雨水花园水力传导度的衰减过程及其防治措施研究

党振国， 蒋春博,2， 李怀恩,2， 汤海川， 饶茂郅， 宋凯歌

(1.西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安 710048； 2.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室， 陕西 西安 710048 )

1 研究背景

城市雨水径流具有随机性、非连续性、污染波动大、难控性强等特点。雨水花园作为一种典型的雨水源头减排技术，能够极大地削减径流峰值、控制径流总量和径流污染，可有效缓解城市内涝与水资源短缺的矛盾。随着雨水花园运行时间的延长，来水水力与污染负荷、介质类型和特性、运维管理水平等因素均会影响设施运行效能，其中，填料堵塞是导致雨水花园水力传导度降低，使其逐渐失去径流调控能力的主要原因[1-2]。

从宏观特性的变化来看，填料堵塞导致水力传导能力衰减的过程大致可以分为3个阶段：第1阶段渗透系数呈减小趋势，但与初始渗透系数相差不大；第2阶段堵塞物开始积累，渗透系数大幅减小；第3阶段出现明显堵塞现象，渗透系数的减小趋于平缓[3]。引起雨水花园填料堵塞的原因比较复杂，植物、微生物、有机质含量等均会在不同程度上对其造成影响，在不同的水力负荷下，雨水花园的处理能力也不同。借鉴类似生态处理系统研究结果，熊佐芳等[4]认为较大和较小的水力负荷不容易引起人工湿地填料的堵塞，原因是高负荷下冲刷作用增强，可以延缓生物膜的生长速度，而低负荷进水中污染物含量较少；Guan等[5]研究发现高水力负荷下，土壤渗滤系统堵塞的风险较低；叶超等[6]认为在进水水力负荷合理的情况下，人工湿地堵塞主要是由进水中的固体悬浮物(suspended solid， SS)和有机物等引起；单蓓蓓等[7]通过在不同水动力条件下进行回灌试验得出：渗流速度越大，悬浮物运移造成的堵塞范围也越大，且悬浮物颗粒主要在填料表层沉积，对深部填料的渗透系数影响较小；Chazarenc等[8]研究发现，在人工湿地运行未达到平衡时，生物降解能力较弱，填料孔隙中堆积了大量有机物，使填料中微生物的活性增强，其分泌的大量胞外聚合物形成生物膜而造成填料堵塞。不同填料之间的差异性也会导致堵塞的发生，从而影响填料的水力传导能力。孔令伟等[9]发现填料为砂土的渗滤系统中细粒含量的大小对其渗透系数影响很大；牟春梅等[10]发现当软土填料中有机质的含量为1.74%时，其渗透性能最好。另外，进水以及填料中的部分阴阳离子在填料孔隙中发生化学反应产生沉淀和胶体，这些生成物进一步絮凝会形成堵塞；填料中的微生物在系统表层增殖会大大减小填料的渗透系数，且随着微生物自身的生长繁殖，填料中的孔隙体积逐渐被占据也会造成堵塞。目前关于植物对填料堵塞的影响还存在不同的观点，有学者认为植物能够延缓堵塞，植物的根部可以疏通填料，为水流提供更大的网状空间，并且入流雨水中的有机物被植物根系吸收后能够促进植物的生长[11-12]。有研究发现，植物根系仅占填料孔隙的3.07%～4.11%，但能使填料的孔隙率普遍提高3%～44%[13-14]。但是，植物残屑会导致填料表层堵塞，而且植物根部腐烂后会产生大量有机物导致堵塞。Hua等[15]认为，早期阶段植物的根系会限制水流，后期根系的生长又会在填料中打开新的孔隙提高渗透系数。

填料作为雨水花园和人工湿地最重要的组成部分，二者的共同点是为植物的生长提供载体和营养物质，为微生物的生长提供稳定的生存环境，通过截留、吸附等理化作用去除污染物，其构成组分都是以土砂等天然材料为主，同时添加一定比例的改良剂。但两者之间也存在明显差异：在运行方式上，人工湿地长期处于水生状态，而雨水花园属于干湿交替运行；在来水水量和水质上，人工湿地主要处理生活污水、垃圾渗滤液等，水力负荷相对稳定但污染浓度大，而雨水花园用于源头雨水的径流调控，水力及污染负荷随机性强、波动性大；在设施结构上，人工湿地分为水平流、垂向流、复合流等，雨水花园一般为垂向流。因此，两者在填料配制、植物选择等方面存在明显差异，雨水花园主要选用一些孔隙率高、有利于雨水快速下渗的改良剂。目前对雨水花园的研究缺乏长期实际运行数据对其下渗能力的定量表征，本研究对已运行10 a的实例雨水花园及其周围常规绿地的来水负荷、水力传导度和纵向颗粒级配进行了测定和对比分析，旨在明确雨水花园水力传导度的衰减过程，从而制定有效的防治措施。

