不同生態護坡材料對徑流中氨氮及磷酸鹽削減效果的試驗研究

趙璧奎，胡佳純，洪昌紅，周銘浩，陳家豪

(1. 廣東省水利水電科學研究院,廣東 廣州 510635；2. 廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635；3. 河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣東 廣州 510635)

徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制、雨水資源化利用是海綿城市建設規劃的4大控制目標[1]。河湖水系是城市海綿體的重要組成部分，是城市資源、環境、生態、景觀的載體[2]。應用生態護坡材料實施生態岸線恢復工程，是實現污染物截留、增強河道自然凈化能力的重要措施。

生態護坡及其植被對水質凈化的機理與效果仍處于研究探索中。蔡婧等[3]通過現場模擬徑流試驗，研究了柴籠、灌叢墊、植草3種不同類型的生態護坡對地表徑流的延滯作用和污染控制作用，證明生態護坡在控制地表徑流污染方面具有良好的生態效益。王慧子等[4]選取麥冬、香根草、狗牙根3種植物作為護坡植物進行模擬降雨沖刷試驗，研究了植物對降雨徑流攜帶的泥沙等懸浮固體污染物的攔截效果。張文源[5]等針對深圳坪山河“賓格石籠網箱+中空生態砌塊+聯鎖砌塊+植被修復”的組合式生態護坡方式，研究暴雨徑流削減效益和污染物的削減效益。李亞娟等[6]應用MIKE 中EcoLab 模塊，模擬研究河流濕地水動力及水質凈化效果。另外也有學者從生態護坡對河道水質凈化效果的視角開展研究，分別從不同生態護坡濱水植物選擇[7-10]、多孔混凝土與水生生物組合優化[11]等方面進行了大量研究。從現有研究成果看，生態護坡植物對河道中的COD、TN、TP 等多種污染物質均有著較好的去除效果，能夠滿足河道水質凈化的要求[12]。此外，國內外學者就生物滯留設施中填料改良對地表徑流水質凈化作用開展了大量試驗研究[13-16]，為生態護坡對地表徑流水質凈化作用提供很好的借鑒參考。

隨著“生態岸線恢復”被納入海綿城市建設績效評價與考核指標的約束性指標[17]，生態岸線恢復將更加受到重視，生態護坡材料應用前景將更加廣闊。然而，目前生態護坡材料種類繁多，新型護坡材料的水質凈化效果差異尚不明晰。筆者選取了當前廣泛應用的5種生態護坡材料作為研究對象，采取模擬徑流試驗方法，探究不同生態護坡材料對徑流氨氮、磷酸鹽削減效果，為護坡材料的選用提供借鑒，并結合試驗結果對生態護坡的應用提出幾點建議。

1 材料與方法

1.1 材料選擇

選取當前應用最為廣泛的格賓石籠、生態砌塊和具有推廣應用前景的現澆綠化混凝土、植物蜂巢等材料作為研究對象，其結構形式如圖1所示，5種護坡材料特性如表1所示，并選擇普通植草護坡作為參照組。

圖1 主要生態護坡材料結構形式示意

表1 5種護坡材料結構特性對比

1.2 試驗裝置

分別構筑了每種護坡材料的試驗段，每個試驗段長為6 m、寬為1.5 m，坡度為1:2.25，完成護坡材料構筑后，在結構材料表層鋪設5 cm厚回填素土作為植土層，并鋪設馬尼拉草[19]草皮，植草鋪設、培育4個月后開展模擬試驗。5種生態護坡中，生態砌塊植被覆蓋率為18.13%，其余試驗段表面均全部覆蓋植被，試驗時植被生長良好。

試驗裝置由2 t儲水桶、供水管、開關、流量計、分水管組成供水系統，為了區分生態護坡對地表徑流和壤中流的水質凈化效果，試驗裝置下邊緣設置2個出水管，分別收集地表徑流和壤中流，試驗裝置示意及現場照片如圖2所示。

圖2 試驗裝置示意及試驗段現場照片

1.3 邊界條件

考慮氮、磷是引起水體富營養化的關鍵指標，試驗選取氨氮、磷酸鹽兩項水質指標為代表。試驗用水是某試驗基地生活污水，并添加少量氯化銨、磷酸二氫鉀等物質配置而成。

參照深圳市2年一遇設計暴雨強度150.71 L/(s·hm2)，假設護坡外邊界道路為3車道，即道路寬度為10.5 m，試驗段寬度為1.5 m，匯水面積為15.75 m2，推算試驗段平均匯水流量約為12.11 L/min，每一組護坡上邊界的入流流量大小盡量維持恒定，徑流模擬時間長度為60 min。實際試驗中受水桶內水位變化及管線水頭損失影響，實際入口流量存在波動變化，每次試驗單獨進行，不同組次的水質濃度也存在一定差異，每組試驗的平均流量和平均水質濃度如表2所示。

