金泽水源地径流污染源头控制技术应用

李 田，刘 勇，张佳炜，段进凯，张庭秀

(同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

太浦河金泽水源地水质的安全保障要求深入研究金泽水源地保护区雨水径流污染特征，提出具有针对性的源头、过程、末端相结合的径流污染控制策略与技术，研发适用于湖荡水源地“三高一低”特点的雨水径流污染强化调蓄净化技术。本任务的目标是研究满足金泽水源地地域特点的径流源头污染控制技术，为金泽水库的水质保护及我国南方城市水源保护区的雨水径流污染防控提供技术支撑。

1 课题研究背景与目标

《金泽水源地径流污染源头控制技术应用研究》(2017ZX07207001-03)属于《金泽水源地雨水径流污染防控关键技术研究与工程示范》(2017ZX07207001)的子课题，由同济大学承担。

金泽水源地水质受面源污染的影响不能稳定达标，超标项目以氮、磷为主，这对雨水径流的处理提出了更高的要求。与此同时，金泽水源地的地下水位高、土壤渗透性差，径流难以就地下渗，此外河网高水位对源头控制设施的出水排放存在顶托作用。本任务研究适合高地下水位地区特点的不透型径流源头控制技术，包括强化除磷与蒸发的渗透铺装、强化脱氮与除磷的干植草沟技术，其成果对金泽水源地的径流污染防治具有重要意义。

2 课题研究成果

2.1 强化除磷及蒸发的渗透铺装技术

2.1.1 水文控制与缓解热岛效应的效果

研发适用于高地下水位地区、可以防止下渗径流污染浅层地下水的不透型渗透铺装技术，用于人行道与轻载停车场。在设施底部设置防渗膜，排水管出口上弯，碎石蓄水层中设置具有结构强度的毛细吸水柱构建现场应用设施，考察实际应用条件下设施强化蒸发的效果、设施的年径流总量控制率以及污染负荷控制率。在径流不能下渗条件下，强化蒸发对提高年径流总量控制率具有重要意义。经过小试试验，对包括硅藻土、陶土、沸石和陶粒的4种材料经不同工艺制备的4种毛细柱对比各自的吸水性能、释水性能和抗压强度，确定了陶土毛细柱是新型渗透铺装较理想的水分提升材料。新型渗透铺装采用陶土毛细柱，在毛细柱面积比为1/8时可使为面层提供充足的可蒸发水分[1]。

图1 不同降雨事件下3种设施的出流情况Fig.1 Outflow of Three Kinds of Devices under Different Rainfall Events

建造了平行的新型渗透铺装(IPP)和2个传统的混凝土连锁砖(PICP)铺装现场试验设施，以普通混凝土铺装作为对照，比较3种渗透铺装在高地下水位地区的实际运行效果，并探讨新型渗透铺装的运行机制，其中PICP1与PICP2分别采用水泥稳定碎石和普通碎石作为基层结构，IPP碎石基层的通过出水管上弯形成厚15 cm的饱水区[2]。通过对2018全年实际降雨条件下3种设施的水文出流过程、典型降雨事件的出流水质控制效果以及不同季节各设施在降雨结束后设施表面的温度的连续监测，发现在可产生明显径流的69场降雨事件里，新型渗透铺装蓄水区发生溢流的事件为5次，而PICP1与PICP2设施发生底部出流的事件分别为32次和30次。没有强化蒸发措施的设施，降雨量超过10 mm时即产生明显出流，而设置了毛细柱的新型渗透铺装在降雨量小于40 mm的降雨事件中不会发生溢流(图1)，新型渗透铺装的水文控制效果显著优于传统渗透铺装(p<0.01)；在不考虑设施的净化、缓排作用的条件下，新型渗透铺装、传统渗透铺装 PICP1和PICP2在径流不能下渗情况下的年径流总量控制率分别为90.6%、40.2%和41.9%。在实际应用条件下新型渗透铺装在降雨发生后缓解城市热岛的效果可持续一周以上，而传统渗透铺装由于表面滞留的水分很快蒸发，降温效果只能维持雨停后最初的一两天(图2)；新型渗透铺装在夏季的表面温度最高比不透水路面低15.3 ℃，比PICP1和PICP2分别低15.8 ℃和14.4 ℃[3]。

图2 夏季一次降雨后7 d的设施表面温度变化Fig.2 Surface Temperature Variation of Different Permeable Pavements during 7 Days after Rainfall

2.1.2 新型渗透铺装的水质控制效果

图3 不同类型渗透铺装的年污染负荷控制率Fig.3 Annual Pollution Load Control Rate of Different Kinds of Permeable Pavements

2.2 强化除磷及脱氮的浅基质干式植草沟技术

上海及其周边地区地面高程低、地下水位高，适合此地域特点的干植草沟宜选用浅基质层不透型设计，同时将底部排水管上弯以减少汛期雨污水倒灌进入设施的风险。为强化设施脱氮除磷的效果，在植草沟基质层添加有机质和给水厂污泥，通过小试比较不同的基质组成与结构对径流脱氮除磷效果的影响。建造了应用规模的干植草沟，并进行现场试验考察浅层干植草沟对道路径流在实际降雨条件下的水文及水质控制能力，取得以下研究成果。

