濟(jì)南地區(qū)凈化型雨水花園結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選與試驗研究

蘆昌興，李鵬程,2，宮雪亮

(1. 山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061001)

近年來，越來越多的城市面臨著雨水資源合理化利用問題。我國目前主要采用排水方式是硬地管道，在一定程度上起到了一定的作用，但硬地管道彈性較少，遇見大雨時往往不堪一擊，并不是解決雨澇和緩解污染的根本之策[1]。針對這一問題，國家提出發(fā)展海綿城市的戰(zhàn)略。雨水花園作為“海綿城市”建設(shè)低影響開發(fā)措施的重要方式，被廣泛應(yīng)用于雨水蓄滯及凈化領(lǐng)域。從水質(zhì)凈化機(jī)制上來看，雨水花園對雨水徑流中污染物的削減可以大致分成兩種：一是通過沉淀吸附作用，將污染物攔截；二是通過生物降解作用，將一些污染物徹底轉(zhuǎn)化或去除[2]。

國內(nèi)外對雨水花園的運行規(guī)律及去污凈化效果進(jìn)行了不同的試驗與研究。Laurenson[3]等通過批量測試評估了在伴有磷酸鹽的重金屬污染水的情況下，覆蓋物對重金屬的去除能力為硬木>松樹覆蓋>鋸末>壤土>硅沙。Bratiere[4]等通過一系列實驗研究表明，P的去除效果取決于雨水花園構(gòu)造填料中磷(P)的含量。國內(nèi)雨水花園文獻(xiàn)研究起步較晚，但整體呈上升趨勢，特別在建設(shè)“海綿城市”的國家政策刺激下，學(xué)術(shù)界給予積極響應(yīng)，雨水花園作為“海綿細(xì)胞體”迅速得到重視[5]。陳舒等[6]針對于影響雨水過濾水質(zhì)的雨水花園的結(jié)構(gòu)，如對濾料的厚度、排水層的厚度、填料層的填料進(jìn)行了分析與針對性試驗，李明翰[7]等研究了內(nèi)部蓄水層對生物滯留系統(tǒng)凈化水質(zhì)功效的影響，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部蓄水層能顯著提高對銅(Cu)、懸浮物(SS)、氮(N)、磷(P)污染物的去除能力。

近年來,海綿城市建設(shè)陸續(xù)在濟(jì)南開展,如何將雨水凈化并有效綜合利用對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境與海綿城市建設(shè)具有重要意義。針對于目前對雨水花園的研究選取角度單一，結(jié)構(gòu)改進(jìn)及運行模擬不夠系統(tǒng)、全面的特點，本文旨在探究雨水花園合理的結(jié)構(gòu)配置，將多因素、多水平考慮其中，運用正交試驗的方法，通過實地的運行模擬，進(jìn)行整體觀測與分析，對雨水中的化學(xué)需氧量、懸浮物、總磷、總氮等污染物進(jìn)行分析，找到適宜濟(jì)南地區(qū)的雨水花園結(jié)構(gòu)，為濟(jì)南市及類似區(qū)域低影響開發(fā)措施及水生態(tài)文明城市建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 研究方法及材料

1.1 試驗設(shè)計

正交試驗方法是根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計學(xué)與正交性原理，從大量試驗點中選取合適的 有代表性的點，再按照“正交表”安排試驗。由于正交表具有“均衡分散性”和“整齊可比性”的構(gòu)造原則，因此，按照此方法設(shè)計的試驗次數(shù)少，并且能反映客觀事物的變化規(guī)律[8]。

用正交試驗法進(jìn)行敏感性分析的最大優(yōu)勢在于:①對某一參數(shù)進(jìn)行敏感性分析時，對其他參數(shù)也做改變,得出的結(jié)論具有更廣泛參數(shù)水平上的代表性；②分析過程中建立參數(shù)不同的模型，極有可能會找到更加符合實際情況的一組參數(shù)值和模型[9]。

根據(jù)濟(jì)南區(qū)域環(huán)境氣候特點，在陳舒等[6,10-13]相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，選用四因素三水平正交試驗設(shè)計雨水花園試驗方案，具體因素及水平選取如表1所示，采用L9(34)設(shè)計正交試驗方案表如表2所示。

