郑州雨园对初期雨水径流污染物控制能力分析

韩卫娜， 张瑞粉，王 雅，纪思羽

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司交通设计院，河南 郑州 450003；2.郑州市碧沙岗公园，河南 郑州 450003； 3.郑州市经纬广场，河南 郑州 450003)

在海绵城市建设过程中，控制雨水径流污染是最主要目标之一[1]。随着城市化进程的加快，城市降雨过程中冲刷下垫面沉积物以及淋洗大气中的污染物，使雨水径流中含有大量的SS，COD，N，P营养物、氯化物、油和脂、农药和 PAHs(多环芳烃)等污染物。且降雨初期，雨水径流污染物浓度最高[2]，严重影响着城市水体生态环境，雨水径流非点源污染问题日益凸显，对雨水初期径流污染的控制已备受关注。生态草沟、透水路面、湿塘等作为重要的海绵设施，可以有效削减地面径流污染物，控制面源污染，且在我国不同区域城市建设中已有应用，但因地区不同其径流污染削减效果有较大差异，因此分析研究郑州市郑州雨园海绵设施对雨水径流污染物控制能力具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

郑州雨园2020年12月建成开放，位于郑州市花园路东、渠北路北，原为长途汽车站，外部人流量较大，周围景观环境较为单一，公园红线总占地面积约为14 044 m2。雨园设计年径流控制率85%，以注重资源节约，保护生态环境，因地制宜，经济适用为规划建设原则。雨园处于东风渠流域，结合公园周边用地性质、绿地率、河道水系等条件，综合确定海绵设施的类型与布局，有针对性地设置生态草沟、透水铺装、湿塘等小型、分散式海绵设施消纳自身径流雨水，高效利用现有设施和场地，将雨水控制与景观相结合；采用海绵功能设施的不同类型进行组合，在公园内体现自身海绵城市理念的特色。

参照对象文化公园位于郑州市花园路西侧，距郑州雨园500 m，园内未设置任何海绵设施，两者同属绿文广场管理中心管理范围，管护情况相似。

1.2 典型降雨选取方法

郑州属暖温带亚湿润季风气候。四季分明，雨热同期，干冷同季。随着四季更替，依次呈现春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季晴朗日照长，冬季寒冷少雨雪的基本气候特征。根据郑州气象站多年数据统计，郑州市多年平均降雨量约为640.9 mm，汛期降水占74%左右，年平均降水日数约82 d，其中达到暴雨(≥50 mm)的年平均天数约为2.0 d，大暴雨(≥100 mm)平均天数0.25 d，大雨(≥25 mm)平均天数约为5.1 d，中雨(≥10 mm)平均天数约为10.9 d，出现小雨(<10 mm)的平均天数约为63.8 d。

降雨量年际变化较大，1984年—2014年极大值出现在2003年，为953.9 mm,极小值出现在2013年，为353.2 mm,极差为600.7 mm。2015年—2021年极大值出现在2021年，为1 339.0 mm,极小值出现在2017年，为597.6 mm,极差为741.4 mm(见图1)。

降雨量季节分布不均，春季多年平均降雨量117.4 mm，夏季多年平均降雨量326.21 mm，秋季多年平均降雨量144.78 mm，冬季多年平均降雨量32.3 mm，分别占年降雨量的18.91%,52.56%,23.33%,5.20%。因此，降雨量主要集中在夏秋季，接近80%[3](见图2)。

依据图2可知，郑州市降雨主要集中在每年7月,8月份，历史统计资料显示，7月份平均降雨155.5 mm，降雨天数为11.6 d，日平均降雨量13.4 mm。因此本研究选择以7月11日降雨为研究对象，气候情况为温度25 ℃～30 ℃，南风3 级～4 级，中雨，区域降雨量为17.1 mm，且降雨形成5 mm及以上路面径流，本场降雨前2 h以上没有其他降雨发生[4]。

1.3 取样与测定方法

降雨初期时雨水径流中污染物浓度最高，极易导致城市水环境污染。依据郑州市海绵城市专项规划(2017年—2030年)目标要求，采用源头低影响开发措施，控制5 mm路面初期雨水径流污染。因此取样点选择在两个公园内相似区域雨水口，当路面形成雨水径流5 mm时，用500 mL聚乙烯瓶采集雨水样品，每个取样点落水管下端采集水样3个。将采集好的水样立即送入实验室，保存至4 ℃的恒温箱中，测定水样中SS,COD,TN,TP含量及pH值，确保24 h内测定完毕，指标测定方法见表1。

表1 测定指标与方法

2 结果与讨论

2.1 海绵设施对初期雨水径流污染物控制能力分析

2.1.1 生态草沟对初期雨水径流污染物控制能力

雨水公园生态草沟构成为表层播种马尼拉，汇水口处垫层为鹅卵石、级配碎石，厚度10 cm；文化公园未设置草沟，表层播种马尼拉，汇水口无铺设垫层。

如图3,表2所示，通过初期雨水径流污染物数据分析可知，雨园生态草沟初期雨水径流中各污染物含量均低于文化公园内正常地形形态草坪的含量，且在0.05水平上，差异显著，符合地表水环境质量Ⅳ类标准及国家水质标准，说明生态草沟对雨水径流污染物有明显的控制能力。其中，SS含量(质量浓度)为文化公园的47.6%，相对控制率达到52.4%。两个公园绿地雨水径流中COD含量均较高，可能与绿地中存在植物残体分解产物有关[5]；对比表明，雨园生态草沟中TN,TP含量较低，这是因为受到植被、气候环境等各种客观因素的影响，绿地雨水径流经过生态草沟时，因为土壤-植被的作用流速较低，并通过土壤、植物与微生物的吸附、过滤截留和转化吸收作用，可以有效去除多数悬浮颗粒污染物和部分溶解态污染物[6]。

