下凹式绿地对雨水径流的控制效果研究

张国庆

（上海市金山区公路管理所，上海市201599）

0 引言

下凹式绿地，作为低影响开发技术之一，是一种绿地高度低于周围地面高度的雨水管理系统的统称。狭义的下凹式绿地即指低于周边道路或地面200 mm以内的绿地。下凹式绿地由植物和填料两个部分组成，通过下渗、滞留、吸附等作用实现调节地表径流、削减径流污染物、补充地下水等目的[1]。此外，下凹式绿地还具有滞尘减噪、遏制城市热岛效应等环境调节功能[2]，并能够灵活应用于城市道路、公园、居民小区、学校等众多场景，因此在海绵城市建设中具有广阔的应用前景。

下凹式绿地对径流雨水的控制主要包括蓄滞和净化两个方面。植物种类以及种植密度的不同都会影响其发挥拦截径流雨水和吸收雨水中营养物质的作用；由于不同的填料基质对污染物的吸附、过滤效果以及渗透效果不同，因此对径流雨水的蓄滞和净化效果也不同。因此，需要全面考察下凹式绿地各组成部分在雨水调控中发挥的作用和效果，才能合理设计绿地的相关参数、准确选择效果最佳的植物、填料等，以实现设计参数的最优化。

本文通过自制装置模拟降雨，研究了下凹式绿地对地表径流的调控效果和污染物的削减效果，并从下凹深度和基质种类两个方面研究了对径流调节效果的影响，旨在为下凹式绿地的设计和应用提供参考。

1 试验材料

试验所用的细砂、椰糠、火山岩、煤渣、沸石以及鸢尾均购于南京市某园艺场；试验所用的氯化铵（NH4Cl）、硝酸钠（NaNO3）、磷酸二氢钾（KH2PO4）、葡萄糖（Glucose）、高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）均为南京化学试剂有限公司生产的分析纯药品。

2 试验设计

试验装置包括配水系统和下凹式绿地主体结构两部分，如图1所示。

图1 下凹式绿地装置

试验设计如下：

（1）分别在下凹深度为10 cm、15 cm、20 cm的下凹式绿地装置中装填一定比例混合的细砂、土壤和椰糠基质，基质高度为50 cm，表层种植鸢尾。三个装置分别在0.25 a、0.5 a、1 a、5 a的重现期，20∶1的汇流比下，按照芝加哥雨型，利用流量计每10 min调节进水流量模拟实际降雨过程并记录装置出水情况直至出流结束。

（2）在三个下凹深度相同的装置中，将细砂、土壤、椰糠分别与火山岩、煤渣、沸石按一定比例混合填入，填料高度为50 cm，表层种植鸢尾，分别命名为1#、2#、3#下凹式绿地。按照表1的污染物浓度在水桶中配制人工雨水，固定重现期为2 a，汇流比为15∶1，利用流量计每10 min调节进水流量模拟实际降雨，并从开始出水时每10 min从出水口取样并记录出水流量等直至出流结束。所取水样保存于500 mL聚氯乙烯瓶中并在24 h内完成污染物浓度测定，测定方法均依照国家标准方法[3]。

表1 试验配水水质情况

3 下凹式绿地的蓄滞效果研究

3.1 下凹深度和降雨强度的影响

如图2所示，10 cm、15 cm、20 cm三种下凹深度下绿地对雨水的蓄滞情况。从图2中可以看出，下凹深度为10 cm时，在0.5 a、1 a、5 a重现期下均产生溢流，溢流率分别为9.09%、12.66%、28.%，下凹深度为15 cm时，在1 a和5 a重现期产生了溢流，溢流率分别为2.87%、15.88%；下凹深度为20 cm时，仅在5 a重现期下产生了溢流，且溢流率仅为7.18%。相比之下，10 cm的下凹深度无法应对0.5 a重现期及以上的降雨，而15 cm和20 cm的下凹深度能够较好地应对频繁降雨事件及较大降雨。