表1 試驗因素及水平選取表

表2 正交試驗方案表

1.2 試驗概況與數(shù)據(jù)采集

雨水花園試驗選址濟(jì)南某高校校園露天試驗場地，定做9組試驗裝置，為便于觀察及增加裝置強(qiáng)度、穩(wěn)定性，試驗裝置均采用有機(jī)玻璃制作，底部設(shè)置開孔，外接雨水管收集經(jīng)過過濾凈化的雨水，上部蓄水層頂部設(shè)有溢流孔，用于排放并收集超出雨水花園過濾凈化能力范圍的雨水，本次實驗的現(xiàn)場布置如圖1所示。

圖1 正交試驗現(xiàn)場布置圖

對各試驗雨水花園進(jìn)行清水試驗，將等量的清水分別經(jīng)過過濾層進(jìn)行過濾，對試驗各測定指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，經(jīng)過9次試驗對比，雨水花園內(nèi)部污染物指標(biāo)TN、懸浮物、COD、TP的濃度平均值分別為1.25、6.33、6.94、0.11 mg/L，與進(jìn)水中污染濃度進(jìn)行比較，清水中各污染物濃度分別為1.50、8、9.1、0.03 mg/L，各試驗樣品測定指標(biāo)濃度與原清水樣品濃度對比，均有略微降低或是變化不大，由此判定，雨水花園本身內(nèi)部各層結(jié)構(gòu)中所含污染物不會對試驗結(jié)果造成直接影響，具備開展試驗所需條件。

正式試驗采用人工降雨，模擬降雨在雨水花園中形成的“匯水-漲水-回水”完整過程。降雨雨型采用芝加哥雨型暴雨強(qiáng)度公式，如式(1)所示。

(1)

式中：Q、P、t分別表示時段平均暴雨強(qiáng)度、降雨重現(xiàn)期、設(shè)計降雨歷時；A、C、b、n均為經(jīng)驗參數(shù)。根據(jù)1992年修訂的《給水排水設(shè)計手冊》，濟(jì)南地區(qū)對應(yīng)的A、C、b、n分別取4700、0.753、17.500、0.898。設(shè)定降雨歷時t=60 min，峰值比例r=0.4時，設(shè)計暴雨重現(xiàn)期為2 a，暴雨歷時為60 min，雨水花園面積與匯水面積之比為1∶5。

相同降雨強(qiáng)度下每組試驗重復(fù)三次，最終取測試結(jié)果平均值。記錄雨水花園的初始產(chǎn)流時間，雨水出流過程中每間隔6 min記錄一次出流總量。

考慮到試驗整體完成持續(xù)時間較長，較大體積自然降雨的保存受到條件的制約，并且雨水中的污染物容易受外界干擾或是自身發(fā)生變質(zhì)等，本次試驗所用雨水采用人工配置，要求主要污染物的含量達(dá)到濟(jì)南市降雨的平均標(biāo)準(zhǔn)，并且適當(dāng)幅度的提高，以提高試驗進(jìn)出雨水的污染物濃度對比，本次試驗相關(guān)污染物濃度配比如表3所示。

表3 配置雨水污染物濃度表 mg/L

本試驗水質(zhì)的檢測方法如表4所示。

表4 水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)檢測方法

2 試驗結(jié)果分析

2.1 正交試驗下雨水花園對化學(xué)需氧量(COD)削減率影響分析

(1)不同因素下各水平對COD削減率的影響分析。不同因素下各水平對COD削減率如圖2所示。A3>A1>A2，說明狼尾草對COD的削減作用最大可達(dá)到59.41%，由此可見植被選擇在物理及生化方面作用明顯；植土層配料選擇方面，B1>B2>B3，三種配比下的植土層對COD削減率產(chǎn)生的差別較小，說明植土層配料本身或是其形成的生物膜對于有機(jī)物的截留所起作用并不明顯；C3>C2>C1，即當(dāng)選用30 cm石英砂+20 cm煤灰渣時，COD削減率最大，達(dá)到59.20%；D1>D2>D3，說明在試驗選用的濾料粒徑范圍內(nèi)粒徑越小對COD的削減率也越大，原因是其粒徑的減小，整體表面積的增大，加大了對雨水中有機(jī)物的截留。對于COD削減率最佳的雨水花園配置組合為B1、C3、A3、D1。

