李冰冰，劉海榮，王漫冰，趙瀟汀，齊力海

（1.天津農(nóng)學(xué)院 園藝園林學(xué)院，天津 300384；2.天津市園林建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，天津 300191）

隨著城市的快速發(fā)展，城市地表徑流帶來(lái)的雨洪及污染問(wèn)題越來(lái)越受到重視，借鑒國(guó)際城市采用低影響開(kāi)發(fā)、可持續(xù)發(fā)展的城市建設(shè)理念[1-2]，中國(guó)提出建設(shè)海綿城市的設(shè)計(jì)理念。通過(guò)海綿城市的建設(shè)希望城市能夠像海綿一樣下雨時(shí)吸水、儲(chǔ)存水，無(wú)雨時(shí)能夠?qū)?chǔ)存的水釋放出來(lái)并加以利用[3-4]。生物滯留池是海綿城市建設(shè)的設(shè)施之一，其通過(guò)基質(zhì)及植物構(gòu)成的過(guò)濾系統(tǒng)[5-6]，對(duì)地表徑流中的懸浮物、總磷、氨氮等有顯著的去除效果[7-8]。目前，多數(shù)研究主要針對(duì)生物滯留基質(zhì)的配置、不同植物去除污染物效果比較等方面[9-10]，而對(duì)于植物對(duì)生物滯留池出水量隨時(shí)間的變化規(guī)律、總磷濃度和氨氮濃度隨出水時(shí)間的變化規(guī)律未見(jiàn)報(bào)道。因此本研究以生物滯留柱模擬生物滯留池的試驗(yàn)方法，研究不同植物對(duì)生物滯留柱出水規(guī)律的影響以及總磷濃度和氨氮濃度隨出水時(shí)間的變化規(guī)律，為生物滯留池功能植物選擇提供科學(xué)依據(jù)，為生物滯留池的科學(xué)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

生物滯留柱：選用直徑為25 cm，高為75 cm的塑料容器，下留4個(gè)直徑為0.5 cm的排水孔，將該塑料容器置于直徑為40 cm，高15 cm的集水盤(pán)中，集水盤(pán)距上沿2 cm處，設(shè)溢水孔一個(gè)，直徑0.5 cm，上接有溢水管，溢水管的水由燒杯進(jìn)行收集。塑料容器從下至上依次為礫石層（粒徑＜3 cm）5 cm、土工布層、沙層5 cm、填料層（填料層為園土、蛭石、草炭體積比為1∶1∶1混合而成）55 cm、覆蓋層（樹(shù)皮）5 cm、蓄水層5 cm。該試驗(yàn)裝置于2017年3月于天津農(nóng)學(xué)院植物實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作完成。

植物準(zhǔn)備：2017年4月于天津市曹莊花卉市場(chǎng)選擇生長(zhǎng)健壯，株高為10～15 cm的馬藺和鳶尾同期土培苗（育苗缽高10 cm，直徑10 cm）作為試驗(yàn)材料。取5個(gè)生物滯留柱，每個(gè)土柱以相等間距栽植7小缽鳶尾，另取5個(gè)生物滯留柱，每個(gè)土柱以相等間距栽植7小缽馬藺，設(shè)5個(gè)空白對(duì)照不種任何植物。試驗(yàn)在均勻的光照條件下進(jìn)行，避免雨淋。

地表徑流：試驗(yàn)用地表徑流取自天津市西青區(qū)津靜路，分別在徑流的起漲段、峰頂段、退水段各取樣3次，試驗(yàn)前將徑流水混合均勻后立即取樣，并開(kāi)始試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法：采用蒸餾水對(duì)生物滯留柱進(jìn)行淋洗，直至出水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)基本穩(wěn)定。通過(guò)淋洗穩(wěn)定植物滯留柱填料層結(jié)構(gòu)，估算生物滯留柱的平均進(jìn)水量，共進(jìn)行5次，間隔3 d進(jìn)行1次，需15 d。以地表徑流對(duì)生物滯留柱進(jìn)行澆灌，在1 h內(nèi)均勻進(jìn)水3.5 L，待土柱開(kāi)始排水后，每隔10 min收集水樣1次，每次水樣單獨(dú)存放，待10 min間隔出水小于20 mL，停止收集單次水樣。待出水完全停止，收集全部剩余水樣，并單獨(dú)存放，將水樣帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定，同步監(jiān)測(cè)進(jìn)出水時(shí)間間隔，滲水速率等指標(biāo)。