2.2.1 强化干植草沟脱氮效果的模拟柱

2.2.2 不透型浅基质层干植草沟处理道路径流现场

在内环高架桥下建造底部设有防渗膜的不透型浅基质层干植草沟设施，现场考察设施在实际降雨条件下对道路径流的水文控制、水质净化及污染负荷控制能力，设施面积为20 m2，服务面积比为10%，基质层厚度为30 cm，上弯的排水管在砾石排水层中形成厚为15 cm的饱水区。基质组成成分为表层土∶砂∶给水厂污泥∶发酵木屑=25∶65∶7∶3(w/w)。

2019年汛期(4月—8月)降雨充沛，不透型浅基质层干植草沟具有一定的水文控制效果。以进、出水第一个峰值为对象评价设施的峰值削减率与峰现延迟时间。设施的峰值流量比Rp位于0.2～0.8，随初始雨强增大而上升；峰现延迟比Rt的均值为1.87，设施峰现延迟效果随初始雨强增大而减小。在基质厚度为30 cm、饱和渗透速率为10.5 cm/h、服务面积比为10%的设计条件下整个2019年设施未发生过溢流，可有效控制约9 mm降雨不产生出流。设施的水量削减效果随进水深度增加而降低，不透型的底部设计阻碍了径流就地的下渗消纳，汛期(4月1日—8月31日)31场降雨事件的监测结果表明其间径流总量控制率为39.4%。

设施对重金属Zn、Pb、Mn、Cu和Cd均有良好的去除效果，平均浓度去除率分别为79.9%、74.2%、74.0%、71.4%和68.6%，对应出水浓度分别为380.4、101.3、120.7、85.8 μg/L和41.2 μg/L。浅基质厚度小未对重金属的去除效果产生大的影响，出水Cu、Zn以及Pb的浓度分别符合地表水V类水标准。

表1 干植草沟现场试验的污染物进出水浓度与质量负荷削减率[7]Tab.1 Influent and Effluent Concentration and Mass Load Removal Rate of Pilot Dry Grass Swale

上海地形平坦、地下水位高，对坡度要求较小的干植草沟适用性好，排水管上弯的浅层不透型设计可满足设施在高地下水位地区的正常运行。通过改良基质组成，添加发酵木屑和给水厂含铝污泥有效强化了设施对氮、磷的净化效果。道路径流通过设施的净化及缓排，水文与水质性能均得到很好的改善，该型植草沟与市区河道的调蓄容积结合，可共同承担起径流总量控制与污染负荷削减的任务。

2.2.3 干植草沟对道路径流中多环芳烃的去除效果

在上海地区实际降雨条件下，于2020年6月—8月监测了上海市内环高架路面径流中多环芳烃PAHs的含量以及干植草沟对道路径流中PAHs的控制效果，并探讨影响PAHs去除的因素和机制，以期为控制城市径流中PAHs对水源地的污染提供技术支撑。

监测期间采集到完整的进、出水过程样的降雨事件共有8场。根据8场降雨事件EMC均值，对设施监测期内PAHs污染负荷控制效果进行综合评价。监测结果，高架路面径流16种多环芳烃的总和∑16PAHs的EMC均值为3 996 ng/L，4～6环的高分子质量(HMW)PAHs是PAHs的主要成分，占总PAHs的78%以上，表明道路径流中PAHs主要来自于高温燃烧源；其中具有明确或潜在致癌性的6种PAHs,∑6PAHs平均质量浓度高达1 702 ng/L，是国外主要城市道路径流监测结果的4～10倍。监测降雨事件路面径流以及设施进、出水PAHs的EMC浓度分布如图4所示，其中进水指经过前置沉淀池预处理后的径流。经干植草沟系统处理后，∑16PAHs和∑6PAHs的出水分别为172.40～365.05 ng/L和9.70～99.97 ng/L，两者的平均质量浓度去除率分别达到91.73%和96.67%，达到了满意的去除效果。由于设施存在径流水量削减作用，对∑16PAHs和∑6PAHs的质量负荷去除率均高于质量浓度去除率，分别为96.18%和98.31%，本文的干植草沟对PAHs污染具有显著削减效果。苯并[a]芘(BaP)作为多环芳烃中毒性最大的一种强致癌物，对径流PAHs污染负荷的贡献率在8.37%～21.09%。我国《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)规定BaP的排放限值为30 ng/L，上海高架路面径流中BaP的浓度已超过水环境标准的10倍。经浅基质层干植草沟处理后，各次降雨设施出水BaP浓度与标准限值之间的比值均小于1，达标率为100%，说明干植草沟可有效控制路面径流PAHs排放。

注：☆表示径流和出水之间存在显著差异(p<0.05)；△表示进水与出水之间存在显著差异(p<0.05)图4 干植草沟系统不同类型水样中PAHs的EMC分布Fig.4 EMC of PAHs in Road Runoff, Influent and Effluent Samples of Dry Grass Swale System

3 研究展望

新型不透型渗透铺装不仅有效地削减了径流水量与污染负荷，还能很好地降低铺装表面在强日照时段的温度，有利于降低城市热岛效应。今后的研究方向，在于应用规模下进一步考察在找平层中添加碳源对设施脱氮效果的影响，以及面层堵塞对设施的蒸发与降温效果的影响。不透型干植草沟现场应用研究的脱氮效果低于模拟柱试验，除了现场应用试验中基质的组分配比与装填质量不易控制之外，结构较复杂的带过渡层的构造形式，建造要求与费用较高没有能应用是一个重要的原因。在对设施出水水质要求高的场合，可以开展相关的强化脱氮的应用试验。