植草溝在城市降雨徑流控制中的應(yīng)用研究

許浩浩，呂偉婭

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，屋頂和硬化地面等不透水面積大幅增加，改變了城市自然的水文效應(yīng)，造成雨水徑流形成時(shí)間縮短，雨洪峰值增大，從而引發(fā)了城市內(nèi)澇[1]。此外，由于降雨徑流的劇烈沖刷作用使得屋面及路面大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物、重金屬、油脂類物質(zhì)、毒性有機(jī)物及致病菌等污染物進(jìn)入受納水體，這不僅會(huì)導(dǎo)致城市水環(huán)境的惡化，還會(huì)嚴(yán)重危害生態(tài)系統(tǒng)及人類的健康[2]。研究表明[3]，在美國(guó)，城市降雨徑流已被列為導(dǎo)致江河湖泊污染的第三大污染源，在一些州，城市水體BOD年負(fù)荷40%～80%來(lái)自降雨徑流。因此，如何解決由城市化引發(fā)的城市內(nèi)澇、水資源短缺和城市面源污染等問(wèn)題現(xiàn)已成為中國(guó)城市發(fā)展過(guò)程中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

一些發(fā)達(dá)國(guó)家在幾十年城市雨洪管理與利用的實(shí)踐中，相繼形成了低影響開(kāi)發(fā)、暴雨最佳管理措施和水敏感性城市設(shè)計(jì)等管理理念和技術(shù)體系。暴雨最佳管理措施通常以綠地、路面、廣場(chǎng)和停車場(chǎng)等城市元素作為雨洪管理的設(shè)施，具體包括生物滯留池、透水性路面、綠化屋頂及下凹式綠地等[1]。這些雨洪管理措施可以有效解決城市化引發(fā)的一系列水生態(tài)和水環(huán)境等問(wèn)題。植草溝作為現(xiàn)代城市暴雨最佳管理措施的重要組成部分，在暴雨徑流量及洪峰削減、徑流污染控制、地下水補(bǔ)給及景觀價(jià)值方面具有良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。植草溝在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已發(fā)展成為最有效和應(yīng)用最廣泛的城市暴雨管理措施之一。因此研究植草溝的技術(shù)特點(diǎn)、徑流削減及水質(zhì)凈化效果對(duì)該技術(shù)今后的實(shí)踐與應(yīng)用具有重要意義。

1 技術(shù)特點(diǎn)

植草溝是指種植植被的景觀性地表溝渠排水系統(tǒng)，以種植草本植物為主，斷面形態(tài)多為倒拋物線形、三角形及梯形等[4]。通常根據(jù)地表徑流在植草溝中的傳輸方式，可將植草溝分為3種類型：標(biāo)準(zhǔn)傳輸植草溝、干式植草溝及濕式植草溝[5]。標(biāo)準(zhǔn)傳輸植草溝主要是將集水區(qū)的降雨徑流引導(dǎo)并傳輸?shù)狡渌乇硭幚碓O(shè)施；干式植草溝在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了土壤過(guò)濾層以及地下排水系統(tǒng)，強(qiáng)化了植草溝的滲濾、傳輸及處理能力；濕式植草溝是類似溝渠型的濕地生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)長(zhǎng)期保持濕潤(rùn)狀態(tài)以加強(qiáng)滲透、凈化效果[4-6]。與其他2種植草溝相比，干式植草溝的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，主要由五部分組成：200～300 mm的地表填洼層、200～300 mm的植被根系有機(jī)質(zhì)層、400～600 mm的土壤基質(zhì)層、300～400 mm的礫石層以及排水管層[4]。其中植草溝的邊坡坡度(垂直∶水平)不宜大于1∶3，縱坡不應(yīng)大于4%[7]，當(dāng)植草溝設(shè)置在道路旁時(shí)，為保證道路雨水能平緩進(jìn)入植草溝，進(jìn)水口應(yīng)采用孔口路牙等形式，同時(shí)為了防止進(jìn)水口被沖刷，應(yīng)在進(jìn)水口處鋪設(shè)碎石或鵝卵石[4]。植草溝不僅適用于城市道路、廣場(chǎng)、停車場(chǎng)和公園綠地等區(qū)域，還可作為生物滯留池、透水路面及濕塘等低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的預(yù)處理設(shè)施，甚至可代替雨水管渠排水系統(tǒng)[7]。

