王春連, 王 佳, 郝明旭

1 北京大學(xué)景觀設(shè)計(jì)學(xué)研究院, 北京 100871 2 北京土人城市規(guī)劃設(shè)計(jì)股份有限公司, 北京 100080

城市化的發(fā)展導(dǎo)致城市不透水面積增加,徑流系數(shù)增大,徑流量成倍增長(zhǎng),加重了排水管網(wǎng)的負(fù)擔(dān),城市內(nèi)澇現(xiàn)象頻發(fā)。同時(shí),城市也面臨著水資源短缺、水環(huán)境惡化、水生態(tài)破壞等多種問(wèn)題。隨著“海綿城市”理念的提出和發(fā)展,人們已經(jīng)意識(shí)到傳統(tǒng)的“以排為主”的排水體制,無(wú)法從根本上解決由雨水引發(fā)的一系列問(wèn)題,而需要通過(guò)合理的水系統(tǒng)生態(tài)設(shè)計(jì),將雨水視為資源,實(shí)現(xiàn)防洪減災(zāi),改善水生態(tài)環(huán)境,回補(bǔ)地下水,防止地面沉降等。另外,由于城市降雨徑流污染的發(fā)生受到多種因素綜合作用,具有水文學(xué)機(jī)制復(fù)雜、污染物種類繁多、組分多變、時(shí)空變化明顯等特點(diǎn),使得城市降雨徑流污染問(wèn)題也顯得日益突出[1],人工雨水濕地、滯留池等水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施是目前國(guó)際上解決城區(qū)初期徑流污染所采取的主要措施。

水系統(tǒng)生態(tài)設(shè)計(jì)是一種利用人工干預(yù)方式,介入自然過(guò)程、調(diào)節(jié)人居環(huán)境的工程化的生態(tài)處理方式[2]。近年來(lái),作為一種新型的濕地模式和水生態(tài)系統(tǒng)的典型設(shè)施,雨水濕地被越來(lái)越多應(yīng)用于雨水調(diào)控案例中。雨水濕地對(duì)雨水徑流的水量水質(zhì)調(diào)控效果顯著,在場(chǎng)次降雨中雨水濕地峰值流量削減率可達(dá)70%—80%,徑流總量削減率達(dá)50%以上[3- 4]。同時(shí)雨水濕地可以有效削減雨水徑流中TSS、TN、TP和重金屬[5]。

與污水處理人工濕地不同,雨水濕地針對(duì)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地的降雨強(qiáng)度、降雨徑流量以及徑流污染濃度等邊界條件存在較大不確定性,需要應(yīng)用彈性對(duì)策,并試圖兼顧雨水的綜合利用及人類活動(dòng)使用功能[6]。已有研究表明影響雨水濕地處理效果的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有降雨條件、濕地結(jié)構(gòu)和形式、基質(zhì)、植物等[7- 9]。常靜的研究發(fā)現(xiàn),污染物沖刷過(guò)程的主要影響因素為降雨量、降雨歷時(shí)及降雨強(qiáng)度[8];Olding等發(fā)現(xiàn)坑塘濕地的設(shè)計(jì)特征和設(shè)計(jì)形態(tài)會(huì)影響雨水塘的水質(zhì)化學(xué)性質(zhì)[9]。BMPs的水處理效率受設(shè)計(jì)參數(shù)的影響非常大,包括面積、水力停留時(shí)間[10- 11],增加水力停留時(shí)間可以有效提高污染物的去除效率[12],并將其定為是影響污染物去除效率的主要因素之一[13]。另外,初始濃度會(huì)影響濕地凈化效率,根據(jù)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程得知,污染物濃度越高,凈化效率越高[14]。

