長沙市望城區(qū)海綿城市地表徑流控制率分析

王 沁

(長沙市望城區(qū)重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)前期研究中心，湖南 長沙 410000)

1 引言

當(dāng)今社會(huì)發(fā)展迅速，傳統(tǒng)灰色雨水系統(tǒng)的單一建設(shè)模式已經(jīng)無法適應(yīng)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)都市建設(shè)導(dǎo)致地表徑流雨水污染嚴(yán)重、水資源嚴(yán)重短缺、城市澇災(zāi)等，制約了社會(huì)發(fā)展，影響人民正常生活。

2016年，望城區(qū)與岳陽、津市、鳳凰縣被列為省級海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市(湘財(cái)建[2016]7號)。望城區(qū)作為省會(huì)長沙唯一一個(gè)新型城鎮(zhèn)化和海綿城市建設(shè)試點(diǎn)縣區(qū)，打造“宜居城市”品牌，加快海綿城市建設(shè)。

《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[1]明確了構(gòu)建海綿城市的規(guī)劃控制目標(biāo)，包含徑流總量、峰值控制、徑流污染雨水資源化利用 值控制4個(gè)方面，其中徑流總量控制是海綿城市規(guī)劃的一個(gè)重要目標(biāo)，其他3個(gè)可以通過徑流總量控制來部分實(shí)現(xiàn)。

2 望城區(qū)雨水地表徑流控制率研究目的和內(nèi)容

2.1 研究目的

隨著城市化的發(fā)展，望城區(qū)硬質(zhì)地面逐漸增加，導(dǎo)致城市降雨徑流量增長，同時(shí)，降雨早期大量地面、屋頂污染物在雨水沖刷下隨徑流穿過城市排水管道或無限制漫流入河流。望城區(qū)部分已建城區(qū)采用雨污合流制排水，造成城市河道既是地表徑流匯水河道又是沿途納污水河道，望城區(qū)多條河道水質(zhì)逐漸惡化。

2016年，望城區(qū)成為湖南第一個(gè)省級海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，預(yù)通過海綿城市的建設(shè)，解決傳統(tǒng)城市開發(fā)造成的各種問題，如：城市內(nèi)澇、面源污染、地表硬化等。在《長沙市望城區(qū)海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》(試行)[2]中確定望城區(qū)年徑流總量控制目標(biāo)不小于75%，年徑流污染控制目標(biāo)不低于60%。

海綿城市技術(shù)是實(shí)現(xiàn)年徑流總量和年徑流污染控制目標(biāo)的關(guān)鍵。目前常用的海綿城市技術(shù)主要有生物滯留池、植草溝、透水路面鋪裝、綠色屋頂?shù)取Ｍㄟ^正確的選擇和合理的設(shè)計(jì)，方能使這些技術(shù)發(fā)揮效果，而掌握雨水徑流水質(zhì)水量排放規(guī)律及其徑流污染情況及其關(guān)鍵，而目前望城區(qū)缺少雨水徑流水質(zhì)水量方面的檢測資料，對本地區(qū)的徑流污染情況尚不清楚。

目前通過SS指標(biāo)來判定年徑流污染是否得到控制，控制SS指標(biāo)能否達(dá)到控制污染的目的，需要進(jìn)一步了解望城區(qū)雨水徑流污染組成成分、污染物濃度、水質(zhì)各指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系以及水量的變化等。本文對望城區(qū)不同下墊面的雨水徑流水質(zhì)進(jìn)行檢測，分析雨水徑流水質(zhì)變化規(guī)律，掌握望城區(qū)雨水徑流污染特征、水質(zhì)各指標(biāo)的相關(guān)性，并根據(jù)望城區(qū)已建海綿設(shè)施地塊SS檢測數(shù)據(jù)分析望城區(qū)地表徑流控制率，為雨水徑流控制設(shè)施的選擇提供指導(dǎo)，使望城區(qū)能達(dá)到年徑流總量和年徑流污染控制目標(biāo)。

2.2 研究內(nèi)容

本文主要研究內(nèi)容如下：①對望城區(qū)降雨徑流中污染物進(jìn)行檢測并評價(jià)降雨徑流面源污染狀況，識(shí)別不同下墊面面源污染特征與變化規(guī)律；②結(jié)合《長沙市望城區(qū)海綿城市建設(shè)導(dǎo)則》[2]中提出的不同下墊面海綿設(shè)施的配置，分析雨水徑流污染控制率；③根據(jù)望城區(qū)已建海綿設(shè)施地塊的SS檢測數(shù)據(jù)分析望城區(qū)地表徑流控制率。

