理念得到國內學者的廣泛關注[11- 15]，生態植草溝技術也被逐步引入國內，在一些發達城市得到應用，但是由于不同生態植草溝類型不同，其污染物去除效果不同，適合應用的區域也不同，為此本文結合試驗小區，通過降雨徑流觀測方式，對不同植草溝類型下的污染物去除效率進行分析，從而提出適合于不同區域的最優植草溝類型。

1.1 生態植草溝定義

生態植草溝是指具有景觀植被功能的城市溝渠排水系統，如圖1所示。當城市降雨徑流以較低的流速通過生態植草溝，受到植草溝植物截留、植物過濾以及滲濾的綜合作用，使得徑流中攜帶的污染物得到有效去除。生態植草溝可以在居民生活區、商業區以及公路排水系統中進行應用，道路旁邊的排水系統可以對傳統的雨水口和排水管口進行有效代替，由于生態植草溝內的顆粒態的污染物可以看見，因此其可以解決傳統雨水管道和污水管道混合在一起的問題，生態植草溝結合有效的管理措施，提前截留和去除最終進入納污水體的污染物。生態植草溝可在最佳管理措施和可持續排水系統中同其他措施進行聯合運行，收集雨水的同時，達到水體凈化的效果。

圖1 生態植草溝效果

1.2 生態植草溝類型

按照城市降雨徑流在生態植草溝能運移的方式，可將生態植草溝劃分為三種類型，第一種類型為滲透型植草溝，該類型植草溝范圍較廣且草類高度較低，可將雨水匯集區的徑流引導和運輸到其他管理措施中，這類型生態植草溝適用于高速公路排水系統以及居民密度較小的生活區、工業及商業區。第二種類型為表流型植草溝，該類型植草溝植被覆蓋較密，覆蓋有人工進行鋪設的過濾層，并其底部鋪設排水系統，提高其排水性能，該類型植草溝適合高速公路兩旁的排水系統。第三種生態植草溝類型為干植型植草溝，這類型植草溝通過定期的割草，可以保持植草溝內的干燥程度，適合于高密度的居民生活區。

2 生態植草溝方案設計

(1)曼寧系數的確定

曼寧系數對于生態植草溝設計十分重要。不同下墊面其曼寧系數不同，需要采用綜合方法進行確定，結合大量的工程實例對其曼寧系數進行綜合計算，計算方程為：

n=(n0+n1+n2+n3+n4)×m3

(1)

式中，n—生態植草溝的綜合曼寧系數；n0—采用的主要過濾材料的曼寧系數；n1—植草溝不規則形狀的曼寧系數；n2—植草溝過水斷面的形狀系數；n3—與徑流控制以及污染物截留相關裝置的系數；n4—生態植草溝相關植被的系數；m3—植草溝彎曲程度的系數。本文對各系數的取值進行了界定，見表1。

(2)生態植草溝流量設計值的確定

對進入生態植草溝渠內的降雨徑流量進行分析，計算方程為：

Q=ψ·i·F·10-3

(2)

式中，Q—設計徑流，m3/s；ψ—綜合徑流系數；F—集水面積，m2；i—設計雨強，mm/h。

(3)生態植草溝水力學計算

結合生態植草溝的設計形狀，結合水力學公式計算生態植草溝的設計長度以及水流的深度，計算方程為：

(3)

式中，V—斷面流速的平均值，m/s；A—生態植草溝橫向斷面的面積，m2；R—水力學半徑；i—縱向坡降，%；n—曼寧系數。其中水力學半徑的計算方程為：

表1 生態植草溝各項曼寧系數的取值

(4)

式中，P—濕周，其他變量含義同方程(3)中變量含義。在水力學計算的基礎上，可以對其生態植草溝的設計長度進行計算，計算方程為：

L=60Qt/A=60Vt

(5)