目前對(duì)人工雨水濕地的研究,主要集中在不同設(shè)計(jì)工況下的潛流濕地對(duì)地表徑流的凈化效果以及表流濕地對(duì)地表徑流的在線截控效果等方面[1,15- 17]。一方面,潛流濕地的流量限制,并不充分適用于進(jìn)水量不確定的雨水濕地,另一方面針對(duì)人工雨水濕地水質(zhì)水量綜合調(diào)控效果,以及針對(duì)不同設(shè)計(jì)條件對(duì)雨水濕地水質(zhì)水量調(diào)控效果的影響規(guī)律的研究還相對(duì)缺乏。為了充分研究雨水濕地不同設(shè)計(jì)條件下的水質(zhì)水量調(diào)控規(guī)律,本研究以前置塘+二階表流型濕地組成的人工雨水濕地為例,設(shè)計(jì)人工雨水濕地室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),模擬其對(duì)降雨徑流水質(zhì)水量的削減特征及規(guī)律,進(jìn)而對(duì)人工雨水濕地在不同設(shè)計(jì)工況、不同降雨條件下,對(duì)各類污染物的去除效能及其影響因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析,為實(shí)際雨水濕地的設(shè)計(jì)方法提供更加科學(xué)合理的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

濕地裝置是由三個(gè)濕地單元構(gòu)成的前置塘-一階濕地-二階濕地組合系統(tǒng),其長(zhǎng)×寬×高各為1 m×1 m×1.2 m,其中第一級(jí)為前置塘,第二級(jí)和第三級(jí)為表流型凈化濕地,采用有機(jī)玻璃制作(圖1)。每個(gè)濕地單元設(shè)有進(jìn)水口和出水口,由導(dǎo)流管相連。濕地填料最底層為10 cm深礫石(粒徑范圍1—2 cm),中間層為10 cm爐渣層粒徑范圍(1—2 cm),上面覆蓋20 cm有機(jī)土壤(當(dāng)?shù)赝寥?。濕地植物以耐沖刷、耐污染、本土植物、耐旱耐澇為主,主要植物種類為水蔥、千屈菜和蘆葦,植物種植密度為20株/m2。濕地常水位與土壤表層齊平,定期澆水,正常培育,待植物長(zhǎng)勢(shì)良好穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)。為保證植物生長(zhǎng)及水質(zhì)處理效果,試驗(yàn)選在溫室中進(jìn)行。

圖1 組合濕地示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined wetland system

1.2 實(shí)驗(yàn)情景設(shè)計(jì)

為研究濕地在不同設(shè)計(jì)參數(shù)(水口高度、濕地級(jí)數(shù))、不同降雨條件、不同污染物濃度等條件下徑流削減和污染物削減效果,設(shè)計(jì)了如下不同重現(xiàn)期、不同常水位、不同出水口高度和不同污染物濃度實(shí)驗(yàn)(表1),設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究以及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)[1,15- 17]。依據(jù)水質(zhì)控制容積法(WQV)計(jì)算濕地最佳設(shè)計(jì)規(guī)模,假設(shè)匯水區(qū)徑流系數(shù)為0.6,以北京市的設(shè)計(jì)降雨量為34 mm[18],反推濕地模塊服務(wù)的匯水區(qū)面積為112 m2,以此計(jì)算不同重現(xiàn)期降雨下濕地補(bǔ)水量(1年一遇降雨條件下補(bǔ)水1840 L/h,3年一遇降雨條件下補(bǔ)水2500 L/h),末端水口高度700 mm,降雨歷時(shí)為1 h。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和結(jié)論的可靠性,每組實(shí)驗(yàn)開(kāi)始都做預(yù)實(shí)驗(yàn)對(duì)入流量、入流時(shí)間、出流量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控,系統(tǒng)穩(wěn)定后,開(kāi)始正式實(shí)驗(yàn),對(duì)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大的實(shí)驗(yàn),采取重復(fù)實(shí)驗(yàn)的做法。

表1 組合濕地主要試驗(yàn)內(nèi)容

考慮到降雨的隨機(jī)性,收集城市各下墊面的雨水徑流作為實(shí)驗(yàn)用水難度較大,且無(wú)法根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)間靈活安排實(shí)驗(yàn),因此本實(shí)驗(yàn)的降雨徑流采用自來(lái)水加化學(xué)試劑的方式配制不同濃度的雨水徑流,以滿足實(shí)驗(yàn)需求。根據(jù)已有研究文獻(xiàn)對(duì)城市降雨徑流污染特征分析得出降雨徑流污染物主要包括懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)[19- 21],因此實(shí)驗(yàn)中主要選擇這五個(gè)指標(biāo)來(lái)測(cè)定,分析其削減規(guī)律。并在綜述北京市雨水徑流污染狀況的基礎(chǔ)上[19- 21],選取高、低兩種污染物負(fù)荷量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(表2),實(shí)驗(yàn)中降雨徑流配置所選藥品試劑主要包括葡萄糖、碳酸二氫鉀、硝酸鉀、氯化銨、藻土等。

