低影响开发措施对雨水径流的控制效应

黄国如,赵晓莺，麦叶鹏

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640； 2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640； 3.广东省水利工程安全与绿色水利工程技术研究中心，广东 广州 510640；4.华南理工大学建筑学院，广东 广州 510640)

随着全球气候变化的进一步加剧和城市化进程加快，近年来我国极端气候事件频发，城市洪涝灾害和水污染问题突出，为此国家大力开展海绵城市建设，其中低影响开发(low impact development，LID)技术是其重要手段[1-2]。LID措施被形象地称为海绵体，通过建设绿色屋顶、透水铺装、生物滞留池和植被缓冲带等小型和分散式的LID措施来降低城市扩张对自然环境的影响，旨在从源头上针对高频率的中小型降雨事件中径流量和污染物进行控制。系统的实验、监测、评价对LID建设至关重要，在设置LID措施之前，需调研和收集现场的监测数据，便于确定各种LID措施的布局和实施，然后根据合适的投资规模确定LID措施组合方案。

李家科等[3-7]对生物滞留池设施和雨水花园进行了长期的径流量和污染物监测，利用试验装置研究植被条件、污染特性以及填料类型、厚度和组合方式等因素对LID性能的影响；彭跃暖等[8-11]对绿色屋顶和生物滞留池试验装置进行分析，通过连续测定气象数据来定量研究有无蓄水层的两种结构绿色屋顶或不同植被的绿色屋顶对土壤水分蒸散发的影响；Mai等[12]基于人工降雨和人工模拟径流对绿色屋顶、透水铺装及生物滞留池等多种LID措施试验装置进行试验和分析；葛德等[13]分析北京市观测数据发现在降水量分别小于10 mm、30～80 mm和大于80 mm时，绿色屋顶的径流量削减率分别等于或接近100%、低于70%及低于55%。绿色屋顶雨水径流削减率与场次降雨条件有关，随着降水量增加，绿色屋顶的雨水径流削减率降低；另外，绿色屋顶的雨水径流削减能力还随雨前干旱期延长而增强，且雨前干旱期的影响在小降雨事件中表现得更为明显[14-19]。透水铺装具有让路面雨水下渗、减少水污染、降低噪声及增大防滑阻力等优点，且透水铺装因易整体成型、可连续铺设，整体结构稳定性好，并且色彩丰富多变，广泛应用于公园道路、广场地面和人行道等，其功能的正常发挥需保证透水铺装的多孔结构具有足够的渗透性，因此有些学者对透水铺装的渗透能力和径流污染物去除能力进行了试验研究[20-25]。尽管有些学者对部分LID措施开展了一些试验研究，但对LID措施往往缺乏长期现场监测和定量分析，且各地降雨特征和土壤类型不一，LID措施雨洪调控规律可能存在一定差异，因此，本文以广州市天河智慧城透水铺装和绿地为研究对象，基于长期监测数据分析透水铺装和绿地等LID措施的雨水径流控制效应，以期为LID措施的规划和设计提供参考。

1 监测场地及方案

选取位于广州市天河区智慧城某排水区域内的一处透水铺装和绿地进行雨水径流现场监测，并在其附近一栋办公楼楼顶安装雨量计。透水铺装实际是一个停车场，整体上北高南低，但坡度较小，在透水铺装上产生的径流最终汇入南边的排水沟渠内。透水铺装面积约为1 000 m2，没有承接周边区域的雨水径流。绿地为一处坡式绿地，整体西高东低，坡度较小，所产生径流最终汇集于东边的排水沟渠内。绿地面积约为350 m2，也没有承接周边区域的雨水径流。此处的坡式绿地坡度较缓，绿地较宽，其特点类似于植被缓冲带，本文将其视为植被缓冲带。地表径流经绿地的绿色植被拦截及土壤下渗作用流速减缓，部分污染物被去除[26-27]。为能够对透水铺装和绿地产流进行实时监测，分别在透水铺装和绿地产流汇水沟渠出口处安装矩形堰流量计测量流量过程，安装在附近办公楼楼顶的雨量计则进行实时降水量监测。

为开展透水铺装和绿地所产生雨水径流水质监测，在产流之后，在流量计后端进行人工取样，并送至实验室分析水质。具体采样方案为：在降雨开始前抵达采样位置，自产流开始，于流量计后端每5 min取一个样，当径流较小时可适当延长采样间隔，直至产流结束。样品收集于2 000 mL的聚乙烯塑料瓶内，并在结束采样后及时送至实验室进行水质分析检测。径流水质监测污染物指标有6项：悬浮物(SS)、五日生化需氧量(BOD5)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)。

