暴雨和緩沖帶特征對城市濱水緩沖帶雨洪消減與水質凈化效果的影響機制

李 想,邸 青

1 北京大學建筑與景觀設計學院, 北京 100871 2 中國城市規劃設計研究院,北京 100044 3 中國建筑設計研究院有限公司, 北京 100044

城市化過程中的產業聚集、人口集中等現象不斷促進著城市建設,這在一定程度上造成了自然環境的破壞[1- 3],其中雨洪問題是突出的熱點問題。近年來,北京、武漢、深圳等地都曾出現內澇現象。暴雨徑流除了容易引發城市內澇外,還是造成城市水污染的重要原因之一[4]。大量研究表明,城市道路中的徑流污染物是造成地表徑流污染的主要來源[5],其中污染物來源包括水土流失、行人、施工、大氣污染、輪胎磨損、防凍劑使用、車輛泄露、殺蟲劑和肥料等污染物[6- 7]。污染成分包括有機或無機化合物、氮、磷、金屬、油類等[8- 10]。

為了應對城市雨洪及水污染問題,2013年,國務院辦公廳發布的《關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知》提到推行低影響開發建設模式,減少對城市原有水生態環境的干擾,建設配套雨水徑流滲流、收集利用等削峰調蓄設施[11]。2014年,住房與城鄉建設部發布了《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》用于指導海綿城市建設。這些相關法規和條例的頒布標志著生態雨洪管理思想已經受到管理層面的重視。

在世界現有的可持續雨水減控凈化技術體系中,美國的低沖擊開發(LID)、澳大利亞的水敏性城市設計(WSUD)、英國的可持續排水系統(SUDS)都是較為成熟的技術體系[12- 14]。在此基礎上,俞孔堅[15]提出了海綿城市的三大關鍵策略：消納、減速和適應,并從哲學層面上提出了完全生態系統價值觀、就地解決水問題、分散式民間工程、蓄滯而非排泄、彈性應對等思想[16-17]。

濱水緩沖帶是城市水體與建成區之間的邊界地帶,同時也是構建“海綿城市”理論和技術體系,發揮生態雨洪管理功能的重要綠色基礎設施[18]。然而目前,城市河道建設存在很多誤區,濱水景觀設計沒有將可持續雨洪管理納入設計考慮,對雨水仍然采用簡單的工程排水措施,在季風氣候區年降雨分布不均的條件下,雨季面臨巨大的雨洪危險,并且濱水地區作為城市建成區和水體之間的過渡區,也沒能成為應對暴雨徑流帶來的面源污染的防線。在濱水緩沖帶的眾多功能中,對雨洪的減控和凈化作用在解決當前城市雨洪問題中最為重要[19]。

濱水緩沖帶對地表徑流的減控作用主要包括兩方面：一方面是植物地表部分的阻擋作用,緩沖帶植被根系能夠維持土壤,地上部分的根莖能夠提高地表阻力,有效控制地表徑流流速防止徑流侵蝕[20]。另一方面是土壤的下滲作用和植被根系的吸收作用,相比于硬質堤岸,緩沖帶有利于地表水下滲并補給地下水,然后通過地下水來補給河流,這種方式的回補速度比地表徑流直接流入河水要緩慢很多[21]。因此對于控制暴雨徑流可能帶來的城市雨洪以及旱季維持河流水位有著非常重要的作用。

河湖濱水緩沖帶能夠對暴雨徑流中的固體懸浮物、氮、磷等污染物有一定去除作用[22]并保護水環境[23],其對于污染物的主要去除機理是降低徑流的流速,增加污染物在緩沖帶中的停留時間,通過濱岸帶植被-土壤-微生物復合系統的滲透、沉積、吸收、吸附以及微生物分解等作用過程消減進入河湖的化肥、農藥等污染物和沉積物。對于固體懸浮物、重金屬、營養鹽的平均去除率可分別達到70%以上、20%—50%和10%—30%[24]。

國外學者的研究從緩沖帶對農田面源污染的削減效應開始,主要針對去除化肥和農藥中的污染物進行實驗研究,其中包括氮、磷以及農藥中的其他有毒物質。在多年研究中,對濱水緩沖帶不同的土壤、植被、氣候等要素使緩沖帶對污染物去除效率的差異做了非常豐富的定量實驗[25-28]。相對國外相關研究,國內學者對緩沖帶徑流減控和凈化作用的研究開始相對較晚,但也有相當豐富的成果,其中緩沖帶對于農業面源污染中的氮、磷等污染物的去除成果較為豐富[29-32],目前針對城市濱水緩沖帶徑流減控及污染物去除的研究較少,且主要集中在單一少數幾個影響因子[33-34]。此外,國內學者通過控制變量研究緩沖帶單因子的影響方面也取得了一定研究成果[35-37]。總體來看,國內外學者對于城市濱水緩沖帶徑流減控及污染物的多個要素的控制變量實驗研究,特別是對于暴雨特征要素的影響相對較少。