表2 模擬北京市雨水徑流主要污染物種類及含量(mg/L)

1.3 采樣方法

流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)為每級(jí)濕地單元的出水口,記錄每一級(jí)濕地的初始產(chǎn)流時(shí)間。在開(kāi)始產(chǎn)流后使用量杯和秒表及直尺等監(jiān)測(cè)出水口流速、流量,每5 min進(jìn)行一次測(cè)量,直至產(chǎn)流結(jié)束。

水質(zhì)采樣在每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)取一次泵入的水樣。然后在每級(jí)濕地出口初始產(chǎn)流時(shí)開(kāi)始取樣,采樣時(shí)間間隔為5—10 min,直至產(chǎn)流結(jié)束,樣品容量550 mL。水力停留時(shí)間設(shè)48 h,在模擬降雨結(jié)束后第2 h,6 h,12 h,24 h,48 h進(jìn)行采樣。樣品送至具有CMA檢測(cè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè),主要檢測(cè)指標(biāo)有SS、COD、NH3-N、TN、TP。

1.4 計(jì)算方法

濕地降雨徑流削減率計(jì)算方法：

本研究將雨水濕地與其假想的上游服務(wù)匯水區(qū)域看作整體,引入濕地降雨徑流削減率的概念,定義為人工濕地總?cè)肓髁?上游匯水區(qū)域產(chǎn)流量與濕地自身產(chǎn)流量之和)和出流量的差值與入流量的比值。按照下面公式計(jì)算：

式中：φ為雨水濕地的徑流削減率,Q入為濕地的總?cè)肓髁?m3),Q出為濕地的出流量(m3)。

污染物削減率計(jì)算方法：

人工雨水濕地的污染物削減率包含兩個(gè)方面,一是污染物總量的削減,是指降雨徑流進(jìn)入濕地后流出濕地的某種污染物總量與進(jìn)入濕地的相應(yīng)污染物總量的減小值與進(jìn)水污染物總量的比值。二是污染物濃度的削減,是指降雨徑流進(jìn)入濕地后流出該設(shè)施的某種污染物濃度與進(jìn)入濕地的相應(yīng)污染物濃度的減小值與進(jìn)水污染物濃度的比值。其中污染物濃度采用場(chǎng)次降雨-徑流污染平均濃度(EMC)來(lái)表示[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同設(shè)計(jì)條件下濕地水量調(diào)控效果

(1)不同降雨重現(xiàn)期下濕地對(duì)匯水區(qū)徑流削減效果

模擬濕地在1年重現(xiàn)期條件下,濕地末端出口在71 min開(kāi)始有出流,出流時(shí)間32 min,出流量318.9 L,降雨徑流總量削減率83%。濕地在3年重現(xiàn)期條件下,濕地末端出口在35 min開(kāi)始出流,出流時(shí)長(zhǎng)40 min,出流量917.75 L,濕地降雨徑流削減率64%(表3)。可見(jiàn),隨著降雨重現(xiàn)期增大,濕地出流量增加,出流時(shí)長(zhǎng)增大,出流時(shí)間提前,降雨徑流削減率減小(圖2)。

表3 濕地模塊在不同降雨重現(xiàn)期條件下的產(chǎn)流特征

(2)不同出水口高度下濕地徑流削減效果

出水口高度400 mm條件下,濕地出流量為451.95 L,開(kāi)始出流時(shí)間為60 min,出流時(shí)長(zhǎng)35 min,降雨徑流削減率為75%,當(dāng)出水口高度為700 mm條件下,濕地出流量為318.9 L,開(kāi)始出流時(shí)間為71 min,出流時(shí)長(zhǎng)32 min,降雨徑流削減率為83%(表4)。隨著出水口高度增加,濕地出流量減少,峰值流量下降,開(kāi)始出流時(shí)間延遲,徑流削減率增大,出流時(shí)長(zhǎng)變化不大。濕地出水口高度的增加,增加了濕地的調(diào)蓄容積,徑流削減率增加了8%,有效提高了濕地對(duì)降雨徑流的削減效果(圖4)。

