南方校園降雨徑流特性與植草溝凈化效果研究

付崢嶸，王 冶，胡潤韜，姚家興，李 琳，王海峰

（1. 湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007；2. 株洲市規劃設計院，湖南 株洲 412007）

0 引言

過去的幾十年里，快速城市化是導致全球地表水惡化的主要原因[1-2]。在城區，不透水面積不斷增加，直接或間接增加了降雨徑流量、降雨強度和洪峰流量。這使得更多的徑流無法及時下滲而匯集在地表，從而導致城市內澇和水質惡化問題[2-7]。為了應對日益突出的城市雨水處理問題，低影響開發（low impact development，LID）技術已經在不同的國家得到了應用，并突顯出對城市雨水管理的多重好處[8]。

雨水帶來的非點源污染已成為發達國家水體污染的一個重要因素[9]。例如，美國約有超過50%的河流及湖泊的污染來自城市地表徑流；已實現污水二級處理城市的水體中有超過50%的好氧物質負荷率來自雨水徑流[10]。而在我國，一些重要湖泊，如太湖、滇池等，降雨徑流所造成的非點源污染已成為水質惡化的主要原因之一[11]。目前，水資源短缺和水生態環境惡化是影響我國城市可持續發展的主要制約因素[9]。水資源缺少讓人們意識到合理利用雨水資源的重要性，因此，如何控制雨水徑流污染物的排放，并科學合理地利用城市雨水資源，已成為國內外科研工作者們高度關注的話題。

植草溝作為低影響開發的重要舉措之一，在雨水控制方面發揮著重要作用，而降雨水質受大氣沉降、人類活動等影響，表現出顯著的時空性與地區性，不同地區降雨中污染物濃度不盡相同，而不同下墊面匯集的雨水徑流中污染物濃度也存在明顯差異。因此，本文擬在研究株洲地區某校園總體降雨水質和不同下墊面降雨徑流特性的基礎上，開展植草溝對屋面雨水徑流污染控制方面的研究，以期為植草溝在海綿城市工程中的實際應用及構建海綿城市提供現場試驗數據與參考依據。

1 裝置設計與監測方法

1.1 植草溝裝置設計

用于收集處理屋面降雨徑流的植草溝系統于2021 年建成，位于湖南工業大學崇智樓與崇真樓之間，如圖1 所示，圖2 為試驗裝置斷面圖。

圖1 試驗區域位置與裝置現場示意圖Fig. 1 Location of the test area and diagram of the installation site

圖2 植草溝試驗裝置斷面圖Fig. 2 Sectional view of the grass-swale test device

滲透型植草溝試驗裝置外壁尺寸為5 m×1.2 m×2 m（長×高×寬），縱向坡度為1.38%，溝體采用梯形橫斷面形式，具體尺寸見圖2。植草溝試驗裝置自上而下依次為蓄水層、種植土壤層、中粗砂層、礫石排水層，其礫石排水層中設有滲水管，滲水管末端連接雨水收集井，溝體底部與兩側鋪設600 g/m2不透水土工布，起防滲作用。植物遵循就地取材的原則，選用當地種植密集度較大的果嶺草[10-11]。種植土壤層基質材料，由綠化帶一側的原位土壤進行風干、過篩，并與營養土、細沙等按一定比例混合而成。穿孔管用于收集下滲雨水，開孔面積不少于5%管表面積，收集管外側用透水土工布包裹以防止管孔堵塞。

屋面雨水經屋面雨落管流入植草溝進水井，待進水井初步沉淀后匯入植草溝，植草溝末端連接聚乙烯（polyethylene，PE）桶，作為植草溝出水口，并分別設置盒式溢流堰用于監測出水量和取水樣。植草溝出水井外接市政雨水井或篦子，過濾后的雨水可排入市政雨水管。

1.2 降雨徑流采集與監測

根據不同下墊面的特性，選用A、B兩處采樣點進行采水監測，采樣點具體位置見圖3。

圖3 雨水采樣點位置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the location of rainwater sampling points