表2 生态草沟初期雨水径流中各污染物含量差异显著性

2.1.2 透水混凝土路面对初期雨水径流污染物控制能力

雨园透水路面面层采用透水混凝土、垫层为级配碎石，级配碎石中安装滤水管；文化公园路面为不透水混凝土路面。

由图4,表3可知，路面雨水径流中主要污染物为SS，雨园透水混凝土路面径流中污染物含量均低于文化公园混凝土路面，且差异显著。其中，雨园SS含量为文化公园的5%，相对控制率达到95%，文化公园因不透水路面材料及其冲刷效应、管养车辆、人员流动等因素的影响，致使径流污染物含量远远高于选取的其他取样点，超出地表水环境质量Ⅴ类标准；而雨园在基本相同的外界环境条件下，应用新材料、技术，发挥了透水混凝土的阻滞、滤渗、吸附功能，污染物净化率明显提高，达到地表水环境质量Ⅳ类标准及以下。因此在海绵城市理念下，透水混凝土铺装系统作为一种新型的雨洪管理措施，可以有效削减初期雨水径流中的污染物[7-8]。但雨园作为新建公园，透水混凝土路面能否长时间、高质量发挥截污和吸附作用，还有待于进一步观察实验。

表3 道路初期雨水径流中各污染物含量差异显著性

2.1.3 湿塘对初期雨水径流污染物控制能力

雨园湿塘采用生物滞留池技术，其填料自上而下通常依次为覆盖物、土壤、粗砂和砾石，底部设有排水系统,周围栽植水生植物；文化公园为砖砌式池塘，塘内栽植荷花、芦苇等植物。

生物滞留池主要通过填料的过滤与吸附作用，以及植物根系的吸收作用来净化雨水[9]。由图5,表4可以看出，湿塘内生物滞留池对SS有很好的净化效果，相对文化公园控制率达到72%，这与HSIEH等[10]的研究结果相近(生物滞留池对城市综合雨水径流中TSS的去除率为29%～96%)。对COD的控制率相对达到45%，但对N,P营养性污染物去除效果不明显，诸多研究结果也表明，生物滞留池对城市雨水径流中N,P营养物质的去除效果很不稳定，这可能与填充材料的空隙大小及栽植植物的种类有关，而选择的降雨雨型也是影响径流污染物含量的重要因素。

表4 湿塘初期雨水径流中各污染物含量差异显著性

2.1.4 出水口对初期雨水径流污染物控制能力

雨园出水口雨水是经过雨水蓄水模块滤渗、沉淀后的雨水，文化公园雨水井内为雨水径流汇集雨水。

由图6,表5可以看出,经过雨水蓄水模块的雨水径流中各污染物含量均低于文化公园，且除TP外，差异显著。其中，SS控制率相对于文化公园达到95%，这是因为初期雨水落到公园表面后经过海绵设施的截污、净化，较大悬浮物和漂浮物被截留，雨水汇集并储存到模块蓄水池后，悬浮物经过自然沉淀和重力作用，沉入模块底部，从而使水澄清。COD,TN,TP含量达到地表水环境质量Ⅳ类标准及以下，因此储蓄在雨水模块中的雨水再经过雨水处理设备的过滤、消毒后，可用于浇洒路面、景观补水；也可经过蓄水池将雨水下渗，达到补充地下水资源，改善生态环境的目的。

表5 出水口初期雨水径流中各污染物含量差异显著性

2.2 海绵设施对初期雨水径流pH影响

由图7，表6可以看出,雨园初期雨水径流pH值相比于文化公园雨水径流变化值较小、差异不显著，说明海绵设施对初期雨水径流的pH值无明显影响。两个公园pH值均在7～9之间，基本符合《地表水环境质量标准》中无量纲6～9之间。

表6 初期雨水径流pH值差异显著性

3 结论分析

1)上述分析可知，郑州雨园初期雨水径流中污染物含量基本上均显著低于文化公园，pH值符合《地表水环境质量标准》，说明雨园海绵设施生态草沟、透水路面、湿塘对雨水径流污染物有很好的净化能力，其中对SS控制率相对达到78.6%，符合郑州市海绵城市专项规划(2017年—2030年)中要求的年SS总量削减率大于50%，为郑州以后海绵设施应用提供参考依据。另外，雨园生态草沟雨水径流中TN，TP含量低于透水路面、湿塘、出水口含量，这可能与生态草沟周边栽植的紫荆、西府海棠、金叶复叶槭等植物对径流污染物中N，P的削减效果有关，在今后以海绵城市理念下的园林绿化建设中，建议可选择具有此类削减径流污染物作用的苗木进行植物配置。

2)本研究是基于正常降雨而非模拟试验情况下进行的相关数据分析，且两个公园建设时间不同，科学性与误差并存；又因试验场地及条件的限制，本研究仅仅针对一次典型降雨的初期雨水径流进行检测分析，具有一定的片面性和局限性。在今后的研究中，建议以不同雨型的不同历时雨水径流中污染物含量为目标，更加深入的开展海绵城市理念下雨水径流中污染物的相关研究，为改善城市水环境提供更加科学、精准的数据参考。