表2 每組試驗的平均流量及水質濃度

1.4 監測與采用

1) 采樣頻率

試驗開始時刻打開總開關并快速調節至預設流量對應開度。從試驗開始時刻T0起，每隔5 min記錄入口處流量計讀數。分別記錄地表徑流、壤中流開始溢流的時刻，并從各自開始溢流時刻開始按照5 min間隔監測記錄流量值，兩個出口流量采用量筒計時法計量。每次監測記錄流量時均同步采集3處監測點處的水質樣品，當試驗第60 min時，關閉供水閥門并加密地表徑流和壤中流的監測和采樣，直到地表徑流、壤中流均結束溢流時，試驗結束。

2) 水質檢測

1.5 評價方法

1) 濃度削減率

選取濃度削減率指標評價生態護坡的污染物削減效果。地表徑流和壤中流的氨氮、磷酸鹽兩項水質指標的濃度削減率Re計算公式見式(1)(2)：

(1)

(2)

因試驗過程中流量及對應水質均為波動變化，計算平均濃度時按照逐時段水質濃度值及其時段對應的水量進行加權平均：

(3)

(4)

(5)

式中C1t、C2t、C3t分別為入口處、地表徑流出口、壤中流出口在t時刻的濃度，mg/L；V1t、V2t、V3t分別為t時段入口處、地表徑流出口、壤中流出口出水量，L。

綜合護坡材料對地表徑流、壤中流的削減率，按照水量比例進行加權平均，以此計算某種護坡材料對某一水質指標的綜合削減率，見式(6)：

(6)

(7)

3) 徑流入滲比例Ir

徑流入滲比例Ir指模擬試驗過程中，入滲形成土壤水的水量占模擬試驗入口總水量的比例，如式(7)所示，用該指標衡量不同材料的徑流入滲能力相對大小，輔助分析水質指標在地表徑流削減率、壤中流削減率和綜合削減率的關系。

(8)

2 結果分析

2.1 徑流入滲比例分析

試驗結果如圖2所示，不同護坡材料徑流入滲比例差異較大，其中現澆綠化混凝土、生態砌塊相對較高，分別為64.6%、62.87%，5組護坡材料的平均徑流入滲比例為47.81%，試驗表明其中4種生態護坡材料的徑流入滲比例均顯著高于普通植草護坡。

圖2 不同護坡材料的徑流入滲比例比較示意

2.2 削減效果分析評價

1) 不同護坡材料對氨氮削減規律

不同護坡材料的地表徑流、壤中流的氨氮相對濃度過程如圖3所示。植物蜂巢的出口氨氮濃度呈現穩定上升趨勢。其余4種護坡材料的地表徑流和壤中流的氨氮濃度變化趨勢均呈現前15～20 min濃度逐漸升高(充盈期)、20～60 min出口水質濃度維持相對穩定(平穩期)、60 min關閉徑流輸入后出口濃度又逐漸降低(恢復期)等3個階段的過程規律。

開始溢流時，試驗開始時各種材料對氨氮的削減率達到最大，地表徑流的氨氮水質濃度僅有輸入濃度的7%～46%，壤中流的氨氮水質濃度則僅有輸入濃度的6%～58%。經過15～20 min的徑流入滲，土壤含水率趨于飽和，出口濃度逐漸上升。20～60 min入流與產流趨于平衡，同時對氨氮的吸附也趨于穩定。T=60 min時關閉閥門，入口流量為0，出口處流量逐漸減小，此時的出口濃度也呈現下降趨勢。

分析20～60 min平穩期不同材料的氨氮濃度，在一定程度上可以代表護坡材料對氨氮的削減能力。普通植草護坡、現澆綠化混凝土的地表徑流濃度約為該組的入口平均濃度的0.9倍，此階段兩種材料的地表徑流中氨氮濃度相對輸入平均濃度降低了10%；同理格賓石籠、生態砌塊兩種材料的地表徑流氨氮濃度相對輸入平均濃度降低了30%～40%；植物蜂巢的地表徑流出流濃度在試驗過程中呈現持續上升過程，在徑流模擬結束時刻達到峰值后，濃度又迅速下降。

由圖3可知，不同材料的壤中流氨氮相對濃度規律不同，其平穩期出現時間、持續時間存在較大差異。其中現澆綠化混凝土壤中流氨氮濃度在T=25～54 min期間維持平穩，期間壤中流氨氮濃度比入口平均濃度降低了30%；生態砌塊壤中流在T=0～60 min期間維持平穩，其氨氮濃度比入口平均濃度降低了35%。

圖3 不同護坡材料的氨氮相對濃度變化過程示意

按式(1)(3)綜合流量、水質的試驗結果，根據式(6)計算不同護坡材料試驗段對氨氮綜合削減率(見圖4)。從圖4可見，不同材料對氨氮綜合削減率從大到小依次為植物蜂巢(68%)、格賓石籠(54%)、生態砌塊(41%)、現澆綠化混凝土(23%)、普通植草(22%)。

圖4 不同護坡材料的氨氮指標削減效果分析示意

2) 不同護坡材料對磷酸鹽削減規律

不同護坡材料的地表徑流、壤中流的磷酸鹽相對濃度變化過程如圖5所示。試驗結果表明，與氨氮濃度變化規律類似，5種護坡材料的地表徑流和壤中流的磷酸鹽濃度變化趨勢也存在充盈期、平穩期、恢復期3個階段。

