遷安三里河濱水緩沖帶雨水徑流及污染物消減效果與設計優化

楊 雪,王志勇

1 北京大學建筑與景觀設計學院, 北京 100871 2 北京大學景觀設計學研究院, 北京 100871 3 北京土人城市規劃設計股份有限公司,北京 100080

城市河流在承擔著城市行洪排澇和受納城市退水功能的同時,也面臨著工農業和城市生活造成的污染風險[1- 2]。城市河流濱水緩沖帶作為河流與周邊陸地的過渡交錯帶,在入河徑流消減及水質凈化方面起著關鍵作用,對河流的生態環境有著重要影響[3]。

濱水緩沖帶對徑流的截留作用主要來源于植被和植物根系的截留以及土壤的入滲[4- 5]。相對于人工硬化河岸,植物緩沖帶可以明顯降低流速,減少降雨過程中匯入水體的總水量[6- 7]。緩沖帶對水體的凈化作用主要體現在其通過過濾、攔截[8]、植物吸收、土壤吸附[9]、增強化學反應等實現對泥沙的攔截和N[10]、P[11]等化學元素的去除。

緩沖帶的植被類型、生長狀態、坡度、坡長等是影響雨水徑流滯蓄能力和生物理化化學環境的重要因素[12]。植被類型的差異對水質的凈化作用差異較大,現有研究結論呈現特異性[13-14],效果取決于植被的生理特性、生長狀態以及配置方式。通常認為緩沖帶的坡度越小,初始徑流產生時間越長[15],水質凈化效果越好[16-19]。坡長也能產生重要影響,國外的研究中,濱水緩沖帶的坡長通常較長,多數為幾十米[20],甚至超過百米[21]。而國內的河岸為應對洪水,通常堤防較高,坡度較大,坡長相對較小,尺度為幾米[22]或十幾米的較為普遍。因此,在坡長的影響方面,國內外的研究結論不盡相同,尚無統一的認識。

目前,我國正在開展大量的水生態系統修復工程,遷安三里河生態廊道就是將水泥硬化河岸恢復為自然河岸的典型實踐,其濱水緩沖帶的設計考慮了可持續的雨洪資源管理和水生態效益[23]。本研究對建成后的濱水緩沖帶的雨水徑流消減和水質凈化效果進行驗證與分析,以期為未來城市濱水緩沖帶水生態功能的設計與實現提供科學依據。

1 研究區概況

三里河位于遷安市城區東側,由西向東南流經遷安市城區,全長16.2 km,流域面積48.42 km2,多年平均徑流量0.12億m3。三里河是遷安的重要水源地,工業化以前,沿岸蘆葦叢生、花草繁盛,是城區的景觀勝地。20世紀70年代,工業化和城鎮化加速,三里河成為城區工業污水的主要排放通道,水質受到嚴重污染,魚蝦絕跡,水體污濁且有異味。進入21世紀后,經過治理,河水水質有所好轉。但仍存在上游來水量減少,河道斷流,周邊用地被隨意侵占等問題。為進一步解決這些問題,遷安市政府于2007年開展三里河生態廊道建設,主要包括水源恢復、污水截流、生態重建、城市土地開發等內容。生態廊道建設中對河流濱水緩沖帶的設計以自然生態為基礎,上游河段基本保持了原有的農林用地,其余河段采用的植被組成基本為當地鄉土樹種,喬木以楊柳為主,建設區與周邊原生的楊柳與針葉植物的混交林地自然過渡。近岸植被以鄉土草本為主,主要包括三葉草(Trifoliumrepens)、狼尾草(Pennisetumalopecuroides)等[24-25]。

2 數據與方法

2.1 SCS-CN模型及匯水區CN值計算

SCS-CN模型(Soil Conservation Service-Curve Number)是美國農業部開發的用來估算地表徑流的流域水文模型,其結構簡單,能綜合反映流域的地理特征,在許多流域得到了廣泛應用。該模型綜合概括了流域降雨條件、土壤分布、土壤水文組、土地利用類型及與徑流量間的關系,詳細介紹參見相關研究[26-27]。

