趙璧奎，胡佳純，洪昌紅，周銘浩，陳家豪

(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635；2. 廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東 廣州 510635；3. 河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室，廣東 廣州 510635)

徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制、雨水資源化利用是海綿城市建設(shè)規(guī)劃的4大控制目標(biāo)[1]。河湖水系是城市海綿體的重要組成部分，是城市資源、環(huán)境、生態(tài)、景觀的載體[2]。應(yīng)用生態(tài)護(hù)坡材料實(shí)施生態(tài)岸線恢復(fù)工程，是實(shí)現(xiàn)污染物截留、增強(qiáng)河道自然凈化能力的重要措施。

生態(tài)護(hù)坡及其植被對水質(zhì)凈化的機(jī)理與效果仍處于研究探索中。蔡婧等[3]通過現(xiàn)場模擬徑流試驗，研究了柴籠、灌叢墊、植草3種不同類型的生態(tài)護(hù)坡對地表徑流的延滯作用和污染控制作用，證明生態(tài)護(hù)坡在控制地表徑流污染方面具有良好的生態(tài)效益。王慧子等[4]選取麥冬、香根草、狗牙根3種植物作為護(hù)坡植物進(jìn)行模擬降雨沖刷試驗，研究了植物對降雨徑流攜帶的泥沙等懸浮固體污染物的攔截效果。張文源[5]等針對深圳坪山河“賓格石籠網(wǎng)箱+中空生態(tài)砌塊+聯(lián)鎖砌塊+植被修復(fù)”的組合式生態(tài)護(hù)坡方式，研究暴雨徑流削減效益和污染物的削減效益。李亞娟等[6]應(yīng)用MIKE 中EcoLab 模塊，模擬研究河流濕地水動力及水質(zhì)凈化效果。另外也有學(xué)者從生態(tài)護(hù)坡對河道水質(zhì)凈化效果的視角開展研究，分別從不同生態(tài)護(hù)坡濱水植物選擇[7-10]、多孔混凝土與水生生物組合優(yōu)化[11]等方面進(jìn)行了大量研究。從現(xiàn)有研究成果看，生態(tài)護(hù)坡植物對河道中的COD、TN、TP 等多種污染物質(zhì)均有著較好的去除效果，能夠滿足河道水質(zhì)凈化的要求[12]。此外，國內(nèi)外學(xué)者就生物滯留設(shè)施中填料改良對地表徑流水質(zhì)凈化作用開展了大量試驗研究[13-16]，為生態(tài)護(hù)坡對地表徑流水質(zhì)凈化作用提供很好的借鑒參考。

隨著“生態(tài)岸線恢復(fù)”被納入海綿城市建設(shè)績效評價與考核指標(biāo)的約束性指標(biāo)[17]，生態(tài)岸線恢復(fù)將更加受到重視，生態(tài)護(hù)坡材料應(yīng)用前景將更加廣闊。然而，目前生態(tài)護(hù)坡材料種類繁多，新型護(hù)坡材料的水質(zhì)凈化效果差異尚不明晰。筆者選取了當(dāng)前廣泛應(yīng)用的5種生態(tài)護(hù)坡材料作為研究對象，采取模擬徑流試驗方法，探究不同生態(tài)護(hù)坡材料對徑流氨氮、磷酸鹽削減效果，為護(hù)坡材料的選用提供借鑒，并結(jié)合試驗結(jié)果對生態(tài)護(hù)坡的應(yīng)用提出幾點(diǎn)建議。

1 材料與方法

1.1 材料選擇

選取當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的格賓石籠、生態(tài)砌塊和具有推廣應(yīng)用前景的現(xiàn)澆綠化混凝土、植物蜂巢等材料作為研究對象，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，5種護(hù)坡材料特性如表1所示，并選擇普通植草護(hù)坡作為參照組。

圖1 主要生態(tài)護(hù)坡材料結(jié)構(gòu)形式示意

表1 5種護(hù)坡材料結(jié)構(gòu)特性對比

1.2 試驗裝置

分別構(gòu)筑了每種護(hù)坡材料的試驗段，每個試驗段長為6 m、寬為1.5 m，坡度為1:2.25，完成護(hù)坡材料構(gòu)筑后，在結(jié)構(gòu)材料表層鋪設(shè)5 cm厚回填素土作為植土層，并鋪設(shè)馬尼拉草[19]草皮，植草鋪設(shè)、培育4個月后開展模擬試驗。5種生態(tài)護(hù)坡中，生態(tài)砌塊植被覆蓋率為18.13%，其余試驗段表面均全部覆蓋植被，試驗時植被生長良好。

