下凹式绿地对城市降雨径流污染的削减效应
中国环境科学 2009,29(6)：611~616 China Environmental Science
下凹式绿地对城市降雨径流污染的削减效应
程 江1,2*,杨 凯2,黄民生2,谢 冰2,李秀艳2 (1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062；2.华东师范大学资源与环境科学学院,上海 200062)
摘要：以现场7次降雨14组径流污染监测数据为基础,探讨了下凹式绿地对城市降雨径流污染的削减效应,分析了径流污染负荷、绿地土壤与覆被植物、降雨历时等因素对污染削减率的影响.结果表明,当COD,NH4+-N和TP的浓度分别为56.0~216.0,0.27~2.97,0.20~0.95mg/L时,下凹式绿地对COD,NH4+-N和TP的平均削减率为52.21%,48.98%和47.35%.下凹式绿地对径流污染的削减过程可分为2个阶段:初期1h的径流污染削减率符合一级动力学模式,后期径流污染削减规律可用二级动力学模式表示.降雨历时增加可提高污染物削减率,当降雨历时约从3h增加到20h时,径流污染的综合削减率可从40%上升到65%. 关键词：下凹式绿地；城市降雨径流；污染削减
中图分类号：X171.1 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2009)06-0611-06
Reduction effect of sunken green space on urban rainfall-runoff pollution. CHENG Jiang1,2*, YANG Kai2, HUANG Min-sheng2, XIE Bing2, LI Xiu-yan2 (1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China；2.School of Resources and Environmental Sciences, East China Normal University, Shanghai 200062, China). China Environmental Science, 2009,29(6)：611~616
Abstract：Based on monitoring 14 rainfall-runoff samples in 7 rainfall events, the reduction effect of sunken green space on urban rainfall-runoff pollution was discussed, and effect of influent loading, soil and land cover of sunken green space, and rainfall duration on pollution reduction rate was analyzed. Sunken green space had a better decontamination efficiency when the event mean concentration of COD, NH4+-N and TP were 56.0~216.0, 0.27~2.97 and 0.20~0.95mg/L, respectively. The average removal rate of COD, NH4+-N and TP were 52.21%, 48.98% and 47.35%, respectively. The decontamination process could be divided into two periods. In the first one hour since rainfall, the relationship between the concentrations of COD, NH4+-N and TP in influent and effluent followed linear equation. And then, the pollution reduction rate agreed with second-order kinetic model. The pollution reduction rate increased with the extension of rainfall duration. The integrated pollution reduction rate of COD, NH4+-N and TP could increase from about 40 % to 65 % when rainfall duration increased from about 3 to 20 hours.
Key words：sunken green space；urban rainfall-runoff；pollution reduction
城市降雨径流已成为城市河流与湖泊等受纳水体的第三大污染源[1].降雨径流污染的发生受诸多因素综合影响,如:降雨特征、排水体制、
-污染物种类、径流组分及时空变化等[26].近年来,利用人工湿地系统、快速渗滤系统以及土壤含水层处理系统等处理方式,削减地表水污染及
-城市降雨径流污染的研究受到广泛关注[713].国外自20世纪70年代起已开始利用各类型绿地蓄渗地表径流和削减径流污染[14],国内对绿地削减径流污染的研究起步相对较晚,且已有报道多为室内模式实验[2,15].
下凹式绿地是一类结构特殊的绿地,其高程低于路面,内设高程低于路面但高于绿地的雨水口[2].下凹式绿地可汇集周围道路、屋面等降雨径流,前期径流渗入地下,后期径流蓄积于绿地中,超过绿地蓄渗容量的径流经雨水口进入城市排水管网.本实验选取一小型自然下凹式绿地,研究了其对城市降雨径流污染的削减效应,并对径流污染负荷、绿地土壤与覆被植物、降雨历时等影
收稿日期：2008-11-21
基金项目：国家自然科学基金资助项目(40871016,40730526) * 责任作者, 博士, [email protected]
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响因素进行了探讨,以期为深入研究下凹式绿地情况增加至20min或30min.绿地中水样采集口对城市降雨径流污染的削减机制,以及城市降雨处的采样间隔为20min.选用近10年上海城市河径流非点源污染的控制提供参考. 流水质主要污染因子中的COD,NH4+-N和TP作
为降雨径流污染物分析指标,采用文献[16]的方
1 材料与方法
法进行水样分析.
