生态护岸面源污染物截污效率简化计算模型*

杨 星，王 蔚

(1．江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；2．江苏省水利工程建设局，江苏 南京 210029)



生态护岸面源污染物截污效率简化计算模型*

杨 星1，王 蔚2

(1．江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；2．江苏省水利工程建设局，江苏 南京 210029)

生态护岸面源污染物截污效率的量化研究对生态护岸建设和管理具有重要的意义，为此，定义了生态护岸截污效率概念并建立了其简化计算模型，同时，利用常熟地区不同下垫面条件下的人工降雨模拟试验，进一步分析得到了模型中降雨径流污染物浓度、降雨径流含沙量，径流泥沙所吸附的污染物质量浓度的经验公式，最后应用该模型对常熟市金泾塘河道治理中拟采用的梯级潜流式生态护岸进行了截污效率计算，结果显示：利用该模型计算的新型生态护岸综合截污效率达到了75.4%，和试验数据基本一致；作为一种护岸环境效益的量化分析方法，模型的建立具有明显的工程意义。

生态护岸；面源污染；截污效率；计算模型；人工降雨试验；经验公式

生态护岸是固岸技术的一种[1-2]。在保有传统硬质材料护岸型式基本功能前提下，生态护岸加强了护岸的生态保护功能、水边景观功能、文化内涵表达功能等，即能达到削弱护岸工程对自然水体环境生态胁迫性的目的，又能很好地满足人们临水亲水的需求，更能体现一定的区域水文化内涵，符合现代治河理念，得到了广泛的研究和应用，并取得了丰硕的成果，其中在护岸材料、构造型式、植草技术、行洪影响分析等方面，尤显突出。以生态护岸构造型式为例，基于天然石材、木材、植被等的常用型式就有堆石、石笼、活木桩(live staking)、灌丛垫(brush mattress)和活枝捆垛(live fascine)等数十种[3-6]。20世纪80年代发明的三维土工网植草技术，2000年加拿大籍韩国人金博士与中国张逸阳博士共同发明研制的生态袋、各种生态砖、生态混凝土、可降解土工布等绿色材料的出现[7-9]，废弃物绿色材料加工工艺的发展[10]，以及对生态护岸行洪影响、结构安全性能等方向的深入研究[11-13]，进一步推动了生态护岸综合技术的发展。此外，生态护岸型式的多样化，还促进了以层次分析法(AHP)为代表的生态护岸优化选型技术的发展[14]。

以上研究成果显示，国内外生态护岸建设分别经过短期、长期的发展，都积累了相当的理论基础和实践经验，若只从技术应用角度来看，两者之间的差距不大，主要的存异点在设计理念上，国外发达国家更关注生态护岸的固岸抗侵蚀功能和维系河岸自然属性功能，所以侧重于生态护岸的工程材料、结构安全设计等层面。国内因为当前河流污染、生态系统退化等存在的实际问题，而更寄希望于生态护岸在河流生态系统修复、入河污染物处理等方面的建设成效，已有的研究成果，如，刘盈斐[15]通过鱼类对孔隙的选择实验，提出多孔栖息单元式生态护岸结构并研究新型生态护岸修建后的鱼类数量变化趋势；蔡婧[16]针对上海城市地表径流的水质特征，研究了生态护岸提高生物多样性的效益以及生态护岸作为滨岸植被缓冲带控制面源污染的效益研究，都是围绕这两方面的内容进行的。但是现阶段研究成果的匮乏，理论认识又远远落后于工程实践认识，导致生态护岸的生态效益、环境效益的分析与设计，更多地只是依赖定性的和经验的东西，而缺乏定量的依据，其建设成效不尽人意的实例不乏出现，这也是生态护岸建设目前面临的主要瓶颈问题。

综上，针对生态护岸在“生态修复”、“污染物处理”等方面即没有明确的建设要求，也没有规范化、标准化设计依据的现实情况，并特别考虑到降雨径流污染是河流水体污染的主要原因之一，对河流生态环境已经构成严重威胁。在污染物处理方面，虽然国外学者早在20世纪90年代初，就针对湿地、砂滤等系统提出了一些表征污染物去除率的简易方程式，但尚不能直接应用在生态护岸上，生态护岸截污效率计算模型匮乏已成为制约生态护岸设计技术发展的障碍之一，亟待进行研究。为此，定义了生态护岸的截污效率，提出了生态护岸面源污染物截污效率简化计算模型，为生态护岸环境效益定量性的分析与设计提供一种新的数学方法。

