生态植草沟对降雨径流污染物去除率试验分析

巴 诺

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)

1 生态植草沟技术发展

生态植草沟技术起源于欧美国家，是针对城市面源污染治理的一项重要技术成果[1]。生态植草沟不仅能控制面源污染，自身也具有景观功能[2]。在当前海绵城市建设的新理念之中，生态植草沟技术也被看作为泥沙与污染物的主要“过滤器”[3]。在20世纪90年代，欧美等国家学者开始致力于城市面源污染治理技术的研究[4- 8]，通过总结城市面源污染的运移规律，分析出城市面源污染治理的最佳措施，其中生态植草沟被认定为其中最为主要的一项措施[9]。在一些发达国家，生态植草沟得到广泛的认可和应用[10]。我国对于生态植草沟的研究起步较晚，属于初步发展阶段，而随着生态文明逐步成为研究的热点和焦点，海绵城市新理念得到国内学者的广泛关注[11- 15]，生态植草沟技术也被逐步引入国内，在一些发达城市得到应用，但是由于不同生态植草沟类型不同，其污染物去除效果不同，适合应用的区域也不同，为此本文结合试验小区，通过降雨径流观测方式，对不同植草沟类型下的污染物去除效率进行分析，从而提出适合于不同区域的最优植草沟类型。

1.1 生态植草沟定义

生态植草沟是指具有景观植被功能的城市沟渠排水系统，如图1所示。当城市降雨径流以较低的流速通过生态植草沟，受到植草沟植物截留、植物过滤以及渗滤的综合作用，使得径流中携带的污染物得到有效去除。生态植草沟可以在居民生活区、商业区以及公路排水系统中进行应用，道路旁边的排水系统可以对传统的雨水口和排水管口进行有效代替，由于生态植草沟内的颗粒态的污染物可以看见，因此其可以解决传统雨水管道和污水管道混合在一起的问题，生态植草沟结合有效的管理措施，提前截留和去除最终进入纳污水体的污染物。生态植草沟可在最佳管理措施和可持续排水系统中同其他措施进行联合运行，收集雨水的同时，达到水体净化的效果。

图1 生态植草沟效果

1.2 生态植草沟类型

按照城市降雨径流在生态植草沟能运移的方式，可将生态植草沟划分为三种类型，第一种类型为渗透型植草沟，该类型植草沟范围较广且草类高度较低，可将雨水汇集区的径流引导和运输到其他管理措施中，这类型生态植草沟适用于高速公路排水系统以及居民密度较小的生活区、工业及商业区。第二种类型为表流型植草沟，该类型植草沟植被覆盖较密，覆盖有人工进行铺设的过滤层，并其底部铺设排水系统，提高其排水性能，该类型植草沟适合高速公路两旁的排水系统。第三种生态植草沟类型为干植型植草沟，这类型植草沟通过定期的割草，可以保持植草沟内的干燥程度，适合于高密度的居民生活区。

2 生态植草沟方案设计

(1)曼宁系数的确定

曼宁系数对于生态植草沟设计十分重要。不同下垫面其曼宁系数不同，需要采用综合方法进行确定，结合大量的工程实例对其曼宁系数进行综合计算，计算方程为：

n=(n0+n1+n2+n3+n4)×m3

(1)

式中，n—生态植草沟的综合曼宁系数；n0—采用的主要过滤材料的曼宁系数；n1—植草沟不规则形状的曼宁系数；n2—植草沟过水断面的形状系数；n3—与径流控制以及污染物截留相关装置的系数；n4—生态植草沟相关植被的系数；m3—植草沟弯曲程度的系数。本文对各系数的取值进行了界定，见表1。

(2)生态植草沟流量设计值的确定

对进入生态植草沟渠内的降雨径流量进行分析，计算方程为：

Q=ψ·i·F·10-3

(2)

式中，Q—设计径流，m3/s；ψ—综合径流系数；F—集水面积，m2；i—设计雨强，mm/h。

(3)生态植草沟水力学计算

结合生态植草沟的设计形状，结合水力学公式计算生态植草沟的设计长度以及水流的深度，计算方程为：

(3)

式中，V—断面流速的平均值，m/s；A—生态植草沟横向断面的面积，m2；R—水力学半径；i—纵向坡降，%；n—曼宁系数。其中水力学半径的计算方程为：

表1 生态植草沟各项曼宁系数的取值

(4)