圖2 不同因素下各水平對COD削減率統(tǒng)計圖

(2)不同因素對COD削減的影響分析。由表5極差分析可得，各因素對COD去除率影響的排序為A植被的選擇、C人工填料層填料選擇、D人工填料層填料粒徑、B種植土層配料的選擇。陳舒等[14]試驗所得結(jié)果填料層填料對COD去除率影響極為顯著，所得結(jié)果與其結(jié)果不完全相同，可能的原因是試驗所用的填料不同，對試驗產(chǎn)生的影響不同，同時試驗前期運行時間相對較短，并沒有經(jīng)過常年的模擬論證，內(nèi)部生成的生物膜不完全，另外由于南北方氣溫、氣候的差異，生物膜的形成及所含微生物對不同污染物的去除存在差異，同樣在試驗進(jìn)行過程中試驗裝置的穩(wěn)定性對結(jié)果也存在影響。

表5 各因素對COD去除率的方差檢驗表

注：a表示R2=0.947(調(diào)整R2=0.899)。

有機(jī)質(zhì)(COD)在雨水中主要以溶解態(tài)的形式存在，其去除主要依靠濾料的吸附作用[15]。本試驗結(jié)果表明，濾料在有機(jī)質(zhì)(COD)的去除中具有顯著作用，同樣，由于每兩次試驗間隔較長，對于該段間隔時間內(nèi)的污染物的去除主要依靠植被自身的吸收，從而減少蓄存在土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，使得后續(xù)試驗中的污染物含量從自身所含污染物中貢獻(xiàn)量得到降低，因此因素A植被的選擇對COD去除率的影響極為顯著。因素D人工填料粒徑的選擇對COD去除效果同樣顯著，這與濾料的吸附作用起到顯著作用相一致，顆粒粒徑的選擇直接影響填充濾料的密度，雨水經(jīng)過不同密度的濾料，其在濾料中的停留時間不同、與濾料的接觸面積不同，將直接影響其對污染物的去除率。

2.2 正交試驗下雨水花園對懸浮物(SS)削減率影響分析

(1)不同因素下各水平對懸浮物(SS)削減率的影響分析。由圖3各水平下懸浮物(SS)削減率趨勢圖所示，對于懸浮物(SS)削減率的影響，A3>A1>A2,擇為狼尾草和鳶尾時削減率均高，二者分別為72.22%和71.70%，植被對懸浮物的去除也即其對其他部分污染物的去除具有相同規(guī)律；B2>B1>B3，在三種植土層配比的變化中，懸浮物(SS)的削減率基本沒有發(fā)生變化，由此可見該因素不是影響懸浮物削減率的主要參考；對于懸浮物(SS)的削減效果，C1>C3>C2，在上層相同石英砂配比的條件下，瓜子片>煤灰渣>沸石；D1>D2>D3，整體削減率隨粒徑的增大而增大，存在一定程度的正相關(guān)關(guān)系。對于懸浮物(SS)去除率效果最好的雨水花園結(jié)構(gòu)配置方案為A3、B2、C1、D1。

圖3 不同因素下各水平對懸浮物(SS)削減率統(tǒng)計圖

(2)不同因素對懸浮物(SS)削減的影響分析。方差檢驗如表6所示，對懸浮物(SS)的去除效果依次為C人工填料的選擇、A植被選擇、D人工填料粒徑的選擇、B種植土配料選擇。雨水中的懸浮物(SS)的主要來源為初期徑流中的無機(jī)雜質(zhì)，并且其累積會成為水體的持續(xù)污染源[16],因此雨水花園對雨水中懸浮物的去除效果是雨水花園對面源污染處理方面的重要指標(biāo)之一。懸浮物(SS)在水中的存在形式主要為顆粒態(tài)，短期作用下通過系統(tǒng)的過濾即可完成[17]，不需要經(jīng)過分解吸收，但方差檢驗表顯示，各因素對懸浮物(SS)的去除均存在顯著影響，可能的原因是，植被與植土層的結(jié)合改變了植土層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，使得其對污染物的去除產(chǎn)生影響。同樣植土層及人工填料層主要通過對雨水的過濾，降低懸浮物的含量。整體試驗運行結(jié)果顯示，雨水花園對懸浮物(SS)有較好的去除效果，平均削減率達(dá)62.89%，最大削減率可達(dá)91.78%。