注：在不下雨的落干期采用蒸餾水進(jìn)行日常養(yǎng)護(hù)。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

生物滯留柱對(duì)污染物的負(fù)荷去除率（RL）計(jì)算公式為：

式中：M進(jìn)為進(jìn)水污染物的重量，單位mg；M出為出水污染物的重量，單位mg；C進(jìn)為進(jìn)水污染物濃度，單位為mg·L-1；V進(jìn)為進(jìn)水量，單位L；C出為出水污染物濃度，單位為mg·L-1；V出為出水量，單位L。

生物滯留柱滯留水量計(jì)算公式為：

式中：V滯為滯留水量，單位L；V進(jìn)為進(jìn)水量，單位L；V出為出水量，單位L。

總磷、氨氮參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）》進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 出水特征比較分析

2.1.1 水力停留時(shí)間比較分析 種植不同植物的生物滯留柱從開(kāi)始進(jìn)水至開(kāi)始出水經(jīng)歷時(shí)間不同，種植馬藺的生物滯留池進(jìn)水后40 min開(kāi)始出水，種植鳶尾的生物滯留池進(jìn)水34 min后開(kāi)始出水，而不種植任何植物的對(duì)照明顯早于二者于進(jìn)水27 min后開(kāi)始出水，說(shuō)明種植植物能夠延長(zhǎng)地表徑流在生物滯留柱中的水力停留時(shí)間，與種植鳶尾相比，種植馬藺的效果更加明顯，較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間可以為污染物的去除爭(zhēng)取更多的時(shí)間，有利于污染物的去除。

2.1.2 出水速度比較分析 隨著進(jìn)水量的增加，各滯留柱出水量也逐漸增加，至60 min時(shí)最后1次進(jìn)水結(jié)束，進(jìn)水量累計(jì)達(dá)到3 500 mL，單次出水量也達(dá)到最大對(duì)照435 mL、鳶尾296 mL、馬藺274.5 mL，平均出水速度為對(duì)照27.77 mL·min-1、鳶尾20.12 mL·min-1、馬藺20.45 mL·min-1。停止進(jìn)水后，各滯留柱依然有水持續(xù)滲出，單次出水量逐漸減少，試驗(yàn)進(jìn)行至60～85 min時(shí)，單次出水量表現(xiàn)為對(duì)照＞鳶尾＞馬藺，85～120 min，對(duì)照和鳶尾單次出水量差別不大，馬藺單次出水量低于對(duì)照和鳶尾，120 min后，各滯留柱單次出水量為20～40 mL，并逐漸趨于一致。從滯留柱開(kāi)始出水至10 min間隔出水小于20 mL，歷時(shí)約2.5 h，平均出水速度為對(duì)照9.22 mL·min-1＞鳶尾8.08 mL·min-1＞馬藺6.80 mL·min-1。對(duì)照大于鳶尾和馬藺的出水速度，說(shuō)明種植植物可以降低生物滯留柱的出水速度，延遲洪峰出現(xiàn)時(shí)間，這可能與對(duì)照土壤水分主要以土層表面的少量蒸發(fā)為主，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)照生物滯留柱一直維持較高土壤含水量有關(guān)。另外，鳶尾出水速度高于馬藺出水速度，這可能是由于鳶尾的肉質(zhì)根更易發(fā)生溝流或短流現(xiàn)象，使地表徑流在進(jìn)入土壤層的過(guò)程中產(chǎn)生不均勻的流動(dòng)從而打開(kāi)了一條阻力比較小的流動(dòng)通道，使地表徑流以更快的速度下滲。

2.1.3 滯水能力比較分析 單個(gè)滯留柱累計(jì)進(jìn)水量均為3 500 mL，累計(jì)出水量分別為對(duì)照2 437 mL，占進(jìn)水量的69.63%，鳶尾2 082 mL，占進(jìn)水量的59.49%，馬藺1 708 mL，占進(jìn)水量的48.80%。鳶尾和馬藺出水量分別為對(duì)照的85.43%和70.09%，馬藺出水量為鳶尾的82.04%,可見(jiàn)生物滯留柱約一半以上的地表徑流被排出，這將影響污染物的去除效果。3種生物滯留柱滯留水量馬藺51.20%＞鳶尾40.51＞對(duì)照30.37%，說(shuō)明植物能夠加速土壤水分的消耗，使土壤含水量降低，從而能夠提高生物滯留柱的滯水能力，有利于雨季地表徑流的消耗和利用，對(duì)排除城市內(nèi)澇起到一定的緩解作用。種植馬藺的生物滯留柱滯留水量明顯大于種植鳶尾的生物滯留柱，這說(shuō)明與鳶尾相比，馬藺更有利于提高生物滯留柱的滯水能力。