圖3 中A采樣點為崇真樓混凝土平屋面處，屋面材料以瀝青油氈為主，主要收集屋面雨水；B采樣點為博雅路旁的雨水口處，匯流路面為雙車道混凝土路面，主要收集道路雨水。

降雨期間，分別對天然雨水、屋面徑流和道路徑流進行等時間間隔采樣分析，以獲取不同下墊面條件下暴雨徑流的污染特性和不同降雨歷時條件下暴雨徑流的污染特性。從徑流形成開始，每隔5～10 min取一次樣，根據降雨情況，一場雨取一個系列，反映降雨過程中徑流水質隨歷時的變化情況。通過采集屋面徑流與道路徑流的雨水，監測并檢測降雨徑流所產生的主要污染物指標，化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）采用快速消解分光光度法（COD 氨氮雙參數測定儀，5B-3C(V10)型，北京連華永興科技發展有限公司生產）測定；NH3-N 濃度采用納氏試劑分光光度法測定；總磷（total phosphorus，TP）濃度采用鉬酸銨分光光度法（紫外可見分光光度計，UV-5500 型，上海元析儀器有限公司生產）測定；總氮（total nitrogen，TN）濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；pH 值采用玻璃電極法測定；濁度采用濁度計法測定，并且對其水質監測結果進行分析。

2 結果與分析

2.1 校園降雨徑流特性分析

實驗所得降雨徑流中的主要污染物指標數據及濃度變化范圍見表1，表中wss為水中懸浮物（suspended substance，SS）的質量濃度。

表1 降雨徑流中的主要污染物濃度Table 1 Concentration table of major pollutants in rainfall runoff

由表1 可知，降雨徑流中各污物染質量濃度變化幅度相對較小，除COD 與NH3-N 的質量濃度變化范圍相對較大外，其他污染物質量濃度波動都較小，呈穩定態勢。COD 和NH3-N 的質量濃度偏高，需要重點控制。分析表1 中數據還可以得知：主要污染物濃度在降雨初期呈現出上升的變化趨勢，隨著降雨歷時延長，污染物濃度逐漸下降并慢慢趨于穩定；降雨徑流主要污染物的初始濃度和穩定濃度可能取決于下墊面性質、降雨條件、季節和氣溫等多種因素，需要進一步分析。總體看來，我校的暴雨徑流污染程度較輕，降雨徑流中水質較好[12-18]。

2.1.1 不同下墊面對降雨徑流水質的影響

由于采樣時間只能選擇在下雨天進行，可能具有一定的局限性。測試所得不同日期降雨后兩處下墊面處的主要污染物濃度對比如圖4 所示。值得注意的是，在5 場降雨監測結果中，前3 次取樣時間為降雨初期，后兩次取樣時間為降雨后期，但是4 月18 日的數據由于操作原因，導致部分污染物——COD 濃度和NH3-N 濃度的測得值誤差過大，故未在圖中予以顯示。

圖4 不同下墊面處的主要污染物濃度對比Fig. 4 Comparison between major pollutant concentrations at different underlying surfaces

由圖4a 可知，兩種類型下墊面因降雨所產生的COD 濃度均偏高，且屋面雨水COD 濃度相較于道路徑流大多更高。

圖4b 中，屋面雨水降雨初期的NH3-N 濃度均明顯高于道路徑流的對應值，且4 月采樣NH3-N 濃度相較于5 月的結果更高。

由圖4c 可知，道路徑流的TP 的質量濃度范圍為0.02～0.11 mg/L，污染較輕，且兩種下墊面類型因降雨產生的TP 濃度相差不大。

圖4d 中，同樣呈現出屋面雨水的TN 濃度比道路徑流中的對應值高的特點。

圖4e 中，降雨前期，屋面雨水中SS 濃度均比道路徑流中SS 濃度低；而降雨后期，屋面雨水中SS濃度均比道路徑流中SS 濃度高。

由圖4f 可知，道路徑流的濁度明顯高于屋面雨水的對應值，降雨初后期濁度區別并不明顯，水質呈現出一定的隨機性與波動性。首先，以瀝青油氈為屋面材料的混凝土平屋面，在降雨過程中，因初期雨水混合屋面沉積物與防水材料析出物，造成了屋面雨水污染物濃度偏高；其次，大氣沉降等外部因素，也可能導致屋面雨水污染物濃度過高[19]。受交通狀況、大氣沉降以及集體生活特殊性的綜合影響，校園道路徑流污染物在不同時段內變化較大，且初期降雨會對道路有一定的沖刷作用，因此初期道路徑流的污染物濃度偏高，而后期因降雨強度較大，降雨歷時較長，部分污染物已被沖刷掉，因此污染物濃度監測結果會降低。

