不同設計參數對雨水濕地水量水質的調控規律

王春連, 王 佳, 郝明旭

1 北京大學景觀設計學研究院, 北京 100871 2 北京土人城市規劃設計股份有限公司, 北京 100080

城市化的發展導致城市不透水面積增加,徑流系數增大,徑流量成倍增長,加重了排水管網的負擔,城市內澇現象頻發。同時,城市也面臨著水資源短缺、水環境惡化、水生態破壞等多種問題。隨著“海綿城市”理念的提出和發展,人們已經意識到傳統的“以排為主”的排水體制,無法從根本上解決由雨水引發的一系列問題,而需要通過合理的水系統生態設計,將雨水視為資源,實現防洪減災,改善水生態環境,回補地下水,防止地面沉降等。另外,由于城市降雨徑流污染的發生受到多種因素綜合作用,具有水文學機制復雜、污染物種類繁多、組分多變、時空變化明顯等特點,使得城市降雨徑流污染問題也顯得日益突出[1],人工雨水濕地、滯留池等水生態基礎設施是目前國際上解決城區初期徑流污染所采取的主要措施。

水系統生態設計是一種利用人工干預方式,介入自然過程、調節人居環境的工程化的生態處理方式[2]。近年來,作為一種新型的濕地模式和水生態系統的典型設施,雨水濕地被越來越多應用于雨水調控案例中。雨水濕地對雨水徑流的水量水質調控效果顯著,在場次降雨中雨水濕地峰值流量削減率可達70%—80%,徑流總量削減率達50%以上[3- 4]。同時雨水濕地可以有效削減雨水徑流中TSS、TN、TP和重金屬[5]。

與污水處理人工濕地不同,雨水濕地針對的現場實地的降雨強度、降雨徑流量以及徑流污染濃度等邊界條件存在較大不確定性,需要應用彈性對策,并試圖兼顧雨水的綜合利用及人類活動使用功能[6]。已有研究表明影響雨水濕地處理效果的設計參數主要有降雨條件、濕地結構和形式、基質、植物等[7- 9]。常靜的研究發現,污染物沖刷過程的主要影響因素為降雨量、降雨歷時及降雨強度[8];Olding等發現坑塘濕地的設計特征和設計形態會影響雨水塘的水質化學性質[9]。BMPs的水處理效率受設計參數的影響非常大,包括面積、水力停留時間[10- 11],增加水力停留時間可以有效提高污染物的去除效率[12],并將其定為是影響污染物去除效率的主要因素之一[13]。另外,初始濃度會影響濕地凈化效率,根據一級動力學方程得知,污染物濃度越高,凈化效率越高[14]。

目前對人工雨水濕地的研究,主要集中在不同設計工況下的潛流濕地對地表徑流的凈化效果以及表流濕地對地表徑流的在線截控效果等方面[1,15- 17]。一方面,潛流濕地的流量限制,并不充分適用于進水量不確定的雨水濕地,另一方面針對人工雨水濕地水質水量綜合調控效果,以及針對不同設計條件對雨水濕地水質水量調控效果的影響規律的研究還相對缺乏。為了充分研究雨水濕地不同設計條件下的水質水量調控規律,本研究以前置塘+二階表流型濕地組成的人工雨水濕地為例,設計人工雨水濕地室內模擬實驗,模擬其對降雨徑流水質水量的削減特征及規律,進而對人工雨水濕地在不同設計工況、不同降雨條件下,對各類污染物的去除效能及其影響因素進行監測和分析,為實際雨水濕地的設計方法提供更加科學合理的依據。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

濕地裝置是由三個濕地單元構成的前置塘-一階濕地-二階濕地組合系統,其長×寬×高各為1 m×1 m×1.2 m,其中第一級為前置塘,第二級和第三級為表流型凈化濕地,采用有機玻璃制作(圖1)。每個濕地單元設有進水口和出水口,由導流管相連。濕地填料最底層為10 cm深礫石(粒徑范圍1—2 cm),中間層為10 cm爐渣層粒徑范圍(1—2 cm),上面覆蓋20 cm有機土壤(當地土壤)。濕地植物以耐沖刷、耐污染、本土植物、耐旱耐澇為主,主要植物種類為水蔥、千屈菜和蘆葦,植物種植密度為20株/m2。濕地常水位與土壤表層齊平,定期澆水,正常培育,待植物長勢良好穩定后進行試驗。為保證植物生長及水質處理效果,試驗選在溫室中進行。