本研究通過在實驗場地搭建模擬暴雨徑流裝置與緩沖帶模擬裝置,對暴雨特征(雨強、重現期、歷時)、緩沖帶特征(坡度、植被蓋度)等對緩沖帶徑流減控凈化效果進行量化研究。其中徑流減控效應通過實驗結果計算動態徑流系數來量化；徑流凈化效果的影響機制則通過檢測懸浮物(SS)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、生物需氧量(BOD)、化學需氧量(CODMn)等污染物的削減系數來研究。

1 實驗設計

1.1 雨型雨量

本實驗針對北京地區降雨特點模擬暴雨徑流。結合雨強、歷時、重現期、上方坡面徑流區面積等參數,根據北京市降雨狀況與實驗設備條件綜合考慮,選取重現期分別為1 a、5 a和20 a三個暴雨強度,以及前峰、中峰、后峰3個雨型條件下5 a重現期的暴雨進行模擬。

綜合考慮北京市降雨雨型、降雨公式以及實驗模擬條件,選擇Keifer和Chu雨型(即芝加哥雨型)作為本實驗的設計雨型,并代入北京暴雨公式參數,得到不同時段的降雨量(表1)。

計算匯水量需利用上方坡面徑流區面積,已知緩沖帶面積的情況下可以使用緩沖帶有效面積比來計算上方坡面徑流區面積。本實驗選擇有效面積比5∶1進行實驗設計。

根據實驗設備所構建的緩沖帶面積為10 m2。緩沖帶有效面積比為5∶1,匯水面積取50 m2,由于能夠匯水并將水倒入濱水緩沖帶的上方坡面徑流區多為綠地和林帶,因此在計算泵水功率的時候,徑流系數取0.15。

由降雨量、上方匯水面積和徑流系數可以計算所需水泵功率(表2)。

根據上述需要,本實驗選用輸入電源110—220 V、50/60 Hz、輸出功率為8—48 W可調節功率水泵,共8個檔位。

1.2 污染物配置

根據相關研究和實驗對暴雨徑流污染物濃度進行配置。模擬徑流中的污染物分別通過現場收集泥沙,葡萄糖、氯化銨、硝酸鉀、過磷酸鈣等化學試劑,按照高低負荷中污染物比例來進行調配(表3)。

1.3 場地搭建

緩沖帶模擬裝置采用長5 m,寬1 m的兩個可移動、可調節高度和坡度的金屬槽組成,分別撤掉兩個槽的下端和上端擋板,用一個長0.8 m、寬1 m的金屬槽將兩個主體金屬槽相連,形成一個長10.8 m、寬1 m的金屬槽,頂端設置有擋板(圖1),下端設置有收水漏斗(圖1),漏斗高度與土壤厚度一致,以收集地表徑流。金屬槽下端分布有間隔20 cm×20 cm,直徑為1 cm的孔洞,可收集入滲的徑流。根據實驗需求,可使用液壓調節金屬槽坡度。

圖1 模擬緩沖帶設備照片Fig.1 Device of simulation buffer strip

在金屬槽中填入北京地區棕壤,使其均勻沉降并適當調整使土壤厚度達到40 cm,下端與漏斗持平。根據實驗需求種植植被覆蓋度為100%的高羊茅草皮,并養護兩周以上,保證草皮長勢良好(圖1),在完成植被覆蓋度為100%的實驗后,可鏟除一部分高羊茅,滿足其他植被覆蓋度對照組實驗。