1.1 下凹式绿地概况
表1 实验期间降雨的基本特征 选择的自然型下凹式绿地位于华东师范大
Table 1 Characteristics of rainfall during experiments 学校园内,面积约8m×4m,汇水域面积约160m2.
绿地高程低于路面约5~10cm,植被覆盖率约降雨历时降雨强度水力负荷
降雨日期 降雨量(mm)
(h) (mm/h) [m3/(m2·h)]90%,覆被植物为多年生麦冬(Ophiopogon
2006-03-1226.0 16.1 1.61 0.008
japonicus),植株高度约35cm,根茎长度约
2006-04-099.5 3.5 2.71 0.014
30cm(图1).绿地土壤为轻壤土,暗黄棕色,实测容2006-05-0715.4 8.6 1.79 0.009
3
2006-05-1871.6 20.3 3.53 0.018 重1.34g/cm,平均粒径24.95μm,土壤稳定入渗速
2006-05-2622.7 13.4 1.69 0.009
率为8.04mm/h.
2006-06-01
38.7 19.7 1.96 0.010
a. 剖面图
2006-07-05
10.0 2.9 3.45 0.017
由于降雨径流的污染物浓度过程线随时间存在一定的起伏,因此常用事件平均浓度(EMC)来表示一场降雨径流的污染物平均浓度[17]. EMC=∑QiCi
i=1n
∑Q
i=1
n
i
(1)
式中:n为t时间段内径流取样次数;Qi为i次取样时的径流量,m3/s;Ci为i次取样时的污染物浓 度,mg/L. 2 结果与讨论
2.1 次降雨径流EMC
依照式(1)计算出的次降雨径流EMC,即下凹式绿地进水浓度(表2).7次降雨事件的COD,NH4+-N和TP的EMC分别为113.1,1.23, 0.46mg/L;95%置信区间分别为90.6~135.5,0.87~ 1.59,0.33~0.59mg/L,与国内外城市降雨径流污染水平相当(表2).CODEMC超过国家V类地表水环境质量标准[18]1.83倍,TP EMC略高于0.4 mg/L的标准.受降雨特性、降雨前干旱天数、地表清洁间隔、汇水域内主要污染源和随机污染事件等因素影响,进入下凹式绿地的降雨径流污染物EMC波动较大,最高和最低值相差达1个数量级,这与国内外城市地表径流污染实测结果相类似(表2).
图1 下凹式绿地示意 Fig.1 Sketch of sunken green space
1.2 降雨基本特征
2006年汛期共对实验区进行了7次降雨14组径流污染削减的全过程监测.降雨数据由相邻于实验区的上海城市排水市中运营有限公司下辖排水系统的自动化降雨实时监测系统采集,采样间隔为5min.对降雨量、降雨历时、平均降雨强度和下凹式绿地水力负荷的统计结果见表1. 1.3 水样采集与分析
于进水口和下凹式绿地最低处分别设置2个平行水样采集口(图1b),其中下凹式绿地中的水样采集口距绿地表层土壤约15cm,且与绿地表面不直接连通.降雨过程中,进水口处初期1h内的采样间隔为10min,其后采样间隔根据降雨
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表2 本实验及文献部分降雨径流EMC
的污染总量由地表污染物累积程度决定.由于本
Table 2 EMC of runoff on domestic and foreign roads 实验选择的下凹式绿地的集水区为校园道路,晴
天地表清洁频率为1次/d,因此地表污染累积程径流类型 COD(mg/L) NH4+-N(mg/L) TP(mg/L) 参考文献
校园道路 113.1 1.23 0.46 本实验度不存在显著差异.降雨量增加,径流稀释作用导美国公路 75~221 - 0.20~0.55 [3]
致污染物EMC呈下降趋势.相关性分析表明
法国街道 131 - - [4]
COD和TP的EMC与次降雨事件降雨量均存在北京路面 140.18 6.89* 0.61 [5]
南京高速 72~180 0.45~6.89 0.04~0.86 [6] 较好的负相关性(P
2.2 降雨径流污染削减率
在进水COD为56.0~216.0mg/L条件下, 下凹式绿地对COD削减率变化范围为18.18%~ 75.00% (表3).较10m水平漫流距离下的50%~
76%的COD削减率起伏明显[9],与60m坡面漫流距离下20%~ 55%的削减率相当[10]. NH4+-N进水浓度为0.27~2.97mg/L,14组中有13组水样的出水NH4+-N浓度均达到国家V类地表水环境质量标准[18].NH4+-N削减率为
30.63%~73.03%(表3).与60m坡面漫流70%~
[10][11]50%~80%85%、人工湿地及地表漫流系统54.2%~61.4%[12]的削减率相比,本实验NH4+-N平均削减率和波动幅度无明显差异.