總體上看，道路徑流和屋面雨水的主要污染物濃度相差不大，相較而言徑流污染略輕。從對比圖可看出，道路徑流和屋面雨水的COD 和NH3-N 濃度都較高。這是由于降雨初期雨水會對下墊面的沉積物、垃圾等大量污染物進行沖刷和稀釋作用。因此，初期雨水水質較差，水樣較為渾濁，且屋面雨水COD、NH3-N 及TN 濃度大多要比道路徑流對應污染物濃度高，表明屋面雨水污染較為嚴重，屋面雨水除了受到雨水沖刷作用外，大量沉積的雨水對屋面材料也有一定的溶解作用，而瀝青油氈屋面材料本身的有機物釋出，增加了徑流水質的有機物污染程度[20]。屋面材料析出物內所含的物質也是雨水徑流污染的原因之一，因此屋面材料的選擇對屋面徑流水質的影響極為重要[19-23]。

2.1.2 不同降雨歷時對降雨徑流水質的影響分析

2021 年5 月16 日各采樣點雨水中的污染物濃度隨降雨歷時變化曲線如圖5 所示。

圖5 降雨徑流水質隨降雨歷時的變化曲線Fig. 5 Change curves of rainfall runoff water quality with the rainfall duration

觀察圖5 可知，降雨初期，屋面雨水中的的污染物濃度均較高，這是由于屋面材料受到雨水沖刷而釋放出污染物所致，該現象稱為初期淋洗效應[17]。本次數據采集為暴雨天氣后期階段，由于大量降水對屋面污染物具有強烈的沖刷作用和稀釋作用，因此本次屋面雨水水質較好。除了濁度和SS 指標波動較大外，其余指標大體隨著降雨歷時延長而逐漸下降并趨于穩定。部分指標在下降過程中出現波動，這可能與降雨強度變化有關。綜上所述，屋面雨水污染物濃度呈現出隨著降雨歷時延長而逐漸下降并趨于穩定的變化規律，并且降雨強度越大，則達到穩定狀態所需時間越短。相比之下，校園道路徑流中污染物濃度隨降雨歷時變化不明顯。這可能是由于學生上下課時人流密集以及道路車輛經過帶來的交通污染物影響所致。這表明道路徑流受路面環境影響較大，其水質變化具有較強的隨機性。總體而言，校園道路徑流污染物濃度也呈現出隨著降雨歷時延長而逐漸下降的變化規律，但后期受到外界因素干擾而導致部分指標反彈，例如TP 和濁度等。

2.2 植草溝凈化能力試驗分析

植草溝削減能力試驗結果表明，出水口的pH 值保持在6.96～7.69；由于總氮濃度均比較小，去除率變化不明顯，因此不列入分析試驗中。

2.2.1 COD 去除效果

植草溝凈化試驗結果顯示，植草溝能夠通過植被截留、土壤吸附和濾料反應等，有效地去除徑流中的有機污染物，使其COD 濃度顯著降低。試驗所得植草溝對COD 的去除效果如圖6 所示。

圖6 植草溝對COD 的去除效果Fig. 6 COD removal effects by the grass-swale

如圖6 所示，植草溝對COD 的平均去除率達到59%～98%，表現出良好的凈化效果；但隨著降雨量和流速的增加，植草溝對COD 的去除效果呈現出下降趨勢。具體而言，在4 月份雨季期間，由于降雨量較小、流速較慢，徑流中的污染物在植草溝內有充足的時間進行截濾和沉淀等過程，因此出水口處的COD 濃度較低，COD 去除率較高，表明植草溝的去除效果較好；而在5 月份的強對流天氣期間，由于暴風雨較為頻繁、降雨量較大、流速較快，徑流中的污染物在植草溝內停留的時間縮短，物理截留等作用減弱，因此COD 出水濃度與進水濃度相差不大，去除效果相對較差[20-26]。