表1 基于北京暴雨公式下模擬暴雨在不同實驗條件各時段降雨量

標準實驗條件為重現期5a、前峰雨型、時長1h

表2 不同實驗條件各時段水泵體積流量

注：標準實驗條件為重現期5a、前峰雨型、時長1h

1.4 實驗組設計

實驗標準條件為：5 a一遇1 h前峰雨型,徑流濃度為低負荷,坡度5°,植被蓋度100%(表4)。

表3 不同負荷污染物設計濃度及所需化學試劑用量

表4 實驗組條件設置

1.5 實驗運行說明

本實驗包括多組模擬暴雨徑流實驗,每組模擬實驗在前期準備階段對徑流模擬裝置和緩沖帶模擬裝置進行設置后,實驗進行的過程基本一致。具體過程如下：

(1)測量實驗地環境數據,包括溫度、空氣濕度、風向等。測量土壤數據,包括土壤溫度、濕度。

(2)根據表1所需降雨量輸入實驗所需水量儲存在容器中,根據表3使用電子秤(精度為0.01 g)稱取相應質量的污染物,加入實驗容器,攪拌使其濃度均勻。

(3)將水泵連接電源,根據實驗所模擬的雨型和雨量調節檔位,與輸水管最高點高度來控制出水流量。每過12 min按照表2中選取的設計功率調節檔位。

(4)在緩沖帶模擬裝置中部(5 m處),前30 min,每隔5 min收集一次下滲徑流水樣；30—60 min,每隔15 min收集一次水樣；60 min以后至徑流結束30 min收集一次水樣,并做標記。在裝置下部(10 m處),每隔5 min收集一次下滲徑流水樣；30—60 min,每隔15 min收集一次水樣；60 min以后至徑流結束30 min收集一次水樣,并做標記。

(5)在緩沖帶末漏斗處,自地表徑流開始后每隔5 min用量杯與秒表計算出水口徑流流速,前30 min,每5 min進行一次測速；30—60 min,每15 min進行一次測速；60 min以后至徑流結束30 min進行一次。

(6)設計雨型模擬完成后30 min內繼續收集雨水。

(7)實驗結束后5 h內將收集的水樣進行冷藏,24 h內送至有檢測資質的相關單位對水樣中的固體懸浮物(SS)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)進行檢測。

2 結果與討論

2.1 暴雨徑流和緩沖帶特征對徑流削減量的影響

不同實驗影響因子條件下緩沖帶入口及出口徑流流速間關系如圖2所示(小圖右上為實驗序號),實驗6- 1不涉及徑流削減量,因此無對應結果。

圖2 不同實驗影響因子條件下緩沖帶入口及出口徑流流速Fig.2 Flow velocity at inlet and outlet of buffer strips under different experimental factors

不同實驗影響因子條件下暴雨徑流系數如表5所示,實驗6- 1不涉及徑流系數、徑流出現時間及峰值延后時間研究,因此無對應結果。

2.1.1暴雨雨型的影響

如圖2所示,緩沖帶在前峰、中峰、后峰雨型入口與出口水量的變化趨勢相同。

通過比較5 a一遇雨量的前鋒、中鋒、后峰降雨雨型與雨量徑流系數的關系,如表5所示,前鋒雨型的平均雨量徑流系數最小0.40,其次是中鋒雨型為0.52,后峰雨型的平均徑流系數最大達到0.55,流量徑流系數[18]與雨量徑流系數[18]呈現相同的規律。即濱水緩沖帶在前鋒雨型的條件下對暴雨徑流的削減效果最強。此外三種雨型條件下緩沖帶的徑流出現時間前峰條件下最早,中峰后峰暴雨徑流在暴雨開始后至出現徑流的時間較長,但前峰雨型下,緩沖帶對徑流峰值的延后效果要好于中峰和后峰雨型。

2.1.2不同重現期暴雨徑流的影響

通過比較前峰雨型重現期1 a、5 a、20 a模擬暴雨徑流實驗結果,計算雨量徑流系數的關系,如表5所示,重現期為1 a時平均雨量徑流系數最小0.29,其次是重現期為5 a為0.40,重現期為20 a時的平均雨量徑流系數最大達到0.44,流量徑流系數與雨量徑流系數呈現相同的規律。即濱水緩沖帶在重現期為1 a的條件下對暴雨徑流的削減效果最強。此外三種重現期下緩沖帶的徑流出現時間20 a一遇條件下最早,5 a一遇和1 a一遇暴雨徑流在暴雨開始后至出現徑流的時間較長,但暴雨重現期為20 a一遇時,緩沖帶對徑流峰值的延后效果要好于5 a一遇和1 a一遇雨型。

表5 不同實驗影響因子條件下暴雨徑流系數

2.1.3暴雨歷時的影響

通過比較前峰雨型暴雨歷時為0.5 h、1 h、2 h模擬暴雨徑流實驗結果,計算雨量徑流系數的關系,如表5所示,暴雨歷時為0.5 h時平均雨量徑流系數最大,為0.42,其次是暴雨歷時為1 h時,為0.40,暴雨歷時為2 h時的平均雨量徑流系數最小,為0.34,流量徑流系數與雨量徑流系數呈現相同的規律。即濱水緩沖帶在重現期相同的條件下,在暴雨歷時越長是削減效果最強。此外三種暴雨歷時下緩沖帶的徑流出現時間基本相同,歷時為0.5 h實驗由于水泵換擋為6 min一次,與模擬1 h、2 h暴雨相比,變化時間區間更小,對雨型模擬相對更為精確,因此出現一定誤差。在三種歷時下徑流峰值推遲時間也基本相同,誤差出現原因與徑流出現時間相同。