式中，P—湿周，其他变量含义同方程(3)中变量含义。在水力学计算的基础上，可以对其生态植草沟的设计长度进行计算，计算方程为：

L=60Qt/A=60Vt

(5)

式中，L—生态植草沟的设计长度，m；t—水流滞留的时间，min。

3 试验小区测定方案

3.1 试验小区概况

以辽宁东部区域某小区作为观测试验小区，辽宁东部属于雨量较为充沛的区域，且植被覆盖度较高，降水主要集中在夏季的7—9月份，试验小区的占地面积为66.5m2，试验小区内有较为完善的降水径流排水系统，区域内主要为居民生活区和部分商业街区。集水区域内污染物主要来源于降雨冲刷所携带的固体颗粒物(TSS)、溶解态氮(TN)及溶解态磷(TP)。

3.2 试验滞留系统

本文主要按照生态植草沟的类型，布置三个主要的试验小区，整个试验小区地势为东部高西部低，总体坡度为5%，在试验小区的布设一个截雨沟进行雨量的收集，试验小区的植被通过1年时间的培育，植草沟的植被高度在13～26cm之间，基本没有裸露的土壤表层，整个沟段的形状为圆弧，渠沟顶部的宽度在1.0～2.5m之间，植草沟底部均低于附近地面区域0.4m，植草沟底部的纵向比降为1.5%，在试验植草沟附近建设有2处滞留渠，滞留渠附近种植有景观植物，两边采用生态护坡方式进行处理，在雨水管的顶部设置有过滤网，主要用于拦截树叶、以及杂草等体积较大的固体垃圾，在试验时及时对雨水管附近的杂物进行清理，以免堵塞试验雨水管。

3.3 试验样品采集与测定

对于试验小区的观测主要集中在2016年—2018年的4场典型降水，各典型降水主要特征见表2。径流观测的主要方式通过雨水沟汇集后才有三角堰的方式进行量测。降雨产流后立即开始进行水样的采集，在降雨初期的前10min内每次间隔5min进行一次水样的采集，后期50min后，每次间隔10min进行一次水样的采集，后续水样的采集根据径流变化在20～40min内进行波动，并同时监测排水口的流量，所有水样采集完成后，进行密封处理，进入水样化验室进行测定，各水样中的污染指标TSS、COD、TN以及TP均采用相关标准方法进行试验测地。

表2 各场地降水的主要特征值

4 试验成果分析

4.1 不同生态植草沟各场次降水污染物浓度变化

对三个试验观测区各生态植草沟类型下4场典型降水下的污染物浓度进行分析，分析结果如图2—4所示。

从图中可看出，在不同生态植草沟类型下，在降雨产生径流的初始阶段，各污染物指标的浓度均较高，随着降雨时间的增加，各污染物的浓度逐步下降，其中渗透型植草沟的浓度变化幅度最大，其次为表流行植草沟，干植型生态植草沟的变化幅度最小。植草沟对TSS的去除主要是通过土壤及植被的过滤和吸附作用，通过拦截和沉淀进行去除，而受到降雨影响，径流中的磷主要以固态形式存在，大多数的固态磷主要吸附在TSS上，并随着TSS的去除而得到有效拦截和过滤。植草沟对于COD的去除主要是通过土壤和土层内的生物膜进行吸附和

图2 渗透型生态植草沟下污染物浓度变化

图3 表流型生态植草沟下污染物浓度变化

图4 干植型生态植草沟下污染物浓度变化

降解，并通过植物的根系进行有效的吸收，从而达到去除的效果。而对于TN则是由于植物沟土壤基质具有较好的正离子吸附性，增强了土层的微生物对TN较好的去除效果。从各生态植草沟浓度变化可看出，各植草沟类下各污染物浓度变化较为相似，主要污染物去除基本发生在降雨开始后的30～40min内，当降雨径流时间过短，会使得各种污染物去除效果不佳，因此因尽量增加植草沟的水力滞留的时间，提高不同类型植草沟的拦污效果。