2 雨水径流水量控制效应分析

2.1 透水铺装

透水铺装雨水径流水量监测工作从2018年5月开始，选取2018年5月2日至10月16日共20场降雨进行分析。20180626(小雨、单峰)、20180723(小雨、双峰)、20180907(暴雨、单峰)和20181016(大雨、单峰)4场典型降雨情形下透水铺装径流过程如图1所示，20场降雨的降雨特征及其对应的透水铺装径流量削减率如表1所示。

表1 不同场次降雨的降雨特征及透水铺装径流量削减率

由表1可知，这20场降雨的降雨历时在14～159 min，降水量在7.6～90.6 mm，雨前干旱期在 0.1～6 d，降雨特征较为丰富，透水铺装的雨水径流量削减率在36.1%～86.5%。运用SPSS24.0软件分析不同降雨特征与透水铺装径流量削减率的相关关系，结果表明透水铺装径流量削减率随着雨前干旱期增长而上升(Pearson相关系数r>0)，随着降雨历时、降水量和最大雨强的增大而下降(r<0)，透水铺装径流量削减率与平均雨强的相关关系很弱(r≈0)。透水铺装径流量削减率与降雨历时呈极显著相关关系(p=0.004<0.01)，与降水量呈显著相关关系(p=0.037<0.05)。不同降雨特征与透水铺装雨水径流量削减率的关系如图2所示。

由图2可知，透水铺装径流深与降水量的拟合决定系数R2为0.958，拟合程度非常高。降雨历时、降水量与透水铺装径流量削减率的拟合决定系数R2分别为0.475 9和0.318 4，拟合程度均一般。雨前干旱期与透水铺装径流量削减率拟合程度(R2=0.206 5)不高，但通过趋势线分析可知径流量削减率总体上随着雨前干旱期增长而上升。平均雨强和最大雨强与透水铺装径流量削减率的拟合决定系数R2分别为0.000 9和0.098 4，拟合程度较低，趋势不明显。

2.2 绿地

绿地雨水径流量监测工作从2018年6月开始，选取2018年6月26日至2018年10月17日共11场降雨进行分析。20180626(小雨、单峰)、20180723(小雨、双峰)、20180907(暴雨、单峰)和20181016(大雨、单峰)等4场典型降雨下绿地产流过程如图3所示。11场降雨的降雨特征及其对应的绿地径流量削减率如表2所示。

表2 不同场次降雨特征及绿地径流量削减率结果

由表2可知，这11场降雨的历时在14～340 min，降水量在4～90.6 mm，雨前干旱期在0.1～13 d，最大雨强在0.4～2.8 mm/min，降雨特征变化区间较大，绿地的雨水径流量削减率在22.6%～93.1%。运用SPSS24.0软件分析不同降雨特征与绿地径流量削减率的相关关系，结果表明绿地径流量削减率随着雨前干旱期增加而上升(Pearson相关系数r>0)，随着降雨历时、降水量、平均雨强和最大雨强的增加而下降(r<0)。绿地径流量削减率与降雨历时呈显著相关(p=0.028<0.01)，与降水量呈极显著相关(p=0.004<0.05)。不同降雨特征与绿地雨水径流量削减率之间的趋势分析如图4所示。

由图4可知，绿地的径流深与降水量之间的拟合决定系数R2为0.981 5，拟合程度非常高。降雨历时、平均雨强、最大雨强与绿地径流量削减率的拟合决定系数R2分别为0.594 2、0.504 6和0.478 8，拟合程度一般。降水量与绿地径流量削减率的拟合决定系数R2为0.746 1，拟合程度较高。雨前干旱期与绿地径流量削减率拟合程度(R2=0.232)不高，但通过趋势线分析可知绿地径流量削减率随着雨前干旱期增加而上升。

通过对比透水铺装和绿地径流量削减率与降水量的拟合关系式，可发现在降雨较小时，绿地的径流量削减率比透水铺装的大；降水量较大时，绿地的径流量削减率则比透水铺装的小。究其原因，当降水量较小时，绿地表层植被和土壤相较于透水铺装能够更多地截留雨水径流。当降水量较大时，绿地表层土壤在前期达到饱和后，后期对雨水径流的渗透拦截作用变小，再加上绿地坡度较大，其径流更加不易蓄滞；而透水铺装的下层垫层材料的渗透能力较好，渗透能力变化不大，其坡度也较小，因而在大雨时可以削减更多的雨水径流。