圖1 組合濕地示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined wetland system

1.2 實驗情景設計

為研究濕地在不同設計參數(水口高度、濕地級數)、不同降雨條件、不同污染物濃度等條件下徑流削減和污染物削減效果,設計了如下不同重現期、不同常水位、不同出水口高度和不同污染物濃度實驗(表1),設計參數的選擇根據相關實驗研究以及實際工作經驗[1,15- 17]。依據水質控制容積法(WQV)計算濕地最佳設計規模,假設匯水區徑流系數為0.6,以北京市的設計降雨量為34 mm[18],反推濕地模塊服務的匯水區面積為112 m2,以此計算不同重現期降雨下濕地補水量(1年一遇降雨條件下補水1840 L/h,3年一遇降雨條件下補水2500 L/h),末端水口高度700 mm,降雨歷時為1 h。為保證實驗的準確性和結論的可靠性,每組實驗開始都做預實驗對入流量、入流時間、出流量等參數進行調控,系統穩定后,開始正式實驗,對數據波動較大的實驗,采取重復實驗的做法。

表1 組合濕地主要試驗內容

考慮到降雨的隨機性,收集城市各下墊面的雨水徑流作為實驗用水難度較大,且無法根據實驗時間靈活安排實驗,因此本實驗的降雨徑流采用自來水加化學試劑的方式配制不同濃度的雨水徑流,以滿足實驗需求。根據已有研究文獻對城市降雨徑流污染特征分析得出降雨徑流污染物主要包括懸浮物(SS)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)[19- 21],因此實驗中主要選擇這五個指標來測定,分析其削減規律。并在綜述北京市雨水徑流污染狀況的基礎上[19- 21],選取高、低兩種污染物負荷量進行實驗(表2),實驗中降雨徑流配置所選藥品試劑主要包括葡萄糖、碳酸二氫鉀、硝酸鉀、氯化銨、藻土等。

表2 模擬北京市雨水徑流主要污染物種類及含量(mg/L)

1.3 采樣方法

流量監測點為每級濕地單元的出水口,記錄每一級濕地的初始產流時間。在開始產流后使用量杯和秒表及直尺等監測出水口流速、流量,每5 min進行一次測量,直至產流結束。

水質采樣在每次實驗開始時取一次泵入的水樣。然后在每級濕地出口初始產流時開始取樣,采樣時間間隔為5—10 min,直至產流結束,樣品容量550 mL。水力停留時間設48 h,在模擬降雨結束后第2 h,6 h,12 h,24 h,48 h進行采樣。樣品送至具有CMA檢測資質的機構進行檢測,主要檢測指標有SS、COD、NH3-N、TN、TP。

1.4 計算方法

濕地降雨徑流削減率計算方法：

本研究將雨水濕地與其假想的上游服務匯水區域看作整體,引入濕地降雨徑流削減率的概念,定義為人工濕地總入流量(上游匯水區域產流量與濕地自身產流量之和)和出流量的差值與入流量的比值。按照下面公式計算：

式中：φ為雨水濕地的徑流削減率,Q入為濕地的總入流量(m3),Q出為濕地的出流量(m3)。

污染物削減率計算方法：

人工雨水濕地的污染物削減率包含兩個方面,一是污染物總量的削減,是指降雨徑流進入濕地后流出濕地的某種污染物總量與進入濕地的相應污染物總量的減小值與進水污染物總量的比值。二是污染物濃度的削減,是指降雨徑流進入濕地后流出該設施的某種污染物濃度與進入濕地的相應污染物濃度的減小值與進水污染物濃度的比值。其中污染物濃度采用場次降雨-徑流污染平均濃度(EMC)來表示[22]。

2 結果與分析

2.1 不同設計條件下濕地水量調控效果

(1)不同降雨重現期下濕地對匯水區徑流削減效果

模擬濕地在1年重現期條件下,濕地末端出口在71 min開始有出流,出流時間32 min,出流量318.9 L,降雨徑流總量削減率83%。濕地在3年重現期條件下,濕地末端出口在35 min開始出流,出流時長40 min,出流量917.75 L,濕地降雨徑流削減率64%(表3)。可見,隨著降雨重現期增大,濕地出流量增加,出流時長增大,出流時間提前,降雨徑流削減率減小(圖2)。