2 研究对象与方法

2.1 研究区域概况

研究区域位于黄河流域中部的关中盆地，属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，年平均气温为13.0～13.7 ℃，年降水量为522.4～719.5 mm。研究对象为西安理工大学校内入渗型雨水花园，建成于2011年，花园内填充天然土壤，主要用于处理与其相邻的楼屋面径流雨水，以入渗为主。雨水花园种植土深度为20 cm，面积为30.24 m2，汇流面积为604.7 m2，汇流比为20∶1。园内种植月季、南天竹、荷兰菊和三叶草等植物。周围平台为种植三叶草的常规绿地，面积约39.8 m2，接收直接降雨。该雨水花园与周围常规绿地平面布置及雨水花园结构如图1、2所示。

图1 雨水花园与周围常规绿地平面布置示意图

图2 入渗型雨水花园结构示意图(单位：cm)

2.2 试验设备与研究方法

监测仪器主要有小型气象站、液位计、单环入渗仪等。本研究中，进水和溢流水量采用薄壁三角堰进行监测和计算，水量计算方法如公式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：Q为三角堰流量，m3/s；μ为流量系数，取值为0.6；g为重力加速度，g=9.8 m/s2；θ为三角堰堰口夹角，(°)；h为三角堰的几何水头，m；V为入流或溢流水量，m3；Qi为第i时段的入流或溢流流量，m3/s； Δti为第i监测时段的时长，s。

自三角堰产生入流开始采集第1个水质样品，后续按照5、5、10、10、30、30 min的时间序列采集，单个样品体积为500 mL，于4 ℃下保存，24 h内检测完毕。水质常规监测及检测指标主要包括TN、溶解性TP、NO3—N、NH3—N、COD、SS等。分析方法如表1所示。分别统计课题组前期监测和近期补充监测的降雨类型、入流雨量、溢流场次，以及雨水花园来水、常规绿地接收直接降雨的总污染负荷量。

表1 水质样品检测分析方法

2021年8月27日，采用改进的单环入渗仪对雨水花园和常规绿地下渗特性进行监测，改进的单环入渗仪可提高内环水流的稳定性和入渗水量对水位的敏感性，保护内环地面不受水流冲刷，保证了测量精度。监测时雨前干旱期为7 d，雨水花园监测点选择入流口附近，常规绿地监测点选择与雨水花园相邻位置(图1)，每个测试点位监测3次，取其平均值。试验设备由单环入渗仪、马氏瓶、辅助设施组成，如图3所示。

图3 单环入渗仪示意图

入渗环内径、外径、环高分别为28、30、20 cm，其中10 cm埋入地下，10 cm露出地面。试验开始前，根据设定的入渗水头，计算得到内环所需要的初始水量。入渗开始时每1 min测读1次，10 min后每2 min测读1次，1 h后每5 min测读1次，当试验至马氏瓶中的单位时间供水量稳定不变时，试验停止。根据入渗时间以及马氏瓶水面的下降高度，采用公式(3)、(4)计算进入土壤的水量以及近似的饱和导水率，可获得雨水花园和常规绿地的初始、稳定下渗率，通过与运行初期下渗率对比可直观反映雨水花园水力传导能力的衰减程度。

Qt=πR2(H0-Ht)

(3)

(4)

式中：Qt为t分钟内进入内环土壤的水量，cm3；K为下渗速率，cm/min；R为马氏瓶半径，cm；H0为初始马氏瓶水面读数，cm；Ht为各时间间隔马氏瓶的水面读数，cm； Δt为入渗时段，min；A为内环的横截面面积，cm2。

雨前干旱期在雨水花园汇流区域1 m×6 m范围内收集堵塞颗粒物，充分混匀，作为雨水汇集区的代表样品。其具体步骤为：使用荷兰钻原装土壤采样器对雨水花园以及常规绿地从上到下10 cm等间隔进行垂向取样，取样总深度为100 cm。共取10个土样。土样风干后平摊去除杂质，轻轻碾压后过2 mm筛，用马尔文MS2000激光粒度分析仪湿法测量土样粒径，根据国际制土壤粒级划分标准比较不同土样中黏粒、粉粒、砂粒的含量百分比，探求堵塞主要发生的深度。