式中，L—生態植草溝的設計長度，m；t—水流滯留的時間，min。

3 試驗小區測定方案

3.1 試驗小區概況

以遼寧東部區域某小區作為觀測試驗小區，遼寧東部屬于雨量較為充沛的區域，且植被覆蓋度較高，降水主要集中在夏季的7—9月份，試驗小區的占地面積為66.5m2，試驗小區內有較為完善的降水徑流排水系統，區域內主要為居民生活區和部分商業街區。集水區域內污染物主要來源于降雨沖刷所攜帶的固體顆粒物(TSS)、溶解態氮(TN)及溶解態磷(TP)。

3.2 試驗滯留系統

本文主要按照生態植草溝的類型，布置三個主要的試驗小區，整個試驗小區地勢為東部高西部低，總體坡度為5%，在試驗小區的布設一個截雨溝進行雨量的收集，試驗小區的植被通過1年時間的培育，植草溝的植被高度在13～26cm之間，基本沒有裸露的土壤表層，整個溝段的形狀為圓弧，渠溝頂部的寬度在1.0～2.5m之間，植草溝底部均低于附近地面區域0.4m，植草溝底部的縱向比降為1.5%，在試驗植草溝附近建設有2處滯留渠，滯留渠附近種植有景觀植物，兩邊采用生態護坡方式進行處理，在雨水管的頂部設置有過濾網，主要用于攔截樹葉、以及雜草等體積較大的固體垃圾，在試驗時及時對雨水管附近的雜物進行清理，以免堵塞試驗雨水管。

3.3 試驗樣品采集與測定

對于試驗小區的觀測主要集中在2016年—2018年的4場典型降水，各典型降水主要特征見表2。徑流觀測的主要方式通過雨水溝匯集后才有三角堰的方式進行量測。降雨產流后立即開始進行水樣的采集，在降雨初期的前10min內每次間隔5min進行一次水樣的采集，后期50min后，每次間隔10min進行一次水樣的采集，后續水樣的采集根據徑流變化在20～40min內進行波動，并同時監測排水口的流量，所有水樣采集完成后，進行密封處理，進入水樣化驗室進行測定，各水樣中的污染指標TSS、COD、TN以及TP均采用相關標準方法進行試驗測地。

表2 各場地降水的主要特征值

4 試驗成果分析

4.1 不同生態植草溝各場次降水污染物濃度變化

對三個試驗觀測區各生態植草溝類型下4場典型降水下的污染物濃度進行分析，分析結果如圖2—4所示。

從圖中可看出，在不同生態植草溝類型下，在降雨產生徑流的初始階段，各污染物指標的濃度均較高，隨著降雨時間的增加，各污染物的濃度逐步下降，其中滲透型植草溝的濃度變化幅度最大，其次為表流行植草溝，干植型生態植草溝的變化幅度最小。植草溝對TSS的去除主要是通過土壤及植被的過濾和吸附作用，通過攔截和沉淀進行去除，而受到降雨影響，徑流中的磷主要以固態形式存在，大多數的固態磷主要吸附在TSS上，并隨著TSS的去除而得到有效攔截和過濾。植草溝對于COD的去除主要是通過土壤和土層內的生物膜進行吸附和

圖2 滲透型生態植草溝下污染物濃度變化

圖3 表流型生態植草溝下污染物濃度變化

圖4 干植型生態植草溝下污染物濃度變化

降解，并通過植物的根系進行有效的吸收，從而達到去除的效果。而對于TN則是由于植物溝土壤基質具有較好的正離子吸附性，增強了土層的微生物對TN較好的去除效果。從各生態植草溝濃度變化可看出，各植草溝類下各污染物濃度變化較為相似，主要污染物去除基本發生在降雨開始后的30～40min內，當降雨徑流時間過短，會使得各種污染物去除效果不佳，因此因盡量增加植草溝的水力滯留的時間，提高不同類型植草溝的攔污效果。

