高渗透下凹绿地对自然降雨径流及污染的削减效能

李建平,林 川,韦 玮,丛海兵,蒋新跃,赵庆俊

（1.扬州市涵闸河道管理处，江苏 扬州 225000；2.扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225127）

随着城市化进程的不断加快，大量土地、农田被开发成楼房、马路、广场，本来透水的土层被混凝土、沥青、房屋覆盖。城市不透水地面增加，地面径流量增大，导致径流系数增大，道路被淹成为常态。此外，雨水径流污染已成为城市河湖主要的污染源之一[1-3]。针对这种状况，专家学者进行了大量研究，提出许多方案，如修建植物浅沟[4-5]、铺设透水路面[6-7]、修建下凹式绿地及绿色屋顶等[8-9]。其中，城市绿地作为城市生态功能的重要组成部分，应当发挥重要作用。但目前绿地多为上凸式，径流削减能力较差。而下凹式绿地蓄渗能力提高，一般做法是，下凹绿地比周边不透水地面低约20 cm，雨水口设于绿地中，雨水口高出绿地面10～15 cm[10]。地面径流从不透水地面流入下凹绿地，当绿地内积水水位超过雨水口时开始产流，雨水进入雨水管。下凹式绿地集蓄、渗功能为一体，绿地土壤孔隙、绿地地面与不透水地面高差部分的体积是绿地的蓄水量，绿地在积水条件下还能增加雨水的下渗量[11-12]。但是当土壤为粉砂、砂壤土等细颗粒时，孔隙率小，渗水效能不佳[13]。

为了提高下凹式绿地的蓄水截污能力，本文设计了3种高渗透下凹式绿地，与上凸式绿地、普通下凹式绿地进行对比，通过一个自然年的降雨产流记录，评价不同绿地的径流削减效能。同时，实验测定了径流水质，评价不同绿地的污染削减能力。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

（1）降雨产流装置

设计建造了5种绿地产流中试系统，分别是上凸绿地、普通下凹绿地、水平高渗透下凹绿地、垂直高渗透下凹绿地、组合高渗透下凹绿地。每套试验系统包括绿地和不透水地面、人工降雨装置、径流测流装置。图1为上凸绿地降雨产流装置，图2为4种下凹绿地系统结构图。

每套产流装置的绿地和不透水地面的比例按照城市常规比例确定为1∶3，不透水地面平面3×1 m，绿地1×1 m，绿地位于不透水地面一端。不透水地面采用20 cm厚C20级混凝土浇筑，不透水地面除了与绿地相邻的其余三边用混凝土埂围护，以防雨水流失。绿地用边长为1 m的无底钢板箱打入地下1 m，围护出边长为1 m的地下空间。其中，上凸绿地高出不透水地面20 cm，其上种植草皮，种植土厚度60 cm，其下为原状土；下凹绿地地面比不透水地面低约20 cm，种植黄菖蒲、旱伞草等耐水植物，种植土厚度20 cm。水平高渗透下凹绿地中间地面下埋设一道碎石垄沟，四周用土工布包裹，上填10 cm厚粗砂和20 cm厚煤渣复合土。碎石垄沟面积约占绿地总面积的25%，碎石体积0.150 m3，碎石粒径5～10 mm。垂直高渗透下凹绿地下打入3根直径0.15 m的碎石桩，深1.5 m，碎石体积0.080 m3，桩顶填10 cm厚粗砂和20 cm厚煤渣复合土。组合高渗透下凹绿地是将碎石垄沟与3个碎石桩组合，碎石总体积0.203 m3。

人工模拟降雨装置包括水箱、转子流量计和穿孔管，3根穿孔管架设于整个地面径流装置上方，穿孔管下开设一排直径2 mm出水孔。

图1 上凸绿地降雨产流装置

每个绿地的出口设集水槽收集径流，上凸绿地径流雨水流入不透水地面再流到集水槽，下凹绿地径流装置的不透水地面径流雨水先流入下凹绿地，在绿地上8 cm处设溢流口到集水槽。集水槽出口安装DN25的LXS型水表计量径流量。

（2）雨量计

采用SJ-1型虹吸式雨量计（上海气象仪器厂）记录降雨量。

图2 不同下凹绿地结构

1.2 试验方法

1.2.1 绿地降雨产流量测定

自2016年12月27日至2017年12月26日，监测一个自然年内各绿地系统的降雨径流量和降雨量。记录每场降雨前后每个绿地系统集水槽出口水表的读数，计算每场降雨的产流量。同时利用雨量计记录每场降雨的降雨量。

1.2.2 人工模拟降雨径流产污过程

（1）模拟降雨

采用扬州市暴雨强度公式计算重现期为0.3 a、0.5 a的降雨强度（L/s.ha），代表小雨和中雨；重现期为5 a的降雨，代表暴雨；降雨历时均选取60 min。中小降雨按照60 min均匀降雨，暴雨采用芝加哥雨型进行雨量分配[14]。

（2）产流产污过程记录

从城市道路上扫取路面灰尘，用40目筛过滤掉杂物。向每种绿地系统地面上抛撒30 g路面灰尘。将每次模拟降雨的总水量装入水箱中，开启出水阀门，水流经过流量计、穿孔管降落到地面，产流经过水表流出。每隔5 min记录水表读数，自每个水表出口取水样带回实验室，测定CODcr、SS TP、TN。

