城市下垫面截流降污效应模拟研究_黄良军
第37卷第1期
江西理工大学学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
DOI:10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2016.01.007
Vol.37, No.1Feb. 2016
2016年2月
文章编号：2095-3046（2016）01-0032-04
城市下垫面截流降污效应模拟研究
黄良军，
摘
陈金泉，温小军，陈敏捷，刘忠骏
（江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000）
要：城市下垫面的改变影响了城市原本的水文状态，成为城市内涝和城市地表径流及地下水
污染的主要原因之一. 采用不同比例粘土与砂混合模拟城市下垫面作为研究对象，通过某市工业区小时最大雨量进行模拟经流，研究不同渗透性能下垫面的截流降污效应. 结果显示：模块的含砂量与其蓄渗效果呈正相关，单个模块的蓄渗率为1.43%～41.18%；对模块进行组合时，增加透水模块的比例可以提高蓄渗能力，当透水下垫面与不透水下垫面比例为3∶1时，蓄渗率为40.22%，比例为4∶1时，蓄渗率达到50%以上. 总体来说，下垫面的去除率与其蓄渗率呈正相关，渗透型下垫面对SS 去除效果明显，对COD 、NH 4-N 、TP 、Pb 等有一定的去除效果. 关键词：城市下垫面；粘土；截流；降污；海绵城市中图分类号：TU984
文献标志码：A
Simulation study on rainfall infiltration and pollution-reducing
effect of underlying surfaces in urban area
HUANG Liangjun, CHEN Jinquan, WEN Xiaojun, CHEN Minjie, LIU Zhongjun
(Schoolof Architectural and Surveying &Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)
Abstract:The change of urban underlying surface affects the original hydrological condition of a city, which has become one of the main reasons of urban waterlogging, urban runoff pollution and groundwater pollution. Taking the simulated urban underlying surface made by mixed clay and sand with different proportions as the research object, this paper studies the rainwater pollution reduction and closure effect of the underlying surface with different permeability through the maximum rainfall per hour of the city industrial park. The results show that sand content storage of module and its storage and infiltration efficiency are positively correlated; the storage and infiltration rate of a single module is 1.43%～41.18%.When the module is combined, increasing the proportion of the water-permeable module can improve the storage and infiltration capacity .When the ratio of permeable and impermeable underlying surface is 3∶1, the storage and infiltration rate is about 40.22%.When the ratio is 4∶1, the rate is above 50%.In general, the underlying surface removal rate of pollutants is positively correlated with its storage and infiltration rate. The SS removal effect of permeable underlying surface is obvious and has some certain removal effect for COD, NH 4-N, Pb and TP.
Key words:urban underlying surface; clay; closure; pollution reduction; sponge city
随着城市化的快速推进，城市人口增多，用地规模不断扩大，城市中建筑、道路、广场等建设迅速
收稿日期：２０１５－０９－０４
基金项目：江西省研究生创新基金项目（3104000085）
作者简介：黄良军（1990-），男，硕士研究生，主要从事城市规划与设计方面的研究，E-mail:[email protected].通信作者：陈金泉（1964-），男，教授，主要从事城市规划与建筑设计方面的工作，E-mail:[email protected].
崛起，原本的水域、草地、林地、农田等透水下垫面被这些不透水下垫面所取代[1]. 近些年，我国许多城
第３７卷第１期黄良军，等：城市下垫面截流降污效应模拟研究
33
市出现了内涝灾害，给社会造成巨大的损失和恶劣的影响[2]. 正是由于天然的下垫面被改变，影响了地表、土壤与地下水文的联系，破坏了原有的水文格局，改变了原有的水生态系统，增加了城市内涝发生的风险[3-7]. 与此同时，由城市地表径流所带来的面源污染已经成为仅次于农业面源污染的第二大面源污染[8]，并随着城市化的发展逐步加剧[9]，给水安全造成严重的威胁.
国外针对雨水问题的相关理念与实践相对较多，如澳洲的水敏感城市设计、英国的可持续城市排水系统、欧洲的绿色基础设施、美国的低冲击开发技术等，这些理念在实践中已经有了显著的成效. 国内针对这一块的研究还比较缺乏，2004年才开始引入低影响开发理念，并在深圳进行试点，效果明显. 我国在2013年提出建设海绵城市，其核心是遵循渗、滞、蓄、净、用、排的治水理念，与国外提出的治水理念类似
[10]
1模拟试验方案
1.1试验方案设计1.1.1试验方案构想
不同类型的城市下垫面具有不同的渗透性能，其不同的组合情况将影响片区的地表径流情况. 考斯加可夫、美国学术界以及学者车振海等将土壤渗透分为四个等级，即弱渗透、中渗透、强渗透、极强渗透4个等级（如表1所示），土壤中粘土与砂的比
表1
渗透分类
弱中强极强
土壤渗透分级一览表[12]
砂粒百分比
渗透系数/（m ·d -1）
＜0.050.05~0.400.40~1.0＞1
＜1%1%~7%7%~13%＞13%
. 海绵城市就像一
块海绵一样，能把雨水截住并释放，把初期雨水径流的污染削减掉[11]. 城市下垫面作为与雨水直接接触的切面，是海绵城市建设中重要的海绵体，研究其截流与降污效应将对海绵城市的建设具有很大的意义.