模型通過將流域下墊面因素對降雨-徑流的貢獻歸結為一個無因次的變量CN值(徑流曲線數,Curve Number),最大限度地減少了產流模型的參數數量,使得模型能在多種下墊面條件下應用。CN值由土壤類型、土地利用方式、水文條件等條件決定。

2.1.1匯水區劃分

圖1 緩沖帶概況Fig.1 General status of the riparian buffer

場地內絕大部分園路高于兩側植被帶(圖1),因此,本研究中的濱水緩沖帶外側以園路為邊界。根據現場測量的濱水緩沖帶的形狀、面積、植被情況和坡度等,將緩沖帶劃分為22類,并分別統計其面積(表1)。

2.1.2CN值計算

濱水緩沖帶的土壤類型主要為薄層黃土、沙壤土。結合降水前5日的降水量總和與植物生長季節兩個要素,判定土壤前期含水量等級。在此基礎上,通過美國國家工程手冊列出的CN值查算表得到濱水緩沖帶各分區的CN值[28](表1)。考慮到坡度對產流的影響,根據坡度對CN值進行修正[29](表1)。

2.2 濱水緩沖帶徑流人工模擬

三里河位于我國北方典型季風氣候區,大型降水基本集中在夏季,非集中降雨時徑流量極小。為研究不同地表特征的濱水緩沖帶的凈化效果的差異,在幾種典型斷面上進行人工徑流模擬。根據濱水緩沖帶在植被、坡長、坡度上的差異,選擇了5個典型場地(圖2,表2)。實驗用水為場地內自來水,經過緩沖帶外圍道路后流入緩沖帶。放水裝置為50 L水箱與橡膠軟管。每3組水箱為1組,同時開始放水并計時,放水過程中保持水壓基本穩定。在場地選取斷面定點位置埋入容量為800 mL的量杯,用于收集地表徑流。

表1 各匯水區CN值

CN: 徑流曲線數 Curve numbers

場地Site植被類型Vegetation type平均覆蓋度Mean coverage坡度Slope gradient/°坡長Slope length/m上部Upper part下部Lower part上部Upper part下部Lower part1草坪>90%513552礫石—131310103花卉70%101010104高草>90%101010105灌木>90%51055

2.3 水樣品采集及水質監測

為研究濱水緩沖帶對入河水體的凈化效果,在典型斷面,分別對自然降雨徑流過程和人工模擬徑流過程中的地表徑流進行樣品采集并進行水質檢測。水質檢測委托中國環境科學院完成,檢測指標為總氮(Total nitrogen, TN)、總磷(Total phosphorus, TP)、氨氮(Ammonia nitrogen, NH3-N)、化學需氧量(Chemical oxygen demand, COD)、懸浮物總量(Suspended Solids, SS)。

自然降雨徑流過程的樣品采集斷面為4個。斷面1的地表覆被組成為道路-疏草草地-園路-草坡-坑塘,樣品采集點為4個,分別為道路、園路、草坡中部、坑塘入口,樣品采集1次。斷面2為雨水干管出口以下,樣品采集點為3個,樣品采集2次,時間間隔為1 h。斷面3的地表覆被組成為道路-草坪-草坪中洼地,樣品采集點為3個,樣品采集2次,時間間隔為1 h。斷面4的地表覆被組成為公園非正式出口-道路-道路旁洼地,樣品采集點為3個,樣品采集2次。樣品采集時間為2014年9月1日。

人工模擬徑流的樣品采集場地為5個(圖2，表2),每個場地包括樣品采集斷面3個。在坡長為5 m,坡度為10°的場地,坡面中點和坡底各設置1個樣品采集點,同一點采集樣品2次,時間間隔為30 min。在植被類型分別為草地、灌木,坡長為5 m,坡度分別為5°、13°(和10°)的場地,各設置1個樣品采集點,各點采集樣品1次。在植被類型分別為草坪、花卉、灌木,坡長分別為5 m、10 m的場地,各設置1個樣品采集點,各點采集樣品1次。