1.2.3 水质测定方法

悬浮固体（SS）采用称重法测定，水样用滤纸抽吸过滤，103～105℃烘干至恒重。化学需氧量（CODcr）采用重铬酸钾法测定。总氮（TN）采用碱式过硫酸钾氧化法测定。总磷（TP）采用过硫酸钾氧化钼酸盐显色法测定。

2 结果与讨论

2.1 一个自然年中不同绿地对降雨径流量的削减效果

从2016年12月27日至2017年12月26日止，记录了每场降雨的降雨量，同时记录了每种绿地系统的产流量，折算成径流深度。在记录期间共降雨48场，降雨产流记录如表1所示。

表1 一个自然年不同绿地降雨产流记录

由表1可得，在实验场地附近，一年的降雨量为890.38 mm。上凸式、普通下凹式、水平高渗透下凹式、垂直高渗透下凹式、组合高渗透下凹式绿地的产流量折算成径流深，分别为512.5、209.88 82.84、117.07、62.59 mm。与上凸式绿地相比，普通下凹式、水平高渗透下凹式、垂直高渗透下凹式、组合高渗透下凹式绿地的径流削减率分别为59.05%、83.84%、77.16%、87.79%；与普通下凹式绿地相比，水平高渗透下凹式、垂直高渗透下凹式、组合高渗透下凹式绿地的径流削减率分别为60.53%、44.22%、70.18%。上凸式、普通下凹式、水平高渗透下凹式、垂直高渗透下凹式、组合高渗透下凹式绿地年径流总量控制率分别为42.44%76.43%、90.70%、86.85%、92.97%。

（续表1）

2.2 不同降雨强度下各种绿地系统产污过程

重现期为0.3 a、0.5 a、5 a模拟降雨产流水质分别如图3、图4和图5所示。

由图3、图4、图5可知，重现期0.3～0.5 a、历时60 min的中小降雨，只有上凸绿地产生了可观的径流，降雨初期20 min内污染浓度较高且快速降低，之后浓度较低。普通下凹绿地、垂直高渗透下凹绿地产流量很少，且污染物浓度也很低。水平高渗透下凹绿地和组合高渗透下凹绿地不产流。

图3 降雨重现期0.3 a下不同绿地产污过程

图4 降雨重现期0.5 a下不同绿地产污过程

图5 降雨重现期5 a下不同绿地产污过程

重现期5 a、降雨历时60 min的暴雨，上凸绿地径流在降雨初期30 min内CODcr、SS、TN浓度较高且快速降低，TP在降雨初期15 min内浓度较高，之后浓度较低。下凹绿地在降雨开始25～35 min后才产流，且径流中污染物浓度较低。说明经过下凹绿地的沉淀截留作用，降雨径流中污染物被削减。

2.3 不同绿地系统对径流污染物的削减总量

将产污过程中各种污染物浓度分别与对应时刻的产流量相乘，得到产污总量，可计算出上凸绿地、各种下凹绿地的产污总量，进而计算出下凹式绿地相对于上凸式绿地的径流污染削减率，如图6所示。

图6 不同绿地的径流污染物总量削减率

由图6可知，在重现期0.3～5 a、历时60 min降雨条件下，与上凸绿地相比，各下凹绿地对雨水径流污染物均有不同幅度的削减，降雨强度越大，削减幅度越小。其中，普通下凹式、水平高渗透下凹式、垂直高渗透下凹式、组合高渗透下凹式绿地对COD的削减率分别为38.55%～90.96%、80.40%～100%、62.63%～96.11%、86.75%～100%；对SS的削减率分别为78.75%～91.48%、90.25%～100%85.26%～98.67%、92.49%～100%；对TN的削减率分别为22.50%～87.45%、70.08%～100%52.98%～97.74%、79.41%～100%；对TP的削减率分别为50.62%～79.17%、75.33%～100%64.27%～96.71%、82.95%～100%。

3 结论

本研究采用透水性强的材料与土层相组合，建设室外高渗透下凹绿地降雨产流系统，监测扬州市一年的降雨量和不同绿地的产流量，评估了下凹绿地对降雨径流的削减效能；模拟测定了不同绿地对降雨径流污染的截污能力。主要结论如下:

（1）在一个自然年中，上凸式、普通下凹式、水平高渗透下凹式、垂直高渗透下凹式、组合高渗透下凹式绿地年径流总量控制率分别为42.44%76.43%、90.70%、86.85%、92.97%。普通下凹式、水平高渗透下凹式、垂直高渗透下凹式、组合高渗透下凹式绿地比上凸式绿地径流削减率59.05%83.84%、77.16%、87.79%。

（2）普通下凹式、水平高渗透下凹式、垂直高渗透下凹式、组合高渗透下凹式绿地相较于上凸式绿地，对COD的平均削减率分别为69.06%93.47%、84.75%、95.58%；对SS的平均削减率分别为87.01%、96.75%、94.05%、97.50%；对TN的平均削减率分别为65.80%、90.03%、82.78%93.14%；对TP的平均削减率分别为67.82%91.78%、85.67%、94.32%。