圖2 不同降雨重現(xiàn)期下濕地產(chǎn)流過(guò)程 Fig.2 Runoff generation process under different rainfall recurrence periods

圖3 不同出水口高度下濕地產(chǎn)流過(guò)程 Fig.3 Wetland runoff generation under different outlet heights

表4 濕地模塊在不同出水口高度條件下的產(chǎn)流特征

(3)不同常水位下濕地徑流削減效果

圖4 不同常水位下濕地產(chǎn)流過(guò)程 Fig.4 Wetland runoff generation under different normal water level

在1年一遇重現(xiàn)期,水口高度700 mm的條件下,對(duì)常水位無(wú)、0、200 mm下濕地的出流效果進(jìn)行分析(圖4,表5)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在沒(méi)有常水位的條件下濕地出流量為318.9 L,開(kāi)始出流時(shí)間71 min,出流時(shí)長(zhǎng)為32 min,降雨徑流削減率83%;常水位為0的條件下,濕地出流量654.75 L,開(kāi)始出流時(shí)間54 min,出流時(shí)長(zhǎng)45 min,降雨徑流削減率64%;常水位為200 mm條件下,出流總量為1245 L,第15 min開(kāi)始產(chǎn)流,出流時(shí)長(zhǎng)63 min,降雨徑流削減率32%?？梢?jiàn),不同常水位條件下,常水位越大,濕地出流量越大,開(kāi)始出流時(shí)間越短,出流時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng),對(duì)降雨徑流的削減率越小。從圖4可見(jiàn),隨著常水位降低,對(duì)徑流總量和峰值流量都有很大削減。

表5 濕地模塊在不同常水位條件下的產(chǎn)流特征

(4)不同濕地級(jí)數(shù)條件下徑流削減效果

圖5 不同濕地級(jí)數(shù)產(chǎn)流過(guò)程 Fig.5 Runoff generation process of different wetland series

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)不同濕地級(jí)數(shù)下濕地產(chǎn)流效果研究表明(圖5,表6)：前置塘、前置塘+一階濕地、前置塘+二階濕地模式下,濕地出流量依次為1308.00 L、651.30 L、286.95 L,開(kāi)始出流時(shí)間依次為33 min、50 min、63 min,出流時(shí)長(zhǎng)分別為56 min、44 min和35 min,降雨徑流削減率分別為29%、65%、84%?？梢?jiàn)不同濕地級(jí)數(shù)條件下,濕地級(jí)數(shù)越多,濕地出流量越小,峰值流量下降,開(kāi)始產(chǎn)流所需時(shí)間越長(zhǎng),產(chǎn)流時(shí)長(zhǎng)越短,降雨徑流削減率越高。所以通過(guò)增加濕地級(jí)數(shù)來(lái)增加濕地的調(diào)蓄面積,可以減緩流速,降低洪峰流量,達(dá)到調(diào)蓄徑流的目的。

2.2 不同降雨和設(shè)計(jì)條件下濕地對(duì)徑流污染物的削減規(guī)律

(1)不同降雨重現(xiàn)期下濕地對(duì)污染物的削減規(guī)律

表6 濕地模塊在不同濕地級(jí)數(shù)條件下的產(chǎn)流特征

但降雨過(guò)程中,濕地對(duì)雨水徑流中的污染物具有較好的截留效果,在1年重現(xiàn)期降雨條件下,TN、TP、COD、SS的總量削減率分別為48.99%、61.94%、66.12%、94.1%,3年重現(xiàn)期降雨條件TN、TP、COD、SS的總量削減率分別為41.95%、50.63%、53.54%、86.36%。可見(jiàn),除NH3-N外,降雨總量越小,徑流污染物總量的截留削減效果越好。且濕地級(jí)數(shù)越高,污染總量截留效果越好。

