李建平,林 川,韋 瑋,叢海兵,蔣新躍,趙慶俊
(1.揚州市涵閘河道管理處,江蘇 揚州 225000;2.揚州大學環(huán)境科學與工程學院,江蘇 揚州 225127)
隨著城市化進程的不斷加快,大量土地、農田被開發(fā)成樓房、馬路、廣場,本來透水的土層被混凝土、瀝青、房屋覆蓋。城市不透水地面增加,地面徑流量增大,導致徑流系數(shù)增大,道路被淹成為常態(tài)。此外,雨水徑流污染已成為城市河湖主要的污染源之一[1-3]。針對這種狀況,專家學者進行了大量研究,提出許多方案,如修建植物淺溝[4-5]、鋪設透水路面[6-7]、修建下凹式綠地及綠色屋頂?shù)萚8-9]。其中,城市綠地作為城市生態(tài)功能的重要組成部分,應當發(fā)揮重要作用。但目前綠地多為上凸式,徑流削減能力較差。而下凹式綠地蓄滲能力提高,一般做法是,下凹綠地比周邊不透水地面低約20 cm,雨水口設于綠地中,雨水口高出綠地面10~15 cm[10]。地面徑流從不透水地面流入下凹綠地,當綠地內積水水位超過雨水口時開始產流,雨水進入雨水管。下凹式綠地集蓄、滲功能為一體,綠地土壤孔隙、綠地地面與不透水地面高差部分的體積是綠地的蓄水量,綠地在積水條件下還能增加雨水的下滲量[11-12]。但是當土壤為粉砂、砂壤土等細顆粒時,孔隙率小,滲水效能不佳[13]。
為了提高下凹式綠地的蓄水截污能力,本文設計了3種高滲透下凹式綠地,與上凸式綠地、普通下凹式綠地進行對比,通過一個自然年的降雨產流記錄,評價不同綠地的徑流削減效能。同時,實驗測定了徑流水質,評價不同綠地的污染削減能力。
(1)降雨產流裝置
設計建造了5種綠地產流中試系統(tǒng),分別是上凸綠地、普通下凹綠地、水平高滲透下凹綠地、垂直高滲透下凹綠地、組合高滲透下凹綠地。每套試驗系統(tǒng)包括綠地和不透水地面、人工降雨裝置、徑流測流裝置。圖1為上凸綠地降雨產流裝置,圖2為4種下凹綠地系統(tǒng)結構圖。
每套產流裝置的綠地和不透水地面的比例按照城市常規(guī)比例確定為1∶3,不透水地面平面3×1 m,綠地1×1 m,綠地位于不透水地面一端。不透水地面采用20 cm厚C20級混凝土澆筑,不透水地面除了與綠地相鄰的其余三邊用混凝土埂圍護,以防雨水流失。綠地用邊長為1 m的無底鋼板箱打入地下1 m,圍護出邊長為1 m的地下空間。其中,上凸綠地高出不透水地面20 cm,其上種植草皮,種植土厚度60 cm,其下為原狀土;下凹綠地地面比不透水地面低約20 cm,種植黃菖蒲、旱傘草等耐水植物,種植土厚度20 cm。水平高滲透下凹綠地中間地面下埋設一道碎石壟溝,四周用土工布包裹,上填10 cm厚粗砂和20 cm厚煤渣復合土。碎石壟溝面積約占綠地總面積的25%,碎石體積0.150 m3,碎石粒徑5~10 mm。垂直高滲透下凹綠地下打入3根直徑0.15 m的碎石樁,深1.5 m,碎石體積0.080 m3,樁頂填10 cm厚粗砂和20 cm厚煤渣復合土。組合高滲透下凹綠地是將碎石壟溝與3個碎石樁組合,碎石總體積0.203 m3。
人工模擬降雨裝置包括水箱、轉子流量計和穿孔管,3根穿孔管架設于整個地面徑流裝置上方,穿孔管下開設一排直徑2 mm出水孔。
圖1 上凸綠地降雨產流裝置
每個綠地的出口設集水槽收集徑流,上凸綠地徑流雨水流入不透水地面再流到集水槽,下凹綠地徑流裝置的不透水地面徑流雨水先流入下凹綠地,在綠地上8 cm處設溢流口到集水槽。集水槽出口安裝DN25的LXS型水表計量徑流量。
(2)雨量計
采用SJ-1型虹吸式雨量計(上海氣象儀器廠)記錄降雨量。
圖2 不同下凹綠地結構
1.2.1 綠地降雨產流量測定
自2016年12月27日至2017年12月26日,監(jiān)測一個自然年內各綠地系統(tǒng)的降雨徑流量和降雨量。記錄每場降雨前后每個綠地系統(tǒng)集水槽出口水表的讀數(shù),計算每場降雨的產流量。同時利用雨量計記錄每場降雨的降雨量。
1.2.2 人工模擬降雨徑流產污過程
(1)模擬降雨
采用揚州市暴雨強度公式計算重現(xiàn)期為0.3 a、0.5 a的降雨強度(L/s.ha),代表小雨和中雨;重現(xiàn)期為5 a的降雨,代表暴雨;降雨歷時均選取60 min。中小降雨按照60 min均勻降雨,暴雨采用芝加哥雨型進行雨量分配[14]。
(2)產流產污過程記錄
從城市道路上掃取路面灰塵,用40目篩過濾掉雜物。向每種綠地系統(tǒng)地面上拋撒30 g路面灰塵。將每次模擬降雨的總水量裝入水箱中,開啟出水閥門,水流經(jīng)過流量計、穿孔管降落到地面,產流經(jīng)過水表流出。每隔5 min記錄水表讀數(shù),自每個水表出口取水樣帶回實驗室,測定CODcr、SS TP、TN。
1.2.3 水質測定方法
懸浮固體(SS)采用稱重法測定,水樣用濾紙抽吸過濾,103~105℃烘干至恒重?;瘜W需氧量(CODcr)采用重鉻酸鉀法測定。總氮(TN)采用堿式過硫酸鉀氧化法測定??偭祝═P)采用過硫酸鉀氧化鉬酸鹽顯色法測定。