3 望城區(qū)雨水地表徑流水質(zhì)檢測及面源污染分析

為了解不同下墊面形成的雨水地表徑流污染特征，本文選擇了幾個(gè)典型取樣點(diǎn)，包括天然雨水、道路、建筑屋面、海綿化改造后的下墊面(公園草地、雨水花園、硬化路面、小學(xué)硬化路面、草地、綠色屋頂?shù)?。道路取樣點(diǎn)選在望府路，望城區(qū)政府辦公樓對面；幾處海綿化改造后的下墊面；建筑屋頂取樣點(diǎn)選在新塘小區(qū)附近。每個(gè)采樣點(diǎn)從形成徑流開始，每隔數(shù)分鐘取一次徑流水樣，間隔時(shí)間約5～10 min。將采集的水樣盛放于500 mL采樣品中，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析。

3.1 天然雨水水質(zhì)分析

大氣中的粉塵、硫化物、氮氧化物等是天然雨水的主要污染來源。通過雨水的淋洗作用，將空氣中的污染物帶入地表水體。雨水水質(zhì)會(huì)受到氣壓、風(fēng)力、風(fēng)向、空氣受污染的情況等因素的影響。圖1所示為2019年3月28日所檢測的天然雨水中的COD和TN濃度。

圖1 望城區(qū)天然雨水水質(zhì)(2019年3月28日)

從圖1可知：望城區(qū)天然雨水COD值基本在30～50 mg/L之間。在降雨的前30 min內(nèi)，TN濃度較高，達(dá)到0.95 mg/L，此后，TN濃度維持較低的水平，基本在0.10 mg/L左右；主要原因是降雨將空氣中的污染物沖洗下來，造成早期雨水的TN濃度偏高，隨著不斷降雨，TN濃度降低，最后穩(wěn)定在較低值。

同時(shí)對2019年5月12日降雨水質(zhì)進(jìn)行檢測，當(dāng)日，望城區(qū)約從10:30開始降雨，剛開始一段時(shí)間，降雨強(qiáng)度小，13:00以后降雨強(qiáng)度開始增大，14:00～16:00降雨強(qiáng)度最大。在12:14～13:14時(shí)段內(nèi)，COD約為10 mg/L左右，TN約為2 mg/L左右；14:15～14:45時(shí)段內(nèi)，COD達(dá)到56.75 mg/L，TN濃度為7.46 mg/L，在此時(shí)段內(nèi)雨水中的COD、TN較高，可能與降雨強(qiáng)度增大有關(guān)。在所檢測的時(shí)段內(nèi)，望城區(qū)天然雨水中TP較低，低于0.1 mg/L。

3.2 道路雨水徑流水質(zhì)及污染物相關(guān)性分析

2019年5月12日在望府路(望城區(qū)政府對面)取樣分析雨水徑流水質(zhì)，檢測結(jié)果見圖2、3，污染物之間的相關(guān)性分析見圖4。

圖2 道路(望府路)雨水徑流水質(zhì)COD、SS

圖3 道路(望府路)雨水徑流水質(zhì)

圖4 道路(望府路)雨水徑流污染物相關(guān)性分析

望府路是望城區(qū)一條交通主干道，該區(qū)域附近有廣場、商場，行人多，交通量較大，且在本次采樣前，已有多天未下雨，路面沉積污染較多，故所檢測的望府路雨水徑流中污染物濃度較高。由上圖可知，剛開始形成徑流時(shí)，徑流中的COD達(dá)到279.50 mg/L，此后COD呈下降的趨勢，在開始形成徑流后40 min內(nèi)COD超過100 mg/L；形成徑流60 min后，所檢測的COD均低于30 mg/L。

望府路雨水徑流中SS隨時(shí)間的變化趨勢與COD相同；剛開始形成徑流時(shí)，徑流中的SS達(dá)到250.50 mg/L，此后呈下降的趨勢，在開始形成徑流后50 min內(nèi)SS超過100 mg/L；形成徑流60 min后，SS基本低于20 mg/L。結(jié)果表明，望府路雨水徑流中COD以懸浮物為主。

3.3 建筑屋頂雨水徑流水質(zhì)及污染物相關(guān)性分析

于2019年5月12日在新塘小區(qū)附近某建筑物雨水落水口處取樣，取樣時(shí)間見表1，水質(zhì)檢測結(jié)果見圖5、6。

表1 取樣時(shí)間

圖5 屋面(新塘小區(qū))雨水徑流水質(zhì)COD、SS

圖6 屋面(新塘小區(qū))雨水徑流水質(zhì)