表7 濕地模塊在不同降雨重現(xiàn)期條件下的污染物削減特征

(2)不同常水位下濕地對(duì)污染物削減規(guī)律

實(shí)驗(yàn)在污染物等級(jí)高,水口高度為700 mm,降雨重現(xiàn)期為1年,濕地級(jí)數(shù)為2級(jí)的條件下,對(duì)不同常水位條件下濕地污染物削減過(guò)程進(jìn)行研究(表8)。結(jié)果顯示,從污染物總量削減情況來(lái)看,無(wú)常水位時(shí),濕地對(duì)水體中TN、TP、NH3-N、CODMn、SS削減率依次為75.73%、79.75%、73.21%、83.28%、96.60%;常水位為0時(shí),濕地對(duì)水體中TN、TP、NH3-N、CODMn、SS削減率依次為48.99%、61.94%、36.032%、66.12%、94.10%;常水位為200 mm時(shí),濕地對(duì)水體中TN、TP、NH3-N、CODMn、SS削減率依次為23.37%、56.79%、20.29%、72.28%、89.05%。降雨過(guò)程中,濕地對(duì)雨水徑流中的污染物具有較好的截留效果,濕地常水位越低,污染物的截留削減效果越好。

從濕地污染物濃度削減情況來(lái)看,對(duì)COD和SS有一定的削減效果,其中最為顯著的是SS,削減率達(dá)80—83%,但隨著常水位高度的變化,削減率規(guī)律變化不明顯。

(3)不同出水口高度下濕地對(duì)污染物削減規(guī)律

實(shí)驗(yàn)設(shè)置降雨條件為1年一遇重現(xiàn)期,無(wú)濕地常水位,下墊面無(wú)下滲,進(jìn)水配置高等級(jí)污染物濃度水體,采樣點(diǎn)選取第2級(jí)濕地。不同濕地出水口高度下(400 mm、700 mm)條件下污染物削減特征結(jié)果表明(表9),出水口高度為700 mm時(shí),濕地對(duì)降雨徑流中TN、TP、NH3-N、CODMn、SS總量削減率依次為75.73%、79.75%、73.21%、83.28%、96.60%;出水口高度為400 mm時(shí),濕地對(duì)降雨徑流中TN、TP、NH3-N、CODMn、SS總量削減率依次為61.65%、69.42%、61.67%、78.67%、94.30%?？梢?jiàn)濕地不同出水水口高度下濕地對(duì)各類型污染物削減效果均較顯著,其中對(duì)污染物CODMn、SS的削減效果較好,其中對(duì)COD削減率達(dá)80%左右,對(duì)SS削減率達(dá)90%以上。對(duì)TN、TP、NH3-N總量削減在700 mm出水口高度時(shí)削減率達(dá)75%左右,而在400 mm出水口高度時(shí)削減系率達(dá)60%以上。在削減規(guī)律上看,隨著出水口高度的降低,其污染物總量削減率逐漸降低,其中TN、TP、NH3-N從700 mm降低400 mm時(shí),削減率降低10%左右,但COD和SS的削減率降低比較少,僅2%—5%左右。

表8 濕地模塊在不同常水位高度條件下的污染物削減特征

表9 不同出水口高度設(shè)計(jì)條件下污染物削減特征

(4)不同進(jìn)水濃度和水力停留時(shí)間下濕地對(duì)污染物的削減規(guī)律

實(shí)驗(yàn)設(shè)置降雨條件為1年一遇重現(xiàn)期,無(wú)濕地常水位,濕地出水口高度為700 mm、下墊面無(wú)下滲,采樣點(diǎn)選取第2級(jí)濕地,分別研究不同等級(jí)(高低)進(jìn)水污染物濃度下隨水力停留時(shí)間變化的污染物削減特征(圖6)。結(jié)果顯示,不同污染負(fù)荷情形下,各污染物隨水力停留時(shí)間的增加變化趨勢(shì)大體相同,呈下降趨勢(shì)(SS除外),高濃度污染物下降趨勢(shì)相對(duì)明顯。當(dāng)水力停留24 h,高濃度進(jìn)水情形下,濕地對(duì)水體中TN、TP、NH3-N、CODMn的去除率依次為44.2%、34.3%、68.3%、82.4%;低濃度進(jìn)水情形下,濕地對(duì)水體中TN、TP、NH3-N、CODMn的去除率依次為62.3%、16.7%、86.7%、43.4%?？梢?jiàn),對(duì)TN和NH3-N高污染負(fù)荷的條件下濕地24 h的去除率低于低污染負(fù)荷條件下,而TP和COD 24 h的去除率在高污染負(fù)荷條件下高于低污染負(fù)荷條件下。已有研究表明在一定濃度范圍內(nèi),污染物去除率隨進(jìn)水濃度增大而略增加[14,23],這與本研究的部分結(jié)論一致。

