河流濱岸帶坡面對降雨徑流的污染削減效應——以上海市櫻桃河為例

張 舟,鄒家唱,朱 韜,于佳欣,蔡晨冰,徐 迅

(1.華東師范大學環境科學系, 上海 200241;2.中山大學環境工程系,廣東廣州 510006)

城市河流受納的污染分為點源污染、面源污染。近年來各地已對點源污染開發出較成熟的處理技術和排放制度,而對面源污染的控制仍存在較大缺失,其中城市降雨徑流已成為城市地表水環境的第三大污染源[1]。與此同時,利用人工濕地系統、快速滲濾系統以及土壤含水層處理系統等各種處理方式進行削減城市降雨徑流污染的研究受到廣泛關注[2]。

國外自20 世紀70 年代起已開始利用各類型的綠地來蓄滲地表徑流和削減徑流污染,其中最具代表性的是美國提出的最佳管理措施(BMPs)[3],而國內對天然綠地削減徑流污染的研究起步相對較晚,且已有研究多為室內模擬實驗。針對以上問題,筆者以上海市櫻桃河為例,探究城市中的天然綠地對降雨徑流的污染削減效果并提出較優設計方案。不同坡度、覆被植物種類的下凹式綠地對城市不同功能區降雨徑流污染的削減研究還有待進一步研究[4]。

1 實驗設計與數據采集

1.1 櫻桃河基本水環境指標

櫻桃河為蘇州河末端支流,河寬約為19.2 m,水深約2 m。秋冬季節櫻桃河基本水質狀況為：ρ(NH3-N)=1.02mg/L,ρ(TP)=0.32 mg/L,ρ(COD)=78.38 mg/L, pH 值為7.50, 電導率為0.73。其中COD 污染較嚴重,水質整體評價為劣Ⅴ類。

1.2 方案設計

有關降雨污染的研究多集中于夏秋季節,為彌補研究資料缺失,實驗選擇秋冬季節。該季節氣候相對干燥,降雨不易形成徑流。經實驗檢測對比,雨水自身污染物含量不及地表徑流污染物含量的1/20,為保證實驗數量和質量,采用人工模擬方式進行。

1.2.1 模擬降雨徑流

采用自來水沖刷路面的方式模擬降雨徑流,并采集水樣,作為流經河流濱岸帶的初始水質狀況。

1.2.2 實驗樣地選取

櫻桃河的河流濱岸帶平均帶寬約為5.5 m,東岸被低矮的林叢覆蓋,坡度較陡,約55°～60°;西岸整體較為平坦,但坡度不均,緩坡約為8°,陡坡約為29°。植被群落結構包括灌木層、草本層,其中灌木層主要植物為法國冬青、六月雪,草本層主要植物為狗牙根、沿階草。土壤質地較為均一,綜合評價為壤土。

河東岸坡度較陡且多被林叢覆蓋,不利于開展實地研究;故選取河流西岸兩處不同坡度、不同植被的樣地進行研究。

1.2.3 對比實驗設置

為探究河流濱岸帶的坡面設計對降雨徑流的污染削減效果及其影響因素,設置3 組對比：①不同坡度。選取1 處約8°的緩坡,記為A 坡;另1 處約為29°的較陡坡,記為B 坡。兩處均為3m×1m 矩形樣地。②不同坡長。選取1 處5 m ×1 m 矩形試驗樣地,分別在坡長1 m,2 m,3m,4 m,5m 處設置出水采集口采樣。③不同植被。分別取相同坡度、不同植被的兩處3m×1 m 矩形樣地,在坡長為3 m 處設置出水采集口采集水樣。

1.3 水質指標測定

對收集的水樣進行pH 值, 電導率,COD, TP,NH3-N 5 項指標檢測。根據太湖水域的總體監測報告,包括蘇州河在內的上海市內河流富營養化嚴重,而櫻桃河作為蘇州河的支流,需對富營養污染源進行嚴格控制,因此將NH3-N、TP 被確定為檢測指標;參見2009 年度中國環境狀況公報,全國酸雨分布區域主要集中在長江以南-青藏高原以東地區,故將pH 值列入檢測指標;根據對實驗河流的水質監測,發現其COD 污染較嚴重,因此將COD 列為必測項目;而電導率是用來測量水質的導電性能和礦化程度,反映降雨徑流對河水自由離子濃度和礦化程度的影響,故也將其列入檢測指標。具體檢測方法見表1。