本次檢測的望城區(qū)污染物在屋面雨水中的濃度與我國其他地區(qū)相比，TP濃度與其他地區(qū)接近；而COD和SS值偏低較多。分析其原因，主要是：屋面雨水中的污染物主要來源于雨水、屋面材料析出物、屋面沉淀物。2019年5月12日，望城區(qū)約從上午10：30開始降雨，開始一段時(shí)間內(nèi)降雨量小，未形成屋面徑流，雨水口未有雨水流出。自13：15形成徑流，此時(shí)已降雨165 min，大氣中的污染物基本已轉(zhuǎn)移到前期的雨水中，此時(shí)天然雨水中污染物濃度較低，COD、TP、TN濃度分別為6.75 mg/L、0.04 mg/L、1.12 mg/L；因此雨水徑流中污染物主要來自屋面沉淀物和屋面材料析出物。當(dāng)天在12：30之前降雨強(qiáng)度小，形成的雨水徑流量較小，故沉積在屋面的大顆粒物質(zhì)不能被雨水沖刷帶入徑流中，主要是一些小顆粒的物質(zhì)進(jìn)入雨水徑流，故所檢測的SS值較低；并且根據(jù)檢測的COD值可知，屋面材料析出物中能溶解的有機(jī)物含量低。

圖7 屋面(新塘小區(qū))雨水徑流污染物相關(guān)性分析

3.4 海綿城市改造后的下墊面雨水徑流水質(zhì)及污染物相關(guān)性分析

為了解實(shí)施海綿化改造后的下墊面地表雨水徑流水質(zhì)，于2019年3月28日在經(jīng)過海綿化改造后的雷鋒公園、工農(nóng)東路、斑馬湖小學(xué)、長郡斑馬湖中學(xué)設(shè)置取樣點(diǎn)，見表2，檢測各取樣點(diǎn)雨水徑流水質(zhì)，檢測數(shù)據(jù)見圖8、9。

表2 取樣點(diǎn)及取樣時(shí)間

圖8 海綿化改造后下墊面雨水地表徑流水質(zhì)COD、SS

圖9 海綿化改造后下墊面雨水地表徑流

表3為不同下墊面雨水徑流中SS與其他污染物相關(guān)系數(shù)匯總表。

由表3可以看出，不一樣的下墊面雨水徑流中SS與其他污染物相關(guān)系數(shù)差異較大。望府路SS與其他污染物相關(guān)系數(shù)最大，屋頂與雷鋒公園內(nèi)道路相關(guān)系數(shù)最小。望府路取樣點(diǎn)交通繁忙、人流量大，地面污染嚴(yán)重，望府路早期雨水徑流中以懸浮物為主，以SS能有效代表其他污染物。屋頂與雷鋒公園內(nèi)道路雨水徑流中有機(jī)物、氮、磷以溶解性物質(zhì)為主，僅以SS作為指標(biāo)不可以反映雨水中有機(jī)物、氮、磷對水體的污染情況。

表3 不同下墊面雨水徑流中SS與其他污染物相關(guān)系數(shù)

4 望城區(qū)雨水地表徑流控制分析

《長沙市望城區(qū)海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》[2]中明確望城區(qū)全區(qū)總體年徑流總量控制目標(biāo)不小于75%，全區(qū)總體年徑流污染控制目標(biāo)不小于60%；并提出建筑小區(qū)、道路、綠地與廣場采用的海綿設(shè)施。根據(jù)各文獻(xiàn)[7～13]及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，各類海綿設(shè)施對雨水徑流量消減率和污染控制能力進(jìn)行歸納總結(jié)如表4所示。

表4 各類海綿設(shè)施對徑流消減率與污染物去除率 %

4.1 綠色屋頂

綠色屋頂?shù)闹脖粚訉搅髦械腃OD、TN去除率為50%～70%，綠化屋面主要通過過濾和微生物的生物降解作用去除COD，主要通過植物吸附和微生物脫氮去除TN。當(dāng)進(jìn)水TP<0.1 mg/L時(shí)，綠色屋頂對TP沒有除去效果，偶爾還會(huì)出現(xiàn)出水TP高于進(jìn)水TP的情況，其原因是土壤中儲(chǔ)存的一些可溶性磷，遇水溶于水，隨雨水水流流出。當(dāng)進(jìn)水TP>0.1 mgL時(shí)，綠色屋頂對屋頂雨水徑流中的TP去除率基本在40%～70%之間；綠色屋頂中土壤的吸附是去除磷的主要途徑。

4.2 生物滯留設(shè)施

生物滯留設(shè)施主要包括雨水花園、下凹式綠地、生物滯留帶、高位花壇、生態(tài)樹池等。生物滯留設(shè)施包括植被、有機(jī)物覆蓋層、植物生長介質(zhì)層，通過植被可以蒸發(fā)蒸騰調(diào)節(jié)徑流量，并通過與外界的氮循環(huán)降解污染物，有機(jī)覆蓋層為植被提供生長的介質(zhì)，并起到部分污染物的降解作用，植物生長介質(zhì)層可以貯存部分雨水，也可以除去雨水中的部分污染物。生物滯留設(shè)施可以有效除去雨水徑流中的SS、COD，SS除去率超過90%，COD除去率為35.0%～96.2%。但對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果差異較大。