TP进水浓度为0.20~0.95mg/L,平均削减率为47.35%,变化范围14.81%~81.48%,与COD和
+
-N的削减水平相当,但波动最大(表3).这与NH4人工湿地对TP平均削减率为21.0%~79.7%[13]
的结果相似,但平均削减率高于刘红等[11]约30%~45%的结果.
表3 下凹式绿地的径流污染削减率
Table 3 Pollution reduction rate of sunken green space
出水水变化范围平均浓度削减率范围 平均削95%置信区质指标
(mg/L)16.0~104.0
(mg/L)
(%)
减率(%)
间(%) 40.57~63.8440.39~57.5736.87~57.83
COD53.4 18.18~75.00 52.210.62 30.63~73.03 48.980.24 14.81~81.48 47.35
NH4+-N0.16~2.01
综合而言,自然型下凹式绿地对降雨地表径Fig.2 Relationship between pollution loading of runoff
and precipitation 流中COD、NH4+-N和TP的平均削减率与人工
湿地系统和地表漫流系统等土地处理系统削减
城市降雨径流污染主要来源于降雨及径流能力相当.高于自然沉降条件下,雨水调蓄池对降冲刷的地表累积污染,可供降雨径流冲刷、携带雨径流中COD、TN和TP平均约20%~40%、
图2 降雨径流污染负荷与降雨量的相关关系
TP 0.05~0.65
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式中:C0和C分别为进、出水污染物浓度;k为削减系数;t为水力停留时间.
在水力停留时间1h条件下,式(2)可变形为--C/C0=ek,ek为常量.由此可得,初期降雨径流进入下凹式绿地后,在水力停留时间较短的条件下,绿地对径流污染的削减率符合一级动力学模型规律,即出水与进水污染物浓度的比值不受进水浓度影响,这与刘红等[11]的研究结论相一致.绿地对径流污染的削减是植物吸收利用、土壤基质吸附及基质内微生物三者共同作用的结果[2].水力停留时间较短,导致绿地对COD, NH4+-N和TP的削减主要依靠渗滤介质和覆被植物的机械过滤和吸附等物理作用,而土壤介质中微生物的降解作用和绿地覆被植物的吸收利用作用尚未得到充分发挥.