第一，科技法律直接促進(jìn)科技的發(fā)展。從世界范圍來(lái)看，為了促進(jìn)本國(guó)的科技發(fā)展，各國(guó)均會(huì)制定科技方面的法律，直接保障科技的發(fā)展。以美國(guó)為例，美國(guó)特別關(guān)注科技法律的制定和完善，并通過(guò)科技法律促進(jìn)了本國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展。

高污染負(fù)荷情形下,水力停留時(shí)間在24—48 h內(nèi)SS濃度不減反增,可能原因是,隨著水力停留時(shí)間的增加,填料縫隙間及填料與植物根際已沉淀的固體懸浮物被重現(xiàn)釋放導(dǎo)致SS濃度增加。相對(duì)而言,對(duì)SS及COD的影響遠(yuǎn)不如TN、NH3-N、TP去除效果的影響大,主要基于各自的凈化機(jī)理不同,SS的去除主要基于填料縫隙間的沉淀及填料與植物根際的攔截、過(guò)濾作用,COD的去除經(jīng)歷吸附及生化反應(yīng)過(guò)程,只要濕地運(yùn)行條件有利于吸附及生化反應(yīng)過(guò)程,即可保證較高的COD去除率,而TN、NH3-N、TP則不同,水力負(fù)荷、水力停留時(shí)間及水深均直接影響局部好氧環(huán)境的存在,從而影響N、P的硝化和反硝化及吸收和釋放,因此在實(shí)際工程中,應(yīng)盡可能保證植物的根系充分發(fā)展,營(yíng)造良好的好氧微環(huán)境,在保證較高的SS、COD去除的同時(shí),獲取較高的TN、NH3-N、TP的去除率。

圖6 不同水力停留時(shí)間對(duì)濕地污染削減效果的影響Fig 6 Effects of different hydraulic retention time on wetland pollution reduction

3 結(jié)論與討論

(1)前置塘+二階表流濕地組合的雨水濕地系統(tǒng)通過(guò)截留、緩沖和存儲(chǔ)作用,對(duì)不同降雨徑流條件下的產(chǎn)流時(shí)間、流速和流量具有多重調(diào)控作用。在整個(gè)降雨實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,該雨水濕地系統(tǒng)對(duì)降雨徑流具有較好的調(diào)控效果,場(chǎng)降雨徑流削減率達(dá)64%—83%,單保慶等研究塘-濕地組合系統(tǒng)對(duì)城市旅游區(qū)降雨徑流污染在線截控作用表明在暴雨連續(xù)流事件中也體現(xiàn)較好徑流調(diào)控作用,徑流總量由213.4 m3降到31.9 m3,徑流削減率達(dá)85%?？梢?jiàn)無(wú)論是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)或者野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),塘-濕地組合系統(tǒng)對(duì)降雨徑流調(diào)控效果明顯。并且不同設(shè)計(jì)條件的改變,調(diào)控規(guī)律也隨之變化。隨著降雨重現(xiàn)期增加,徑流削減率逐漸減小;隨著濕地出水口高度的增加,濕地出流量減小,徑流削減率增大。隨著濕地常水位的增加,濕地徑流削減率逐漸減小,無(wú)初始水深時(shí)徑流削減率比初始水深為200 mm時(shí)增加了51%。王明宇(2016)在相關(guān)研究中也得出類似的結(jié)論濕地初始水深越小,濕地水量控制效果越好,實(shí)驗(yàn)表明初始水深100 mm時(shí)峰值流量比160 mm時(shí)減少了53.5%[24]。