表3 濕地模塊在不同降雨重現期條件下的產流特征

(2)不同出水口高度下濕地徑流削減效果

出水口高度400 mm條件下,濕地出流量為451.95 L,開始出流時間為60 min,出流時長35 min,降雨徑流削減率為75%,當出水口高度為700 mm條件下,濕地出流量為318.9 L,開始出流時間為71 min,出流時長32 min,降雨徑流削減率為83%(表4)。隨著出水口高度增加,濕地出流量減少,峰值流量下降,開始出流時間延遲,徑流削減率增大,出流時長變化不大。濕地出水口高度的增加,增加了濕地的調蓄容積,徑流削減率增加了8%,有效提高了濕地對降雨徑流的削減效果(圖4)。

圖2 不同降雨重現期下濕地產流過程 Fig.2 Runoff generation process under different rainfall recurrence periods

圖3 不同出水口高度下濕地產流過程 Fig.3 Wetland runoff generation under different outlet heights

表4 濕地模塊在不同出水口高度條件下的產流特征

(3)不同常水位下濕地徑流削減效果

圖4 不同常水位下濕地產流過程 Fig.4 Wetland runoff generation under different normal water level

在1年一遇重現期,水口高度700 mm的條件下,對常水位無、0、200 mm下濕地的出流效果進行分析(圖4,表5)。實驗結果表明,在沒有常水位的條件下濕地出流量為318.9 L,開始出流時間71 min,出流時長為32 min,降雨徑流削減率83%;常水位為0的條件下,濕地出流量654.75 L,開始出流時間54 min,出流時長45 min,降雨徑流削減率64%;常水位為200 mm條件下,出流總量為1245 L,第15 min開始產流,出流時長63 min,降雨徑流削減率32%。可見,不同常水位條件下,常水位越大,濕地出流量越大,開始出流時間越短,出流時長延長,對降雨徑流的削減率越小。從圖4可見,隨著常水位降低,對徑流總量和峰值流量都有很大削減。

表5 濕地模塊在不同常水位條件下的產流特征

(4)不同濕地級數條件下徑流削減效果

圖5 不同濕地級數產流過程 Fig.5 Runoff generation process of different wetland series

實驗分別對不同濕地級數下濕地產流效果研究表明(圖5,表6)：前置塘、前置塘+一階濕地、前置塘+二階濕地模式下,濕地出流量依次為1308.00 L、651.30 L、286.95 L,開始出流時間依次為33 min、50 min、63 min,出流時長分別為56 min、44 min和35 min,降雨徑流削減率分別為29%、65%、84%。可見不同濕地級數條件下,濕地級數越多,濕地出流量越小,峰值流量下降,開始產流所需時間越長,產流時長越短,降雨徑流削減率越高。所以通過增加濕地級數來增加濕地的調蓄面積,可以減緩流速,降低洪峰流量,達到調蓄徑流的目的。

2.2 不同降雨和設計條件下濕地對徑流污染物的削減規律

(1)不同降雨重現期下濕地對污染物的削減規律

表6 濕地模塊在不同濕地級數條件下的產流特征

但降雨過程中,濕地對雨水徑流中的污染物具有較好的截留效果,在1年重現期降雨條件下,TN、TP、COD、SS的總量削減率分別為48.99%、61.94%、66.12%、94.1%,3年重現期降雨條件TN、TP、COD、SS的總量削減率分別為41.95%、50.63%、53.54%、86.36%。可見,除NH3-N外,降雨總量越小,徑流污染物總量的截留削減效果越好。且濕地級數越高,污染總量截留效果越好。

表7 濕地模塊在不同降雨重現期條件下的污染物削減特征

(2)不同常水位下濕地對污染物削減規律

實驗在污染物等級高,水口高度為700 mm,降雨重現期為1年,濕地級數為2級的條件下,對不同常水位條件下濕地污染物削減過程進行研究(表8)。結果顯示,從污染物總量削減情況來看,無常水位時,濕地對水體中TN、TP、NH3-N、CODMn、SS削減率依次為75.73%、79.75%、73.21%、83.28%、96.60%;常水位為0時,濕地對水體中TN、TP、NH3-N、CODMn、SS削減率依次為48.99%、61.94%、36.032%、66.12%、94.10%;常水位為200 mm時,濕地對水體中TN、TP、NH3-N、CODMn、SS削減率依次為23.37%、56.79%、20.29%、72.28%、89.05%。降雨過程中,濕地對雨水徑流中的污染物具有較好的截留效果,濕地常水位越低,污染物的截留削減效果越好。