平穩期普通植草護坡、現澆綠化混凝土兩種材料的地表徑流磷酸鹽濃度比入口平均濃度降低3%～9%；格賓石籠、生態砌塊、植物蜂巢3種材料的地表徑流磷酸鹽濃度分別比入口平均濃度降低25%、37%、49%。

圖5 不同護坡材料的磷酸鹽變化示意

不同護坡材料試驗段對磷酸鹽的地表徑流削減率、壤中削減率及加權平均的綜合削減率如圖6所示。從圖6可見，不同材料對磷酸鹽綜合削減率從大到小依次為植物蜂巢(59%)、格賓石籠(43%)、生態砌塊(38%)、現澆綠化混凝土(13%)、普通植草(12%)。

3) 削減率的規律分析

試驗表明所研究的5種生態護坡在對氨氮、磷酸鹽的削減上呈現以下規律：

① 5種生態護坡對氨氮削減率均高于對磷酸鹽的削減率，并且呈現出地表徑流的削減率普遍小于壤中流削減率，土壤所起到的吸附降解作用更加顯著，因此，提高材料的入滲強度、增加入滲比例，在一定程度上可以增加護坡材料對氨氮、磷酸鹽的削減作用；

② 不同材料對氨氮、磷酸鹽的削減率差異較大，不同材料的壤中流對氨氮、磷酸鹽的綜合削減率由小到大依次為植物蜂巢(68%，59%)、格賓石籠(54%，43%)、生態砌塊(41%，38%)、現澆綠化混凝土(23%，13%)、普通植草(22%，12%)。

4) 單位面積護坡污染物質削減量分析

入流濃度的不同對削減率的評價會造成一定影響[20]，主要體現為入流負荷強度的增大，削減率會呈現降低趨勢。為此在評價綜合削減率的同時，需考慮入流流量、輸入濃度等邊界條件存在波動，推求每個試驗塊對氨氮、磷酸鹽的物質削減量，并根據實驗塊面積，計算得到本次模擬實驗的60 min時間內，單位面積生態護坡材料對氨氮、磷酸鹽的物質削減量(如圖7所示)。分析表明，每平方米生態護坡材料在60 min模擬實驗中平均可以削減氨氮86 mg、磷酸鹽126 mg，其中格賓石籠每平方米削減的氨氮188 mg、磷酸鹽198 mg，格賓石籠對物質削減量是5種材料中最高。

圖7 單位面積護坡材料對氨氮、磷酸鹽削減量示意

3 討論

蔡婧[3]等研究了柴籠、灌叢墊、植草3種不同類型的生態護坡對地表徑流的延滯作用和污染控制作用，提出植草護坡延滯地表徑流的能力不及柴籠和灌叢墊，與本次試驗結果提出普通植草護坡綜合去削減率較低、增強護坡入滲率有利于提高污染物質削減率等結論和判斷基本相一致。研究結果表明：植草護坡對泥沙結合態營養鹽的攔截率分別達到85.93%和80.53%～85.33%，顯著高于本文試驗所得到的綜合削減率，由于入流濃度、流量控制等條件的差異，導致試驗結果所得的削減率存在較大差異，屬于正常情況。張文源[5]等配置了TP、NH3-N濃度分別為1.53 mg/L、7.65 mg/L的水樣，深圳“聯鎖砌塊+千屈菜”的護坡形式對流經整個組合護坡帶后TP的削減率可以達到32%～52%，NH3-N的削減率可以達到37%～56%。從其試驗水樣濃度范圍、試驗結果去除率與筆者試驗得到的綜合削減率結果相近。從試驗方法上，筆者提出分別監測地表徑流、壤中流的流量與水質，解釋兩種徑流形態的削減率差異規律，可為相關研究提供借鑒。

李家科[20]等通過大量實驗深入研究了生態濾溝對徑流凈化的效果，認為粉煤灰+沙(FS)為人工填料層的生態濾溝凈化效果最好。吳林坤認為植物能夠改變植物根系微環境，增強根系周圍土壤對氮、磷的吸附作用[21]。因此，通過對生態護坡土壤基質的改良，改善植物組合，進一步提升生態護坡對污染物的削減效果還有一定空間。

4 結語

生態護坡作為海綿城市生態岸線恢復的一項重要指標，對增強海綿城市徑流污染控制具有重要的作用。研究表明所選擇的5種生態護坡均對氨氮、磷酸鹽有顯著的削減效果，且對氨氮的削減率均大于對磷酸鹽的削減率，對氨氮、磷酸鹽的綜合削減率由大到小依次為植物蜂巢(68%，59%)、格賓石籠(54%，43%)、生態砌塊(41%，38%)、現澆綠化混凝土(23%，13%)、普通植草(22%，12%)。研究揭示了壤中流的削減率普遍高于地表徑流削減率的基本規律；發現了在維持入流濃度及流量不變條件下，生態護坡的出口濃度存在先升高—維持平衡—逐步降低3個階段。研究定量評價了不同護坡材料對氨氮、磷酸鹽的削減效果，可以為護坡材料選擇和海綿城市相關研究提供參考。