表1 目標檢測的各項水質指標及其測定方法

2 實驗結果與討論

2.1 坡度對污染物削減效應的影響

取矩形樣地最高邊的中點作為入水口,分別引導模擬降雨徑流流經A,B 樣地,在坡長2 m 處設置出水采集口進行采樣。實驗共進行8 次沖刷,每次持續10 min,每隔2 min 取樣1 次。對樣品進行水質指標測定,得到結果見圖1。

因各水樣pH、電導率均變化微小,且與受納水體情況相當,故該兩項指標影響可忽略。經計算得到, NH3-N 削減率：A 坡為65.07%, B 坡僅為11.47%;TP 削減率：A 坡為 61.43%, B 坡為36.57%;COD 削減率：A 坡為10.74%, B 坡僅為3.3%。綜上可知,較為平緩的A 坡效果更好。分析如下：①模擬降雨徑流主要受重力作用流經濱岸帶,坡度越陡,相對應的水力停留時間越短,植物吸收以及土壤基質吸附污染物的時間也較短;②陡坡上水流的重力分量較大,增加了植物攔截污染物的壓力負荷,使得水流中的污染物質不易被攔截吸附,更可能因水流沖刷導致輕微的水土流失,使土壤中的污染物進入徑流而加劇其污染程度。

2.2 帶寬對污染物削減效應的影響

取樣地最高邊的中點作為入水口,在不同坡長處(1、2、3、4、5 m)進行采樣,每1 m 處作4 組實驗,分別收集進水與出水。

以坡長1 m 處為例：0 min 時的NH3-N 濃度即為模擬降雨徑流的初始質量濃度,其后每隔3 min 采集水樣1 次,測量NH3-N 質量濃度(表2)。

圖1 不同坡度河濱帶的污染物質量濃度隨時間變化

表2 坡長1 m 處的NH3-N 質量濃度

圖2 坡長1 m 處NH3-N 的質量濃度

第4 組數據明顯偏離其他3 條線的一般趨勢,因此將其作為明顯誤差線剔除。分析可能其原因為人為誤差：傾倒模擬雨水時不均勻或速度過快,造成流經樣地的水流量瞬間增大,水流速度加快,相當于降雨強度較大的情況。較強水流將土壤中的污染物沖刷出來,造成后續采樣濃度反而偏大的情況出現。

對其他3 組求平均值,得到其NH3-N 削減率為26.61%。同理,算得1 m 處TP 和COD 削減率分別為13.52%與2.39%。其他坡長實驗結果見圖3。

圖3 各項水質指標在不同坡長處的削減率

通過比較發現,當坡長為4 ～5 m 時河流濱岸帶對降雨徑流中污染物的削減效果最佳。此時坡度為8°,坡長約為4 ～4.9 m。

2.3 植被對污染物削減效應的影響

實驗選取覆蓋度約為90%的草地與冬青地分別進行模擬實驗。草地代表植株矮小、根系不發達的草本植物;而冬青代表根系發達、機械組織強、植株緊密的蕨類和草本植物。取矩形樣地最高邊中點作為入水口,在坡長均為3 m 處設置采樣點,每隔3 min采樣1 次,共進行6 組實驗。求出兩地的平均削減效果,得不同植被對污染物的削減效果見圖4。

如圖4 所示,冬青地比草地的污染削減效果更好。相同條件下, 冬青地的NH3-N 削減率為38.90%,草地只有13.94%;冬青地的COD 削減率為36.31%,草地為29.91%;冬青地的TP 削減率為63.16%,而草地只有36.97%。