表2
模拟下垫面模块1模块2模块3模块4
渗透系数/（m ·d -1）渗透等级
例影响土壤的渗透性能[12]，本次模拟试验采用不同比例粘土与砂混合制作四种与上述对应的4种不同渗透性能模块，将这四种模块模拟城市不同下垫面类比到城市不同渗透性能的实际下垫面中，模块具体参数以及所类比的实际城市下垫面，如表2所
各模块的参数一览表
类比的实际下垫面[1]
传统沥青、水泥路面、传统建筑屋顶、不透水铺装等透水性极差下垫面透水铺装等透水一般的下垫面林木、草地等透水强的下垫面灌木等透水极强的下垫面
填充材料（粘土中砂粒百分比）/%
0.020.20.81.5
弱中强极强
051530
示. 建立试验模型以及各种模块模型，首先进行单一模块试验，然后对模块进行组合，进行组合模块试验，得出多组试验数据，对数据进行整理、分析，最终得出模拟城市下垫面的截流降污效应.
降雨10min 前，水质情况如表3所示.
考虑到强降雨具有历时较短、降雨强度大等特点，城市下垫面直接关系到雨水降落后短时间对城市的影响. 因此，本次试验降雨量采用赣州市城区历史最大小时降雨量61mm （数据来源于赣州市水文局对赣州市中心城区历年降雨统计数据），本次试验采用单模块长400mm ×宽400mm 径流面和组合模块长800mm ×宽800mm 的径流面，为了试验操作的便捷性，模拟的降雨量分别采用单模块
1.1.2试验材料
1）雨水
考虑到试验的降污效果，采用赣州市某工业区道路路面径流雨水（所含污染物质相对较高）和天然降雨雨水（作为对比），收集的雨水主要是集中在
表3
水样编号
分区雨水工业区路面径流雨水工业区天然雨水
10L 和组合模块40L.
雨水水样水质检测情况一览表
pH 7.56.56~9
·····SS/（mg L -1）COD /（mg L -1）NH 4-N /（mg L -1）TP /（mg L -1）Pb /（mg L -1）
12
2201.88
2802340
2.11.42
0.70.030.4
0.160.0090.1
对照水样地表水v 类标准对照
34
2）模型材料
江西理工大学学报
本次试验考虑到试验便捷、成本、效果等因素，
2016年2月
比例），采用组合模块径流面积0.64m 2，降雨量采用40000mL ，降雨历时60min ，对模块组合1进行试验，待表层无明显流动水时，测出径流水量以及经下垫层后水质情况，重复3次并记录数据，依次对组合2、组合3、组合4进行相同的操作.
模型全部采用4mm 厚的有机玻璃制作，支撑架采用不锈钢焊接而成.
3）模拟下垫层
模拟的下垫层分为两层，上层是30cm 模块填充层，下层是50cm 含有机质较少的黄粘土；模块填充层是由含有机质较少，粒径0.5mm 以下的黄粘土与粒径
3结果与讨论
2.3～3.0mm 之间的中砂按表2进行混合配置而成. 1.2试验方法
将供试土壤与砂自然风干，分别用土壤筛和砂筛进行筛选，取粒径0.5mm 以下的土壤、粒径2.3~
3.1截流效应试验结果及分析3.1.1单模块截流效应
经60min 历时降雨后，单模块的蓄渗率依次为
（1.43±0.94）%、（25.17±0.83）%、（34.38±1.80）%、（41.18±1.13）%，截流效果呈现模块4>模块3>模块2>模块1，单模块的蓄渗率与模块含砂量呈正相关，如表4所示，这与杨文治等[16]对土壤含砂量影响渗透率的规律类似.
表4
组号模块号
3.0mm 的中砂，将其按表2比例进行充分混合，制作出模块1、模块2、模块3、模块4. 将模块制作好之
后，先用纯净水进行淋湿渗透，待下垫面形成稳定渗透时，用收集的雨水进行模拟降雨（雨量根据试验径流面积而定），在模拟城市下垫面上形成径流，降雨历时控制在一个小时，待下垫面表层无明显径流时，测出地表径流量，以及经模拟下垫面后雨水的水质情况，每组试验分别进行3次，得出24组试验数据.
