多峰值降雨下典型源頭LID設施對徑流污染物的去除特性

廖 暉,劉成林,李潔芬

(1.湖南瀏陽經開區水務股份有限公司,湖南長沙 410300;2.廣州市創景市政工程設計有限公司,廣東廣州 510000)

在全球變暖的地表環境背景下,很多地區強降水事件增多,且降水頻率及強度出現不穩定的趨勢,并使當地的降雨雨型發生了明顯改變[1-3],總降雨量、暴雨強度等參數的時空分布明顯改變[4-6]。內澇等災害事件頻發,給城市運行和居民生活造成嚴重影響[7-9]。值得注意的是,很多研究人員對地表徑流污染物濃度分布及典型源頭低影響開發(LID)設施的效果分析是基于芝加哥雨型,而芝加哥雨型屬于單峰型雨型,在實際情況中,多峰值降雨事件出現的概率是多于單峰值降雨事件的。且單峰型降雨事件中,地表徑流污染物濃度分布情況也與多峰值降雨事件存在差異。龔紅君[10]對天津城區的一場雙峰值降雨事件進行了地表徑流污染物濃度實測分析。分析表明,整個降雨過程中,污染物濃度整體呈先升高后降低再升高的趨勢,顯著受降雨量影響。在實際運用中,缺少對多峰值雨型下地表徑流污染物濃度及典型源頭LID設施去除率的相關研究。

為了探究多峰值降雨雨型對地表徑流污染物濃度分布規律及對典型源頭LID設施去除效果的影響,在西北某市展開了相關試驗。根據該市近40年的實測降雨資料統計分析,該市的降雨量時間分布差異較大,全市一年內的降雨量變化形狀多呈現出多峰值情況。本文通過動態監測的2次多峰值降雨過程中的地表徑流污染物濃度以及典型源頭LID設施進出口徑流污染物濃度,來分析不同降雨雨型對各類典型源頭LID設施運行效果的影響。

1 樣品采集及試驗方法

1.1 典型源頭LID設施設計參數

透水鋪裝由面層(透水磚)、找平層、基層、墊層等部分構成。找平層采用粗、中砂或干硬性水泥砂漿(水泥與砂質量比約為1∶6)找平,厚度為20～30 mm;基層采用透水級配碎石、透水水泥混凝土或透水水泥穩定碎石基層,厚度約為250 mm ;墊層以天然砂礫為材料。

雨水花園和高位花壇由蓄水層、覆蓋層、換土層、透水土工布和礫石層組成。蓄水層約為200 mm,覆蓋層約為50 mm,換土層約為300 mm,礫石層約為250 mm。

1.2 典型源頭LID設施進出口水樣采集監測方法

選取市區內數量較多且具代表性的典型源頭LID設施開展徑流水樣采樣工作。主要對雨水花園、高位花壇和透水鋪裝3類典型源頭LID設施進行采樣,本研究中的3類LID設施均在同一小區內,對每個設施的進出水口設置采樣點,共6個采樣點。通過對3類設施的進水口和出水口進行同步水質監測,獲得單場降雨過程中進入及排出的污染物濃度。由于降雨存在不確定性,根據實時降雨情況,一場降雨采集水樣的數量為8～16個。在徑流開始后進行采樣,前4個水樣的采樣間隔為10～15 min,4～16個水樣的采樣間隔為30～40 min,直到降雨結束。監測的主要水質指標有固體懸浮物總量(SS)、化學需氧量(CODCr)、總氮(TN)、總磷(TP)、鉛、鋅、石油類。

1.3 水質指標檢測方法

監測的主要水質指標的檢測方法如表1所示。

表1 主要水質指標檢測方法Tab.1 Main Water Quality Detection Methods

2 試驗結果與討論

在2021年7月—8月,分別對2場降雨事件(大雨量雙峰型和小雨量多峰型)進行了水樣監測采集工作,并對典型源頭LID設施的污染物去除率及各自所在小區的徑流控制率進行分析。

2.1 降雨事件分析

(1)1號降雨事件中,累計降雨量為37 mm,降雨歷時7 h。該事件中存在2個峰值雨量,分別為4 mm和6 mm。該降雨事件的雨型為大雨量雙峰型,雨量時間分布如圖1(a)所示。

圖1 雨量時間分布Fig.1 Rainfall-Time Distribution on Event 1 and Event 2

(2)2號降雨事件中,累計降雨量為14.00 mm,降雨歷時5 h,該事件的最大峰值雨量為2 mm。該降雨事件的雨型為小雨量多峰型,雨量分布如圖1(b)所示。

2.2 典型源頭LID設施徑流控制率分析

3種典型源頭LID設施所在小區的徑流控制率如表2所示。

表2 典型源頭LID設施徑流控制率Tab.2 Control Rate of Runoff of Typical Source LID Facilities

通過表2可知,在2號降雨事件中(小雨量多峰型),高位花壇和雨水花園的徑流控制率達到了100%,透水鋪裝的徑流控制率達到了98.29%;在1號降雨事件中(大雨量雙峰型),高位花壇的徑流控制率為76.23%,透水鋪裝的徑流控制率的控制率為83.89%,雨水花園的徑流控制率為70.15%。

2.3 典型源頭LID設施污染物去除率分析

2.3.1 高位花壇水質指標分析

高位花壇進出水水質監測結果如圖2、圖3所示。

圖2 高位花壇(進出口)污染物濃度-降雨時間(1號降雨事件)Fig.2 High Flower Bed (Inlet and Outlet) Pollutant Concentration-Rainfall Time (Rainfall Event 1)

圖3 高位花壇(進口)污染物濃度-降雨時間(2號降雨事件)Fig.3 High Flower Bed (Inlet) Pollutant Concentration-Rainfall Time (Rainfall Event 2)