表6 各因素懸浮物(SS)削減率的方差檢驗

注：a表示R2=0.962(調(diào)整R2=0.929)。

2.3 正交試驗下雨水花園對總磷(TP)削減率影響分析

(1)不同因素下各水平對TP削減率的影響分析。由圖4各水平下總磷削減率趨勢圖所示，對于TP削減率的影響，A3>A1>A2，與COD和SS不同，狼尾草對TP削減率最高時其平均削減率可達(dá)83.21%；B1>B3>B2，三種植土層配料選擇對于TP削減率的影響變化幅度不大；C3>C1>C2，煤灰渣對總磷的削減效果最強(qiáng)，三種濾料中煤灰渣呈孔隙狀，與雨水有較大的接觸面積，對顆粒態(tài)磷有更好的吸附作用面，同時煤灰渣的組成成分為SiO2、FeO、Fe2O3等可與溶解態(tài)磷離子發(fā)生化學(xué)催化反應(yīng)，從而對加速磷在煤灰渣表層的沉淀、絮凝。D1>D2>D3，說明在一定的粒徑范圍內(nèi)，隨著人工填充濾料粒徑的減小，削減率逐漸升高。對于總磷去除率效果最好的雨水花園結(jié)構(gòu)配置方案為A3、B1、C3、D1。

圖4 不同因素下各水平對總磷(TP)削減率統(tǒng)計圖

(2)不同因素對TP削減的影響分析。由方差檢驗分析可得，對于總磷削減率的影響，對于因素C、因素A均有Sig<0.01，人工填料層填料的選擇及種植植被對總磷削減率的影響均為及其顯著，本次試驗對于總磷的削減效果是植被對于溶解態(tài)磷吸收和濾料對于顆粒態(tài)磷的吸附、沉淀、絮凝共同作用的結(jié)果。將更多類型的濾料，或是組合濾料的不同配比，植被的選擇及植被的搭配組合作為因素將作為下一步研究的重點內(nèi)容。因素D Sig<0.05，人工填料層填料粒徑對于總磷削減率的影響顯著，而因素B Sig>0.05，因此種植土層配料的選擇對總磷削減率的影響不顯著。種植土層通過土質(zhì)對顆粒態(tài)磷具有較大的去除率，攔截了大部分的磷[18]，但通過改變種植土層的配料，增大其河沙的比例，并沒有對總磷的削減產(chǎn)生實質(zhì)影響，因此本組試驗選用的配料不是影響雨水花園總磷削減率的關(guān)鍵因素。

2.4 正交試驗下雨水花園對總氮(TN)削減率影響分析

(1)不同因素下各水平對TN削減率的影響分析。由圖5各水平下總氮(TN)削減率趨勢圖所示，A3>A2>A1，B1>B2>B3，植被選擇和植土層配料選擇這兩種因素對總氮(TN)削減的影響變化幅度不大；C2>C1>C3，在上層相同石英砂配比的條件下，瓜子片和煤灰渣對總氮(TN)削減率較大，其削減率分別為78.04%、73.59%；D2>D3>D1，人工填料對雨水中總氮(TN)削減率的影響，下層中等粒徑>下層大粒徑>下層小粒徑，整體幅度變化不明顯。對于總氮(TN)削減率效果最好的雨水花園結(jié)構(gòu)配置方案為A3、B1、C2、D2。

表7 各因素總磷(TP)削減率的方差檢驗

注：a表示R2= 0.928(調(diào)整R2= 0.863)。

圖5 不同因素下各水平對總氮(TN)削減率統(tǒng)計圖

(2)不同因素對TN削減的影響分析。由表8方差檢驗分析可得，對于總氮削減率的影響，對于因素C、A均有Sig<0.01，人工填料層填料的選擇及種植植被對總氮削減率的影響均為及其顯著，而因素B Sig>0.05，因此種植土層配料的選擇對總氮削減率的影響不顯著。因此在研究雨水花園的結(jié)構(gòu)配置對總氮削減率的影響時，人工填料、種植植被和人工填料的粒徑應(yīng)作為主要的因素考慮，而對于種植土層的配置原料進(jìn)行改變或是加入其他化學(xué)材料對總氮削減率的影響應(yīng)進(jìn)一步探究。

表8 各因素總氮(TN)削減率的方差檢驗

注：a表示R2=0.992(調(diào)整R2=0.985)。

2.5 基于凈化效應(yīng)影響因素的雨水花園的構(gòu)建分析

采用綜合評價法TOPSIS法對凈化效應(yīng)進(jìn)行綜合分析。TOPSIS法為處理多目標(biāo)問題的決策方法，該方法是通過為決策問題定義理想解、負(fù)理想解，在設(shè)計的方案中選取距離理想解最大，距離負(fù)理想解最小的，將其定義為滿意解[21]，所得正交極差分析表如表8所示。