图2 不同下凹深度下的蓄滞情况

此外，在下凹深度一定，例如10 cm时，随着降雨重现期的增大，溢流体积逐渐增大，下凹式绿地的水量削减率逐渐减小，当重现期从0.25 a增加到5 a时，水量削减率从100%减小到72.00%，所以重现期越大，下凹式绿地对径流雨水的削减效果越差。

3.2 填料基质的影响

如图3所示，填料基质不同的情况下，下凹式绿地的蓄滞效果有所不同。首先，1#、2#、3#装置在产流延迟上都有一定效果，分别为9 min、10 min、7 min，这说明火山岩和煤渣的保水性较好。三个装置的峰值削减率分别为36.1%、29.8%、48.37%，峰值延迟时间分别为30 min、20 min、30 min。此外三个装置均未产生溢流，水量削减率都为100%。所以添加了火山岩、煤渣、沸石后，对产流延迟、峰值延迟、峰值削减、水量削减都有一定改善效果，且改善效果各不相同。

图3 三个装置的蓄滞效果

4 下凹式绿地的去污效果研究

图4所示为三个下凹式绿地装置对TN、TP、COD、SS的去除效果，从图中可以看出，三个装置对总氮的去除效果差异较大，其中2#装置的去除率最高，为48%，这可能是因为试验配制的总氮由氨氮和硝态氮组成，土壤中的负电荷有利于吸附带正电荷的氨氮，被吸附的氨氮经过硝化细菌会转化为硝态氮或亚硝态氮，而煤渣可以提供硝化反应所需的碱性环境，所以煤渣对氮的去除效果较好[4]。

图4 三个装置的总氮（TN）去除效果

如图5所示，三个装置对总磷的去除效果相差不大，去除率分别为82.7%、75%和70.9%，其中1#装置总磷去除率相对较高，可能是由于火山岩的孔隙率大，比表面积大，有利于对磷的吸附[5]。

图5 三个装置的总磷（TP）去除效果

对于COD，1#和2#装置的去除效果均不太理想，去除率不超过35%，如图6所示，这可能是因为溶解性的COD是通过微生物氧化降解作用去除的，而生物降解作用与装置中的微生物数量和溶解氧有关[6]。

图6 三个装置的COD去除效果

三个装置对SS的去除效果都非常好，如图7所示，去除率均在95%左右，这主要是因为SS的去除主要以填料的物流截留为主，而实验装置中的填料中含有大量细砂，细砂对SS的过滤截留效果较好。但SS的去除容易造成填料的堵塞，有研究人员认为填料表层5.08～12.7 cm应该定期检查并更换[7]。

图7 三个装置的S S去除效果

5 结 语

通过对不同下凹式绿地装置进行模拟降雨实验，得出以下结论：

（1）下凹深度会影响绿地的蓄滞效果，下凹深度越大，溢流水量越少，水量削减效果越好。但是出于安全考虑，下凹深度不能过大，国家规定的下凹深度为10~20 cm；降雨强度对蓄滞效果也会产生影响，降雨强度越大，绿地对径流的削减率越小。

（2）不同的填料基质，对雨水径流的调控效果也有所不同，火山岩、煤渣、沸石对产流延迟、峰值延迟、峰值削减、水量削减等都有一定改善，其中，火山岩的总体改善效果较好，在2 a重现期，15∶1的汇流比下，对产流的延迟时间为9 min，峰值削减率为36.1%，水量削减率为100%。

（3）填料基质不同，下凹式绿地对污染物的削减效果也不同，实验结果表明，煤渣对总氮的去除效果最好，去除率为48%，火山岩对总磷的去除效果较好，去除率为82.7%，沸石对COD的去除率相对较高，为34.9%；火山岩、煤渣、沸石对SS的去除效果均较好，去除率在95%左右。