1 模型的建立

1.1 截污效率模型的初步建立

设污染物x任意计算时段Δt(s)进入护岸系统的总量为MIt(kg)，对应的护岸系统截留的污染物总量为MEt(kg)，则护岸系统Δt时段污染物x的平均截污效率P(%)可用公式(1)计算

(1)

污染物x进入护岸系统的总量MIt可以分为径流携带的可溶性部分和径流泥沙吸附的非可溶部分，按公式(2)计算

(2)

污染物x护岸系统的截留总量MEt主要受2个因素的影响，包括护岸系统截砂的能力、护岸系统截留径流中可溶性污染物的能力，可以按公式(3)计算

(3)

式中，M1t为计算时段Δt内，截砂作用截留的污染物x的平均质量(kg)；M2t为计算时段Δt内，护岸系统截留的溶在水中的污染物x的平均质量。

M1t和M2t分别按公式(4)和公式(5)计算

(4)

(5)

(6)

式中，K1t为护岸综合截砂效率(取值0～1)；K2t为护岸对溶于水中的污染物x的综合截污效率(取值0～1)；CIt为降雨径流所含溶在水中的污染物x的质量浓度(mg/L)；Cst为径流泥沙所含污染物x的平均质量分数(mg/kg)；SIt为进入护岸系统的降雨径流含沙量(kg/m3)。公式中的参数受下垫面条件、降雨强度等影响很大，下面一一讲解。

1.2CIt求解公式推导

降雨径流所含污染物浓度的大小受下垫面条件、降雨强度、降雨量、降雨频次等综合因素的影响，理论上难以直接求解，于是根据实测数据寻求经验公式成为解决的手段。为此，基于以下实际情况：①降雨对下垫面表层污染物的冲刷、稀释和溶解等作用主要发生在降雨径流形成的初期，所以尽管径流污染物质量浓度会随着降雨过程呈现出一定的随机性和波动性，但总体下降的趋势不会改变；②雨强越大，雨水对地表的冲刷作用越强，则降雨径流携带的污染物就越多。所以，一定范围内，降雨量与污染物质量浓度呈正相关关系。但是，降雨对污染物还有稀释的作用，超出一定雨强范围后，在相同的污染物累积量条件下，雨强越大，雨水对污染物的稀释作用越强，径流中污染物的质量浓度就会降低，降雨量与污染物质量浓度呈负相关关系；③水利工程上，设计降雨重现期一般≥20年一遇(与市政排水设计区别)，所以用于分析的实测数据应取较大降雨强度的情况；并通过在常熟河网地区不同下垫面进行人工降雨模拟试验，推求获得CIt经验公式(7)。其中人工降雨装置采用南京南林电子科技有限公司设计的NLJY-10：降雨高度4 m；雨滴直径分布范围为1.7～2.8 mm；有效降雨面积为4 m2；试验雨强分别选择10、20、50 mm/h；连续降雨历时120 min；检测污染物仅考虑TP、TN。

(7)

式中,α、β、γ、a、b是参数，i是降雨强度变量(mm/h)，t是时间变量(min)。

下面验证公式的合理性：

图1 径流污染物峰值计算值和实测值对比Fig.1 Compansion of calculated values and experimental values of of the peak of pollutant concentration表1 降雨径流污染物质量浓度计算公式参数Table 1 Calculation parameters for formula (7)

类别αβγabTP8.6932.3733.379.3614.40TN6.5134.1937.268.5122.50

1.3 SIt求解公式推导

降雨泥沙的产生过程包括雨滴的击溅起沙、片蚀、沟蚀以及径流搬运等过程，机理上十分复杂，理论上也难以直接求解，为此，基于以下实际情况：①降雨量越大，雨滴对地表的打击扰动作用越强，则侵蚀力越大，泥沙流失也就越多，所以高强度的降雨在径流形成初期更容易形成较大的含沙量；②径流泥沙含量随着产流过程存在一定的波动，但总体随着降雨过程的渐趋结束而呈现下降趋势；③参考一般的降雨重现期设计条件，仅考虑大暴雨情况。通过1.2节的人工降雨模拟试验，推求获得SIt计算公式如下