2.1.4緩沖帶坡度的影響

通過比較前峰雨型重現期5 a模擬暴雨徑流實驗結果,計算緩沖帶坡度為2°、5°、10°、15°時平均徑流系數的關系,如表5所示,應對相同暴雨徑流時,緩沖帶坡度為2°時平均雨量徑流系數最小0.32,隨緩沖帶模型坡度逐漸提升,平均雨量徑流系數逐漸升高為0.40、0.43、0.46流量徑流系數與雨量徑流系數呈現相同的規律。即濱水緩沖帶在坡度較小的時候,對雨水的滯留作用最強,并且能夠更好地推遲徑流峰值出現的時間。總體來看,緩沖帶坡度的變化對平均徑流系數、徑流出現時間、峰值延后時間的影響非常明顯。

2.1.5緩沖帶植被蓋度的影響

通過比較緩沖帶植被蓋度為70%和100%條件下模擬暴雨徑流實驗結果,計算平均徑流系數,如表5所示,植被蓋度為70%時,平均雨量徑流系數較大為0.42,植被蓋度為100%時為0.40。平均流量徑流系數規律與雨量徑流系數呈現相同規律。即濱水緩沖帶在植被蓋度較高的時候,對雨水的滯留作用較強,并且能夠更好延遲徑流峰值出現的時間。

2.2 暴雨徑流特征對污染物削減量的影響

模擬實驗結果中不同暴雨類型下污染物的削減率如表6所示。

表6 不同暴雨類型下污染物的消減率

2.2.1暴雨雨型的影響

如表6所示,對各種污染物平均削減率比較,表流緩沖帶對TP的去除率較高,對COD的去除率較低,不同雨型下表流中每種污染物的去除率差異不大。其中對于SS的去除率在在79%—88%之間,前峰與后峰狀態下緩沖帶去除能力較強,中峰去除能力較差。TN去除率在52%—57%之間,不同雨型狀態下去除能力差別不大。NH3-N去除率呈現一定差別,前峰雨型狀態下NH3-N去除率比中峰狀態下高出20.44%。緩沖帶對TP的凈化率位于88.69%—97.46%之間,對COD的去除率在34%—51%之間。分析實驗結果,不同雨型條件主要體現在達到徑流峰值流速時緩沖帶水質凈化條件的不同,緩沖帶水質凈化效果在不同暴雨雨型條件下未顯示明顯規律。

2.2.2不同重現期暴雨徑流的影響

如表6所示,表流中TP去除率較高,但本組實驗中TN平均去除率略低于COD,NH3-N的去除率在三種條件下差異較大。其中,緩沖帶對SS的去除率為5 a一遇最高,明顯大于1 a一遇和20 a一遇的實驗數據。TN的去除率在44.48%—56.88%之間,在重現期為5 a時削減率平均值最高。對NH3-N的平均削減率在不同重現期下差別較大,1 a一遇條件下比20 a一遇條件下高24.78%。TP的平均削減率差別較小,三種不同的重現期條件下在93.92%—97.58%之間。COD的削減率在50.40%—57.39%之間,同樣差別較小。分析實驗結果,不同重現期暴雨主要體現在瞬時徑流流速的不同,緩沖帶水質凈化效果在不同條件下未顯示明顯規律。

2.2.3暴雨歷時的影響

如表6所示,對平均去除率結果進行比較分析,表流中TP去除率較高與其他組實驗相同,本組實驗中TN平均去除率與COD相似,NH3-N的去除率在3種條件下差異較大。其中,緩沖帶對TN的去除率在56.88%—60.93%之間,暴雨歷時為0.5 h時削減率平均值最高。對NH3-N的平均削減率歷時2 h暴雨徑流實驗結果較大,比歷時0.5 h和1 h高16.69%和14.70%。TP的平均削減率差別較小,三種不同的重現期條件下在93.92%—94.44%之間。COD的削減率在50.40%—63.87%之間。分析實驗結果,不同重現期暴雨主要體現在總徑流量的不同,緩沖帶水質凈化效果在不同暴雨歷時條件下未形成明顯規律。