試驗裝置由2 t儲水桶、供水管、開關(guān)、流量計、分水管組成供水系統(tǒng)，為了區(qū)分生態(tài)護(hù)坡對地表徑流和壤中流的水質(zhì)凈化效果，試驗裝置下邊緣設(shè)置2個出水管，分別收集地表徑流和壤中流，試驗裝置示意及現(xiàn)場照片如圖2所示。

圖2 試驗裝置示意及試驗段現(xiàn)場照片

1.3 邊界條件

考慮氮、磷是引起水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵指標(biāo)，試驗選取氨氮、磷酸鹽兩項水質(zhì)指標(biāo)為代表。試驗用水是某試驗基地生活污水，并添加少量氯化銨、磷酸二氫鉀等物質(zhì)配置而成。

參照深圳市2年一遇設(shè)計暴雨強(qiáng)度150.71 L/(s·hm2)，假設(shè)護(hù)坡外邊界道路為3車道，即道路寬度為10.5 m，試驗段寬度為1.5 m，匯水面積為15.75 m2，推算試驗段平均匯水流量約為12.11 L/min，每一組護(hù)坡上邊界的入流流量大小盡量維持恒定，徑流模擬時間長度為60 min。實(shí)際試驗中受水桶內(nèi)水位變化及管線水頭損失影響，實(shí)際入口流量存在波動變化，每次試驗單獨(dú)進(jìn)行，不同組次的水質(zhì)濃度也存在一定差異，每組試驗的平均流量和平均水質(zhì)濃度如表2所示。

表2 每組試驗的平均流量及水質(zhì)濃度

1.4 監(jiān)測與采用

1) 采樣頻率

試驗開始時刻打開總開關(guān)并快速調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)流量對應(yīng)開度。從試驗開始時刻T0起，每隔5 min記錄入口處流量計讀數(shù)。分別記錄地表徑流、壤中流開始溢流的時刻，并從各自開始溢流時刻開始按照5 min間隔監(jiān)測記錄流量值，兩個出口流量采用量筒計時法計量。每次監(jiān)測記錄流量時均同步采集3處監(jiān)測點(diǎn)處的水質(zhì)樣品，當(dāng)試驗第60 min時，關(guān)閉供水閥門并加密地表徑流和壤中流的監(jiān)測和采樣，直到地表徑流、壤中流均結(jié)束溢流時，試驗結(jié)束。

2) 水質(zhì)檢測

1.5 評價方法

1) 濃度削減率

選取濃度削減率指標(biāo)評價生態(tài)護(hù)坡的污染物削減效果。地表徑流和壤中流的氨氮、磷酸鹽兩項水質(zhì)指標(biāo)的濃度削減率Re計算公式見式(1)(2)：

(1)

(2)

因試驗過程中流量及對應(yīng)水質(zhì)均為波動變化，計算平均濃度時按照逐時段水質(zhì)濃度值及其時段對應(yīng)的水量進(jìn)行加權(quán)平均：

(3)

(4)

(5)

式中C1t、C2t、C3t分別為入口處、地表徑流出口、壤中流出口在t時刻的濃度，mg/L；V1t、V2t、V3t分別為t時段入口處、地表徑流出口、壤中流出口出水量，L。

綜合護(hù)坡材料對地表徑流、壤中流的削減率，按照水量比例進(jìn)行加權(quán)平均，以此計算某種護(hù)坡材料對某一水質(zhì)指標(biāo)的綜合削減率，見式(6)：

(6)

(7)

3) 徑流入滲比例Ir

徑流入滲比例Ir指模擬試驗過程中，入滲形成土壤水的水量占模擬試驗入口總水量的比例，如式(7)所示，用該指標(biāo)衡量不同材料的徑流入滲能力相對大小，輔助分析水質(zhì)指標(biāo)在地表徑流削減率、壤中流削減率和綜合削減率的關(guān)系。

(8)

2 結(jié)果分析

2.1 徑流入滲比例分析

試驗結(jié)果如圖2所示，不同護(hù)坡材料徑流入滲比例差異較大，其中現(xiàn)澆綠化混凝土、生態(tài)砌塊相對較高，分別為64.6%、62.87%，5組護(hù)坡材料的平均徑流入滲比例為47.81%，試驗表明其中4種生態(tài)護(hù)坡材料的徑流入滲比例均顯著高于普通植草護(hù)坡。

圖2 不同護(hù)坡材料的徑流入滲比例比較示意

2.2 削減效果分析評價

1) 不同護(hù)坡材料對氨氮削減規(guī)律

不同護(hù)坡材料的地表徑流、壤中流的氨氮相對濃度過程如圖3所示。植物蜂巢的出口氨氮濃度呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢。其余4種護(hù)坡材料的地表徑流和壤中流的氨氮濃度變化趨勢均呈現(xiàn)前15～20 min濃度逐漸升高(充盈期)、20～60 min出口水質(zhì)濃度維持相對穩(wěn)定(平穩(wěn)期)、60 min關(guān)閉徑流輸入后出口濃度又逐漸降低(恢復(fù)期)等3個階段的過程規(guī)律。