图2 径流污染过程计算值和实测值对比(雨强:20mm/h)Fig.2 Compansion of calculated values and experimental values of the rainfall pollution process(Rainfall intensity:20mm/h)

(8)

式中：φ、θ、ε、c、d是参数;i是降雨强度变量(mm/h);t是时间变量(min)。下面验证公式的合理性。

1)公式中的φln(θi)+ε表示径流泥沙含量的峰值，根据同一场地不同雨强下人工降雨实测峰值，试算看是否能取得最佳的参数φ、θ、ε数值。仅给出常熟金泾塘南港塘段菜地人工模拟降雨试验试算结果(图3，φ=3.20,θ=14.14,ε=-8.30)，显示：①计算的径流泥沙峰值和实测数据吻合良好；②降雨强度较低阶段，峰值增长很快，随着降雨强度的不断增大，增长趋势逐渐减缓，与试验结果相似；③当i<0.95时，计算峰值<0，此时径流泥沙含量计算值已经没有工程意义。

图3 径流泥沙峰值计算值和实测值对比Fig.3 Compansion of calculated values and experimental values of the peak of sediment concentration

2)公式(0.01ct+d)3表示径流泥沙变化趋势，乘上已经确定的峰值，则可根据不同雨强下人工降雨实测泥沙含量过程，试算看是否能取得最佳的参数c、d值，使得按公式(8)计算出的径流泥沙含量变化过程相似于实测数据。仅给出常熟金泾塘南港塘段菜地人工模拟降雨试验试算结果，且仅考虑20 mm/h降雨过程(图4,c=-0.33,d=1.05)，计算的径流泥沙变化过程和实测数据拟合度好，显示了公式(8)的适用性和合理性。

图4 径流泥沙计算过程和实测过程对比Fig.4 Compansion of calculated values and experimental values of the sediment concentration process

1.4 Cst求解公式推导

降雨径流形成过程中，土壤中的一部分污染物质溶解于水中，由地表径流运载汇入河道；另一部分非可溶性污染物，直接通过径流泥沙载体运输汇入河道，成为潜在的污染源。将人工降雨试验区域随机采集的土样，参照相关检测规范进行前处理，之后作为待检测土样：①各取少量待检测土样做土壤TP、TN的检测；②各取100 g待检测土样，分别加入500 mL蒸馏水，用玻璃棒充分搅拌(图5)，最大释放土壤中的可溶性污染物，之后检测水中的TP、TN值；③所得结果按公式(9)分别计算土壤污染物TP、TN中各自可溶性部分占比，结果参考表2。

表2 试验区土壤TP和TN可溶性部分占比Table 2 Ratio between soluble TP and TN in the soil

图5 土壤污染物中可溶性比例试验Fig.5 Soluble contaminant test in the soil

(9)

式中，ξ为土壤某种污染物中可溶性部分所占的百分比(%)；M土C土为土壤某种污染物质的质量(mg)，其中,M土为土壤质量(kg，本例为0.1 kg)，C土为土壤中某种污染物质的质量分数(mg/kg)；V水C水为水中某种污染物质的质量(mg)，其中V水为水体体积(L，本例为0.5 L)，C水为某种污染物质的质量浓度(mg/L)。

以上结果显示：①试验区土壤污染物质的可溶性部分占比稳定在一定的范围内；②试验区土壤总的污染物质中，可溶性部分仅占到1%左右，其余不可溶性部分占到90%左右，也间接说明了对径流泥沙拦截的重要性。所以，可以将Cst表达如公式(10)，是合理的。

(10)

1.5 截污效率模型的说明

综上，将CIt的表达式(7)、SIt的表达式(8)、Cst的表达式(10)带入公式(6)，同时，通过试验、经验公式等可以确定系数K1t、K2t数值，则可求得护岸系统的综合截污效率P。需要说明的是：①生态护岸环境效益定量分析缺乏足够的理论基础和研究成

果，所以其截污效率计算公式建立在经验公式推导基础上；②水利工程上的设计降雨重现期较大，本节所分析的各类公式一般适用于一定暴雨等级的情况；③公式中主要系数的确定，还需要针对不同地域不同土地利用形式，在下一阶段展开进一步的试验研究，最终给出系数查算图表。