4.3 透水鋪裝

透水鋪裝是指透水性好的材料鋪設(shè)道路，使得降雨時(shí)，雨水通過鋪裝層盡量多的滲入到地下。

透水混凝土路面可以去除降雨徑流中90%的總懸浮物；也有研究發(fā)現(xiàn)透水鋪裝系統(tǒng)自上部依次向下，各結(jié)構(gòu)層對總懸浮物的去除能力逐漸減小，其中面層和基層起主要的去除作用。透水混凝土鋪裝對雨水中COD的去除率約為40%～60%，對TN的截留可達(dá)33%～66%。透水鋪裝對磷的去除率超過75%，降雨徑流中顆粒態(tài)磷主要通過面層和基層材料的吸附、沉淀在系統(tǒng)內(nèi)，而溶解態(tài)磷則與鋪裝材料中的鋁、鈣等金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，有的溶解態(tài)磷則被聚磷菌的攝取。

4.4 植草溝

植草溝是種有植被的地表淺溝，一般設(shè)置在道路兩側(cè)、大面積綠地內(nèi)等，可可以連接到雨水管和它共同運(yùn)行，也可以單獨(dú)運(yùn)行，進(jìn)行雨水的輸送和凈化。

當(dāng)降雨徑流流過植草溝時(shí)，通過沉淀、截留、滲透、吸附等作用下，雨水中的顆粒物會(huì)沉淀或者被吸附于土壤、濾料表面，顆粒物濃度有所降低。同時(shí)，植草溝中的植物生長過程中吸收部分氮、磷等物質(zhì)，降低了氮、磷濃度。植物還能吸附和富集一些重金屬。文獻(xiàn)研究表明植草溝對SS和COD去除性能較好，但對氮、磷去除率較低。

4.5 雨水調(diào)蓄設(shè)施

雨水調(diào)蓄池是對雨水進(jìn)行調(diào)節(jié)和貯存功能的一類構(gòu)筑物的總稱。主要有三種：控制暴雨洪峰流量調(diào)蓄池、控制面源污染調(diào)節(jié)池、雨水回收利用池。

雨水調(diào)節(jié)池對水質(zhì)的改善主要通過各種物理、化學(xué)和生物過程完成。在調(diào)節(jié)池中發(fā)生的基本水處理過程包括顆粒性固體的沉淀、顆粒固體表面與周圍水環(huán)境之間的物質(zhì)交換作用(適當(dāng)條件下, 溶解性污染物會(huì)粘附在顆粒固體上)、生物吸附作用，以及一些可能的化學(xué)過程；調(diào)節(jié)池通常可以截留固體污染物，比例約40%～90%，富含營養(yǎng)的溶解性污染物，比例約20%～70%的。

5 結(jié)語

本文通過檢測望城區(qū)天然雨水、不同下墊面雨水水質(zhì)，進(jìn)行水質(zhì)相關(guān)性分析；并分析了望城區(qū)海綿城市建成后，對各污染物的削減能力，所得結(jié)論如下：

(1)望城區(qū)降雨早期天然雨水中COD值能達(dá)到約50 mg/L，TN能達(dá)到約7 mg/L。

(4)望府路雨水徑流懸浮性COD、懸浮性TP所占比例較高，TN以含氮有機(jī)物為主。屋面沉積物中有機(jī)物含量少，TP多數(shù)以溶解態(tài)含磷污染物形態(tài)存在，TN以溶解性的含氮有機(jī)物為主。雷鋒公園內(nèi)雨水花園附近雨水徑流中COD以溶解性物質(zhì)為主；TN也是以溶解性的含氮有機(jī)物為主。

(6)由于望城區(qū)早期雨水徑流中COD、SS、TP、TN濃度超標(biāo)，重點(diǎn)需控制COD、SS、TP、TN這幾個(gè)指標(biāo)。

(7)在望城區(qū)擬采用的海綿設(shè)施中，透水鋪裝、下沉式綠地和生態(tài)滯留設(shè)施對雨水徑流中的污染物削減率較高；綠色屋頂和植草溝的對污染物削減率低，主要原因是設(shè)置植草溝和綠色屋頂?shù)谋壤^低。各海綿地塊對雨水徑流控制較好，不少海綿地塊檢測的徑流SS值較高，建議適當(dāng)提高LID設(shè)施設(shè)置比例，消減雨水徑流污染。