2.3.2 土壤与覆被植物 降雨后期,随着水力停留时间的延长,土壤微生物对吸附于土壤颗粒表面污染物的分解作用以及覆被植物的吸收利用
10%~20%和10%~20%[19]的削减率.与室内模拟逐步加强.动力学拟合结果显示,此阶段的污染削下凹式绿地相应结果相比[2],自然型下凹式绿地减规律可用二级动力学模式表示:
11对COD削减率提高约20%,对NH4+-N和TP削
=+kt (3)
CC0减率分别下降约10%和16%.污染负荷、水力停
式(3)中各参数含义同式(2),COD,NH4+-N和留时间、覆被植物及其种类等实验条件的不同
是造成自然型下凹式绿地与上述土地处理系TP的相关系数分别到达0.71,0.89和0.87,且均在统、室内模拟下凹式绿地等存在削减率差异的P＜0.01水平上正相关(图4). 主要原因. 2.3 污染削减率影响因素 2.3.1 径流污染负荷 依照强度为12.7mm/h
的降雨持续1h可冲刷路面90%以上地表污染物的“半英寸原则”计算方法[20],对7次降雨径流
的时间累积污染负荷统计表明,在历时2.9~20.3h
的不同降雨过程中,初期1h径流中的污染负荷超
过降雨全过程污染负荷的70%,存在较明显的降
雨径流污染初期效应.虽然不同降雨过程中绿地
进、出径流EMC波动较大(图2,表3),但初期1h的COD,NH4+-N和TP的出水与进水浓度间存在良好的线性关系和显著水平(图3).据报道[12,21],人工湿地中有机物、N、P等污染物的削减可用一级动力学模型表示:
lnC=lnC0−kt
图3 降雨初期1h的下凹式绿地进出水浓度关系 Fig.3 Relationship between concentration of COD, NH4+-N and TP in influent and effluent in the
first hour of rainfall
本课题组进行的室内实验显示[15],降雨径流
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进入绿地30min后,表层0~15cm土壤中有机质、TN和TP含量增加.降雨后的6,12和24h,表层土壤中细菌,真菌和放线菌总数分别增加0.90,1.38和2.34倍,同时植物吸收利用作用得以较好发挥.雨后2~5d土壤中的上述污染物含量大幅降低,14d后可恢复到降雨前水平.这也证实了随着水力停留时间延长,以机械过滤和物理吸附为主的径流污染削减模式将向微生物降解与植物吸收利用相结合为主的模式转变.
2.3.3 降雨历时 随着降雨历时的增加,进入下凹式绿地的径流污染物也逐渐增多,绿地污染负荷增加.由于降雨后期,吸附于土壤颗粒表面的污染物削减主要依靠土壤微生物的分解与覆被植物吸收利用,降雨历时增加延长了进入绿地污染物的水力停留时间,因此污染削减率得以逐渐提高.这在吴振斌等[22]对人工湿地净化污水的研究中亦有类似体现.由图5可见,随降雨历时从2.9h增大到20.3h, 下凹式绿地对降雨径流COD, NH4+-N和TP的综合削减率可约从40%水平上升到65%.二次曲线拟合结果为: E=0.0919t2−0.8005t+40.512 (4) 式中:E为污染物削减率; t为次降雨历时;相关系数R达到0.95,显著性水平P
图5 次降雨历时对污染削减效率的影响 Fig.5 Effect of rainfall duration on pollution reduction
rate of sunken green space
受现场条件限制,本实验对下凹式绿地削减降雨径流污染效应的研究尚处于起步阶段.为有效削减降雨径流非点源污染,改善城市受纳水体水质,不同下凹深度、覆被植物种类和土壤类型的下凹式绿地对城市不同功能区降雨径流污染的削减研究还有待进一步开展. 3 结论
图4 下凹式绿地进出水浓度二级动力学模拟 Fig.4 Second-order kinetic model of COD, NH4+-N and
TP contents in influent and effluent 3.1 在本实验研究条件下,小型自然型下凹式绿地具有较好的削减城市降雨径流污染的能力,对COD,NH4+-N和TP的平均削减率分别为52.21%,48.98%和47.35%.
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3.2 下凹式绿地对降雨径流污染的削减过程可
分为前后2个阶段:在渗滤介质和覆被植物的机械过滤与吸附等物理作用下,前期1h的径流污染削减规律符合一级动力学模式;在绿地土壤与覆被植物的共同作用下,后期径流污染削减规律可用二级动力学模式表示.
3.3 降雨历时增加延长了径流污染物的水力停留时间,提高了污染削减率.当降雨历时从约3h增加到约20h时,污染物的综合削减率可约从40%上升到65%.
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