2.2.2 NH3-N 去除效果

試驗所得植草溝對NH3-N 的去除效果見圖7。

圖7 植草溝對NH3-N 的去除效果Fig. 7 NH3-N removal effects by the grass-swale

從圖7 中可以發現，植草溝對NH3-N 的去除率在49%～88%之間波動，變化幅度較大。當進水濃度為1.16 mg/L 和1.65 mg/L 時，植草溝對NH3-N 的去除率分別為79%和81%，表明其具有良好的去除污染物能力。而4 月24 日、4 月28 日及5 月16 日這3 d，植草溝對NH3-N 的去除率較低，這可能與以下因素有關：一是雨水在植草溝內停留的時間較短；二是進水中NH3-N 主要以溶解態存在；三是隨著降雨歷時延長，植草溝土壤層中微生物通過硝化作用將轉化為，而土壤對NO3-缺乏吸附截留功能，導致部分隨水分下移或發生反硝化作用而揮發掉。因此，在后期植草溝改良建設工作中，可以考慮增加植被種植密度或增加植草溝長度，以延長進口水質的水力停留時間。5 月19 日的監測結果顯示，進水口的NH3-N 質量濃度為0.08 mg/L 時，植草溝對NH3-N 的去除率高達88%，削減效果顯著。綜上所述，植草溝對NH3-N 具有較理想的去除效果。

2.2.3 TP 去除效果

圖8 顯示了試驗所得植草溝對TP 的去除效果。

圖8 植草溝對TP 的去除效果Fig. 8 TP removal effects by the grass-swale

從圖8 中可以明顯看出，植草溝具有較高的TP去除效率，其去除率為64%～93%，整體呈現出較為穩定的控制效果。僅在5 月16 日觀察到去除率有所下降，可能與當天降雨的pH 值和降雨強度有關。本課題組認為，植草溝中礫石和中粗砂濾料層含有較多的鈣元素，且表面徑流pH 值處于6.96～7.69，呈弱堿性。在這種條件下，Ca2+易與PO43-形成難溶性的磷酸鈣沉淀[21]。

2.2.4 濁度去除效果

濁度是由水中含有的微量不溶性懸浮物和膠體物質造成的。植草溝可以通過土壤和濾料的沉淀、截濾和吸附作用，以及土工布的鋪設，去除雨水中的這些物質。圖9 給出了試驗所得植草溝對徑流濁度的去除效果。

圖9 植草溝對濁度的去除效果Fig. 9 Turbidity removal effects by the grass-swale

從圖9 中可以看出，植草溝對濁度的去除率為50%～87%，效果較好。例如，在4 月13 日，進水濁度為19.4 NTU，經過植草溝處理后，出水濁度降為2.5 NTU，去除率約為87%；4 月24 日的進水濁度為21.71 NTU，出水濁度為3.69 NTU，去除率約為83%；而在4 月28 日和5 月16 日，濁度去除率分別約為50%和55%，這可能與當日降雨量、降雨強度與流速、溫度等因素有關[22]。總體而言，進水濁度雖然呈現出一定的隨機性，但出水濁度均能保持在5 NTU 以下，這說明植草溝對濁度的去除效果顯著。

3 結論

本研究主要探討了植草溝的設計、校園雨水特性及植草溝對雨水污染物的削減效果，旨在為海綿城市工程建設提供實證數據和理論支撐，得到的主要結論如下：

1）滲透型生態植草溝能有效降低不透水下墊面的覆蓋率，對控制城市面源污染具有顯著作用。

2）降雨徑流中，COD 和NH3-N 的濃度較高，尤其是屋面雨水中的COD、NH3-N 和總氮濃度，遠高于道路徑流的對應值，污染嚴重，需要重點控制。

3）降雨初期，徑流水質最差。隨著降雨歷時增加，各污染物濃度逐漸下降并趨于穩定。其中屋面雨水波動幅度較小，變化較為平穩。

4）凈化試驗結果表明，植草溝對雨水濁度、NH3-N、COD 和TP 的去除率分別為50%～83%, 49%～88%, 59%～98%, 64%～93%，波動范圍雖然有點大，但整體效果理想，凈化能力顯著。