李 田，劉 勇，張佳煒，段進(jìn)凱，張庭秀

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

太浦河金澤水源地水質(zhì)的安全保障要求深入研究金澤水源地保護(hù)區(qū)雨水徑流污染特征，提出具有針對(duì)性的源頭、過(guò)程、末端相結(jié)合的徑流污染控制策略與技術(shù)，研發(fā)適用于湖蕩水源地“三高一低”特點(diǎn)的雨水徑流污染強(qiáng)化調(diào)蓄凈化技術(shù)。本任務(wù)的目標(biāo)是研究滿足金澤水源地地域特點(diǎn)的徑流源頭污染控制技術(shù)，為金澤水庫(kù)的水質(zhì)保護(hù)及我國(guó)南方城市水源保護(hù)區(qū)的雨水徑流污染防控提供技術(shù)支撐。

1 課題研究背景與目標(biāo)

《金澤水源地徑流污染源頭控制技術(shù)應(yīng)用研究》(2017ZX07207001-03)屬于《金澤水源地雨水徑流污染防控關(guān)鍵技術(shù)研究與工程示范》(2017ZX07207001)的子課題，由同濟(jì)大學(xué)承擔(dān)。

金澤水源地水質(zhì)受面源污染的影響不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，超標(biāo)項(xiàng)目以氮、磷為主，這對(duì)雨水徑流的處理提出了更高的要求。與此同時(shí)，金澤水源地的地下水位高、土壤滲透性差，徑流難以就地下滲，此外河網(wǎng)高水位對(duì)源頭控制設(shè)施的出水排放存在頂托作用。本任務(wù)研究適合高地下水位地區(qū)特點(diǎn)的不透型徑流源頭控制技術(shù)，包括強(qiáng)化除磷與蒸發(fā)的滲透鋪裝、強(qiáng)化脫氮與除磷的干植草溝技術(shù)，其成果對(duì)金澤水源地的徑流污染防治具有重要意義。

2 課題研究成果

2.1 強(qiáng)化除磷及蒸發(fā)的滲透鋪裝技術(shù)

2.1.1 水文控制與緩解熱島效應(yīng)的效果

研發(fā)適用于高地下水位地區(qū)、可以防止下滲徑流污染淺層地下水的不透型滲透鋪裝技術(shù)，用于人行道與輕載停車場(chǎng)。在設(shè)施底部設(shè)置防滲膜，排水管出口上彎，碎石蓄水層中設(shè)置具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的毛細(xì)吸水柱構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用設(shè)施，考察實(shí)際應(yīng)用條件下設(shè)施強(qiáng)化蒸發(fā)的效果、設(shè)施的年徑流總量控制率以及污染負(fù)荷控制率。在徑流不能下滲條件下，強(qiáng)化蒸發(fā)對(duì)提高年徑流總量控制率具有重要意義。經(jīng)過(guò)小試試驗(yàn)，對(duì)包括硅藻土、陶土、沸石和陶粒的4種材料經(jīng)不同工藝制備的4種毛細(xì)柱對(duì)比各自的吸水性能、釋水性能和抗壓強(qiáng)度，確定了陶土毛細(xì)柱是新型滲透鋪裝較理想的水分提升材料。新型滲透鋪裝采用陶土毛細(xì)柱，在毛細(xì)柱面積比為1/8時(shí)可使為面層提供充足的可蒸發(fā)水分[1]。

圖1 不同降雨事件下3種設(shè)施的出流情況Fig.1 Outflow of Three Kinds of Devices under Different Rainfall Events

建造了平行的新型滲透鋪裝(IPP)和2個(gè)傳統(tǒng)的混凝土連鎖磚(PICP)鋪裝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)施，以普通混凝土鋪裝作為對(duì)照，比較3種滲透鋪裝在高地下水位地區(qū)的實(shí)際運(yùn)行效果，并探討新型滲透鋪裝的運(yùn)行機(jī)制，其中PICP1與PICP2分別采用水泥穩(wěn)定碎石和普通碎石作為基層結(jié)構(gòu)，IPP碎石基層的通過(guò)出水管上彎形成厚15 cm的飽水區(qū)[2]。通過(guò)對(duì)2018全年實(shí)際降雨條件下3種設(shè)施的水文出流過(guò)程、典型降雨事件的出流水質(zhì)控制效果以及不同季節(jié)各設(shè)施在降雨結(jié)束后設(shè)施表面的溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在可產(chǎn)生明顯徑流的69場(chǎng)降雨事件里，新型滲透鋪裝蓄水區(qū)發(fā)生溢流的事件為5次，而PICP1與PICP2設(shè)施發(fā)生底部出流的事件分別為32次和30次。沒(méi)有強(qiáng)化蒸發(fā)措施的設(shè)施，降雨量超過(guò)10 mm時(shí)即產(chǎn)生明顯出流，而設(shè)置了毛細(xì)柱的新型滲透鋪裝在降雨量小于40 mm的降雨事件中不會(huì)發(fā)生溢流(圖1)，新型滲透鋪裝的水文控制效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)滲透鋪裝(p<0.01)；在不考慮設(shè)施的凈化、緩排作用的條件下，新型滲透鋪裝、傳統(tǒng)滲透鋪裝 PICP1和PICP2在徑流不能下滲情況下的年徑流總量控制率分別為90.6%、40.2%和41.9%。在實(shí)際應(yīng)用條件下新型滲透鋪裝在降雨發(fā)生后緩解城市熱島的效果可持續(xù)一周以上，而傳統(tǒng)滲透鋪裝由于表面滯留的水分很快蒸發(fā)，降溫效果只能維持雨停后最初的一兩天(圖2)；新型滲透鋪裝在夏季的表面溫度最高比不透水路面低15.3 ℃，比PICP1和PICP2分別低15.8 ℃和14.4 ℃[3]。