從濕地污染物濃度削減情況來看,對COD和SS有一定的削減效果,其中最為顯著的是SS,削減率達80—83%,但隨著常水位高度的變化,削減率規律變化不明顯。

(3)不同出水口高度下濕地對污染物削減規律

實驗設置降雨條件為1年一遇重現期,無濕地常水位,下墊面無下滲,進水配置高等級污染物濃度水體,采樣點選取第2級濕地。不同濕地出水口高度下(400 mm、700 mm)條件下污染物削減特征結果表明(表9),出水口高度為700 mm時,濕地對降雨徑流中TN、TP、NH3-N、CODMn、SS總量削減率依次為75.73%、79.75%、73.21%、83.28%、96.60%;出水口高度為400 mm時,濕地對降雨徑流中TN、TP、NH3-N、CODMn、SS總量削減率依次為61.65%、69.42%、61.67%、78.67%、94.30%。可見濕地不同出水水口高度下濕地對各類型污染物削減效果均較顯著,其中對污染物CODMn、SS的削減效果較好,其中對COD削減率達80%左右,對SS削減率達90%以上。對TN、TP、NH3-N總量削減在700 mm出水口高度時削減率達75%左右,而在400 mm出水口高度時削減系率達60%以上。在削減規律上看,隨著出水口高度的降低,其污染物總量削減率逐漸降低,其中TN、TP、NH3-N從700 mm降低400 mm時,削減率降低10%左右,但COD和SS的削減率降低比較少,僅2%—5%左右。

表8 濕地模塊在不同常水位高度條件下的污染物削減特征

表9 不同出水口高度設計條件下污染物削減特征

(4)不同進水濃度和水力停留時間下濕地對污染物的削減規律

實驗設置降雨條件為1年一遇重現期,無濕地常水位,濕地出水口高度為700 mm、下墊面無下滲,采樣點選取第2級濕地,分別研究不同等級(高低)進水污染物濃度下隨水力停留時間變化的污染物削減特征(圖6)。結果顯示,不同污染負荷情形下,各污染物隨水力停留時間的增加變化趨勢大體相同,呈下降趨勢(SS除外),高濃度污染物下降趨勢相對明顯。當水力停留24 h,高濃度進水情形下,濕地對水體中TN、TP、NH3-N、CODMn的去除率依次為44.2%、34.3%、68.3%、82.4%;低濃度進水情形下,濕地對水體中TN、TP、NH3-N、CODMn的去除率依次為62.3%、16.7%、86.7%、43.4%。可見,對TN和NH3-N高污染負荷的條件下濕地24 h的去除率低于低污染負荷條件下,而TP和COD 24 h的去除率在高污染負荷條件下高于低污染負荷條件下。已有研究表明在一定濃度范圍內,污染物去除率隨進水濃度增大而略增加[14,23],這與本研究的部分結論一致。

第一，科技法律直接促進科技的發展。從世界范圍來看，為了促進本國的科技發展，各國均會制定科技方面的法律，直接保障科技的發展。以美國為例，美國特別關注科技法律的制定和完善，并通過科技法律促進了本國科學技術發展。

高污染負荷情形下,水力停留時間在24—48 h內SS濃度不減反增,可能原因是,隨著水力停留時間的增加,填料縫隙間及填料與植物根際已沉淀的固體懸浮物被重現釋放導致SS濃度增加。相對而言,對SS及COD的影響遠不如TN、NH3-N、TP去除效果的影響大,主要基于各自的凈化機理不同,SS的去除主要基于填料縫隙間的沉淀及填料與植物根際的攔截、過濾作用,COD的去除經歷吸附及生化反應過程,只要濕地運行條件有利于吸附及生化反應過程,即可保證較高的COD去除率,而TN、NH3-N、TP則不同,水力負荷、水力停留時間及水深均直接影響局部好氧環境的存在,從而影響N、P的硝化和反硝化及吸收和釋放,因此在實際工程中,應盡可能保證植物的根系充分發展,營造良好的好氧微環境,在保證較高的SS、COD去除的同時,獲取較高的TN、NH3-N、TP的去除率。

圖6 不同水力停留時間對濕地污染削減效果的影響Fig 6 Effects of different hydraulic retention time on wetland pollution reduction

