雨水濁度和進水頻率對雨水花園滲透性能影響

庹 菁，曹世瑋，馬瑜蔚

(南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

1 引言

雨水花園是自然形成的或人工挖掘的淺凹綠地，在雨季可以消納徑流，延緩洪峰流量，具有蓄、滲、滯、凈多重作用[1,2]，在海綿城市建設中常用于容納并處理來自屋頂或地面的雨水。其通過植物、自然或人工基質的過濾過程使雨水得到凈化，并使之逐漸滲入土壤，涵養地下水，或收集后使之補給景觀用水、廁所用水等城市用水[3～6]。雨水花園結構包括底部的墊層，中間的基質層和上部用來防止沖刷和保濕的覆蓋層及表面的蓄水層和綠色植物[7～9]。雨水花園在長期運行過程中容易出現淤積、堵塞等情況，這將導致雨水花園水力傳導系數降低、除污效果變差、運行壽命縮短等問題，嚴重限制雨水花園長期運行的穩定性[10,11]。雨水沖刷地面或屋面后流入雨水花園，多項研究表明影響其堵塞問題的主要因素有雨水花園基質級配、雨水水質、進水負荷和植物殘體堵塞等[12～14]。本文針對以粉煤灰陶粒及松樹皮為主要基質，旱傘竹為造景植物的雨水花園，分析滲透系數在不同水質和進水頻率下的變化規律，探討其對雨水花園堵塞的影響，研究結果可以為海綿城市雨水花園設計和管理維護提供參考。

2 研究內容及方法

2.1 研究內容

雨水水質的主要影響指標是濁度，進水頻率與區域氣象參數有關，因此設計特定容器，在選定雨水花園基質和植物后，模擬不同雨水濁度和進水頻率下運行過程的雨水花園，考察其滲透系數的變化，分析雨水花園進水濁度，進水頻率與滲透系數的相關性。

2.2 試驗方法

2.2.1 實驗裝置

設計直徑12 cm，高18 cm的圓筒模擬雨水花園的結構層，分別在圓筒底部設置出水口排出過濾水，圓筒上部設溢流管，保持濾層水位不變，試驗裝置示意圖見圖1，植物采用根系茂密，生長能力強的旱傘竹，初次種植時高度32 cm,實物見圖2。

圖1 實驗裝置示意

圖2 實驗裝置實物

2.2.2 實驗基質

模擬雨水花園的基質包括上部覆蓋層的松樹皮、中部基質層的粉煤灰陶粒和底部用于排水的墊層碎輕石，如圖3、圖4、圖5所示。粉煤灰陶粒用廢棄物制成，強度好，密度小，內部多孔，化學穩定性好等特點;覆蓋層松樹皮質輕價廉，有較好的吸水和吸附性能；墊層火山巖(輕石)重量輕，內部孔徑大，透水性好。基質的具體參數見表1。

表1 模擬雨水花園結構層基質及參數

圖3 粉煤灰陶粒

圖4 松樹皮

圖5 輕石

2.2.3 試驗參數

本實驗所采用的雨水為基于南京市雨水水質分析下的模擬水樣,分別用無水磷酸二氫鉀、氯化銨、葡萄糖與純凈水配置總磷為0.3 mg/L、氨氮為5 mg/L、COD為100 mg/L的雨水。雨水的濁度與附近地表的污染程度有關，是影響滲透系數的重要因素，采用高嶺土配置6種不同濁度水平的雨水。按照多因素多水平實驗方法設置8組正交實驗，具體實驗參數見表2。

表2 正交試驗具體配置條件

2.3 指標測定及方法

滲透系數是衡量雨水花園堵塞性能的重要指標，采用常水頭法進行測定[15～18]。試驗雨水濁度采用濁度儀進行測定[19,20]。

在白色圓筒中裝入截面面積為A，高度為L的實驗試樣，打開水龍頭，控制流量，使水由上而下流經實驗試樣，并從出水口處排出。待水頭差△h和滲出流量Q穩定后，計量測定經過一定時間t內流經試樣的水量V，滲透系數k計算公式如下：

k=QL/(A△h)