4.2 不同生態植草溝污染物相關分析

對不同生態植草溝類型下各污染物的相關性進行分析，分析結果見表3—5。

表3 滲透型生態植草溝下污染物相關性分析結果

表4 表流型生態植草溝下污染物相關性分析結果

表5 干植型生態植草溝下污染物相關性分析結果

從污染物指標和降雨時間的相關性分析結果可看出，各污染物均與降雨的時間長度呈現負相關性變化，固體顆粒物TSS與其他三項指標呈現正相關性變化，其中TP與TSS的相關系數最高，這主要是因為TP在降雨徑流中大部分以固態形式吸附在固體顆粒物的表面，因此其和TSS的相關性最高。TN與TSS的相關性較低，這主要是因為TN中各形態氮主要以溶解形式存在，大部分以徑流為載體，在固體顆粒物TSS表層吸附較少，因此相關性較低。降雨徑流中各項指標與TSS的相關系數都較高，均在0.7以上。綜上可分析，城市面源污染與降雨徑流沖刷產生的固體顆粒物之間有著較為直接的關系，通過生態植草溝可以有效攔截固態顆粒物上吸附的污染物指標，通過有效攔截徑流量，可以有效降低進入雨水管的TN污染指標，從各類型生態植草溝下污染物相關系數對比可發現，就相關性高低排序，滲透型生態植草溝>表流型生態植草溝>干植型生態植草溝。

4.3 生態植草溝長度對污染物去除率的影響

植草溝的長度是其設計的重要參數，為此本文對不同生態植草溝類型其長度與污染物的去除率進行定量分析，分析結果如圖5—7所示。

從圖中可以看出，生態植草溝的長度對各污染物去除效率產生直接影響，其相關度均高于0.5，相關性較高，其中各類型生態植草溝類型下植草溝的長度與TSS的去除率相關程度均最高，其對TSS的去除效率影響最為明顯，COD與其長度的相關性相比于其他指標均最低，其受到長度影響相對較弱，這主要是因為溶解態的污染物很難在較短的時間內得到有效去除，從其相關性分析也可分析出植草溝長度是提高各類型生態植草溝污染指標去除效率的一個重要因子。一般而言，70%的污染物主要在植草溝的50～65m之內可以得到有效去除，為能提高其去除效率，建議植草溝的長度設計值不小于35m，從而保障水力滯留的時間，以取得最優的污染物去除效果。

4.4 不同生態植草溝污染物去除率綜合對比

對不同生態植草溝類型的污染指標的去除率進行了綜合對比分析，分析結果見表6。

從各污染物的綜合去除率對比結果可看出，滲透型生態植草溝去污效果最佳，各污染指標去除率均在60%以上，該類型植草溝主要是鋪設了過濾層，并且使得排水、過濾、水力滯留能力均得到顯著增強，因此該類型生態植草溝的污染物綜合去除

表6 不同生態植草溝類型下污染物綜合去除率對比

圖5 滲透型生態植草溝長度與污染物去除率的相關性分析結果

圖6 表流型生態植草溝長度與污染物去除率的相關性分析結果

效率最高，由于占地面積較小，邊坡較低，因此適合于密度不高的居民區及商業區。表流型植草溝整體去污效果不如滲透型植草溝，各污染物指標去除效率在50%～60%之間，表流行植草溝增加了水力滯留的時間，提高徑流攔截效果，使得其TN的去除效果得到不同程度的增強，而由于植被覆蓋較密，且覆蓋有人工進行鋪設的過濾層，并其底部鋪設排水系統，從而提高其排水性能，該類型生態植草溝適合于公路交通區域；干植型植草溝污染物去除效率最低，這主要是因為該類型植草溝水流滯留時間較短，因此污染區去除的效率總體低于其他兩種生態植草溝，這類型植草溝由于可通過定期的割草來保持植草溝內的干燥程度，因此適合于密度較高的居民生活區。

5 主要結論

(1)為能提高生態植草溝各污染指標的去除效率，建議植草溝的長度設計值不

圖7 干植型生態植草溝長度與污染物去除率的相關性分析結果

小于35m，從而保障水力滯留的時間，以取得最優的污染物去除效果。

(2)水力滯留時間可明顯提高污染物的去除效果，建議在植草溝設計時，滲透型生態植草溝水力滯留時間應盡量控制在10～15min，而表流型植草溝應控制在15～20min，干植型植草溝應控制在13～18min之間。

(3)本文未對生態植草溝對重金屬、多環芳烴等特殊污染物去除效率進行分析，存在不足，在以后的研究中還應加入更多的污染物指標進行分析。