2 生态护岸截污效率计算模型实例应用

因建设单位和设计单位可研需要，对常熟市金泾塘河道治理中拟采用的一种新型生态护岸-梯级潜流式生态护岸(参考图6)进行截污效率计算。其截污设计思路参考了土壤渗滤和潜流式湿地污水处理技术，不仅在其内部构筑了砂石填料和梯级跌水坎，还在外部构建了截雨沟和生态袋，其中截雨沟即用于输送降雨径流进入砂石填料，又兼顾沉砂截污的作用；连续设置的梯级跌水坎则是为了增强砂石填料去污效果，即一方面利用其阻水作用，增大污染物的水力停留时间，一方面利用坎槽的蓄水作用，提供可吸附污染物的微生物生存或维持微生物活力的富含有机质的水体环境；砂石填料则具有比较有效的渗滤截污作用；生态袋上生长的植被也用于截污作用。

图6 梯级潜流式生态护岸断面结构Fig.6 Cross-sectional structure of the ecological riverbank

以TP为例，20 mm/h设计降雨强度条件下，参考已有的前期试验成果[17]，梯级潜流式生态护岸综合截砂效率K1t=0.83，对溶于水中的TP的综合截污效率K2t=0.21，另外CIt、SIt、Cst分别按公式(7)、公式(8)、公式(10)计算，其中主要系数参考表1，计算成果参考图7,梯级潜流式生态护岸综合截污效率为75.4%，与试验结果基本一致[17]，为生态护岸的合理规划和科学设计提供了数据支撑和定量分析方法。

图7 梯级潜流式生态护岸综合截污效率Fig.7 Efficiency of pollutant elimination of the ecological riverbank

3 结论与展望

从环境效益角度，生态护岸还停留在经验设计阶段，缺少定量分析的数学方法，为此，本文进行了生态护岸面源污染物截污效率简化计算模型的研究，主要结论与展望如下：

1)提出了生态护岸截污效率的概念，分析推导了其计算模型。同时，通过开展常熟河网地区不同下垫面条件下的人工模拟降雨试验，进一步分析得到了模型中降雨径流污染物浓度、降雨径流含沙量，径流泥沙所吸附的污染物质量浓度的经验公式，为生态护岸的规划和设计提供了定量分析的数学方法。

2)利用生态护岸截污效率计算模型，对常熟市金泾塘河道治理中拟采用的一种新型生态护岸-梯级潜流式生态护岸进行了截污效率计算，为金泾塘河道治理的相关建设单位和设计单位提供了必要的数据参考。

3)文中推求的生态护岸截污效率计算模型中的主要参数仅适合常熟地区，其它地区的适宜参数获取尚需要经过进一步的试验，以参数查算图表的形式给出，以方便今后使用。

4)总的来说，生态护岸截污效率简化计算模型建立过程依据的实测数据以及一般性的降雨面源污染规律，是主要针对中小河流的，对于较大河流情况，还有待进一步分析其合理性。

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Simplified Calculation Model of Non-Point Source Pollution Removal Efficiency by Ecological Embankment

YANGXing1,WANGWei2

(1. Jiangsu Hydraulic Research Institute, Nanjing 210017, China;2. Jiangsu Water Conservancy Project Construction Bureau, Nanjing 210029, China)

Quantitative study of non-point source pollution removal efficiency is of significance in effective management of ecological embankment construction. Therefore, this work put forward a new concept of pollution removal efficiency of ecological embankment and the simplified calculation model. Meanwhile, several empirical formulas of key variables in this model were deduced based on the rainfall simulation tests under different ground cover in Changshu City, including pollutant concentrations in runoff water, sediment concentrations in runoff water and pollutant mass concentrations of sediment in runoff water. As one case study for the ecological embankment with a gradient and subsurface treatment system used for Jinjingtang River in Changshu City, the results showed the comprehensive pollution removal efficiency could reach 75.4%, which was in good agreement with experimental data. As a kind of quantitative analysis method of environmental benefits of ecological embankment projects, the establishment of the model had obvious engineering significance.

ecological embankment; non-point source pollution; pollution removal efficiency; calculation model; rainfall simulation tests; empirical formula

10.13471/j.cnki.acta.snus.2015.05.018

2015-03-11

江苏省水利科技资助项目(2012064)

杨星 (1978年生)，男；研究方向：水资源与水环境、港口、海岸及近海工程;E-mail: ydaxue@163.com

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0529-6579(2015)05-0090-06