開始溢流時，試驗開始時各種材料對氨氮的削減率達(dá)到最大，地表徑流的氨氮水質(zhì)濃度僅有輸入濃度的7%～46%，壤中流的氨氮水質(zhì)濃度則僅有輸入濃度的6%～58%。經(jīng)過15～20 min的徑流入滲，土壤含水率趨于飽和，出口濃度逐漸上升。20～60 min入流與產(chǎn)流趨于平衡，同時對氨氮的吸附也趨于穩(wěn)定。T=60 min時關(guān)閉閥門，入口流量為0，出口處流量逐漸減小，此時的出口濃度也呈現(xiàn)下降趨勢。

分析20～60 min平穩(wěn)期不同材料的氨氮濃度，在一定程度上可以代表護(hù)坡材料對氨氮的削減能力。普通植草護(hù)坡、現(xiàn)澆綠化混凝土的地表徑流濃度約為該組的入口平均濃度的0.9倍，此階段兩種材料的地表徑流中氨氮濃度相對輸入平均濃度降低了10%；同理格賓石籠、生態(tài)砌塊兩種材料的地表徑流氨氮濃度相對輸入平均濃度降低了30%～40%；植物蜂巢的地表徑流出流濃度在試驗過程中呈現(xiàn)持續(xù)上升過程，在徑流模擬結(jié)束時刻達(dá)到峰值后，濃度又迅速下降。

由圖3可知，不同材料的壤中流氨氮相對濃度規(guī)律不同，其平穩(wěn)期出現(xiàn)時間、持續(xù)時間存在較大差異。其中現(xiàn)澆綠化混凝土壤中流氨氮濃度在T=25～54 min期間維持平穩(wěn)，期間壤中流氨氮濃度比入口平均濃度降低了30%；生態(tài)砌塊壤中流在T=0～60 min期間維持平穩(wěn)，其氨氮濃度比入口平均濃度降低了35%。

圖3 不同護(hù)坡材料的氨氮相對濃度變化過程示意

按式(1)(3)綜合流量、水質(zhì)的試驗結(jié)果，根據(jù)式(6)計算不同護(hù)坡材料試驗段對氨氮綜合削減率(見圖4)。從圖4可見，不同材料對氨氮綜合削減率從大到小依次為植物蜂巢(68%)、格賓石籠(54%)、生態(tài)砌塊(41%)、現(xiàn)澆綠化混凝土(23%)、普通植草(22%)。

圖4 不同護(hù)坡材料的氨氮指標(biāo)削減效果分析示意

2) 不同護(hù)坡材料對磷酸鹽削減規(guī)律

不同護(hù)坡材料的地表徑流、壤中流的磷酸鹽相對濃度變化過程如圖5所示。試驗結(jié)果表明，與氨氮濃度變化規(guī)律類似，5種護(hù)坡材料的地表徑流和壤中流的磷酸鹽濃度變化趨勢也存在充盈期、平穩(wěn)期、恢復(fù)期3個階段。

平穩(wěn)期普通植草護(hù)坡、現(xiàn)澆綠化混凝土兩種材料的地表徑流磷酸鹽濃度比入口平均濃度降低3%～9%；格賓石籠、生態(tài)砌塊、植物蜂巢3種材料的地表徑流磷酸鹽濃度分別比入口平均濃度降低25%、37%、49%。

圖5 不同護(hù)坡材料的磷酸鹽變化示意

不同護(hù)坡材料試驗段對磷酸鹽的地表徑流削減率、壤中削減率及加權(quán)平均的綜合削減率如圖6所示。從圖6可見，不同材料對磷酸鹽綜合削減率從大到小依次為植物蜂巢(59%)、格賓石籠(43%)、生態(tài)砌塊(38%)、現(xiàn)澆綠化混凝土(13%)、普通植草(12%)。

3) 削減率的規(guī)律分析

試驗表明所研究的5種生態(tài)護(hù)坡在對氨氮、磷酸鹽的削減上呈現(xiàn)以下規(guī)律：

① 5種生態(tài)護(hù)坡對氨氮削減率均高于對磷酸鹽的削減率，并且呈現(xiàn)出地表徑流的削減率普遍小于壤中流削減率，土壤所起到的吸附降解作用更加顯著，因此，提高材料的入滲強(qiáng)度、增加入滲比例，在一定程度上可以增加護(hù)坡材料對氨氮、磷酸鹽的削減作用；