2.2 入滲速率比較分析

通過(guò)入滲速率的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，馬藺入滲速率為250 mm·h-1，鳶尾為125 mm·h-1，二者入滲速率介于500～100 mm·h-1,入滲性良好，對(duì)照為57.69 mm·h-1，介于70～30 mm·h-1，入滲性較弱，說(shuō)明植物有助于提高土壤的入滲速率，與鳶尾相比馬藺效果更明顯。這可能與馬藺大量分布的須根，形成導(dǎo)流作用有關(guān)。

2.3 出水總磷濃度及氨氮濃度比較分析

2.3.1 出水總磷濃度比較分析 隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，出水總磷濃度呈逐漸增加的特點(diǎn)，試驗(yàn)前1 h內(nèi)，3種生物滯留柱出水總磷濃度相差不大，1 h后出水總磷濃度逐漸拉開(kāi)距離，其中對(duì)照滯留柱出水總磷濃度一直維持較高水平，而鳶尾和馬藺一直并肩前進(jìn)，最后5次試驗(yàn)，鳶尾出水總磷含量高于馬藺。

圖2 總磷濃度隨時(shí)間變化規(guī)律

2.3.2 出水氨氮濃度比較分析 與總磷濃度相比，氨氮濃度變化較大整體呈波浪形升高的趨勢(shì)，試驗(yàn)的前1.5 h，3種生物滯留柱差異不大，隨著時(shí)間的推移，三者逐漸拉開(kāi)距離，其中對(duì)照和鳶尾維持較高水平，而馬藺相對(duì)來(lái)說(shuō)氨氮濃度比較低。

圖3 氨氮濃度隨時(shí)間變化規(guī)律

2.3.3 出水累計(jì)總磷與氨氮含量比較分析 累計(jì)進(jìn)入生物滯留柱的總磷為0.97 mg，累計(jì)排出總磷對(duì)照4.11 mg、鳶尾2.13 mg、馬藺1.71 mg,對(duì)照、鳶尾、馬藺的去除率分別為-323.64%、-119.89、-76.07%，說(shuō)明生物滯留柱總磷以輸出為主，植物對(duì)總磷有一定去除效果，與鳶尾相比，馬藺去除效果更好。進(jìn)入生物滯留柱的氨氮為5.27 mg，各生物滯留柱排出的氨氮對(duì)照5.39 mg，鳶尾4.18 mg和馬藺3.03 mg，三者的去除率分別為-2.23%，20.67%和42.44%，說(shuō)明基質(zhì)中有一部分氨氮的析出，植物對(duì)氨氮去除效果較好，與鳶尾相比，馬藺的去除效果更好。

圖4 累計(jì)去除總磷和氨氮量

3 結(jié) 論

以生物滯留池功能植物選擇為目的，采用生物滯留柱模擬試驗(yàn)方法，通過(guò)進(jìn)出水情況的監(jiān)測(cè)，對(duì)栽種不同植物的生物滯留柱水力特性及污染物去除效果進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：未種植植物的生物滯留柱出水時(shí)間早、水力停留時(shí)間短、滯留水量小、入滲速率低；鳶尾出水時(shí)間中等、水力停留時(shí)間中等、滯留水量中等、入滲速率中等；馬藺出水時(shí)間晚、水力停留時(shí)間長(zhǎng)、滯留水量大、入滲速率高。總磷去除率對(duì)照為-323.64%、鳶尾為-119.89，馬藺為-76.07%，氨氮去除率對(duì)照為-2.23%，鳶尾為20.67%，馬藺為42.44%，種植植物有助于污染物的去除，與鳶尾相比，馬藺對(duì)地表徑流中的總磷、氨氮去除效果更好，生物滯留柱對(duì)氨氮去除效果一般，而總磷主要以輸出為主，去除效果不理想。