常德城市“綠色海綿體”磷含量及其降雨截留特征

劉春慧，毛亮，宗想，羅叢強(qiáng)

（1.湖南文理學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南常德 415000；2.湖南德江監(jiān)理有限公司，湖南常德 415000；3.水產(chǎn)高效健康生產(chǎn)湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南常德 415000）

引言

海綿城市利用科學(xué)的雨洪管理模式，開(kāi)發(fā)新型城市海綿單位來(lái)提高城市生態(tài)彈性，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的一種新型城市建設(shè)管理模式[1]。常德作為第一批全國(guó)海綿城市建設(shè)城市已建成一批具有“蓄、滯、滲、凈、排、用”六大功能的“綠色”和“灰色”海綿體。其中“綠色”海綿體包括城市綠地、公園、生態(tài)濾池、植草溝、下沉式綠地、雨水花園和綠色屋頂?shù)萚2]。這些綠色海綿體具有削減雨水徑流、控制面源污染、緩解城市“五島”效應(yīng)等作用。磷元素作為面源污染控制的重要營(yíng)養(yǎng)元素一直受到廣泛關(guān)注，是海綿城市中面源污染控制的關(guān)鍵元素，其在環(huán)境土壤中的形態(tài)和含量受到污染物來(lái)源、土壤類(lèi)型、植被類(lèi)型、降雨徑流等諸多因素的影響[3]。目前海綿城市綠色海綿體的研究多集中在海綿設(shè)施的工程建設(shè)、綠色屋頂配置優(yōu)化、生態(tài)海綿設(shè)施開(kāi)發(fā)和生態(tài)濾池凈化等多個(gè)方面[4]，而關(guān)于天然降雨徑流下不同海綿設(shè)施營(yíng)養(yǎng)元素的含量和截留遷移的研究較少，特別是對(duì)于已建成的城市綠色海綿體的運(yùn)行狀況和水質(zhì)凈化方面更少。本研究正是為了填補(bǔ)這方面的空缺，以磷元素為切入點(diǎn)，對(duì)比研究不同海綿城市綠地公園土壤和水體磷含量以及降雨下的截留特征，為海綿城市生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采集點(diǎn)的選擇與概況

1.1.1 屈原公園

護(hù)城河是常德城區(qū)重要的排水系統(tǒng)組成部分，沿岸已建成了許多具備多功能的城市“海綿體”。其中護(hù)城河南面的“屈原公園”是海綿城市建設(shè)和治理的重點(diǎn)示范區(qū)，具有豐富的功能海綿體。“屈原公園”作為常德海綿城市示范點(diǎn)，主要起到攔截沅安路匯入護(hù)城河雨污的作用。

1.1.2 公園世家穿紫河段

穿紫河上游-公園世家-改造前，穿紫河上游受周邊生活及農(nóng)業(yè)用水污染嚴(yán)重，水體發(fā)黑發(fā)臭。改造后，污水經(jīng)收集后注入到生態(tài)濾池中，凈化后排入穿紫河，并在沿岸鋪設(shè)植物緩沖帶，水質(zhì)得到了很大改善。

1.2 海綿城市核心示范區(qū)土地利用類(lèi)型及土壤采樣

于2017 年5 月進(jìn)行土壤樣品采集。環(huán)刀鋁盒樣本用于土壤容重測(cè)定，取土鉆采集的表層土壤用自封袋保存，并迅速帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理化指標(biāo)分析。采集點(diǎn)的具體位置和植被描述見(jiàn)表1。

表1 土壤采樣點(diǎn)植被描述及其位置

1.3 不同降雨事件下水樣的采集

1.3.1 公園世家穿紫河段

于2017 年5—9 月不同降雨條件下，對(duì)公園世家旁的生態(tài)濾池水樣進(jìn)行連續(xù)采集。包括污水進(jìn)口④、生態(tài)濾池出水口③、穿紫河河中②以及西邊公路排水口①，具體采集點(diǎn)見(jiàn)圖1。

圖1 公園世家蘆葦生態(tài)濾池監(jiān)測(cè)點(diǎn)