3 结果分析与讨论

3.1 污染总负荷量累积统计分析

根据研究区2011-2021年的85场降雨和入流数据以及西安市净雨数据[16]，统计出雨水花园和常规绿地该10年间小雨、中雨、大雨、暴雨的场次分别为25、32、24、4，年平均降雨量为648.1 mm，其中雨水花园产生溢流的共9场次，该9场次降雨的特征值见表2(统计年限为2011年5月至2021年9月)。雨水花园入流雨水水质监测主要以自产生入流2 h内的初期径流雨水为主，降雨总量前20%的初期雨水，可削减污染物总量的40%～60%[17]，因此根据初期雨水的水质水量特征及其变化规律，推算雨水花园收纳的污染负荷总量。而常规绿地接收直接降雨，水质污染波动不大，因此根据净雨水质特征确定其收纳的污染负荷总量。各水质指标特征值如表3所示。

由表2可知，2011-2021年小雨、中雨、大雨分布较均匀，极端降雨比较罕见。雨水花园运行10 a期间共发生9次短暂溢流，平均径流削减率为97.8%，主要原因为本文中雨水花园的填料为西北地区典型黄土土质，具有发育良好的管状空隙，孔隙度较高，当60 min最大雨强≥11 mm时，才有可能发生溢流[18]。对比表3中雨水花园和常规绿地单位面积收纳的污染总负荷统计结果可以看出，雨水花园运行10年收纳的各类污染物量均大于常规绿地，其中主要污染物：COD相差25倍，TN相差7倍，TP相差24倍，SS相差34倍。这是由于研究区降雨高峰期多集中在7-9月份，且多为短历时强降雨，干旱期间，雨水花园汇流区域污染物不断累积，降雨时，累积污染物随着径流被冲入雨水花园。而常规绿地仅接收直接降雨，且校园周边无工业区，降雨水质较好，因此造成雨水花园收纳的污染负荷总量远大于常规绿地。长时间运行下，大量污染物在填料中不断累积造成堵塞，因此导致雨水花园填料水力传导能力的衰减程度大于常规绿地。

表2 2011-2021年研究区雨水花园产生溢流的9场降雨特征值

3.2 下渗率监测结果对比分析

对于填料而言，下渗率能直观地反映其水力传导能力以及堵塞程度。根据单环入渗仪监测数据计算出雨水花园和常规绿地不同时刻的填料入渗量以及下渗率，绘制填料入渗量及下渗率与时间的关系曲线，如图4所示。

由图4可以看出，雨水花园和常规绿地的填料入渗量和下渗速率的变化趋势基本相同。入渗开始时，雨水花园与常规绿地的填料入渗量和下渗速率相差很小，但雨水花园的填料入渗量和下渗速率在短时间内大幅减小，而常规绿地的填料入渗量和下渗速率减幅较小，随后二者的填料入渗量和下渗速率开始缓慢衰减，入渗30 min后雨水花园和常规绿地的下渗速率基本稳定，其平均值分别为23.24和216.64 mm/h，二者相差近10倍。出现这种现象是因为入渗初始阶段，二者填料表层都比较干燥，此阶段起主要作用的是填料吸力；另一方面，可利用的填料孔隙在初始阶段较多。入渗稳定以后，填料吸力作用消失，可利用的填料孔隙减少，并且由于雨水花园收纳的污染负荷总量远大于常规绿地，污染物在填料中大量累积形成堵塞，造成雨水花园和常规绿地的稳定下渗速率出现很大的差别。2011-2015年，唐双成[19]对本文所研究的雨水花园的下渗率进行了长序列监测，得出2011-2015年每年的下渗率均值分别为97.8、92.4、102.6、93.6、94.8 mm/h，可见该雨水花园运行前5 a的下渗率较为稳定，运行效果良好。但雨水花园运行10 a后的下渗率与建成初期相比衰减达5.2倍。综合目前雨水花园下渗能力与其建成初期和常规绿地的对比结果可以发现，该入渗型雨水花园已经发生较为严重的堵塞。

3.3 土壤分层颗粒级配分析

造成雨水花园填料水力传导能力衰减的物理原因主要是入流雨水携带大量颗粒污染物进入雨水花园而造成堵塞，颗粒污染物粒径的大小对堵塞的形成有直接影响。通过马尔文MS2000激光粒度分析仪对样品分析后得到汇流区域颗粒物的砂粒含量占比在70%以上，对雨水花园和常规绿地不同深度的填料颗粒级配进行统计对比，结果如图5所示。