3 結果與討論

3.1 濱水緩沖帶雨水徑流消減效果

利用SCS-CN模型對2000—2013年間最大單日降雨的徑流消減效果進行模擬(表3)。發現14個年份中的日最大降雨量差異較大,與消減率之間沒有顯著的相關關系。14個年份中有9個年份的雨水徑流消減率超過了80%,其前期土壤含水量都較低。雨水徑流消減率低于70%的3個年份,其前期土壤含水量都較大。前期土壤含水量越低,雨水徑流的消減率越高,表明場地的前期土壤含水量對雨水徑流的消減效果影響顯著。灌木緩沖帶的徑流消減效果明顯優于其他植被類型,且覆蓋度越高,消減效果越好。緩沖帶的坡長越大,面積則越大,雨水徑流的消減率越高。緩沖帶的坡度范圍在5°—30°之間,在此范圍內,坡度越小,雨水徑流的消減總量越大。

表3 2000—2013年最大降雨日雨水徑流消減率

3.2 濱水緩沖帶的雨水水質凈化效果

斷面1的TP和NH3-N的濃度先增大后減小,TN、COD、SS的濃度持續減小。TP和NH3-N的濃度從樣點1到樣點2的增加可能由雨水沖刷道路引起,樣點2到樣點4濃度顯著下降,則可能與草地的凈化作用有關。斷面2的TP、TN、COD的濃度先增大后減小,NH3-N和SS的濃度持續減小。斷面2后半段污染物濃度的減小與植物的凈化作用有關。斷面3的污染物濃度變化較小或者都顯著增大,可能與污染物集中富集到洼地有關。斷面4的TP、COD濃度持續減小,NH3-N濃度持續增加,TN和SS的濃度先減小后增大。斷面4以道路為主,沒有植被覆蓋,樣點2處SS顯著減小,表明園區道路能對園區外的顆粒物產生攔截作用(圖3)。

植被帶的存在對雨水的水質能起到一定的凈化作用,受園區道路影響初期徑流容易含有大量SS,經過植被帶的凈化后濃度會顯著下降,消減率可達到98%。最典型的斷面1,雨水先經過道路后又經過植被帶,5種污染物的濃度均得到了顯著的凈化,TP、TN、NH3-N、COD、SS的消減率分別為85.35%、13.41%、68.32%、87.76%、98.5%。該結果與相關研究的緩沖帶可截留3%—50%的TN、65%—95%的TP相似[18]。

3.3 不同地表特征對地表徑流水質凈化效果的影響機制

3.3.1徑流時長

在5種植被類型、坡度為10°、坡長為5 m的緩沖帶上采集人工模擬的地表徑流,并對同一樣品采集點的兩個時間點的污染物濃度與水體的初始濃度進行對比(圖4)。發現徑流時長為60 min時,除花卉對COD和灌木對SS外,各場地均能使污染物濃度得到消減。徑流時長為30 min時,除礫石和花卉對TP、高草對TN、花卉對NH3-N、高草對SS外,各場地均能使污染物濃度得到消減。

圖3 雨水徑流中污染物濃度在各斷面的變化Fig.3 Pollutants concentration change at the interfaces in the runoffTP: 總磷 Total phosphorus; TN: 總氮 Total nitrogen; NH3-N: 氨氮 Ammonia nitrogen; COD: 化學需氧量 Chemical oxygen demand; SS: 懸浮物Suspended Solids

圖4 人工徑流中污染物濃度隨時間的變化Fig.4 Pollutants concentration change following the change of time