1.3.2 屈原公園

屈原公園第三示范區(qū)為觀測(cè)區(qū)（圖2）。初期雨水較臟的部分從沅安路經(jīng)公園土壤初步滲透或地表徑流從7 號(hào)點(diǎn)（1 級(jí)出水口）流到生態(tài)濾池進(jìn)行凈化處理，經(jīng)過(guò)凈化后的水再經(jīng)濾池底面的滲管5、6 號(hào)點(diǎn)（2 級(jí)出水口）收集送到蓄留塘。與此同時(shí)廣場(chǎng)西入口的雨水通過(guò)線性排水溝進(jìn)入廣場(chǎng)中間的雨水軸線，然后從3號(hào)點(diǎn)進(jìn)入蓄留塘。蓄留塘水體最終經(jīng)4 號(hào)點(diǎn)（3 級(jí)蓄留池出水口）排入內(nèi)湖1。降雨時(shí)根據(jù)產(chǎn)流情況采集1 級(jí)出水口、2 級(jí)出水口和3 級(jí)蓄留池出水口的水樣，并記錄好氣象臺(tái)發(fā)布降雨、氣溫、濕度等一系列數(shù)據(jù)。

圖2 屈原公園三區(qū)平面圖

1.4 測(cè)定方法與數(shù)據(jù)分析

土壤水分容重測(cè)定采用傳統(tǒng)的鋁盒法和環(huán)刀法，有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化法，正磷酸鹽測(cè)定采用鉬銻抗比色法[5]。用Excel 和SPSS16.0 進(jìn)行制表與數(shù)據(jù)分析，origin8.0 進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 公園世家綠色海綿體理化性質(zhì)

公園世家采集的“綠色海綿體”主要是生態(tài)濾池、河邊底泥以及河岸護(hù)坡的土壤。如表2 所示，采樣點(diǎn)1（蘆葦生態(tài)濾池）和3（岸邊底泥）水分含量最高，分別達(dá)到了52.5%和49.1%，采樣點(diǎn)2、4、5、6（皆為岸邊草坪）水分含量較低，在16.5%～21.3%之間變化。整個(gè)區(qū)域土壤水分平均值為29.45%；采樣點(diǎn)1（蘆葦生態(tài)濾池）和采樣點(diǎn)3（岸邊底泥）容重最低，分別為0.50 g/cm3和0.60 g/cm3。采樣點(diǎn)2、4、5、6（皆為岸邊草坪）容重較高，在1.11～1.49 g/cm3之間變化。

表2 公園世家土壤理化性質(zhì)指標(biāo)

由表2 還可知，6 個(gè)采樣點(diǎn)中1 號(hào)和3 號(hào)土壤的總磷和有機(jī)質(zhì)含量最高，分別達(dá)到790 mg/kg 和351 mg/kg、117.2 g/kg 和62.8 g/kg。水分含量對(duì)比發(fā)現(xiàn)1，3號(hào)土壤的水分含量也遠(yuǎn)高于其余采樣點(diǎn)，分別是52.5%和49.1%。其地點(diǎn)是公園世家蘆葦池和岸邊土壤。公園世家蘆葦池凈化的主要是生活污水，并且污水停留的時(shí)間較長(zhǎng)，而岸邊也有一部分的生活污水在內(nèi)，因此有機(jī)質(zhì)和總磷含量較高。2、4、5、6 號(hào)樣點(diǎn)總磷分別為107 mg/kg、129 mg/kg、124 mg/kg、116 mg/kg，這4個(gè)采樣點(diǎn)都是河岸草坪為主的綠色城市海綿體，其主要凈化的污染都是來(lái)自于過(guò)往行人或交通工具居多的沙粒塵埃，這一點(diǎn)也可以從4 個(gè)點(diǎn)的容重看出，該4 個(gè)點(diǎn)的容重遠(yuǎn)高于1 號(hào)和3 號(hào)樣點(diǎn)。

2.2 屈原公園水分含量，容重測(cè)定及總磷含量

屈原公園采集的綠色海綿體主要是多級(jí)生態(tài)濾池、公路護(hù)坡以及雨水花園的土壤，其水分、容重、有機(jī)質(zhì)和總磷含量如表3 所示。屈原公園土壤水分在16.2%～26.4%之間變化，其中7 號(hào)點(diǎn)（蓄留池）土壤水分高于其它采樣點(diǎn)。8 號(hào)土壤來(lái)自1 級(jí)蘆葦濾池，多為細(xì)砂，其容重和有機(jī)質(zhì)含量均較低，分比為0.5 g/cm3和4.1 g/kg。10 號(hào)土壤來(lái)自雨水花園，并種植有蘭花草和雪松，其有機(jī)質(zhì)含量最高為11.5 g/kg。

