下凹式綠地對雨水徑流的控制效果研究

張國慶

（上海市金山區公路管理所，上海市201599）

0 引言

下凹式綠地，作為低影響開發技術之一，是一種綠地高度低于周圍地面高度的雨水管理系統的統稱。狹義的下凹式綠地即指低于周邊道路或地面200 mm以內的綠地。下凹式綠地由植物和填料兩個部分組成，通過下滲、滯留、吸附等作用實現調節地表徑流、削減徑流污染物、補充地下水等目的[1]。此外，下凹式綠地還具有滯塵減噪、遏制城市熱島效應等環境調節功能[2]，并能夠靈活應用于城市道路、公園、居民小區、學校等眾多場景，因此在海綿城市建設中具有廣闊的應用前景。

下凹式綠地對徑流雨水的控制主要包括蓄滯和凈化兩個方面。植物種類以及種植密度的不同都會影響其發揮攔截徑流雨水和吸收雨水中營養物質的作用；由于不同的填料基質對污染物的吸附、過濾效果以及滲透效果不同，因此對徑流雨水的蓄滯和凈化效果也不同。因此，需要全面考察下凹式綠地各組成部分在雨水調控中發揮的作用和效果，才能合理設計綠地的相關參數、準確選擇效果最佳的植物、填料等，以實現設計參數的最優化。

本文通過自制裝置模擬降雨，研究了下凹式綠地對地表徑流的調控效果和污染物的削減效果，并從下凹深度和基質種類兩個方面研究了對徑流調節效果的影響，旨在為下凹式綠地的設計和應用提供參考。

1 試驗材料

試驗所用的細砂、椰糠、火山巖、煤渣、沸石以及鳶尾均購于南京市某園藝場；試驗所用的氯化銨（NH4Cl）、硝酸鈉（NaNO3）、磷酸二氫鉀（KH2PO4）、葡萄糖（Glucose）、高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O）均為南京化學試劑有限公司生產的分析純藥品。

2 試驗設計

試驗裝置包括配水系統和下凹式綠地主體結構兩部分，如圖1所示。

圖1 下凹式綠地裝置

試驗設計如下：

（1）分別在下凹深度為10 cm、15 cm、20 cm的下凹式綠地裝置中裝填一定比例混合的細砂、土壤和椰糠基質，基質高度為50 cm，表層種植鳶尾。三個裝置分別在0.25 a、0.5 a、1 a、5 a的重現期，20∶1的匯流比下，按照芝加哥雨型，利用流量計每10 min調節進水流量模擬實際降雨過程并記錄裝置出水情況直至出流結束。

（2）在三個下凹深度相同的裝置中，將細砂、土壤、椰糠分別與火山巖、煤渣、沸石按一定比例混合填入，填料高度為50 cm，表層種植鳶尾，分別命名為1#、2#、3#下凹式綠地。按照表1的污染物濃度在水桶中配制人工雨水，固定重現期為2 a，匯流比為15∶1，利用流量計每10 min調節進水流量模擬實際降雨，并從開始出水時每10 min從出水口取樣并記錄出水流量等直至出流結束。所取水樣保存于500 mL聚氯乙烯瓶中并在24 h內完成污染物濃度測定，測定方法均依照國家標準方法[3]。

表1 試驗配水水質情況

3 下凹式綠地的蓄滯效果研究

3.1 下凹深度和降雨強度的影響

如圖2所示，10 cm、15 cm、20 cm三種下凹深度下綠地對雨水的蓄滯情況。從圖2中可以看出，下凹深度為10 cm時，在0.5 a、1 a、5 a重現期下均產生溢流，溢流率分別為9.09%、12.66%、28.%，下凹深度為15 cm時，在1 a和5 a重現期產生了溢流，溢流率分別為2.87%、15.88%；下凹深度為20 cm時，僅在5 a重現期下產生了溢流，且溢流率僅為7.18%。相比之下，10 cm的下凹深度無法應對0.5 a重現期及以上的降雨，而15 cm和20 cm的下凹深度能夠較好地應對頻繁降雨事件及較大降雨。

