雨水花園應對臺風降雨沖刷山體土壤淋出液水質的處理效果

張孝忠，韋學玉

(1.徐州市水利建筑設計研究院有限公司，江蘇 徐州 210098；2.安徽工程大學建筑工程學院，安徽 蕪湖 241000)

1 工程概況

據統計，全球每年會產生24-30次臺風，其中約10-14次的臺風會影響到我國的東部沿海[1-2]，臺風強大的破壞力給沿海地區水源地水質、水處理工藝造成巨大影響[3-5]。臺風攜帶的強降雨對以水庫為飲用水水源的水質造成巨大影響[6-7]，強降雨沖刷庫區周邊土壤，使土壤泥質及土壤中的污染物釋放后隨雨水匯入水庫，濁度、氨氮、總懸浮固態(TSS)等水質指標短時間急劇上升，且水質惡化周期較長，給水廠制供水帶來巨大挑戰[8-9]。比如濁度的突變會增加混凝過程中混凝劑的投加量，期間依靠強化混凝工藝依舊無法保證出水水質穩定[10-12]。從源頭上減緩臺風引發的以濁度為主要污染物的水質突變是當下水廠解決臺風引發的水質突變的根本措施[13-14]。

筆者結合海綿城市“滲、蓄、滯、凈、用、排”理念[15-17]，結合小試試驗，思考依靠自然積存、自然凈化、自然轉化的海綿設施去凈化水質、削減污染物，從源頭上截流一部分污染物，一定程度上緩解水庫水質[18-20]。本文以頻受臺風影響的東南沿海某水庫為研究對象，定性分析LID設施對水質的影響效果，以期為以水庫水為水源地且頻受臺風影響的沿海地區提供技術支撐和理論指導。臺風“海葵”、“燦鴻”、“莫蘭蒂”、“悟空”影響期間，濁度、TSS均產生劇烈突變，濁度最大突變是正常時期的200倍以上，TSS在臺風影響期間也升高了接近64倍。臺風期和正常時期水庫主要水質指標對比數據見表1。

表1 臺風影響區間水庫主要水質指標對比情況

2 研究材料與方法

2.1 土壤樣品的采集與指標分析

使用土壤取樣器整體移取水庫周邊土壤，按原坡度移入設計水箱，檢測土壤樣品含水率0.18；濁度分析采用便攜式濁度儀，TSS分析采用溶解性固體測定儀。

2.2 模擬實驗裝置設計

淋溶實驗裝置為有機玻璃材質，長100cm，寬50cm，高100cm，底部預留漏斗形出水孔，土壤淋溶模擬試驗裝置示意圖如圖1所示。

2.3 雨水收集和試驗方法

使用儲水罐收集雨水，雨水水質見表2。基于水庫近年來臺風影響時降雨的基本情況設計試驗方案，見表3。

表2 雨水水質

表3 臺風降雨基本情況

綜合考慮臺風影響期間降雨的復雜性，本試驗過程中將降雨強度控制為20、30mm/h，降雨時間一般比較集中，不同臺風過境期間降雨時間有存在差異，為了便于研究降雨時間對水質的影響，特將連續降雨時間控制為16h。

2.4 雨水花園結構設計

考慮到臺風期間降雨的極端性，在雨水花園設計時選用根莖強硬、根系發達的紅花檵木和花葉杞柳按1∶1比例種植，同時在雨水花園邊緣區采用φ200-400的卵石護坡，消納雨水對設施造成的沖擊；種植土按照素土：中粗砂：腐殖土為1∶3∶1配置，種植厚度300mm，下部增設厚度為30mmφ30～50mm的礫石層，礫石層內部鋪設透水管收集雨水，收集雨水經透水管排出設施外。

3 結果與分析

3.1 出水濁度對比

雨水花園可以有效控制淋出液濁度值，如圖2所示。在不接入海綿設施情況下，淋出液隨模擬降雨的進行，出水濁度在0～0.5h內急速升高，隨后隨著降雨的進行濁度逐漸趨于穩定值；降雨強度30mm/h的淋出液濁度大于20mm/h的淋出液濁度，即同一時刻，降雨強度越大，淋出液濁度越高；當淋出液接入雨水花園設施后，設施出水濁度隨降雨時間的進行緩慢升高，濁度值一直被控制在100NTU以下；同等降雨條件下，在降雨持續1h以后，接入設施比不接入海綿設施出水濁度低了近400NTU，即雨水花園對淋出液中以濁度為代表的污染物進行了有效截流。

圖2 接入LID設施與未接設施出水濁度對比圖

3.2 出水TSS含量對比

TSS作為地表徑流污染的主要污染物，而且是其他污染物的載體，研究TSS含量變化對于論證雨水花園對淋出液污染物含量重要意義[21-22]。雨水花園可截流45%以上的TSS。淋溶初始的0.5h內，雨水花園對淋出液TSS控制率最高達到64%；不接設施時，淋出液隨模擬降雨的進行，出水TSS在0～0.5h內急速升高，隨后隨著降雨的進行TSS逐漸趨于穩定值，1h以后，降雨強度越大，淋出液TSS含量反而低；當淋出液接入雨水花園后，出水TSS得到了一定程度的控制，1h以后出水TSS穩定在70mg/L以下，比淋出液中TSS低30～50mg/L，如圖3所示。

4 結語

(1)雨水花園對淋出液污染物進行了有效截流，借助雨水花園處理，可以一定程度上凈化臺風影響下的山體土壤淋出液。

(2)設計雨水花園時，應選取根系發達、抗風性強的植物，充分發揮其根系固水能力，防止強降雨破壞組團的結構。

(3)雨水花園有效截流臺風降雨沖刷土壤釋放的污染物，有利于減輕污染負荷，給后續水廠水處理帶來巨大效益，如減少混凝劑的投加、減緩濾池過濾沖洗頻次等。

(4)本實驗結論建立在小試試驗的基礎之上，還需結合實際進行數據和理論修正。