② 不同材料對氨氮、磷酸鹽的削減率差異較大，不同材料的壤中流對氨氮、磷酸鹽的綜合削減率由小到大依次為植物蜂巢(68%，59%)、格賓石籠(54%，43%)、生態(tài)砌塊(41%，38%)、現(xiàn)澆綠化混凝土(23%，13%)、普通植草(22%，12%)。

4) 單位面積護(hù)坡污染物質(zhì)削減量分析

入流濃度的不同對削減率的評價會造成一定影響[20]，主要體現(xiàn)為入流負(fù)荷強(qiáng)度的增大，削減率會呈現(xiàn)降低趨勢。為此在評價綜合削減率的同時，需考慮入流流量、輸入濃度等邊界條件存在波動，推求每個試驗塊對氨氮、磷酸鹽的物質(zhì)削減量，并根據(jù)實(shí)驗塊面積，計算得到本次模擬實(shí)驗的60 min時間內(nèi)，單位面積生態(tài)護(hù)坡材料對氨氮、磷酸鹽的物質(zhì)削減量(如圖7所示)。分析表明，每平方米生態(tài)護(hù)坡材料在60 min模擬實(shí)驗中平均可以削減氨氮86 mg、磷酸鹽126 mg，其中格賓石籠每平方米削減的氨氮188 mg、磷酸鹽198 mg，格賓石籠對物質(zhì)削減量是5種材料中最高。

圖7 單位面積護(hù)坡材料對氨氮、磷酸鹽削減量示意

3 討論

蔡婧[3]等研究了柴籠、灌叢墊、植草3種不同類型的生態(tài)護(hù)坡對地表徑流的延滯作用和污染控制作用，提出植草護(hù)坡延滯地表徑流的能力不及柴籠和灌叢墊，與本次試驗結(jié)果提出普通植草護(hù)坡綜合去削減率較低、增強(qiáng)護(hù)坡入滲率有利于提高污染物質(zhì)削減率等結(jié)論和判斷基本相一致。研究結(jié)果表明：植草護(hù)坡對泥沙結(jié)合態(tài)營養(yǎng)鹽的攔截率分別達(dá)到85.93%和80.53%～85.33%，顯著高于本文試驗所得到的綜合削減率，由于入流濃度、流量控制等條件的差異，導(dǎo)致試驗結(jié)果所得的削減率存在較大差異，屬于正常情況。張文源[5]等配置了TP、NH3-N濃度分別為1.53 mg/L、7.65 mg/L的水樣，深圳“聯(lián)鎖砌塊+千屈菜”的護(hù)坡形式對流經(jīng)整個組合護(hù)坡帶后TP的削減率可以達(dá)到32%～52%，NH3-N的削減率可以達(dá)到37%～56%。從其試驗水樣濃度范圍、試驗結(jié)果去除率與筆者試驗得到的綜合削減率結(jié)果相近。從試驗方法上，筆者提出分別監(jiān)測地表徑流、壤中流的流量與水質(zhì)，解釋兩種徑流形態(tài)的削減率差異規(guī)律，可為相關(guān)研究提供借鑒。

李家科[20]等通過大量實(shí)驗深入研究了生態(tài)濾溝對徑流凈化的效果，認(rèn)為粉煤灰+沙(FS)為人工填料層的生態(tài)濾溝凈化效果最好。吳林坤認(rèn)為植物能夠改變植物根系微環(huán)境，增強(qiáng)根系周圍土壤對氮、磷的吸附作用[21]。因此，通過對生態(tài)護(hù)坡土壤基質(zhì)的改良，改善植物組合，進(jìn)一步提升生態(tài)護(hù)坡對污染物的削減效果還有一定空間。

4 結(jié)語

生態(tài)護(hù)坡作為海綿城市生態(tài)岸線恢復(fù)的一項重要指標(biāo)，對增強(qiáng)海綿城市徑流污染控制具有重要的作用。研究表明所選擇的5種生態(tài)護(hù)坡均對氨氮、磷酸鹽有顯著的削減效果，且對氨氮的削減率均大于對磷酸鹽的削減率，對氨氮、磷酸鹽的綜合削減率由大到小依次為植物蜂巢(68%，59%)、格賓石籠(54%，43%)、生態(tài)砌塊(41%，38%)、現(xiàn)澆綠化混凝土(23%，13%)、普通植草(22%，12%)。研究揭示了壤中流的削減率普遍高于地表徑流削減率的基本規(guī)律；發(fā)現(xiàn)了在維持入流濃度及流量不變條件下，生態(tài)護(hù)坡的出口濃度存在先升高—維持平衡—逐步降低3個階段。研究定量評價了不同護(hù)坡材料對氨氮、磷酸鹽的削減效果，可以為護(hù)坡材料選擇和海綿城市相關(guān)研究提供參考。