(2)人工雨水濕地降雨徑流模擬實(shí)驗(yàn)不同設(shè)計(jì)條件對(duì)污染物削減效果表明,從EMC污染物平均濃度上看,降雨過(guò)程中,雨水濕地對(duì)污染物濃度的削減效果不明顯。不同重現(xiàn)期降雨實(shí)驗(yàn)中,僅對(duì)COD和SS平均濃度有削減,其中SS削減比較明顯達(dá)70%—80%,且隨著降雨重現(xiàn)期增加,SS EMC平均污染物濃度削減率逐漸降低。不同常水位條件下對(duì)污染物平均濃度削減最為顯著的也是SS,削減率達(dá)80%—83%,但隨著常水位高度的變化,削減率規(guī)律變化不明顯。不同進(jìn)水濃度條件下,濕地對(duì)TN和NH3-N高污染負(fù)荷的條件下濕地24 h的去除率低于低污染負(fù)荷條件下,而TP和COD 24 h的去除率在高污染負(fù)荷條件下高于低污染負(fù)荷條件下。

(3)前置塘+二階表流濕地組合成雨水濕地系統(tǒng)延長(zhǎng)了污染物在流域內(nèi)部的滯留時(shí)間,減少了污染負(fù)荷的輸出,對(duì)降雨徑流過(guò)程中污染物總量具有較好的截留效果。其中對(duì)TN、TP、NH3-N、CODMn、SS污染削減效果較好的削減率依次為75.73%、79.75%、73.21%、83.28%、96.60%;單保慶等研究塘-濕地組合系統(tǒng)對(duì)城市旅游區(qū)降雨徑流污染在線截控作用也表明塘、一階濕地和二階濕地組成系統(tǒng)對(duì)污染物表現(xiàn)出良好的持留能力,污染物TSS、COD、TN、TP持留率分別達(dá)到了92.9%、96%、85.7%和80.9%[17]。

從設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)污染物削減規(guī)律上看,降雨總量越小,徑流污染物總量的截留削減效果越好。濕地常水位越低,污染物的截留削減效果越好,其中王明宇研究也表明隨著初始水深的降低,濕地水質(zhì)控制效果變強(qiáng),出水污染物總量負(fù)荷變小[24],與本研究結(jié)論類似。在削減規(guī)律上看,隨著出水口高度的降低,其污染物總量削減率逐漸降低,其中TN、TP、NH3-N從700 mm降低400 mm時(shí),削減率降低10%左右,但COD和SS的削減率降低比較少,僅2%—5%左右。李家科等研究表明水平潛流濕地中水深從750 mm降低到550 mm和350 mm污染物負(fù)荷的削減率降低5.92%和31.6%,復(fù)合流濕地負(fù)荷削減率比前兩種降低5.07%和25.89%[1],與本研究削減規(guī)律相似。

(4)本研究雖然沒(méi)有討論植被設(shè)計(jì)參數(shù),但植被在人工濕地中發(fā)揮著重要作用,不僅可以直接攝取和利用污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)物,還能提高人工濕地的滲透系數(shù),增強(qiáng)根際微生物活性,溶解性氧含量等,有利于各類微生物在濕地繁殖與擴(kuò)散,強(qiáng)化人工濕地凈化能力,也可延長(zhǎng)濕地基質(zhì)的使用期限[23],另外在保證植物生長(zhǎng)水深條件下,初始水深越小越有利于水量和污染負(fù)荷的調(diào)控;出水口高度在一定體積范圍內(nèi)可適當(dāng)增大,對(duì)徑流削減和污染物削減效果較好;同時(shí)濕地級(jí)數(shù)增加也有利于增大水量和水質(zhì)的調(diào)控能力。此外,針對(duì)降雨量大,污染物濃度高的情況下,設(shè)施設(shè)計(jì)需要特別考慮,例如引入加強(qiáng)型人工濕地處理工藝等[26-27]。

(5)本研究主要從單個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的角度,探討了不同設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)雨水濕地水質(zhì)水量調(diào)控效果的影響規(guī)律,針對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的組合對(duì)調(diào)控效果的影響規(guī)律分析較少,是下一步研究的方向。另外由于實(shí)驗(yàn)裝置較小,存在一定的局限性,未來(lái)研究需要進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)范圍,使得研究結(jié)果更好的服務(wù)于實(shí)際場(chǎng)地的應(yīng)用。

致謝：感謝課題組路青、吳珊珊、洪敏、袁弘、李文豪等在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提供的幫助。