3 結論與討論

(1)前置塘+二階表流濕地組合的雨水濕地系統通過截留、緩沖和存儲作用,對不同降雨徑流條件下的產流時間、流速和流量具有多重調控作用。在整個降雨實驗過程中,該雨水濕地系統對降雨徑流具有較好的調控效果,場降雨徑流削減率達64%—83%,單保慶等研究塘-濕地組合系統對城市旅游區降雨徑流污染在線截控作用表明在暴雨連續流事件中也體現較好徑流調控作用,徑流總量由213.4 m3降到31.9 m3,徑流削減率達85%。可見無論是室內實驗或者野外現場實驗,塘-濕地組合系統對降雨徑流調控效果明顯。并且不同設計條件的改變,調控規律也隨之變化。隨著降雨重現期增加,徑流削減率逐漸減小;隨著濕地出水口高度的增加,濕地出流量減小,徑流削減率增大。隨著濕地常水位的增加,濕地徑流削減率逐漸減小,無初始水深時徑流削減率比初始水深為200 mm時增加了51%。王明宇(2016)在相關研究中也得出類似的結論濕地初始水深越小,濕地水量控制效果越好,實驗表明初始水深100 mm時峰值流量比160 mm時減少了53.5%[24]。

(2)人工雨水濕地降雨徑流模擬實驗不同設計條件對污染物削減效果表明,從EMC污染物平均濃度上看,降雨過程中,雨水濕地對污染物濃度的削減效果不明顯。不同重現期降雨實驗中,僅對COD和SS平均濃度有削減,其中SS削減比較明顯達70%—80%,且隨著降雨重現期增加,SS EMC平均污染物濃度削減率逐漸降低。不同常水位條件下對污染物平均濃度削減最為顯著的也是SS,削減率達80%—83%,但隨著常水位高度的變化,削減率規律變化不明顯。不同進水濃度條件下,濕地對TN和NH3-N高污染負荷的條件下濕地24 h的去除率低于低污染負荷條件下,而TP和COD 24 h的去除率在高污染負荷條件下高于低污染負荷條件下。

(3)前置塘+二階表流濕地組合成雨水濕地系統延長了污染物在流域內部的滯留時間,減少了污染負荷的輸出,對降雨徑流過程中污染物總量具有較好的截留效果。其中對TN、TP、NH3-N、CODMn、SS污染削減效果較好的削減率依次為75.73%、79.75%、73.21%、83.28%、96.60%;單保慶等研究塘-濕地組合系統對城市旅游區降雨徑流污染在線截控作用也表明塘、一階濕地和二階濕地組成系統對污染物表現出良好的持留能力,污染物TSS、COD、TN、TP持留率分別達到了92.9%、96%、85.7%和80.9%[17]。

從設計參數對污染物削減規律上看,降雨總量越小,徑流污染物總量的截留削減效果越好。濕地常水位越低,污染物的截留削減效果越好,其中王明宇研究也表明隨著初始水深的降低,濕地水質控制效果變強,出水污染物總量負荷變小[24],與本研究結論類似。在削減規律上看,隨著出水口高度的降低,其污染物總量削減率逐漸降低,其中TN、TP、NH3-N從700 mm降低400 mm時,削減率降低10%左右,但COD和SS的削減率降低比較少,僅2%—5%左右。李家科等研究表明水平潛流濕地中水深從750 mm降低到550 mm和350 mm污染物負荷的削減率降低5.92%和31.6%,復合流濕地負荷削減率比前兩種降低5.07%和25.89%[1],與本研究削減規律相似。

(4)本研究雖然沒有討論植被設計參數,但植被在人工濕地中發揮著重要作用,不僅可以直接攝取和利用污水中的營養物質和有機物,還能提高人工濕地的滲透系數,增強根際微生物活性,溶解性氧含量等,有利于各類微生物在濕地繁殖與擴散,強化人工濕地凈化能力,也可延長濕地基質的使用期限[23],另外在保證植物生長水深條件下,初始水深越小越有利于水量和污染負荷的調控;出水口高度在一定體積范圍內可適當增大,對徑流削減和污染物削減效果較好;同時濕地級數增加也有利于增大水量和水質的調控能力。此外,針對降雨量大,污染物濃度高的情況下,設施設計需要特別考慮,例如引入加強型人工濕地處理工藝等[26-27]。

(5)本研究主要從單個設計參數的角度,探討了不同設計參數變化對雨水濕地水質水量調控效果的影響規律,針對不同設計參數的組合對調控效果的影響規律分析較少,是下一步研究的方向。另外由于實驗裝置較小,存在一定的局限性,未來研究需要進一步擴大實驗范圍,使得研究結果更好的服務于實際場地的應用。

致謝：感謝課題組路青、吳珊珊、洪敏、袁弘、李文豪等在實驗過程中提供的幫助。