圖2 不同下凹深度下的蓄滯情況

此外，在下凹深度一定，例如10 cm時，隨著降雨重現期的增大，溢流體積逐漸增大，下凹式綠地的水量削減率逐漸減小，當重現期從0.25 a增加到5 a時，水量削減率從100%減小到72.00%，所以重現期越大，下凹式綠地對徑流雨水的削減效果越差。

3.2 填料基質的影響

如圖3所示，填料基質不同的情況下，下凹式綠地的蓄滯效果有所不同。首先，1#、2#、3#裝置在產流延遲上都有一定效果，分別為9 min、10 min、7 min，這說明火山巖和煤渣的保水性較好。三個裝置的峰值削減率分別為36.1%、29.8%、48.37%，峰值延遲時間分別為30 min、20 min、30 min。此外三個裝置均未產生溢流，水量削減率都為100%。所以添加了火山巖、煤渣、沸石后，對產流延遲、峰值延遲、峰值削減、水量削減都有一定改善效果，且改善效果各不相同。

圖3 三個裝置的蓄滯效果

4 下凹式綠地的去污效果研究

圖4所示為三個下凹式綠地裝置對TN、TP、COD、SS的去除效果，從圖中可以看出，三個裝置對總氮的去除效果差異較大，其中2#裝置的去除率最高，為48%，這可能是因為試驗配制的總氮由氨氮和硝態氮組成，土壤中的負電荷有利于吸附帶正電荷的氨氮，被吸附的氨氮經過硝化細菌會轉化為硝態氮或亞硝態氮，而煤渣可以提供硝化反應所需的堿性環境，所以煤渣對氮的去除效果較好[4]。

圖4 三個裝置的總氮（TN）去除效果

如圖5所示，三個裝置對總磷的去除效果相差不大，去除率分別為82.7%、75%和70.9%，其中1#裝置總磷去除率相對較高，可能是由于火山巖的孔隙率大，比表面積大，有利于對磷的吸附[5]。

圖5 三個裝置的總磷（TP）去除效果

對于COD，1#和2#裝置的去除效果均不太理想，去除率不超過35%，如圖6所示，這可能是因為溶解性的COD是通過微生物氧化降解作用去除的，而生物降解作用與裝置中的微生物數量和溶解氧有關[6]。

圖6 三個裝置的COD去除效果

三個裝置對SS的去除效果都非常好，如圖7所示，去除率均在95%左右，這主要是因為SS的去除主要以填料的物流截留為主，而實驗裝置中的填料中含有大量細砂，細砂對SS的過濾截留效果較好。但SS的去除容易造成填料的堵塞，有研究人員認為填料表層5.08～12.7 cm應該定期檢查并更換[7]。

圖7 三個裝置的S S去除效果

5 結 語

通過對不同下凹式綠地裝置進行模擬降雨實驗，得出以下結論：

（1）下凹深度會影響綠地的蓄滯效果，下凹深度越大，溢流水量越少，水量削減效果越好。但是出于安全考慮，下凹深度不能過大，國家規定的下凹深度為10~20 cm；降雨強度對蓄滯效果也會產生影響，降雨強度越大，綠地對徑流的削減率越小。

（2）不同的填料基質，對雨水徑流的調控效果也有所不同，火山巖、煤渣、沸石對產流延遲、峰值延遲、峰值削減、水量削減等都有一定改善，其中，火山巖的總體改善效果較好，在2 a重現期，15∶1的匯流比下，對產流的延遲時間為9 min，峰值削減率為36.1%，水量削減率為100%。

（3）填料基質不同，下凹式綠地對污染物的削減效果也不同，實驗結果表明，煤渣對總氮的去除效果最好，去除率為48%，火山巖對總磷的去除效果較好，去除率為82.7%，沸石對COD的去除率相對較高，為34.9%；火山巖、煤渣、沸石對SS的去除效果均較好，去除率在95%左右。