下凹式綠地控制城市雨水徑流污染研究進(jìn)展

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(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

城市雨水徑流是面源污染的主要來源，通常攜帶大量的污染物，如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物、重金屬、油脂類有機(jī)物、毒性有機(jī)物及病原微生物等[1]。張志彬等[2]研究表明，道路雨水徑流中SS、COD、BOD5、TN、TP濃度分別為528.81、284.76、65.88、7.41、0.71 mg/L，均高于地表水V類標(biāo)準(zhǔn)。李瑞等[3]研究發(fā)現(xiàn)，降雨徑流排放的Mn、Cr、Cu、Ni分別占道路徑流總排放污染負(fù)荷的66.13%、7.75%、39.84%、45.30%。Feng等[4]研究指出，TN、TP、TSS和COD是雨水徑流的主要污染物，若這些污染物直接排入受納水體，不僅會(huì)導(dǎo)致城市水環(huán)境污染，還會(huì)嚴(yán)重威脅生態(tài)系統(tǒng)及人類健康。因此對(duì)城市降雨徑流的處理與利用不僅可以有效緩解水資源日益短缺的局面，而且對(duì)改善城市水環(huán)境質(zhì)量和城市內(nèi)澇問題具有重大的意義。

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，地表不透水面積不斷增加，由此引發(fā)一系列問題，如城市內(nèi)澇、城區(qū)面源污染及地下水補(bǔ)給減少等。作為一種高效的綠地雨水調(diào)蓄技術(shù)，下凹式綠地通過下凹空間可以充分蓄集下滲雨水、削減暴雨徑流量和峰值、凈化地表徑流污染，同時(shí)還具有建設(shè)成本低、維護(hù)管理簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)氣候、緩解熱島效應(yīng)以及具有景觀價(jià)值等諸多功能和優(yōu)點(diǎn)，并已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛采用的現(xiàn)代暴雨最佳管理措施之一[5-6]。中國(guó)在2005年《國(guó)家園林城市標(biāo)準(zhǔn)》中提出，城鎮(zhèn)綠地率要達(dá)到38%，這為建設(shè)下凹式綠地提供了基礎(chǔ)條件[7]。尤其是隨著中國(guó)海綿城市的不斷建設(shè)，作為快速消納暴雨徑流的有效措施，下凹式綠地被廣泛使用在住宅區(qū)、公園、校園和道路等領(lǐng)域。但是當(dāng)前主要集中于下凹式綠地調(diào)蓄效果等徑流消納方面的研究，對(duì)于下凹式綠地去除徑流污染物的機(jī)理和影響以及去除能力的因素等方面研究較少，有待進(jìn)一步研究以發(fā)揮下凹式綠地對(duì)城市雨水水量和水質(zhì)的綜合處理效果。

1 下凹式綠地凈化雨水徑流污染

表1 下凹式綠地凈化徑流污染效果 %

下凹式綠地對(duì)降雨徑流有良好的凈化效果，但是由于降雨特征(降雨強(qiáng)度、雨量)、綠地特征(綠地的覆蓋度、土壤類型及植被類型)以及設(shè)計(jì)條件(下凹深度、面積、坡度及沙土比)等不同[23]，因而對(duì)不同污染物的削減率有所差異。選擇合適的填料及植物類型，設(shè)計(jì)適宜的綠地面積及坡度等會(huì)顯著增加系統(tǒng)的凈化效果。總的來說，下凹式綠地對(duì)COD的去除率最大，其次是對(duì)TP的去除，對(duì)氮也有一定的削減效果，但與其他污染物相比，其削減率最低。

