植草溝在去除城市地表徑流污染物中的應用研究

許浩浩，呂偉婭

(南京工業大學，江蘇 南京 211816)

隨著中國城市化進程的不斷加快，不透水下墊面面積快速增加，導致城市的水文條件和污染物的排放特征發生了顯著的變化[1]。城市屋頂和道路表面積累的大量未經處理的懸浮物、重金屬、營養物質、油脂及病原菌等污染物在降雨過程中通過溶解、沖刷等作用直接進入地表徑流，造成城市水體惡化[1-3]。劉大喜等[4]研究表明，城市受納水體的水質受降雨徑流影響嚴重，降雨后水體中TN、NH3-N、COD、BOD5、Cd、Cr6+的濃度均超過地表水Ⅴ類標準，以城市降雨徑流為載體的面源污染已成為城市水環境污染的重要來源。

因此，如何有效地管理由降雨徑流引發的城市面源污染已成為城市化進程中亟待解決的重要問題。低影響開發是指通過源頭的、分散式的生態措施來實現對雨水和污染物的就地消納和去除，是城市雨水管理的一種高效措施[5]。作為一種典型的低影響開發措施，植草溝通過對徑流雨水的滲透、調蓄、凈化、利用和排放，實現城市的良性水文循壞并有效地改善了城市水環境的質量[6-7]。但當前主要集中于植草溝對雨水水量減控效果方面的研究，對植草溝去除污染物的機理及影響去除效果的因素等方面研究較少。

1 植草溝去除降雨徑流中污染物的機理

周開壹等[9]研究指出，降雨徑流中磷的去除主要是依靠植物根系吸收作用和土壤基質內形成的生物膜對磷的吸附和截留，使得植草溝除磷效果較好。Allen等[12]認為，當植草溝中存在一定的淹沒條件時，植草溝結構層中會較易形成好氧區、缺氧區和厭氧區，通過不同區域的降解處理，使得氮磷被吸附、降解及發生形態轉換，進而提高凈化效果。McNett等[13]認為城市降雨徑流中大約70%的磷是顆粒態形式，30%是溶解態形式，大多數的顆粒磷被吸附在粒徑相對細小的TSS顆粒上，通過TSS的去除而去除，而植草溝對細小顆粒的TSS去除效果較差，因此導致對磷的去除效果不理想。長期運行監測的結果顯示[14]，植草溝對降雨徑流中TSS有良好的去除效果，TSS的去除主要是依靠土壤基質和植被的滲透、過濾、吸附和沉淀作用并被攔截在系統內部。Deonie等[15]指出大部分TSS在植草溝的前20 m內被去除，TSS的去除效果受沉積顆粒的粒徑、密度及濃度等影響，去除率在22.0%～98.0%之間變化，但平均去除率仍達到了74.3%。

周開壹等[9]發現城市降雨徑流中的絕大部分重金屬吸附在TSS上，隨著TSS的去除而去除，因此重金屬與TSS的下降趨勢一致。同時土壤及植物在重金屬的降污中發揮了重要作用，通過吸附作用使得重金屬進一步被去除。研究表明[16-17]，降雨徑流中主要以顆粒態形式存在的Pb和Cu等重金屬通過沉淀、過濾及截留等作用被去除，而溶解態重金屬則被植物和土壤基質吸附、吸收。研究顯示[9,18]，植草溝對于COD的去除主要是通過在土壤和填充基質內形成生物膜的吸附、降解和截留作用以及植物根系的吸收作用，同時徑流中的COD與TSS存在一定的相關性，植草溝對COD的去除易受到TSS去除效果的影響。Zhao等[19]研究表明，COD、TN、TP均與TSS存在正相關關系，其中TP與TSS的相關性最為明顯，降雨徑流對表層土壤進行沖刷，使得營養物質隨著表層土壤的遷移而大量流失。Michael等[20]研究顯示，植草溝對碳氫化合物(多環芳烴、芘和苯佐芘)的平均去除率為71.0%±12.7%，通過沉淀、滲透、揮發、植物吸收及微生物降解作用得以去除，最高去除率達99.0%。