不同徑流時長對污染物的消減率受植被類型的影響較大。各場地對TP在60 min內的消減率均大于在30 min內的消減率。草坪和灌木對TN在60 min內的消減率均大于在30 min內的消減率。礫石和花卉對TN在60 min內的消減率均小于在30 min內的消減率。30 min內,高草使得TN的濃度增加,60 min內則能產生消減。草坪和高草對NH3-N在60 min內的消減率均大于在30 min內的消減率。礫石和灌木對NH3-N在60 min內的消減率均小于在30 min內的消減率。30 min內,花卉使得NH3-N的濃度增加,60 min內則能產生消減。草坪、高草和灌木對COD在60 min內的消減率均大于在30 min內的消減率。礫石對COD在60 min內的消減率小于在30 min內的消減率。30 min內,花卉能消減COD,60 min內則使得COD的濃度增加。草坪和礫石對SS在60 min內的消減率均大于在30 min內的消減率。花卉對SS在60 min內的消減率則小于在30 min內的消減率。30 min內,高草使得SS的濃度增加,60 min內則能產生消減。30 min內,灌木能消減SS,60 min內則使得SS濃度增加。

3.3.2植被類型

在5種植被類型、坡度為10°、坡長為5 m的緩沖帶的中點和坡底各采集兩次水樣,對坡面中的第一次水樣和坡底第二次水樣的污染物濃度進行對比(圖5)。發現除礫石外,其他植被類型均對TP有消減作用。各植被類型均對TN有消減作用,坡中TN的濃度較相近,經過坡面后,草坪和灌木對TN的消減作用較強,消減率分別為45.21%和27.12%。礫石對TN的消減作用最小,消減率僅為1.71%。各植被類型均對NH3-N有消減作用。草坪、花卉和灌木在坡中位置NH3-N的濃度相接近,3種植被對NH3-N的消減率均較高,其中花卉的消減率達到了63.72%。各植被類型均對COD有消減作用,草坪、礫石和灌木在坡中位置的COD濃度相接近,草坪和灌木的消減率較大,分別為55.8%和57.03%,礫石的消減作用較小,消減率為12.99%。花卉和高草在坡中位置的COD濃度相接近,其消減率相近但均較小。除礫石外,其他植被類型均對SS有消減作用。

圖5 不同植被類型場地中污染物濃度的變化Fig.5 Pollutants concentration change at the different plant sites

不同植被對不同污染物的消減作用差異較大。草坪對TN、NH3-N、COD的消減率較高,花卉對NH3-N、COD的消減率較高,高草對TP、SS的消減率較高,灌木除對SS的消減率較低外,對其他污染物的消減率較高,礫石的消減作用最弱,且會使得TP、SS的濃度增加。總體上,可以認為植被組成越復雜,對污染物的消減效果越好,這與有關研究表明,森林、草地緩沖帶能有效截留N、P,并且森林、草地的復合林截留效果更好相似[30-32]。

3.3.3坡度

在草坪和灌木兩種植被類型、寬度均為5 m,坡度分別為5°和10°的場地上,采集地表徑流樣品,并對比5°坡和10°坡位置的污染物濃度值(圖6)。在草坪場地中,5°坡對TP、TN、NH3-N、COD均有消減作用,10°坡除TP外,對其他污染物均有消減作用。5°坡對TN和NH3-N的消減率均大于10°坡的消減率,5°坡對COD的消減率小于10°坡的消減率。在灌木場地中,5°坡除COD外,對TP、TN、NH3-N均有消減作用,10°坡對4種污染物均消減作用。5°坡對TP、TN、NH3-N的消減率均大于10°坡的消減率。

坡度越小,對污染物的消減作用越大。這是因為緩沖帶坡度越小,地表徑流流速越低,流經緩沖帶的時間越長,污染物截留和降解效率也越高[33-34]。坡度從10°降低到5°,消減率提升了50%以上。以往也有研究表明,當坡度從5°下降到2°后,緩沖帶對TP、TN、SS的消減率可以提升15%[19]。

圖6 不同坡度場地中污染物濃度的變化Fig.6 Pollutants concentration change at different slope sites

3.3.4坡長

在草坪、花卉、灌木3種植被類型的場地中,分別在5 m和10 m坡長的位置采集地表徑流樣品,并對比各污染物的濃度值(圖7)。在草坪場地中,10 m坡長對TN、NH3-N和COD的消減率比5 m坡長的消減率稍大。在花卉場地中,10 m坡長對TN和NH3-N的消減率比5 m坡長的消減率稍大,10 m坡長對COD的消減率比5 m坡長的消減率小,兩種坡長下,COD的濃度都變大。在灌木場地中,10 m坡長對TN和NH3-N的消減率比5 m坡長的消減率稍大,兩種坡長下,COD的濃度都變大。