3 雨水径流水质控制效应分析

由于现场水质监测工作难度较大，能够完整监测的降雨径流水质场次不多，选取2018年7月3日及2018年7月23日两场降雨径流水质的监测结果进行分析。20180703场次降雨为单峰型，其累计降水量为7.6 mm，降水量较小，最大雨强为 1.2 mm/min，雨前干旱期为1.0 d；20180723场次降雨为双峰型，其累计降水量为7.8 mm，第1个雨峰的最大雨强为1.6 mm/min，第2个雨峰的最大雨强为 0.6 mm/min，雨前干旱期为4.0 d；20180703和20180723场次降雨透水铺装和绿地的雨水径流污染物质量浓度变化过程分别如表3和表4所示。

表3 20180703场次降雨透水铺装和绿地径流污染物质量浓度变化过程

表4 20180723场次降雨透水铺装和绿地径流污染物质量浓度变化过程

由表3可知，20180703场次降雨时，透水铺装雨水径流污染物质量浓度变化不大，是因为降水量不大，在降雨的前期和后期冲刷起来的污染物变化不大，再加上透水铺装对雨水径流污染物的净化能力变化不大；绿地的雨水径流污染物在冲刷起来后，在流动的过程中被拦截和吸附，在降雨径流较小时，表现更加明显，因而其径流污染物基本上随着径流变小而降低。由表4可知，20180723场次降雨时，由于第2次雨峰的冲刷，径流中的SS、BOD5和CODMn的质量浓度又随时间增大而增大，而TN和NH3-N在第1次冲刷后残余量可能不多，所以其质量浓度逐渐降低；绿地雨水径流BOD5、CODMn、TP、TN和NH3-N的质量浓度基本随着时间增大而降低，原因可能是其在第1次冲刷后残余量不多，所以质量浓度逐渐降低。20180703和20180723两场降雨下，透水铺装和绿地雨水径流的场次降雨径流污染物平均质量浓度(EMC)和污染物负荷量等特征如表5所示。

由表5和GB 3838—2002《地表水环境质量标准》可知，20180703场次降雨下，透水铺装雨水径流的水质为Ⅲ类，而绿地雨水径流的水质为Ⅴ类，绿地雨水径流中SS、BOD5、CODMn、TN和NH3-N的质量浓度比透水铺装的高，其中SS、BOD5、CODMn和NH3-N的质量浓度差值达到50%左右，而绿地雨水径流中TP的质量浓度则比透水铺装的低51.4%。20180723场次降雨下，透水铺装雨水径流和绿地雨水径流的水质皆为劣Ⅴ类，绿地雨水径流中BOD5、CODMn、TP、TN、NH3-N质量浓度比透水铺装的高，差值在10.0%～36.2%，而绿地雨水径流中SS的质量浓度则比透水铺装的低104.9%。20180723场次降雨时的透水铺装和绿地雨水径流污染物质量浓度均比20180703场次降雨时的高，分析其原因，两场降雨的降水量接近，所处季节也相同，其主要影响因素为雨前干旱期。20180703场次降雨的雨前干旱期为1.0 d，20180723场次降雨的雨前干旱期为4.0 d，而雨前干旱期越久，地表累积的污染物越多，从而其冲刷到雨水径流中的污染物也就越多。此外，虽然各场次降雨绿地雨水径流的污染物质量浓度总体上比透水铺装的高，但是各场次降雨下透水铺装径流污染物负荷量都比绿地的大，这是因为透水铺装径流量要比绿地径流量大得多所导致的。

表5 不同降雨下透水铺装和绿地雨水径流水质特征

4 结 论

a.透水铺装径流量削减率随着雨前干旱期增加而上升，随着降雨历时、降水量和最大雨强增加而下降，透水铺装径流量削减率与降雨历时极显著相关，与降水量显著相关。

b.绿地径流量削减率随着雨前干旱期增加而上升，随着降雨历时、降水量、平均雨强和最大雨强增加而下降，绿地径流量削减率与降雨历时显著相关，与降水量极显著相关。

c.对比透水铺装和绿地径流量削减率与降水量关系可发现，在降雨较小时，绿地径流量削减率比透水铺装的大；在降水量较大时，绿地径流量削减率则比透水铺装的小。

d.20180723场次降雨时的透水铺装和绿地雨水径流污染物的质量浓度均比20180703场次降雨时的高，其主要影响因素为雨前干旱期长短，20180703场次降雨的雨前干旱期为1.0 d，20180723场次降雨的雨前干旱期为4.0 d，而雨前干旱期越久，地表累积的污染物越多，从而其冲刷到雨水径流中的污染物也就越多。