4.2 不同生态植草沟污染物相关分析

对不同生态植草沟类型下各污染物的相关性进行分析，分析结果见表3—5。

表3 渗透型生态植草沟下污染物相关性分析结果

表4 表流型生态植草沟下污染物相关性分析结果

表5 干植型生态植草沟下污染物相关性分析结果

从污染物指标和降雨时间的相关性分析结果可看出，各污染物均与降雨的时间长度呈现负相关性变化，固体颗粒物TSS与其他三项指标呈现正相关性变化，其中TP与TSS的相关系数最高，这主要是因为TP在降雨径流中大部分以固态形式吸附在固体颗粒物的表面，因此其和TSS的相关性最高。TN与TSS的相关性较低，这主要是因为TN中各形态氮主要以溶解形式存在，大部分以径流为载体，在固体颗粒物TSS表层吸附较少，因此相关性较低。降雨径流中各项指标与TSS的相关系数都较高，均在0.7以上。综上可分析，城市面源污染与降雨径流冲刷产生的固体颗粒物之间有着较为直接的关系，通过生态植草沟可以有效拦截固态颗粒物上吸附的污染物指标，通过有效拦截径流量，可以有效降低进入雨水管的TN污染指标，从各类型生态植草沟下污染物相关系数对比可发现，就相关性高低排序，渗透型生态植草沟>表流型生态植草沟>干植型生态植草沟。

4.3 生态植草沟长度对污染物去除率的影响

植草沟的长度是其设计的重要参数，为此本文对不同生态植草沟类型其长度与污染物的去除率进行定量分析，分析结果如图5—7所示。

从图中可以看出，生态植草沟的长度对各污染物去除效率产生直接影响，其相关度均高于0.5，相关性较高，其中各类型生态植草沟类型下植草沟的长度与TSS的去除率相关程度均最高，其对TSS的去除效率影响最为明显，COD与其长度的相关性相比于其他指标均最低，其受到长度影响相对较弱，这主要是因为溶解态的污染物很难在较短的时间内得到有效去除，从其相关性分析也可分析出植草沟长度是提高各类型生态植草沟污染指标去除效率的一个重要因子。一般而言，70%的污染物主要在植草沟的50～65m之内可以得到有效去除，为能提高其去除效率，建议植草沟的长度设计值不小于35m，从而保障水力滞留的时间，以取得最优的污染物去除效果。

4.4 不同生态植草沟污染物去除率综合对比

对不同生态植草沟类型的污染指标的去除率进行了综合对比分析，分析结果见表6。

从各污染物的综合去除率对比结果可看出，渗透型生态植草沟去污效果最佳，各污染指标去除率均在60%以上，该类型植草沟主要是铺设了过滤层，并且使得排水、过滤、水力滞留能力均得到显著增强，因此该类型生态植草沟的污染物综合去除

表6 不同生态植草沟类型下污染物综合去除率对比

图5 渗透型生态植草沟长度与污染物去除率的相关性分析结果

图6 表流型生态植草沟长度与污染物去除率的相关性分析结果

效率最高，由于占地面积较小，边坡较低，因此适合于密度不高的居民区及商业区。表流型植草沟整体去污效果不如渗透型植草沟，各污染物指标去除效率在50%～60%之间，表流行植草沟增加了水力滞留的时间，提高径流拦截效果，使得其TN的去除效果得到不同程度的增强，而由于植被覆盖较密，且覆盖有人工进行铺设的过滤层，并其底部铺设排水系统，从而提高其排水性能，该类型生态植草沟适合于公路交通区域；干植型植草沟污染物去除效率最低，这主要是因为该类型植草沟水流滞留时间较短，因此污染区去除的效率总体低于其他两种生态植草沟，这类型植草沟由于可通过定期的割草来保持植草沟内的干燥程度，因此适合于密度较高的居民生活区。

5 主要结论

(1)为能提高生态植草沟各污染指标的去除效率，建议植草沟的长度设计值不

图7 干植型生态植草沟长度与污染物去除率的相关性分析结果

小于35m，从而保障水力滞留的时间，以取得最优的污染物去除效果。

(2)水力滞留时间可明显提高污染物的去除效果，建议在植草沟设计时，渗透型生态植草沟水力滞留时间应尽量控制在10～15min，而表流型植草沟应控制在15～20min，干植型植草沟应控制在13～18min之间。

(3)本文未对生态植草沟对重金属、多环芳烃等特殊污染物去除效率进行分析，存在不足，在以后的研究中还应加入更多的污染物指标进行分析。