3種植被類型的場地中,10 m坡長對污染物消減率與5 m坡長的消減率相接近,坡長的增加對地表徑流的凈化作用增加不顯著。其他相關研究也表明,9.1 m的坡長對TN、TP、SS的消減率僅比4.6 m的坡長的消減率高10%—20%左右[35]。這可能與本研究的緩沖帶坡長較小有關,CRJC[36](Connecticut River Joint Commissions)的公告表明截留N需要緩沖帶的坡長為45—150 m,同時,Chang等[37]對受富營養化威脅的翡翠水庫濱水緩沖帶的研究發現,坡長為30 m時去除P的效益最好。

圖7 不同坡長場地中的污染物濃度變化Fig.7 Pollutants concentration change at different slope length sites

4 濱水緩沖帶設計優化建議

4.1 形態設計

條件相似的河段在濱水緩沖帶設計中可以選擇將寬度控制在5 m以上,以5—20 m為主體。最理想的坡度應該是5°及以下,5°—30°的效果也尚可,超過30°則雨水徑流減控和水質凈化的效果都會明顯下降。實際設計中,在尊重原有河流和周邊高差的情況下,可以盡量減小坡度。不同形態特征的緩沖帶在組合上應該保持河岸的自然凹凸,一方面可以保證緩沖帶與河流的相互作用,維持河流的自我調節功能,另一方面能提供城市公園所需的視覺和活動上的多樣性。

4.2 植被選擇

草地可以作為緩沖帶的主體植物,但一般草坪維護成本高(表4),可以選擇能達到較高覆蓋度,視覺效果比較低矮整齊的鄉土草本作為草地主要植物物種。灌木和高草草叢可以作為輔助的主要植被類型,種植形式上不應太過雜亂。不需要精心培育養護的有花灌木可以提升使用者的好感。觀賞性花卉,尤其是限制種植密度的觀賞性花卉盡量少用在濱河緩沖帶內。能夠達到較高地表覆蓋度(應大于90%)且不需要大量維護的草本花卉不在此列,可以作為主體草地的組成植被。以植被緩沖帶作為河岸的主體構成,若非必要，盡量不采用礫石河岸。

表4 不同緩沖帶地面覆蓋的優劣性比較

5 結論

利用SCS-CN地表徑流估算模型、地表徑流人工模擬以及水體樣品實地采集等方法,揭示了遷安三里河緩沖帶的雨水消減及水質凈化效果,并分析了地表特征對其的影響。主要得到以下結論：

(1)濱水緩沖帶對雨水徑流量有很好的消減作用。14個模擬年份中,9個土壤前期含水量較低的年份,其徑流消減率能超過80%。前期土壤含水量、植被類型、坡長對徑流消減作用顯著,前期土壤含水量越低、坡長越長,徑流消減量越大。灌木比草坪、花卉、鋪裝的徑流消減量大。5°—30°的范圍內,坡度越小,徑流消減總量越大。

(2)植被的存在對雨水的水質能起到一定的凈化作用,植被帶對TP、TN、NH3-N、COD和SS的消減率可分別達到85.35%、13.41%、68.32%、87.76%和98.5%。

(3)不同徑流時長對污染物的消減率受植被類型的影響較大。徑流時長為60 min時,除花卉對COD和灌木對SS外,各場地均能使污染物濃度得到消減。徑流時長為30 min時,除礫石和花卉對TP、高草對TN、花卉對NH3-N、高草對SS外,各場地均能使污染物濃度得到消減。

(4)不同植被對不同污染物的消減作用差異較大。草坪、花卉、高草、灌木對污染物的消減率高,礫石的消減率低。

(5)坡度越小,對污染物的消減作用越大。坡度從10°降低到5°,消減率可提升50%以上。坡長的增加對地表徑流的凈化作用增加不顯著。