单个模块截流效应试验结果一览表
径流面积
降雨量
降雨历时
/m20.160.160.160.16
/mL[***********]00
/min60606060
蓄渗率（1.43±0.94）%（25.17±0.83）%（34.38±1.80）%（41.18±1.13）%
1模块12模块23模块34模块4
2
2.1
试验
单模块试验
采用单模块径流面积为0.16m 2，降雨量采用
注：数据为均值±标准差（n =3）
3.1.2组合模块截流效应
经60min 历时降雨后，组合模块的蓄渗率依
10000mL ，降雨历时60min. 取收集好的雨水，对模块1进行试验，待表层无明显流动水时，测径流水量以及经下垫层后水质情况，重复3次并记录数据，依次对模块2、模块3、模块4进行相同的操作. 2.2组合模块试验
郭雪莲[13]、郝静[14]、王玲[15]等对城市下垫面的相关研究，得出透水与不透水下垫面的临界比例大概是3∶1，4∶1. 本次模拟试验参考上述研究对单模块按一定比例进行组合，单模块所占比例的组合情况如图1所示（所占比例是指占组合模块径流面积的
[***********]0100
模块1
模块2
模块3
模块4
次为（40.22±10.16）%、（52.37±0.75）%、（57.02±
0.47）%、（59.93±0.57）%，增加模块2、模块3、模块4的比例明显可以提高整个下垫面的蓄渗率，如
表5所示.
表5
组号
组合模块截流效应试验结果一览表
蓄渗率（40.22±10.16）%（52.37±0.75）%（57.02±0.47）%（59.93±0.57）%
模块组径流面积降雨量降雨历时合情况组合1组合2组合3组合4
/m20.640.640.640.64
/mL[***********]00
/min60606060
1234
注：数据为均值±标准差（n =3）
模块所占比例/%
从结果可以看出，不同下垫面进行组合，其截流效果出现差异，当透水下垫面与不透水下垫面比例为3∶1时，下垫面的蓄渗率大约是40.22%；当透水下垫面与不透水下垫面比例在4∶1时，下垫面的蓄渗率达到50%以上. 如果在建设海绵城市中
组合1
组合2
组合3
组合4
对城市下垫面进行合理的规划，也将会达到一定的截流效果.
图1模块组合情况
3.23.2.1
降污效应试验结果及分析单模块降污效应
，：1009080污染物去除率/%
35
SS 去除率COD 去除率NH 4-N 去除率TP 去除率Pb 去除率
从整体效果来看（如图2所示），单模块对水样的pH 值影响不大，模块对SS 的去除效果最好，去除率达到99%以上，降污效果呈现SS>Pb>COD、
[1**********]010
NH 4-N>TP；从对COD 、NH 4-N 、TP 这3个指标去除
效果规律来看，与吕淑华、杨栩等研究城市绿地
[17]
[18]
对地表径流污染物削减效应规律类似.
1009080污染物去除率/%
SS 去除率COD 去除率NH 4-N 去除率TP 去除率Pb 去除率
组合1组合2组合3组合4
图4
1009080污染物去除率/%
组合模块降污试验效果
SS 去除率COD 去除率NH 4-N 去除率TP 去除率Pb 去除率蓄渗率
[**************]
模块1
模块2
1009080
蓄渗率/%
[1**********]010
7060504030
模块3模块4
图2单模块降活试验效果
从模块与模块之间的效果来看，模块4整体降污效果最佳，模块降污效果呈现出模块4>模块3>模块2>模块1，这与单模块的蓄渗规律一致，降污与蓄渗呈正相关（如图3所示）.
1009080污染物去除率/%
组合1组合2组合3组合4
20
图5组合模块蓄渗与降污对比
4结语
[**************]
模块1
蓄渗率/%
SS 去除率COD 去除率NH 4-N 去除率TP 去除率Pb 去除率蓄渗率
[1**********]010
不同下垫面组合后，其截流降污效应有所差异. 提高透水性下垫面的比例，其截流降污效果越明显. 渗透型下垫面对pH 有一定的改善作用，对
SS 去除效果较明显，对COD 、NH 4-N 、TP 、Pb 等污
染物质有一定的去除效果，并随着下垫面渗透性的增强，对COD 、NH 4-N 、TP 、Pb 等污染物质的去除效果越佳. 在海绵城市建设中，如果对城市下垫面进行合理有效地规划，不仅可以达到对雨水的截流降污效果、改善城市内涝以及城市地表径流污染等问题，而且对恢复城市水文状态、改善城市水生态环境有着不可估量的作用. 参考文献：
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模块2模块3模块4
图3单模块蓄渗与降污对比
3.2.2组合模块降污效应
组合模块对污染物质去除效果如图4所示，对
污染物去除效果规律与单模块去除效果规律类似，但去除效果明显高于单个模块.
从组合模块之间来看，对污染物去除效果呈现组合4>组合3>组合2>组合1，这与组合模块的蓄渗规律一致，降污与蓄渗呈正相关（如图5所示）.
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