2 徑流削減效果

沈子欣等[8]研究表明，生態(tài)植草溝能夠?qū)⒋笥?12 mm/h)和暴雨(24～30 mm/h)的洪峰到來(lái)時(shí)間延遲20 min以上，對(duì)徑流的削減率能達(dá)到20%以上，且土壤基質(zhì)孔隙率、粒徑和間隙越大，植草溝對(duì)水量的滯留效果越好。魏源源等[9]試驗(yàn)顯示，植草溝的滯蓄效果與降雨總量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)降雨量小于24.3 mm時(shí)，植草溝無(wú)出水流量，當(dāng)降雨量為37.2、96.9 mm時(shí)，植草溝發(fā)生溢流，但對(duì)2種降雨的洪峰延遲時(shí)間均能保持在10 min以上。陳敬宣[10]試驗(yàn)表明，當(dāng)降雨量為12.2、48.6 mm時(shí)，黑麥草植草溝和白三葉植草溝排水情況都能達(dá)到要求，當(dāng)降雨量為218.3 mm時(shí)，2種植草溝排水情況均較差，且均會(huì)出現(xiàn)侵蝕溝，但后期黑麥草植草溝僅2周的時(shí)間便可基本恢復(fù)正常排水功能，而白三葉植草溝較難恢復(fù)。Allen[11]研究顯示，植草溝對(duì)雨水徑流峰值的平均削減率為50%～53%，對(duì)徑流總體積的削減率達(dá)46%～54%，峰值延遲時(shí)間達(dá)33～34 min。有研究表明，降雨歷時(shí)越短，降雨強(qiáng)度越小，植草溝對(duì)降雨徑流水量的調(diào)控效果越明顯。Guo等[12]試驗(yàn)顯示，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為0.33 a，降雨歷時(shí)為3 h時(shí)，50 m2的植草溝可削減50 m2瀝青路面上產(chǎn)生的66%的降雨徑流量，降雨強(qiáng)度比降雨歷時(shí)對(duì)植草溝入滲、截流的影響更大，植被覆蓋度也會(huì)對(duì)植草溝的調(diào)控能力產(chǎn)生影響；當(dāng)降雨重現(xiàn)期為0.33 a、降雨歷時(shí)為1 h時(shí)，植被覆蓋度增加60%的植草溝對(duì)降雨徑流量的削減率提高了8%；還發(fā)現(xiàn)對(duì)于長(zhǎng)和寬均為2 m的植草溝來(lái)說(shuō)，當(dāng)降雨歷時(shí)為24 h時(shí)，對(duì)1、2 a重現(xiàn)期的降雨形成的道路徑流削減率分別為96.3%、56%，而對(duì)50 a重現(xiàn)期的徑流量削減率僅為13%。黃俊杰等[13]研究表明，普通植草溝與設(shè)置下排水的改良植草溝的徑流水量削減率分別為31.1%、35.5%，2種設(shè)施均能有效削減徑流量和峰值，延遲徑流峰值出現(xiàn)時(shí)間，但改良植草溝的水文控制效果要優(yōu)于普通植草溝，還發(fā)現(xiàn)植草溝對(duì)徑流的削減效果受進(jìn)水條件的影響，進(jìn)水深度越小，水量削減效果越好。