2 下凹式綠地凈化機(jī)理探究

田文龍等[10]認(rèn)為磷在降雨徑流中主要以有機(jī)磷和正磷酸鹽、聚磷酸鹽等無機(jī)磷的形式存在，下凹式綠地對(duì)磷的去除主要通過土壤吸附，與鈣、鐵、鋁等形成不溶性沉淀物以及植物、微生物的吸收作用。Pan等[20]研究表明，磷的去除涉及物理、化學(xué)和生物作用，主要依靠植物根系吸收，或與鐵、鈣等金屬形成螯合態(tài)或絡(luò)合態(tài)化合物被固定在土壤中，還有小部分磷被微生物攝取，用于自身細(xì)胞合成。Hunt等[26]發(fā)現(xiàn)填充介質(zhì)對(duì)系統(tǒng)除磷至關(guān)重要，選擇本底含磷量少的填料可以增加系統(tǒng)除磷效果。

Zhang等[17]指出由于TSS顆粒粒徑普遍較大，在過濾的過程中，這些物質(zhì)容易被植被根系和土壤截留吸收，隨著土壤基質(zhì)厚度增加，由于大氣復(fù)氧的作用導(dǎo)致微生物降解和植被吸收作用加強(qiáng)，污染物被土壤介質(zhì)進(jìn)一步吸附截留。田文龍等[10]研究表明，下凹式綠地幾乎可以完全截留徑流中的重金屬，主要是因?yàn)榻饘僭谕寥缹又邪l(fā)生了離子交換、膠體微粒的物理吸附或化學(xué)反應(yīng)而生成螯合物等復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致大量金屬元素被截留在土壤基質(zhì)中。

Yi等[18]研究指出，COD去除率從35.5% 降到27.6%，可能是降雨強(qiáng)度增大，雨水徑流量增多，停留時(shí)間減少，導(dǎo)致土壤吸附作用和微生物分解作用減弱，對(duì)COD的去除率降低。Hou等[8]認(rèn)為COD的去除主要通過植被葉冠的截留和根莖吸收，后經(jīng)過離子交換作用、氧化還原反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)及土壤微生物的共同作用降解并去除徑流中的COD。田文龍等[10]認(rèn)為COD與TSS之間存在正相關(guān)關(guān)系，可通過增大對(duì)TSS的去除，降低COD的出水濃度。Pan等[20]則認(rèn)為下凹式綠地對(duì)有機(jī)物的去除率高，是由于有機(jī)物被好氧微生物分解后被植物吸收的原因。Li等[27]和Gregory等[28]認(rèn)為下凹式綠地對(duì)COD的去除作用主要依靠土壤膠體顆粒吸附、植物的吸收吸附以及微生物降解。

3 結(jié)論與展望

下凹式綠地作為城市綠化的重要組成部分，不僅可以快速消納暴雨徑流量和削減徑流污染，還可以補(bǔ)給地下水、美化環(huán)境等。目前對(duì)于下凹式綠地蓄滲能力及其影響因素的研究已較深入，但對(duì)徑流中污染物的凈化機(jī)理及相關(guān)影響因素的研究尚不夠深入，其設(shè)計(jì)與實(shí)踐還不夠成熟。如何優(yōu)化下凹式綠地的設(shè)計(jì)以提高其水質(zhì)凈化效果是今后研究的重點(diǎn)之一。這主要包括2個(gè)方面的內(nèi)容：①深入研究下凹式綠地對(duì)各種污染物的去除效果及機(jī)制，如土壤及填料基質(zhì)、微生物、植物的耦合作用機(jī)制等，明確影響下凹式綠地水質(zhì)凈化效果的因素，使下凹式綠地與城市建設(shè)有機(jī)結(jié)合， 更好地解決地表徑流污染；②既能滿足水力負(fù)荷條件，又能使凈化效果達(dá)到最大化的下凹式綠地的各種設(shè)計(jì)參數(shù)，加強(qiáng)優(yōu)化下凹式綠地凈化能力措施的研究，根據(jù)徑流中污染物的種類、特征開發(fā)出吸附效果好、成本低、綠色環(huán)保的填料介質(zhì)，通過試驗(yàn)篩選出凈化能力強(qiáng)的植物等。作為一種新型的城市雨水管控措施，下凹式綠地將在緩解城市水體污染和水資源短缺等方面發(fā)揮著重要的作用。