2.2.4初期沖刷條件下對緩沖帶的影響

由表6可以看出,初期沖刷組各污染物平均削減率明顯低于對照組污染物平均削減率。由于初期沖刷實驗組前12 min使用高濃度徑流污染物配比,后48 min使用低濃度。對照組全程使用高濃度徑流污染物配比。因此處理污染物總量不一致因此削減率均值有所差異。

分析實驗結果,緩沖帶對高濃度徑流污染物削減率較高,因此對于初期沖刷中的各類污染物能夠發揮較好的去除作用。隨著降雨進行,污染物濃度逐漸降低,緩沖帶對于污染物的去除率也有所下降。

2.3 緩沖帶特征對污染物削減量的影響

2.3.1緩沖帶坡度的影響

如表7所示,不同緩沖帶坡度的表流中SS、TN、NH3-N和TP平均削減率在都呈現出相同的變化規律：當坡度較小時,表流中此四種污染物平均削減率較高,隨坡度逐漸升高,這四類污染物的平均削減率逐漸下降,當坡度為15°時,這四類污染物在表流中的平均削減率最低。COD平均削減率呈現不同的大小關系,為2°>10°>5°>15°。COD平均削減率與另外四類污染物平均削減率變化有差異,但此規律有待一進步實驗。分析此結果,緩沖帶坡度較緩時,表流流速較慢且流量較少,地表植被及土壤能夠更加充分地吸附污染物,因此污染物削減率較高。

表7 不同緩沖帶特征下污染物的消減率

2.3.2緩沖帶植被蓋度的影響

不同緩沖帶植被蓋度的表流中SS、TN、NH3-N、TP和COD平均削減率在都呈現出相同的變化規律：當植被蓋度較小時,表流中此五種污染物平均削減率較低,當植被蓋度較高時,這五種污染物的平均削減率逐漸升高。分析實驗結果,可能是由于植被蓋度較高時,草本植被地表部分對污染物有一定吸附作用,并且植被蓋度較高時,表流流速較慢,徑流中的污染物與土壤、植被接觸時間較長,因此削減率越高。

3 結論與展望

本研究通過控制變量實驗,對暴雨和緩沖帶特征對城市濱水緩沖帶雨洪消減與水質凈化效果的影響機制進行研究,主要得到以下結論：

(1)在不同峰型、暴雨重現期、暴雨歷時、緩沖帶坡度、緩沖帶植被覆蓋度條件下,濱水緩沖帶在不同組實驗所得的雨量動態徑流系數結果在0.29—0.55之間。

(2)各種要素對10 m人工模擬緩沖帶徑流削減產生的效果為暴雨峰型影響。按芝加哥雨型雨峰位置(0 ≤ r ≤ 1)越大,雨量徑流系數越大。暴雨重現期(1≤ a ≤20)越長,雨量徑流系數越小。暴雨歷時越長(0.5—2 h),雨量徑流系數越小。緩沖帶坡度(2°—15°)越高,雨量徑流系數越大。植被覆蓋度(70%—100%)越高,雨量徑流系數越大。

(3)在不同峰型、暴雨重現期、暴雨歷時、緩沖帶坡度、緩沖帶植被覆蓋度條件下,不同污染物去除率范圍分別為：SS為66.41%—90.29%、TN為44.48%—64.90%、NH3-N為32.72%—63.68%、TP為89.83%—95.04%,COD為34.32%—66.23%。其中緩沖帶水質凈化作用在不同暴雨特征下未顯示明顯規律,此規律有待設置更多實驗條件進一步探究。而緩沖帶坡度越平緩,植被覆蓋度越高,在這兩個條件下,表流流速都較慢,對暴雨徑流水質凈化效果更好。

(4)模擬實驗中通過調配不同濃度(前期高負荷,中后期低負荷)污染物徑流模擬高濃度和低濃度模擬初期沖刷效應,對比組為高負荷。實驗說明當暴雨徑流中污染物濃度較低時,污染物削減率越低。即緩沖帶對高濃度污染物徑流能發揮較強水質凈化能力。

本實驗通過較為全面的暴雨徑流條件模擬及緩沖帶特征模擬探究緩沖帶對暴雨徑流的削減和水質凈化作用,初步探究了各影響因子的作用規律。濱水緩沖帶作為重要的城市綠色基礎設施,其生態作用值得進一步進行實驗探究,并建議通過增加更多實驗條件,科學全面地構建濱水緩沖帶對徑流削減和水質凈化作用的模型,為不同城市的綠色基礎設施規劃建設提供更為有力的支撐。