從2016年12月27日至2017年12月26日止,記錄了每場降雨的降雨量,同時記錄了每種綠地系統(tǒng)的產流量,折算成徑流深度。在記錄期間共降雨48場,降雨產流記錄如表1所示。
表1 一個自然年不同綠地降雨產流記錄
由表1可得,在實驗場地附近,一年的降雨量為890.38 mm。上凸式、普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地的產流量折算成徑流深,分別為512.5、209.88 82.84、117.07、62.59 mm。與上凸式綠地相比,普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地的徑流削減率分別為59.05%、83.84%、77.16%、87.79%;與普通下凹式綠地相比,水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地的徑流削減率分別為60.53%、44.22%、70.18%。上凸式、普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地年徑流總量控制率分別為42.44%76.43%、90.70%、86.85%、92.97%。
(續(xù)表1)
重現(xiàn)期為0.3 a、0.5 a、5 a模擬降雨產流水質分別如圖3、圖4和圖5所示。
由圖3、圖4、圖5可知,重現(xiàn)期0.3~0.5 a、歷時60 min的中小降雨,只有上凸綠地產生了可觀的徑流,降雨初期20 min內污染濃度較高且快速降低,之后濃度較低。普通下凹綠地、垂直高滲透下凹綠地產流量很少,且污染物濃度也很低。水平高滲透下凹綠地和組合高滲透下凹綠地不產流。
圖3 降雨重現(xiàn)期0.3 a下不同綠地產污過程
圖4 降雨重現(xiàn)期0.5 a下不同綠地產污過程
圖5 降雨重現(xiàn)期5 a下不同綠地產污過程
重現(xiàn)期5 a、降雨歷時60 min的暴雨,上凸綠地徑流在降雨初期30 min內CODcr、SS、TN濃度較高且快速降低,TP在降雨初期15 min內濃度較高,之后濃度較低。下凹綠地在降雨開始25~35 min后才產流,且徑流中污染物濃度較低。說明經(jīng)過下凹綠地的沉淀截留作用,降雨徑流中污染物被削減。
將產污過程中各種污染物濃度分別與對應時刻的產流量相乘,得到產污總量,可計算出上凸綠地、各種下凹綠地的產污總量,進而計算出下凹式綠地相對于上凸式綠地的徑流污染削減率,如圖6所示。
圖6 不同綠地的徑流污染物總量削減率
由圖6可知,在重現(xiàn)期0.3~5 a、歷時60 min降雨條件下,與上凸綠地相比,各下凹綠地對雨水徑流污染物均有不同幅度的削減,降雨強度越大,削減幅度越小。其中,普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地對COD的削減率分別為38.55%~90.96%、80.40%~100%、62.63%~96.11%、86.75%~100%;對SS的削減率分別為78.75%~91.48%、90.25%~100%85.26%~98.67%、92.49%~100%;對TN的削減率分別為22.50%~87.45%、70.08%~100%52.98%~97.74%、79.41%~100%;對TP的削減率分別為50.62%~79.17%、75.33%~100%64.27%~96.71%、82.95%~100%。
本研究采用透水性強的材料與土層相組合,建設室外高滲透下凹綠地降雨產流系統(tǒng),監(jiān)測揚州市一年的降雨量和不同綠地的產流量,評估了下凹綠地對降雨徑流的削減效能;模擬測定了不同綠地對降雨徑流污染的截污能力。主要結論如下:
(1)在一個自然年中,上凸式、普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地年徑流總量控制率分別為42.44%76.43%、90.70%、86.85%、92.97%。普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地比上凸式綠地徑流削減率59.05%83.84%、77.16%、87.79%。
(2)普通下凹式、水平高滲透下凹式、垂直高滲透下凹式、組合高滲透下凹式綠地相較于上凸式綠地,對COD的平均削減率分別為69.06%93.47%、84.75%、95.58%;對SS的平均削減率分別為87.01%、96.75%、94.05%、97.50%;對TN的平均削減率分別為65.80%、90.03%、82.78%93.14%;對TP的平均削減率分別為67.82%91.78%、85.67%、94.32%。