(1)

3 結果與討論

3.1 雨水濁度對雨水花園滲透性能的影響

從圖6中可以發現在試驗裝置進水頻率為2次/周的運行條件下，進水濁度與滲透系數呈正相關性，當濁度從13.3變化至223.8時，進水濁度值每增加150%，滲透系數平均降低13%。同時，6種進水濁度下的滲透系數隨運行時間的變化都是先增高再緩慢降低，尤其是進水濁度為13.3 NTU時，滲透系數隨運行時間變化幅度最大，從開始的0.02 cm/s緩慢升至0.07 cm/s，說明初期雨水的懸浮物顆粒對雨水花園的堵塞的影響性較小。本裝置的結構層的孔隙度能保證大部分懸浮物濾出裝置，但是隨著運行時間繼續增加，在運行3周左右時，6種進水濁度條件下的裝置滲透系數均開始緩慢下降，并在運行8周左右，降低到相似的水平值，即0.01 cm/s上下，其中進水濁度為223.8的裝置最終的滲透系數僅為0.0052 cm/s。這說明隨著運行時間延長，植物根系生長和懸浮顆粒的截留，減少了裝置內部的孔隙率。另一方面，雨水中含有一定的有機物，進入到裝置內部后，會增加基質孔隙內的微生物的量，微生物的繁殖同樣也會減少基質結構層孔隙率，導致滲透系數的降低。

圖6 基質配置和進水頻率相同下不同濁度的滲透系數變化

3.2 進水頻率對雨水花園滲透性能的影響

進水頻率是由區域的氣象特征參數引起的，區域的降雨都是間歇的，不同區域的降雨間歇時間不同。雨水花園基質層內部在過濾雨水期間和不進水期間的工作狀態不同，內部的微生物，植物的根系的發育有差別，從而會導致滲透系數的變化。一方面，進水頻率也代表不同的污染物負荷，也會影響滲透系數的變化。從圖7可以看出，在保持進水濁度97.6 NTU不變下運行，進水頻率和滲透系數的變化成正相關性，進水頻率增加一倍，滲透系數降低31%，其中進水頻率2次/周的滲透系數最大，最高值可達0.0431 cm/s，進水頻率4次/周的實驗組次之，最高值為0.0351 cm/s，而進水頻率6次/周的滲透系數最小，最高值僅為0.0199 cm/s，可以發現滲透系數隨進水頻率的增加而減小。另一方面，3種進水頻率下的滲透系數都隨著運行時間的增加均呈現前三周先上升，從第四周開始逐漸下降最后趨于相似的數值，這一規律與前文討論的不同進水濁度下的滲透系數變化規律相同，說明隨著運行時間延長，基質內部結構層孔隙率減少，堵塞不可避免，如果要通過人工干預土層結構改善堵塞，應該選擇在第三周進行。

圖7 在濁度和基質配置相同下不同進水頻率的

4 結語

滲透系數的大小直接反映雨水花園堵塞性能，了解雨水濁度和進水頻率與滲透系數的相關性可以指導雨水花園的維護方式。針對以粉煤灰陶粒為基質，旱傘竹為種植植物的雨水花園，以研究雨水濁度和進水頻率對雨水花園滲透系數的影響規律，借此來探討雨水花園堵塞性問題。通過以上實驗分析，可以得到以下幾點結論。

(1)進水濁度與滲透系數呈正相關性，進水濁度值每增加150%，滲透系數平均降低13%。滲透系數隨運行時間的變化都是先增高再緩慢降低，即使是不同濁度水平進水的雨水花園，但其滲透系數最終降至同一水平，即約0.01 cm/s。

(2)雨水花園在一定的進水濁度水平下運行，滲透系數與進水頻率成反比例關系，進水頻率增大一倍，滲透系數降低31%；運行初期前三周，滲透系數變大，運行三周后滲透系數逐漸降低至同一水平，即約0.01 cm/s。