2 植草溝的應用

植草溝一般指開放式洼地或溝渠，表面種植植物。根據地表徑流在植草溝中的傳輸方式，植草溝可分為標準傳輸植草溝、干植草溝和濕植草溝3種類型，其中干式植草溝的結構自上而下通常依次為：填洼層、根系有機質層、土壤基質層、礫石層，底部一般設有排水系統[21-22]。植草溝可用于城市綠地、道路、停車場及各類建筑小區等諸多場所。運用在城市道路時，采用孔口路牙等形式的進水口，同時在進水口設置保護層以防止植草溝被沖刷[21]。各類場地內的植草溝可根據地形、匯水面積及景觀效果等因素綜合考慮進行布置。植草溝可在源頭、污染物傳輸過程以及和其他措施聯合運行，在完成輸送排放功能的同時，也能夠滿足雨水的收集及凈化[23]。是一種被發達國家廣泛采用的低成本、高效率的徑流管控措施。

3 植草溝對降雨徑流水質的凈化效果

Wang等[26]研究表明，與30 m的植草溝相比，60 m的植草溝對TSS、碳氫化合物和金屬的去除率分別提高了20.0%、25.0%和30.0%～65.0%，建議植草溝的最小長度應為30 m，可以保證去除效果。潘姣[27]研究表明，當水力停留時間為5.5、7.0、10.0、18.0 min時，污染物的削減率分別為48.0%、70.0%、67.0%和80.0%，建議水力停留時間為6.0～8.0 min時污染物去除效果較好，還發現當植草溝中的雨水流速小于0.8 m/s，縱向坡度為1%～5%時，有利于提高凈化效果。Terry等[28]研究表明，徑流中TSS和TP的進水濃度越高，植草溝對TSS和TP的去除效果越好，50.0%～80.0%的TSS大約在10 m內被去除。Zhao等[29]研究表明，降雨徑流中沉積物粒徑﹥75.0 μm的顆粒占的比例越大，去除率就越高，植草溝對粒徑﹤75.0 μm的顆粒去除效果不理想，幾乎很難被去除。Wang等[8]試驗顯示，水力負荷對黑麥草溝和天堂草溝兩類植草溝凈化地表徑流的影響較大，草高次之，有效水深影響最小，兩類植草溝的最佳運行條件均為水力負荷0.5 m3/(m2·d)、草高15.0 cm和水深4.0 cm，兩類植草溝對徑流中TSS、TP和TDP的削減率均在60.0%以上，黑麥草溝的整體凈化能力略高于天堂草溝。

植草溝對地表徑流中不同污染物的去除效果差異性明顯，且降雨強度、水力負荷、進水濃度、草高、有效水深、溝渠長度、流速、坡度、植物及土壤基質種類等均會對植草溝的去除效果產生影響，通過合理地設計植草溝結構可以改善其水質凈化效果。

4 植草溝存在的問題及未來研究方向

植草溝因具有控制水質和水量效果好、建設成本低、運營管理方便及美化環境等特點，已發展成為控制城市面源污染應用廣泛和有效的措施之一。然而，目前關于植草溝在控制降雨徑流污染方面的研究還較為缺乏，其設計與應用尚不夠成熟，從研究來看仍存在一些不足：①在設計方面，植草溝輸送的地表徑流量比傳統雨水管道要小，但其對坡度和地形的要求比傳統雨水管道要高，且在設計時要更多考慮與道路景觀設計的協調性，在運營過程中要有相應的維護管理措施，若設計或維護管理不當，易造成植草溝侵蝕，當前國內對植草溝還沒有統一的設計標準，在設計及后期運行的管理上缺少依據[26]；②在研究深度上，對植草溝去除污染物的效果及機理的研究尚不夠深入，影響植草溝水質凈化效果的因素還不是很明確，這些因素具體如何影響植草溝凈化過程還需進一步研究，且目前的研究大多采用實驗室模型模擬或小面積實驗地研究，缺乏對植草溝在工程實踐中的研究；③植草溝的設計仍比較單調，對植物的搭配組合以及與周圍景觀協調方面的研究還需深入。

綜上所述，為更高效發揮植草溝去除城市地表徑流污染物的效果，今后應著重從以下幾個方面開展研究：①在不降低水力負荷的前提下，能使污染物的削減效果達到最大化的植草溝的結構設計，包括長度、深度、坡度、土壤基質及植物類型等；②植草溝凈化重金屬、病原菌、多環芳烴及農藥等特殊污染物的效果及機理；③通過研究植草溝凈化污染物的特性來增強其對水量及水質的控制效果，將植草溝納入景觀規劃之中，注重植草溝的管理及后期養護。

總的來說，設計合理的植草溝可有效去除降雨徑流中營養物質、重金屬、TSS、油脂及病原菌等污染物，從而改善城市水環境質量。作為一種低成本、高效率的生態技術，植草溝將在控制城市面源污染的實際應用中發揮積極作用。