汪艷寧等[14]試驗(yàn)顯示，當(dāng)滲透系數(shù)為5.31～6.81×10-5m/s，水力負(fù)荷為5.88 m3/(m2·d)時(shí)，植草溝可消納相當(dāng)于自身面積2.16倍的不透水路面產(chǎn)生的徑流量；當(dāng)水力負(fù)荷由1.47 m3/(m2·d)增至5.88 m3/(m2·d)時(shí)，設(shè)施對(duì)徑流量的削減率從95.99%降低至70.87%，總的來(lái)說(shuō)植草溝能削減70%以上的洪峰流量。Muhammad等[15]研究表明，植草溝對(duì)徑流的調(diào)控主要通過(guò)滲透、污染物去除和徑流傳輸3個(gè)處理階段完成，降雨徑流首先被保留在土壤和植被層中，然后滲透到地下并通過(guò)雨水穿孔管傳遞到地下儲(chǔ)存溝，通過(guò)這種方式，植草溝對(duì)30 mm/h的降雨可以在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)滯留大量的雨水并延遲出現(xiàn)的時(shí)間，總的來(lái)說(shuō)，植草溝對(duì)小型降雨的徑流削減率為40%～75%。試驗(yàn)顯示[16]，植草溝無(wú)法消納的最大水量和下滲的最大水量是在設(shè)計(jì)植草溝時(shí)應(yīng)考慮的2個(gè)重要水力參數(shù)，當(dāng)這2個(gè)值分別為2.3～3.3 cm(均值為2.8 cm)和0.4～2.2 cm(均值為1.3 cm)時(shí)，系統(tǒng)截流效果最好。研究表明[4]，設(shè)計(jì)過(guò)濾帶或截止壩能有效提高植草溝對(duì)徑流量的削減能力，而在坡度較緩的地區(qū)，通過(guò)增加礫石儲(chǔ)水層、改良土壤基質(zhì)層、設(shè)計(jì)延程排水管等方法并不能夠明顯增加植草溝對(duì)徑流的減控效果。Ana等[17]研究表明，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，植草溝會(huì)出現(xiàn)土壤基質(zhì)孔隙的堵塞問(wèn)題，這會(huì)使得土壤截流率下降30%左右，因此，要定期檢查并更換堵塞的土壤基質(zhì)，加強(qiáng)日常維護(hù)管理工作，使其保持良好的雨水削減和調(diào)蓄作用。

上述研究表明，植草溝能有效削減徑流量和峰值，延遲徑流峰值到達(dá)時(shí)間，但其對(duì)徑流的調(diào)控效果受降雨特征(降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨量)、植被條件(植物種類、植被覆蓋度)、土壤基質(zhì)條件以及堵塞狀態(tài)等因素的影響。