表9 正交極差分析表

對雨水花園試驗方案利用 法計算其凈化效應(yīng)所得相對接近度排序結(jié)果進(jìn)行方差分析，可得其方差檢驗表如表10所示。

表10 相對接近度排序結(jié)果的方差檢驗表

注：a表示R2=0.994(調(diào)整R2=0.989)。

正交極差分析表中A植被選擇所對應(yīng)的K值，及該因素下的平均值進(jìn)行比較，A3>A1>A2，表明對于雨水花園凈化效應(yīng)的綜合影響狼尾草>鳶尾>千屈菜；B種植土層配料選擇所對應(yīng)的K值，B1>B3>B2，表明對于雨水花園凈化效應(yīng)的綜合影響的順序為B1、B3、B2；C人工填料層填料選擇所對應(yīng)的K值，C2>C3>C1，表明對于雨水花園凈化效應(yīng)的綜合影響的順序為C2、C3、C1，即沸石、煤灰渣、瓜子片；D人工填料層填料粒徑所對應(yīng)的K值，D1>D3>D2，表明對于雨水花園凈化效應(yīng)的綜合影響的順序為D1、D3、D2，與常規(guī)認(rèn)知的濾料粒徑變小，表面積增大，與雨水的接觸面積及接觸時間變大，其凈化效果將得到增強(qiáng)的結(jié)果不一致，考慮到試驗運行時間較短、材料粒徑本身相差不大等帶來的影響，雨水花園凈化效應(yīng)在一定范圍內(nèi)隨著人工填料粒徑的減小而增大。

由正交極差表中R值比較分析，其主次順序為C、A、D、B，即對雨水花園凈化效應(yīng)影響的因素的影響程度為人工填料層填料選擇>植被選擇>人工填料層填料粒徑>種植土層配料選擇。由方差檢驗表統(tǒng)計分析，因素A、B、C、D均有Sig.<0.01，表明對于雨水花園凈化效應(yīng)的影響因素人工填料層填料選擇、植被選擇、人工填料層填料粒徑、種植土層配料選擇均及其顯著。

3 結(jié) 論

試驗為人工降雨模式，通過人工配置的方式階段性的模擬整體匯流方式，在裝置未發(fā)生溢流的情況下進(jìn)行的，后續(xù)系列試驗的改進(jìn)應(yīng)該采用降雨的原始徑流，使不同工況下的徑流在雨水花園內(nèi)部污染物移動、水力特性與實際相一致。

通過對雨水花園在濟(jì)南的實地模擬運行與相關(guān)理論研究表明，雨水花園在削減雨水的COD、懸浮物(SS)、總磷(TP)、總氮(TN)以及重金屬等方面效果顯著，對降低降雨面源污染，防止水體富營養(yǎng)化、污染土壤，凈化水質(zhì)等促進(jìn)“海綿城市”建設(shè)方面發(fā)揮著重要作用。雨水花園各配置方案利用 法進(jìn)行的排序可以直觀判斷九組試驗在雨水綜合凈化效應(yīng)所表現(xiàn)的優(yōu)劣。從雨水花園凈化效應(yīng)的結(jié)果，同時結(jié)合具體實施效果，結(jié)合相關(guān)雨水花園實施效果，綜合比較分析，確定最佳雨水花園凈化效應(yīng)的綜合配置方案為A3、B1、C2、D1，即植被選擇為狼尾草，種植土層配料的選擇為4份園土+3份腐葉土+3份砂土，人工填料的選擇為30 cm石英砂+20 cm沸石，人工填料的粒徑選擇小粒徑，后續(xù)試驗中可依次設(shè)置凈化效果最佳的配置結(jié)構(gòu)，對試驗分析結(jié)果進(jìn)行驗證。

以上結(jié)論可為濟(jì)南地區(qū)凈化型雨水花園結(jié)構(gòu)的設(shè)計、材料的選取配置提供科學(xué)依據(jù)，對于其他氣候、環(huán)境特性相似的地區(qū)的雨水資源凈化也具有一定指導(dǎo)意義，對氣候、環(huán)境特性相差較大的地區(qū)，其他低影響開發(fā)工程措施，可參考本文的研究方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計分析，從而得到指導(dǎo)工程實踐的具體理論及方案。

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