表3 屈原公園土壤理化性質(zhì)指標(biāo)

2.3 不同降雨事件過(guò)程中生態(tài)濾池中總磷的狀況

2.3.1 公園世家在不同降雨時(shí)的總磷含量

從2017 年5—9 月產(chǎn)生溢流的降雨事件共四起，分別為5 月11—12 日的小雨（24 h 降雨量12.2 mm），5月22 日的大雨（24 h 降雨量48 mm），6 月11—13 日的中雨（24 h 降雨量21.5 mm），9 月19 日的爆雨（24 h降雨量71 mm）。

不同事件下公園世家穿紫河段各采樣點(diǎn)總磷的變化狀況如圖3。公園世家旁邊有個(gè)生活污水場(chǎng)，會(huì)定期的將生活污水排放到生態(tài)濾池中，通過(guò)測(cè)定排放的生活污水、經(jīng)過(guò)生態(tài)濾池過(guò)濾的水及穿紫河河道水樣表明，生態(tài)濾池對(duì)生活污水具有很好的過(guò)濾效果，對(duì)污水中的磷去除率達(dá)到80%以上，并可以將黑色的生活污水凈化排放，這與趙靜等[6]的研究類(lèi)似。但進(jìn)一步分析表明，雖然生態(tài)濾池對(duì)生活污水中磷具有很好的過(guò)濾效果，但不得不承認(rèn)的是大暴雨條件下排放的過(guò)濾水中的磷濃度仍達(dá)不到地表水排放的標(biāo)準(zhǔn)，為劣五類(lèi)。

圖3 不同事件中各采樣點(diǎn)總磷的濃度

2.3.2 屈原公園生態(tài)濾池在不同降雨時(shí)的總磷含量

從2017 年5—9 月產(chǎn)生溢流的降雨事件與公園世家相同，也為4 起，降雨產(chǎn)生的徑流在流經(jīng)3 個(gè)濾池后其總磷的變化狀況如圖4。結(jié)果表明，濾池的過(guò)濾作用使不同濾池的徑流中的總磷產(chǎn)生了顯著的差異（P＜0.05）。降雨產(chǎn)生的徑流中的總磷在依次流經(jīng)不同濾池后均出現(xiàn)了降低的現(xiàn)象，且濾池對(duì)總磷的過(guò)濾作用主要發(fā)生在一級(jí)濾池中，3 個(gè)濾池的聯(lián)動(dòng)過(guò)濾作用對(duì)總磷的去除率可達(dá)54%，且這種過(guò)濾效果隨降雨強(qiáng)度的增加而降低[7]。

圖4 不同降雨事件中屈原公園三級(jí)濾池總磷的含量及去除率

3 結(jié)論

屈原公園與公園世家都是常德典型的海綿城市示范區(qū)域，但其目標(biāo)功能不一樣，“綠色海綿體”磷含量和截留能力都有所區(qū)別。公園世家生態(tài)濾池的主要目的是凈化周?chē)钗鬯珗@的凈化目標(biāo)是道路或周?chē)鷽_刷匯流的水體。公園世家采樣點(diǎn)土壤水分含量較高，體現(xiàn)出了淹水條件下的土壤特點(diǎn)；由于土壤總磷含量較高，生態(tài)濾池磷存在釋放的風(fēng)險(xiǎn)。公園世家生態(tài)濾池對(duì)周邊排放的生活污水總磷的去除率達(dá)到80%以上，但經(jīng)過(guò)生態(tài)濾池過(guò)濾的水質(zhì)量仍停留在劣五類(lèi)。降雨過(guò)程中屈原公園三級(jí)生態(tài)濾池對(duì)總磷的去除率可達(dá)54%，但仍達(dá)不到地表水三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)城市海綿體生態(tài)凈化功能的監(jiān)測(cè)和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在釋放風(fēng)險(xiǎn)，持續(xù)發(fā)揮海綿城市功能。