3 水質(zhì)凈化效果

表1 植草溝去除污染物效果 %

潘姣[21]研究表明，當(dāng)降雨強(qiáng)度增加時(shí)，植草溝對(duì)污染物去除率有所降低，而降雨量總體積與去除率無(wú)相關(guān)關(guān)系，植草溝對(duì)TSS的去除率高達(dá)79%～98%，還發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水污染物的濃度較低時(shí)，植草溝對(duì)污染物的去除效果反而變差，當(dāng)TSS進(jìn)水濃度分別為40、100 mg/L時(shí)，去除率分別為0、50%。Terry等[22]研究表明，植草溝對(duì)TSS的削減率依賴于TSS進(jìn)水濃度，50%～80%的TSS和20%～23%的TP在離進(jìn)水口10 m內(nèi)被去除，且TSS和TP進(jìn)水濃度越高，去除效果越明顯。研究表明[5]，30 m的植草溝對(duì)TSS、金屬和碳?xì)浠衔锏南鳒p率分別為60%、2%～16%和50%，而60 m的植草溝對(duì)TSS、金屬和碳?xì)浠衔锏南鳒p率分別為80%、46%～67%和75%，還發(fā)現(xiàn)徑流中80%的污染物是在植草溝的60～75 m內(nèi)被去除的，因此建議植草溝的最小長(zhǎng)度為30 m。Ryan等[23]試驗(yàn)表明，梯形植草溝對(duì)TSS的去除率比三角形植草溝提高了10%，坡度越小、長(zhǎng)度越長(zhǎng)、集水區(qū)面積越小的植草溝除污效果越明顯，而縱向坡度對(duì)除污效果影響較小。趙金輝等[24]研究表明，污染物濃度與降雨歷時(shí)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，植草溝長(zhǎng)度與各污染物去除效率之間呈明顯正相關(guān)關(guān)系，尤其是與TSS的去除效率高度相關(guān)。Zhao等[25]研究表明，植草溝與濕地滯留塘組合系統(tǒng)對(duì)TN、TP、COD和TSS去除效果顯著且穩(wěn)定，還發(fā)現(xiàn)沉積顆粒的粒徑大小對(duì)污染物的去除率有明顯影響，植草溝對(duì)粒徑超過(guò)75 μm顆粒的去除率高達(dá)80%，而對(duì)粒徑小于75 μm顆粒的去除率較低，甚至為負(fù)值，尤其對(duì)于粒徑小于25 μm的顆粒。Wang等[26]研究表明，天堂草溝和黑麥草溝2種植草溝的凈化效果受水力負(fù)荷、草高和水深的影響，影響大小依次為：I水力負(fù)荷﹥I草高﹥I水深，2種植草溝的最佳運(yùn)行條件相同，均為水力負(fù)荷0.5 m3/(m2·d)，草高15 cm，水深4 cm，且黑麥草溝的整體凈化效果優(yōu)于天堂草溝。周開(kāi)壹等[27]研究表明，當(dāng)氣溫為29 ℃，坡度為1%，流速為0.18 m/s，植草平均長(zhǎng)度為8 cm，長(zhǎng)度為50 m時(shí)，多孔混凝土的植草溝對(duì)污染物的去除效果最優(yōu)。扶蓉等[28]等研究表明，多孔混凝土的低碳植草溝的填料宜選擇顆粒小、質(zhì)地均勻、保水保肥能力好以及有降污、吸附重金屬能力的物質(zhì)如紅壤、過(guò)磷酸鈣、木炭、沸石及秸稈堆肥等，植物宜選擇適應(yīng)性強(qiáng)、耐雨水沖刷、根系發(fā)達(dá)、吸附能力好的草本植物。

上述研究表明，水力停留時(shí)間、流速、植被種類、有效水深、長(zhǎng)度及基質(zhì)類型等因素均會(huì)對(duì)植草溝的凈化效果產(chǎn)生影響，但總的來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)合理的植草溝可取得較好的水質(zhì)控制及污染負(fù)荷的削減效果。

4 結(jié)論與展望

近年來(lái)，基于其在改善城市雨水徑流方面的良好效果，植草溝已成為一種高效的暴雨最佳管理措施。然而，總體來(lái)說(shuō)植草溝用于城市雨洪控制與利用方面的研究還比較缺乏，如何合理設(shè)計(jì)和維護(hù)植草溝，使之能有效減緩城市化帶來(lái)的水生態(tài)和水環(huán)境等問(wèn)題將是今后的研究重點(diǎn)。可以從以下3個(gè)方面進(jìn)行研究：①植草溝的水力模型和水質(zhì)模型的研究，深入研究對(duì)污染物去除的機(jī)理，建立植草溝對(duì)雨水水量、水質(zhì)處理效果與影響因素之間的模型；②既能滿足對(duì)城市暴雨徑流量的削減，又能高效、穩(wěn)定地去除各種徑流污染物的植草溝的研究，如通過(guò)優(yōu)化植草溝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、填充基質(zhì)及植物種類等，在不降低水力負(fù)荷的前提下最大化提高對(duì)污染物的削減效果；③植草溝長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性的研究，尤其是懸浮物、重金屬及油脂等會(huì)在植草溝內(nèi)積累而使基質(zhì)達(dá)到飽和，針對(duì)土壤阻塞問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出適合植草溝能夠保持高效運(yùn)行的維護(hù)措施。