基于LID 理念的生态滤沟对路面径流水质处理效果的试验研究

长孙旭辉 孙国宁 林培娟

（1、西京学院 土木工程学院，陕西 西安710123 2、中国水利水电第三工程局有限公司西安勘测设计研究院，陕西 西安710000）

1 概述

伴随着城市化进程的飞速发展，城市不可渗透地表的面积比例逐渐增大，导致可渗入地下的地表径流的城市降雨转变为冲击性较强的暴雨径流，随着排水管网进入城市排水系统并最终进入收纳水体。生态滤沟[1]作为一种典型的低影响开发（LID）生物滞留技术[2]，将径流污染控制与雨水蓄滞利用有机结合，对于干旱缺水地区具有重要意义和实用价值。试验装置尺寸为：长2.5m×宽0.5m×深1.0m，对所得试验数据进行分析，研究填料的厚度、类型、组合方式、植被条件、进水污染物浓度、进水水量对生态滤沟的污染物净化效果的影响。

2 生态滤沟净化试验设计

试验装置为共有6 组长2.5m×宽0.5m×深1m 的生态滤沟，出水口设有出流池和三角堰，出流池长95cm、宽20cm、高15cm，三角堰堰高7cm 角度20°，在滤沟土层中安装有溢流导流管将溢流排出，导流管上装有400L/h 流量计。滤沟土层从下往上结构采用30cm 厚种植土、25cm 厚高炉渣/ 粉煤灰、20cm厚砾石、10cm 厚鹅卵石、植物（麦冬草+小叶女贞/黄杨）或者30cm 厚种植土、45cm 厚粉煤灰/砾石、10cm 厚鹅卵石、植物（麦冬草+小叶女贞/黄杨）。并根据大、中、小水量（模拟不同重现期的暴雨强度）、3d、9d、15d 的间隔时间和低、中、高浓度的水质设计三因素三水平的正交试验（表1）。

表1 水质水量正交试验表

试验根据西安市路面径流水质监测情况[1,3-6]与西安市暴雨强度公式[7]计算滤沟实验所需的水质与水量，试验水量采用芝加哥雨型，降雨过程模拟一场完整的降雨。采集水样从出水口出水开始，间隔10min，10min，10min，10min，10min，20min，20min，30min，30min 取水，在入口处取得原始水样500ml，低温保存以备实验。水量的测量由安装在溢流堰上的水位仪监测。并在试验室中检测水样中TN、TP、氨氮、DP、Zn 等参数的水质分析。

按照以上正交试验设计方案完成试验，分析试验数据对比6组滤沟的各水质指标的处理效果, 以此确定符合各个滤沟的最佳处理工况（试验水质和试验水量、取水间隔时间的最佳组合方案）。另外，分析对比在相同试验水质、试验水量和取水间隔时间下的6 组滤沟对不同污染参数的处理效果，得出不同污染参数处理效果最优的填料组合方案和植被条件。

计算6 组滤沟对不同污染物的去除率，建立模型，确定不同污染物的去除率与填料类型、试验水质和水量之间的耦合定量关系。

3 生态滤沟净化效果分析

通过试验分析，不同生态滤沟对于TN、TP、氨氮、DP、Zn 浓度去除率为8%～38%、38%～77%、30%～93%、24%～98%、19%～78%，DP 去除效果与填料种类、填料厚度、植被条件等无规律可循，其余参数去除效果随着进水水量、进水水质的增加而降低；增加填料厚度会明显提高浓度去除率。

滤沟对于水量消减可以达到：径流削减率、出流削减率、峰值削减率分别为：94%～100%、84.45%～95.54%、85.3%～93.25%，试验得到结果：填料种类水量削减效果由强到弱：高炉渣＞沸石＞粉煤灰；填料厚度与植被条件对水量削减率影响较小。

经过试验分析，填料处理效果由强至弱依次为：粉煤灰、高炉渣、沸石；厚度为45cm 的填料处理效果优于25cm 的填料；植被条件处理效果为：黄杨+麦冬草、小叶女贞+麦冬草。因此最佳填料组合方案为：粉煤灰、填料厚度为45cm，植物为黄杨。

4 生态滤沟净化效果多元回归统计分析及hydrus-1d 软件模拟

4.1 运用SPSS 软件中多元线性回归模型对TN 去除效果进行模拟得到：TN 浓度去除率随着填料因子、填料厚度的增加而增大，随着进水水量、进水水质的增加而减小。因此填料因子、填料厚度与TN 浓度去除率呈线性递增关系，进水水量、进水水质与TN 浓度去除率为斜率为负的线性关系，得到原始变量回归方程为y=0.093x1+0.545x2-0.338x3-0.022x4+6.559。其中，y：TN 浓度去除率，x1：填料类型，x2：填料厚度，x3：进水水量，x4：进水浓度。模拟值与实测值的差距相对不大，在模拟工况下具有一定的指导价值。

4.2 运用多元线性回归模型对TP 去除效果进行模拟，TP 浓度去除率随着填料厚度的增加而增大，随着填料因子、进水水量、进水水质的增加而减小。因此填料因子、填料厚度与TP 浓度去除率呈线性递增关系，进水水量、进水水质与TP浓度去除率为斜率为负的线性关系，得到原始变量回归方程为y=-0.166x1-0.225x2-2.830x3-0.015x4+104.208。其中，y：TP 浓度去除率，x1：填料种类，x2：填料厚度，x3：进水水量，x4：进水浓度。模拟值的残差相对不大，在模拟工况下具有一定的指导价值。

4.3 hydrus-1d 软件可以较为准确的模拟生态滤沟试验出水情况以及污染物浓度的沿程分布。如果采用较为准确的参数实测值和经验值，运用回归方程得到的模拟结果与实测值较为接近，在实际应用中有一定的价值。

5 结论

通过试验研究表明，生态滤沟对城市雨水产生的地表径流有一定的消减作用，大大降低了雨水的水量与污染问题。同时生态滤沟可作为一种典型的措施来调节雨水径流，使用LID 技术和雨水蓄滞回用技术具有较高的使用价值。在全国大力推行海绵城市的大环境下，生态滤沟可作为小范围的城市雨水的净化消纳设施为城市排水管网减轻负担。