分析如下：喬灌木冬青根系較為發達,對水分和有機物質的吸收能力更強,可增強其對污染物的吸附作用;且植株緊密,機械支撐系統比草本植物更堅固,增加其抗沖擊壓力負荷以有效應對強降雨徑流,利于對污染物的攔截作用;此外因其根系對土壤的固著更加緊實,可有效減緩徑流沖刷的水土流失,減少土壤中的污染物的淋溶,優化凈化效果[5]。pH 值與電導率相對變化很小,影響可忽略。

2.4 討 論

圖4 不同植被河濱帶對降雨徑流的污染削減效果

通過本次實驗,證實了河流濱岸帶對污染程度較輕的降雨徑流削減效果顯著。任玉芬等[6]對屋面、路面、草坪的徑流水質進行了監測,比較分析發現,3 種下墊面類型的徑流水質均較差,COD、TN、TP、BOD5平均質量濃度超過地表水環境質量Ⅴ類標準。這與本實驗中人工模擬降雨徑流的污染物濃度相符合[7]。

同時從實驗數據也可得知：在不同坡度,不同坡長及植被條件下,不同污染物的削減效果差異較大。究其原因,不同污染物隨水流流經河流濱岸帶時,具有不同的削減方式：COD、TP 的削減主要依靠土壤覆被植物吸收利用、土壤基質吸附及土壤微生物分解利用;NH3-N 的削減途徑包括土壤基質吸附、基質及覆被植物的過濾、沉淀以及揮發,覆被植物吸收和土壤基質中微生物引起的硝化、反硝化作用。這些削減方式都與土壤理化性質及覆被植物特性有極大關系[8-10],削減效果都直接受到坡度、坡長及覆被植物的影響。

除上文所述,河流濱岸帶對實際降雨徑流中污染物削減效應的影響因素還有降雨量、降雨強度、降雨時間等,這些因素可引起降雨徑流在河流濱岸帶的水力停留時間及所含污染物濃度的變化。其中降雨量和降雨強度是兩個重要因素,強度越大,雨水對城市下墊面的沖刷就越強;在相同污染物累積的條件下,降雨量越大,徑流中污染物濃度越低。因此在河濱帶的建筑參數設計時,還應考慮到當地的降雨周期及降雨強度等客觀因素。

3 結 論

a.在模擬地表降雨徑流為中低污染物濃度負荷ρ(COD)=40.0 ～154.0 mg/L;ρ(NH3-N)=4.0 ～13.9 mg/L;ρ(TP)=0.5 ～2.9 mg/L)時,河流濱岸帶對其有良好的污染物削減效率,出水水質能達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅳ～Ⅴ類地表水標準。

b.在低溫少雨、中低污染物濃度的地表降雨徑流情況下,河濱帶對降雨徑流的污染削減的較優設計方案為：坡度為8°±0.5°,坡長為4 ～5 m,有類似冬青的根系發達、機械組織較強的植被覆蓋。此時模擬地表徑流平均入水水質狀況ρ(COD)=154.7 mg/L, ρ(TP)=0.55 mg/L, ρ(NH3-N)=1.19 mg/L等,出水水質：ρ(COD)=77.38 mg/L, ρ(TP)=0.29 mg/L, ρ(NH3-N)=0.69 mg/L。削減率分別為49.98%,47.27%,41.61%。出水水質達到國家城鎮污水處理廠污染物排放標準的一級B 標準。

c.在設計城市河濱帶時,若地域不受限制,盡量保持10°以下的坡度以及4 ～5 m 的帶寬;若由于地域限制不能在城市中心地帶保證4 ～5 m 的河岸坡長,應盡可能減緩河濱帶坡度(保持30°以下),同時選取類似喬灌木冬青等根系發達、機械組織抗沖擊力較強的植被,緊密栽種覆蓋河流濱岸帶,以達到相對較好的污染削減效果。

d.受限于實驗地點及其生態特征、人工模擬的誤差等因素,實驗結論適用范圍具有一定的局限性;關于影響河濱帶污染削減效果的因素,在降雨強度、河濱帶覆蓋植被等方面還需要進一步研究探討。

致謝：感謝華東師范大學環境科學系車越副教授、呂永鵬博士在實驗方案等方面的指導與論文修改方面的寶貴建議。

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