基于LID 理念的生態(tài)濾溝對路面徑流水質處理效果的試驗研究

長孫旭輝 孫國寧 林培娟

（1、西京學院 土木工程學院，陜西 西安710123 2、中國水利水電第三工程局有限公司西安勘測設計研究院，陜西 西安710000）

1 概述

伴隨著城市化進程的飛速發(fā)展，城市不可滲透地表的面積比例逐漸增大，導致可滲入地下的地表徑流的城市降雨轉變?yōu)闆_擊性較強的暴雨徑流，隨著排水管網(wǎng)進入城市排水系統(tǒng)并最終進入收納水體。生態(tài)濾溝[1]作為一種典型的低影響開發(fā)（LID）生物滯留技術[2]，將徑流污染控制與雨水蓄滯利用有機結合，對于干旱缺水地區(qū)具有重要意義和實用價值。試驗裝置尺寸為：長2.5m×寬0.5m×深1.0m，對所得試驗數(shù)據(jù)進行分析，研究填料的厚度、類型、組合方式、植被條件、進水污染物濃度、進水水量對生態(tài)濾溝的污染物凈化效果的影響。

2 生態(tài)濾溝凈化試驗設計

試驗裝置為共有6 組長2.5m×寬0.5m×深1m 的生態(tài)濾溝，出水口設有出流池和三角堰，出流池長95cm、寬20cm、高15cm，三角堰堰高7cm 角度20°，在濾溝土層中安裝有溢流導流管將溢流排出，導流管上裝有400L/h 流量計。濾溝土層從下往上結構采用30cm 厚種植土、25cm 厚高爐渣/ 粉煤灰、20cm厚礫石、10cm 厚鵝卵石、植物（麥冬草+小葉女貞/黃楊）或者30cm 厚種植土、45cm 厚粉煤灰/礫石、10cm 厚鵝卵石、植物（麥冬草+小葉女貞/黃楊）。并根據(jù)大、中、小水量（模擬不同重現(xiàn)期的暴雨強度）、3d、9d、15d 的間隔時間和低、中、高濃度的水質設計三因素三水平的正交試驗（表1）。

表1 水質水量正交試驗表

試驗根據(jù)西安市路面徑流水質監(jiān)測情況[1,3-6]與西安市暴雨強度公式[7]計算濾溝實驗所需的水質與水量，試驗水量采用芝加哥雨型，降雨過程模擬一場完整的降雨。采集水樣從出水口出水開始，間隔10min，10min，10min，10min，10min，20min，20min，30min，30min 取水，在入口處取得原始水樣500ml，低溫保存以備實驗。水量的測量由安裝在溢流堰上的水位儀監(jiān)測。并在試驗室中檢測水樣中TN、TP、氨氮、DP、Zn 等參數(shù)的水質分析。

按照以上正交試驗設計方案完成試驗，分析試驗數(shù)據(jù)對比6組濾溝的各水質指標的處理效果, 以此確定符合各個濾溝的最佳處理工況（試驗水質和試驗水量、取水間隔時間的最佳組合方案）。另外，分析對比在相同試驗水質、試驗水量和取水間隔時間下的6 組濾溝對不同污染參數(shù)的處理效果，得出不同污染參數(shù)處理效果最優(yōu)的填料組合方案和植被條件。

計算6 組濾溝對不同污染物的去除率，建立模型，確定不同污染物的去除率與填料類型、試驗水質和水量之間的耦合定量關系。

3 生態(tài)濾溝凈化效果分析

通過試驗分析，不同生態(tài)濾溝對于TN、TP、氨氮、DP、Zn 濃度去除率為8%～38%、38%～77%、30%～93%、24%～98%、19%～78%，DP 去除效果與填料種類、填料厚度、植被條件等無規(guī)律可循，其余參數(shù)去除效果隨著進水水量、進水水質的增加而降低；增加填料厚度會明顯提高濃度去除率。

濾溝對于水量消減可以達到：徑流削減率、出流削減率、峰值削減率分別為：94%～100%、84.45%～95.54%、85.3%～93.25%，試驗得到結果：填料種類水量削減效果由強到弱：高爐渣＞沸石＞粉煤灰；填料厚度與植被條件對水量削減率影響較小。

經(jīng)過試驗分析，填料處理效果由強至弱依次為：粉煤灰、高爐渣、沸石；厚度為45cm 的填料處理效果優(yōu)于25cm 的填料；植被條件處理效果為：黃楊+麥冬草、小葉女貞+麥冬草。因此最佳填料組合方案為：粉煤灰、填料厚度為45cm，植物為黃楊。

4 生態(tài)濾溝凈化效果多元回歸統(tǒng)計分析及hydrus-1d 軟件模擬

4.1 運用SPSS 軟件中多元線性回歸模型對TN 去除效果進行模擬得到：TN 濃度去除率隨著填料因子、填料厚度的增加而增大，隨著進水水量、進水水質的增加而減小。因此填料因子、填料厚度與TN 濃度去除率呈線性遞增關系，進水水量、進水水質與TN 濃度去除率為斜率為負的線性關系，得到原始變量回歸方程為y=0.093x1+0.545x2-0.338x3-0.022x4+6.559。其中，y：TN 濃度去除率，x1：填料類型，x2：填料厚度，x3：進水水量，x4：進水濃度。模擬值與實測值的差距相對不大，在模擬工況下具有一定的指導價值。

4.2 運用多元線性回歸模型對TP 去除效果進行模擬，TP 濃度去除率隨著填料厚度的增加而增大，隨著填料因子、進水水量、進水水質的增加而減小。因此填料因子、填料厚度與TP 濃度去除率呈線性遞增關系，進水水量、進水水質與TP濃度去除率為斜率為負的線性關系，得到原始變量回歸方程為y=-0.166x1-0.225x2-2.830x3-0.015x4+104.208。其中，y：TP 濃度去除率，x1：填料種類，x2：填料厚度，x3：進水水量，x4：進水濃度。模擬值的殘差相對不大，在模擬工況下具有一定的指導價值。

4.3 hydrus-1d 軟件可以較為準確的模擬生態(tài)濾溝試驗出水情況以及污染物濃度的沿程分布。如果采用較為準確的參數(shù)實測值和經(jīng)驗值，運用回歸方程得到的模擬結果與實測值較為接近，在實際應用中有一定的價值。

5 結論

通過試驗研究表明，生態(tài)濾溝對城市雨水產(chǎn)生的地表徑流有一定的消減作用，大大降低了雨水的水量與污染問題。同時生態(tài)濾溝可作為一種典型的措施來調(diào)節(jié)雨水徑流，使用LID 技術和雨水蓄滯回用技術具有較高的使用價值。在全國大力推行海綿城市的大環(huán)境下，生態(tài)濾溝可作為小范圍的城市雨水的凈化消納設施為城市排水管網(wǎng)減輕負擔。