表3 雨水花园和常规绿地入流雨水监测各水质指标特征值

图4 雨水花园和常规绿地的填料入渗量、下渗率与时间的关系曲线

图5 雨水花园与常规绿地不同深度填料各组分颗粒含量对比

由图5可以看出，在填料埋深0～50 cm范围内，雨水花园黏粒和粉粒含量占比的平均值均大于常规绿地，而砂粒含量占比的平均值小于常规绿地。这可能是因为雨水花园中种植着根系发达的万寿菊等植物，其根系深度可达30～40 cm，对填料的渗透性能有明显的改善作用[20]。在降雨初期，汇流区域的大颗粒污染物被径流雨水冲入雨水花园并在填料孔隙和植物根系孔隙中迁移，由于填料上层含有大量溶解氧，微生物生命活动能力强，使大颗粒污染物被分解，造成雨水花园填料黏粒和粉粒含量较大，并且微生物分泌的胞外聚合物形成生物膜附着在填料表面，造成填料孔隙减少；常规绿地的表层是较为稀疏的草地，无根系发达的植物，大颗粒污染物累积在填料表面，从而导致常规绿地上层砂粒含量占比大于雨水花园。在填料埋深50～100 cm范围内，雨水花园和常规绿地黏、粉、砂粒含量占比平均值基本一致。

对雨水花园不同埋深的填料颗粒级配结果进行对比分析可知，在埋深0～40 cm范围内，雨水花园填料的黏粒和粉粒含量在逐渐增加，砂粒含量在逐渐减少。这与上述分析的微生物生命活动以及根系结构有密切关系。填料埋深40 cm以下，由于植物根系无法继续延伸，溶解氧含量减少，基本处于缺氧状态，微生物生命活动变弱[21]，颗粒污染物随着水流迁移的能力也在减弱，因此这部分填料中各组分颗粒含量保持稳定。由此可以得出，颗粒污染物对深层填料的影响较小，雨水花园堵塞主要发生在埋深0～50 cm范围内。

3.4 填料堵塞机理及防治措施

目前国内外学者根据填料堵塞的原因将堵塞类型大致分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞3大类，但针对雨水花园填料堵塞的防治措施研究的较少，因此根据雨水花园自身的特点，结合人工湿地以及地下水回灌填料堵塞防治措施，提出一些针对雨水花园堵塞的防治措施，如表4所示。

表4 雨水花园填料不同堵塞类型的形成机理及相应的防治措施

由于人工湿地长期处于水生状态，因此针对人工湿地填料堵塞的修复还包括停机轮换和曝气措施，这些方法能够加快系统复氧，提高好氧微生物的活性，加速降解有机物，恢复填料通透性，但会耗费大量时间[38]。雨水花园为干湿交替运行，形成天然的停机轮换，无需耗费大量的人力及物力。曝气主要是向来水中增加溶解氧，而雨水花园接收雨水具有不确定性，因此曝气方法不适用于雨水花园。目前，雨水花园研究中缓解堵塞的一个主要方法是向填料中添加改良剂，改良剂混合填料相比于纯土填料能够缓解基质的堵塞，延长雨水花园的使用寿命。

4 结论与展望

本研究通过监测雨水花园和常规绿地现阶段的填料下渗率，得到常规绿地的稳定下渗率是雨水花园的近10倍。对比雨水花园现阶段和建成初期的填料下渗率，发现现阶段下渗率相较建成初期衰减了5倍以上，这主要是由于雨水花园收纳汇流区域的雨水中含有大量污染物，其污染负荷总量远大于常规绿地收纳的污染负荷总量，长期运行下，填料不断吸附累积污染物造成堵塞，导致水力传导能力下降和下渗率减小。分析雨水花园和常规绿地填料不同埋深的颗粒级配，发现雨水花园埋深0～50 cm填料中黏粒和粉粒含量大于常规绿地，埋深50～100 cm填料中各组分颗粒含量基本相同，并且雨水花园埋深40 cm以内填料中黏粒和粉粒的含量在随深度逐渐增加，埋深40 cm以外各组分颗粒含量基本稳定，说明堵塞主要发生在埋深0～50 cm范围内。

本研究主要从填料的污染负荷总量、下渗率和颗粒级配3个方面进行分析，明确了雨水花园的堵塞程度及水力传导能力衰减的原因，后续还有待于进一步研究填料、微生物、植物等综合因素对系统堵塞影响的交互作用，并基于资源消耗、污染物释放和运行效益等指标，建立雨水花园全生命运行周期评估的定量化方法。