圖2 夏季一次降雨后7 d的設(shè)施表面溫度變化Fig.2 Surface Temperature Variation of Different Permeable Pavements during 7 Days after Rainfall

2.1.2 新型滲透鋪裝的水質(zhì)控制效果

圖3 不同類型滲透鋪裝的年污染負(fù)荷控制率Fig.3 Annual Pollution Load Control Rate of Different Kinds of Permeable Pavements

2.2 強(qiáng)化除磷及脫氮的淺基質(zhì)干式植草溝技術(shù)

上海及其周邊地區(qū)地面高程低、地下水位高，適合此地域特點(diǎn)的干植草溝宜選用淺基質(zhì)層不透型設(shè)計(jì)，同時(shí)將底部排水管上彎以減少汛期雨污水倒灌進(jìn)入設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)。為強(qiáng)化設(shè)施脫氮除磷的效果，在植草溝基質(zhì)層添加有機(jī)質(zhì)和給水廠污泥，通過(guò)小試比較不同的基質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)對(duì)徑流脫氮除磷效果的影響。建造了應(yīng)用規(guī)模的干植草溝，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考察淺層干植草溝對(duì)道路徑流在實(shí)際降雨條件下的水文及水質(zhì)控制能力，取得以下研究成果。

2.2.1 強(qiáng)化干植草溝脫氮效果的模擬柱

2.2.2 不透型淺基質(zhì)層干植草溝處理道路徑流現(xiàn)場(chǎng)

在內(nèi)環(huán)高架橋下建造底部設(shè)有防滲膜的不透型淺基質(zhì)層干植草溝設(shè)施，現(xiàn)場(chǎng)考察設(shè)施在實(shí)際降雨條件下對(duì)道路徑流的水文控制、水質(zhì)凈化及污染負(fù)荷控制能力，設(shè)施面積為20 m2，服務(wù)面積比為10%，基質(zhì)層厚度為30 cm，上彎的排水管在礫石排水層中形成厚為15 cm的飽水區(qū)?；|(zhì)組成成分為表層土∶砂∶給水廠污泥∶發(fā)酵木屑=25∶65∶7∶3(w/w)。

2019年汛期(4月—8月)降雨充沛，不透型淺基質(zhì)層干植草溝具有一定的水文控制效果。以進(jìn)、出水第一個(gè)峰值為對(duì)象評(píng)價(jià)設(shè)施的峰值削減率與峰現(xiàn)延遲時(shí)間。設(shè)施的峰值流量比Rp位于0.2～0.8，隨初始雨強(qiáng)增大而上升；峰現(xiàn)延遲比Rt的均值為1.87，設(shè)施峰現(xiàn)延遲效果隨初始雨強(qiáng)增大而減小。在基質(zhì)厚度為30 cm、飽和滲透速率為10.5 cm/h、服務(wù)面積比為10%的設(shè)計(jì)條件下整個(gè)2019年設(shè)施未發(fā)生過(guò)溢流，可有效控制約9 mm降雨不產(chǎn)生出流。設(shè)施的水量削減效果隨進(jìn)水深度增加而降低，不透型的底部設(shè)計(jì)阻礙了徑流就地的下滲消納，汛期(4月1日—8月31日)31場(chǎng)降雨事件的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明其間徑流總量控制率為39.4%。

設(shè)施對(duì)重金屬Zn、Pb、Mn、Cu和Cd均有良好的去除效果，平均濃度去除率分別為79.9%、74.2%、74.0%、71.4%和68.6%，對(duì)應(yīng)出水濃度分別為380.4、101.3、120.7、85.8 μg/L和41.2 μg/L。淺基質(zhì)厚度小未對(duì)重金屬的去除效果產(chǎn)生大的影響，出水Cu、Zn以及Pb的濃度分別符合地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)。

表1 干植草溝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的污染物進(jìn)出水濃度與質(zhì)量負(fù)荷削減率[7]Tab.1 Influent and Effluent Concentration and Mass Load Removal Rate of Pilot Dry Grass Swale

