基于LID 理念的生態濾溝對路面徑流水質處理效果的試驗研究

長孫旭輝 孫國寧 林培娟

（1、西京學院 土木工程學院，陜西 西安710123 2、中國水利水電第三工程局有限公司西安勘測設計研究院，陜西 西安710000）

1 概述

伴隨著城市化進程的飛速發展，城市不可滲透地表的面積比例逐漸增大，導致可滲入地下的地表徑流的城市降雨轉變為沖擊性較強的暴雨徑流，隨著排水管網進入城市排水系統并最終進入收納水體。生態濾溝[1]作為一種典型的低影響開發（LID）生物滯留技術[2]，將徑流污染控制與雨水蓄滯利用有機結合，對于干旱缺水地區具有重要意義和實用價值。試驗裝置尺寸為：長2.5m×寬0.5m×深1.0m，對所得試驗數據進行分析，研究填料的厚度、類型、組合方式、植被條件、進水污染物濃度、進水水量對生態濾溝的污染物凈化效果的影響。

2 生態濾溝凈化試驗設計

試驗裝置為共有6 組長2.5m×寬0.5m×深1m 的生態濾溝，出水口設有出流池和三角堰，出流池長95cm、寬20cm、高15cm，三角堰堰高7cm 角度20°，在濾溝土層中安裝有溢流導流管將溢流排出，導流管上裝有400L/h 流量計。濾溝土層從下往上結構采用30cm 厚種植土、25cm 厚高爐渣/ 粉煤灰、20cm厚礫石、10cm 厚鵝卵石、植物（麥冬草+小葉女貞/黃楊）或者30cm 厚種植土、45cm 厚粉煤灰/礫石、10cm 厚鵝卵石、植物（麥冬草+小葉女貞/黃楊）。并根據大、中、小水量（模擬不同重現期的暴雨強度）、3d、9d、15d 的間隔時間和低、中、高濃度的水質設計三因素三水平的正交試驗（表1）。

表1 水質水量正交試驗表

試驗根據西安市路面徑流水質監測情況[1,3-6]與西安市暴雨強度公式[7]計算濾溝實驗所需的水質與水量，試驗水量采用芝加哥雨型，降雨過程模擬一場完整的降雨。采集水樣從出水口出水開始，間隔10min，10min，10min，10min，10min，20min，20min，30min，30min 取水，在入口處取得原始水樣500ml，低溫保存以備實驗。水量的測量由安裝在溢流堰上的水位儀監測。并在試驗室中檢測水樣中TN、TP、氨氮、DP、Zn 等參數的水質分析。

按照以上正交試驗設計方案完成試驗，分析試驗數據對比6組濾溝的各水質指標的處理效果, 以此確定符合各個濾溝的最佳處理工況（試驗水質和試驗水量、取水間隔時間的最佳組合方案）。另外，分析對比在相同試驗水質、試驗水量和取水間隔時間下的6 組濾溝對不同污染參數的處理效果，得出不同污染參數處理效果最優的填料組合方案和植被條件。

計算6 組濾溝對不同污染物的去除率，建立模型，確定不同污染物的去除率與填料類型、試驗水質和水量之間的耦合定量關系。

3 生態濾溝凈化效果分析

通過試驗分析，不同生態濾溝對于TN、TP、氨氮、DP、Zn 濃度去除率為8%～38%、38%～77%、30%～93%、24%～98%、19%～78%，DP 去除效果與填料種類、填料厚度、植被條件等無規律可循，其余參數去除效果隨著進水水量、進水水質的增加而降低；增加填料厚度會明顯提高濃度去除率。

濾溝對于水量消減可以達到：徑流削減率、出流削減率、峰值削減率分別為：94%～100%、84.45%～95.54%、85.3%～93.25%，試驗得到結果：填料種類水量削減效果由強到弱：高爐渣＞沸石＞粉煤灰；填料厚度與植被條件對水量削減率影響較小。

經過試驗分析，填料處理效果由強至弱依次為：粉煤灰、高爐渣、沸石；厚度為45cm 的填料處理效果優于25cm 的填料；植被條件處理效果為：黃楊+麥冬草、小葉女貞+麥冬草。因此最佳填料組合方案為：粉煤灰、填料厚度為45cm，植物為黃楊。

4 生態濾溝凈化效果多元回歸統計分析及hydrus-1d 軟件模擬

4.1 運用SPSS 軟件中多元線性回歸模型對TN 去除效果進行模擬得到：TN 濃度去除率隨著填料因子、填料厚度的增加而增大，隨著進水水量、進水水質的增加而減小。因此填料因子、填料厚度與TN 濃度去除率呈線性遞增關系，進水水量、進水水質與TN 濃度去除率為斜率為負的線性關系，得到原始變量回歸方程為y=0.093x1+0.545x2-0.338x3-0.022x4+6.559。其中，y：TN 濃度去除率，x1：填料類型，x2：填料厚度，x3：進水水量，x4：進水濃度。模擬值與實測值的差距相對不大，在模擬工況下具有一定的指導價值。

4.2 運用多元線性回歸模型對TP 去除效果進行模擬，TP 濃度去除率隨著填料厚度的增加而增大，隨著填料因子、進水水量、進水水質的增加而減小。因此填料因子、填料厚度與TP 濃度去除率呈線性遞增關系，進水水量、進水水質與TP濃度去除率為斜率為負的線性關系，得到原始變量回歸方程為y=-0.166x1-0.225x2-2.830x3-0.015x4+104.208。其中，y：TP 濃度去除率，x1：填料種類，x2：填料厚度，x3：進水水量，x4：進水濃度。模擬值的殘差相對不大，在模擬工況下具有一定的指導價值。

4.3 hydrus-1d 軟件可以較為準確的模擬生態濾溝試驗出水情況以及污染物濃度的沿程分布。如果采用較為準確的參數實測值和經驗值，運用回歸方程得到的模擬結果與實測值較為接近，在實際應用中有一定的價值。

5 結論

通過試驗研究表明，生態濾溝對城市雨水產生的地表徑流有一定的消減作用，大大降低了雨水的水量與污染問題。同時生態濾溝可作為一種典型的措施來調節雨水徑流，使用LID 技術和雨水蓄滯回用技術具有較高的使用價值。在全國大力推行海綿城市的大環境下，生態濾溝可作為小范圍的城市雨水的凈化消納設施為城市排水管網減輕負擔。