上海地形平坦、地下水位高，對(duì)坡度要求較小的干植草溝適用性好，排水管上彎的淺層不透型設(shè)計(jì)可滿足設(shè)施在高地下水位地區(qū)的正常運(yùn)行。通過(guò)改良基質(zhì)組成，添加發(fā)酵木屑和給水廠含鋁污泥有效強(qiáng)化了設(shè)施對(duì)氮、磷的凈化效果。道路徑流通過(guò)設(shè)施的凈化及緩排，水文與水質(zhì)性能均得到很好的改善，該型植草溝與市區(qū)河道的調(diào)蓄容積結(jié)合，可共同承擔(dān)起徑流總量控制與污染負(fù)荷削減的任務(wù)。

2.2.3 干植草溝對(duì)道路徑流中多環(huán)芳烴的去除效果

在上海地區(qū)實(shí)際降雨條件下，于2020年6月—8月監(jiān)測(cè)了上海市內(nèi)環(huán)高架路面徑流中多環(huán)芳烴PAHs的含量以及干植草溝對(duì)道路徑流中PAHs的控制效果，并探討影響PAHs去除的因素和機(jī)制，以期為控制城市徑流中PAHs對(duì)水源地的污染提供技術(shù)支撐。

監(jiān)測(cè)期間采集到完整的進(jìn)、出水過(guò)程樣的降雨事件共有8場(chǎng)。根據(jù)8場(chǎng)降雨事件EMC均值，對(duì)設(shè)施監(jiān)測(cè)期內(nèi)PAHs污染負(fù)荷控制效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。監(jiān)測(cè)結(jié)果，高架路面徑流16種多環(huán)芳烴的總和∑16PAHs的EMC均值為3 996 ng/L，4～6環(huán)的高分子質(zhì)量(HMW)PAHs是PAHs的主要成分，占總PAHs的78%以上，表明道路徑流中PAHs主要來(lái)自于高溫燃燒源；其中具有明確或潛在致癌性的6種PAHs,∑6PAHs平均質(zhì)量濃度高達(dá)1 702 ng/L，是國(guó)外主要城市道路徑流監(jiān)測(cè)結(jié)果的4～10倍。監(jiān)測(cè)降雨事件路面徑流以及設(shè)施進(jìn)、出水PAHs的EMC濃度分布如圖4所示，其中進(jìn)水指經(jīng)過(guò)前置沉淀池預(yù)處理后的徑流。經(jīng)干植草溝系統(tǒng)處理后，∑16PAHs和∑6PAHs的出水分別為172.40～365.05 ng/L和9.70～99.97 ng/L，兩者的平均質(zhì)量濃度去除率分別達(dá)到91.73%和96.67%，達(dá)到了滿意的去除效果。由于設(shè)施存在徑流水量削減作用，對(duì)∑16PAHs和∑6PAHs的質(zhì)量負(fù)荷去除率均高于質(zhì)量濃度去除率，分別為96.18%和98.31%，本文的干植草溝對(duì)PAHs污染具有顯著削減效果。苯并[a]芘(BaP)作為多環(huán)芳烴中毒性最大的一種強(qiáng)致癌物，對(duì)徑流PAHs污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率在8.37%～21.09%。我國(guó)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)規(guī)定BaP的排放限值為30 ng/L，上海高架路面徑流中BaP的濃度已超過(guò)水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的10倍。經(jīng)淺基質(zhì)層干植草溝處理后，各次降雨設(shè)施出水BaP濃度與標(biāo)準(zhǔn)限值之間的比值均小于1，達(dá)標(biāo)率為100%，說(shuō)明干植草溝可有效控制路面徑流PAHs排放。

注：☆表示徑流和出水之間存在顯著差異(p<0.05)；△表示進(jìn)水與出水之間存在顯著差異(p<0.05)圖4 干植草溝系統(tǒng)不同類型水樣中PAHs的EMC分布Fig.4 EMC of PAHs in Road Runoff, Influent and Effluent Samples of Dry Grass Swale System

3 研究展望

新型不透型滲透鋪裝不僅有效地削減了徑流水量與污染負(fù)荷，還能很好地降低鋪裝表面在強(qiáng)日照時(shí)段的溫度，有利于降低城市熱島效應(yīng)。今后的研究方向，在于應(yīng)用規(guī)模下進(jìn)一步考察在找平層中添加碳源對(duì)設(shè)施脫氮效果的影響，以及面層堵塞對(duì)設(shè)施的蒸發(fā)與降溫效果的影響。不透型干植草溝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究的脫氮效果低于模擬柱試驗(yàn)，除了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)中基質(zhì)的組分配比與裝填質(zhì)量不易控制之外，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的帶過(guò)渡層的構(gòu)造形式，建造要求與費(fèi)用較高沒(méi)有能應(yīng)用是一個(gè)重要的原因。在對(duì)設(shè)施出水水質(zhì)要求高的場(chǎng)合，可以開展相關(guān)的強(qiáng)化脫氮的應(yīng)用試驗(yàn)。