由圖2～圖3可知,在大雨量雙峰值的降雨事件中,高位花壇的進口污染物濃度分布呈單峰分布,且峰值濃度出現在降雨事件第一個峰值之前;高位花壇的出口污染物濃度分布仍呈單峰分布,但峰值濃度出現在降雨事件第一個峰值之后;在降雨事件中發生第二次峰值降雨后,污染物濃度分布未出現新的峰值。說明大雨量的情況下,會對地表的沖刷程度更加徹底,故在出現第二次降雨峰值時,地表污染物濃度不再升高。該高位花壇在該降雨事件中,對SS、CODCr的去除率達到了70%以上;對TP的去除率達到了89%以上。鉛、鋅、石油類濃度變化較小,在降雨過程中沒有明顯的峰值現象,TP平均質量濃度為0.12 mg/L,鉛平均質量濃度為0.001 mg/L,鋅平均質量濃度為0.096 mg/L,石油類平均質量濃度為0.063 mg/L。

在小雨量多峰型的降雨事件中,高位花壇的進口污染物濃度分布沒有出現先增后減的分布狀態,而是僅出現了最大值,且在整個事件中,污染物濃度呈負斜率直線型。由于整個降雨事件中總雨量較小,高位花壇沒有明顯徑流產生,表現出了較好的徑流控制效果。相較于大雨量雙峰值事件,該高位花壇在小雨量多峰值的事件中,對SS、CODCr的去除率提高至85%以上;對TN的去除率提高至83%以上,說明小雨量多峰值的雨型對地表的沖刷速度會小于大雨量雙峰值的雨型,通過兩次峰值雨量的沖刷后才出現污染物的濃度峰值。且由于污染物流入典型源頭LID設施的速度較慢,一定程度上減輕了典型源頭LID設施的處理負荷,從而能夠更好地發揮典型源頭LID設施的污染物去除效果。

2.3.2 透水鋪裝水質指標分析

透水鋪裝進出水水質監測結果如圖4～圖5所示。

圖4 透水鋪裝(進出口)污染物濃度-降雨時間(1號降雨事件)Fig.4 Permeable Pavement (Inlet and Outlet) Pollutant Concentration-Rainfall Time (Rainfall Event 1)

圖5 透水鋪裝(進出口)污染物濃度-降雨時間(2號降雨事件)Fig.5 Permeable Pavement (Inlet and Outlet) Pollutant Concentration-Rainfall Time (Rainfall Event 2)

由圖4～圖5可知,在大雨量雙峰值的降雨事件中,透水鋪裝的進口污染物濃度分布呈單峰分布,且峰值濃度出現在降雨事件第一個峰值之前;透水鋪裝的出口污染物濃度分布仍呈單峰分布,但峰值濃度出現在降雨事件第二個峰值之后,且較第二個降雨峰值約晚2 h出現;在降雨事件中發生第二次峰值降雨后,污染物濃度分布未出現新的峰值。該透水鋪裝在該降雨事件中,對SS、CODCr的去除率達到了70%以上;對TP的去除率達到了82%以上,對TN的去除率較低,在50%左右。TP、鋅、石油類濃度變化較小,在降雨過程中沒有明顯的峰值現象,TP平均質量濃度為0.12 mg/L,鋅平均質量濃度為0.23 mg/L,石油類平均質量濃度為0.13 mg/L。

在小雨量多峰型的降雨事件中,透水鋪裝的進口污染物濃度分布有2個峰值,分別出現在第二、三個峰值雨量后,在整個降雨事件中,進口污染物濃度呈下降趨勢;透水鋪裝的出口污染物峰值濃度出現在第三個峰值雨量后,且相對第二個進口污染物濃度峰值沒有太大的延遲,說明在小雨量多峰值的降雨事件中,透水鋪裝對徑流污染物的截留能力要弱于大雨量雙峰值的情況。在多峰值降雨事件中,透水鋪裝被多次峰值雨量沖刷后,原本滯留在透水鋪裝中的污染物再次被沖刷出來。故該透水鋪裝在本次研究中的多峰值降雨事件中,相對于雙峰值降雨事件,對SS、CODCr的去除率降低至54%左右;對TN的去除率降低至42%左右。

2.3.3 雨水花園水質指標分析

雨水花園進出水水質監測結果如圖6所示。

圖6 雨水花園(進出口)污染物濃度-降雨時間(1號降雨事件)Fig.6 Rain Garden (Inlet and Outlet) Pollutant Concentration-Rainfall Time (Rainfall Event 1)

由圖6可知,在大雨量雙峰值的降雨事件中,雨水花園的進口污染物濃度分布沒有出現先增后減的分布狀態,而是僅出現了最大值,該最大值相較第一個降雨峰值提早約2 h出現,在整個事件中,污染物濃度呈下降趨勢;雨水花園的出口污染物濃度分布呈單峰分布,且峰值濃度與第二個降雨峰值出現的時間基本一致;在小雨量多峰型的降雨事件中,雨水花園的出口沒有明顯的徑流出現,表現出較好的徑流控制效果。該雨水花園在大雨量雙峰值降雨事件中,對SS、CODCr的去除率達到了90%以上;對TP的去除率達到了95%以上,對TN的去除率達到了86%以上。TP、鉛、鋅、石油類濃度變化較小,在降雨過程中沒有明顯的峰值現象,TP平均質量濃度為0.016 mg/L,鋅平均質量濃度為0.060 mg/L,石油類平均質量濃度為0.001 mg/L。相對高位花壇,雨水花園具有更多樣、更完善的植物根系吸附體系以及更長的徑流滯留通道,故在相同的大雨量雙峰值降雨事件中,雨水花園的污染物去除效果要好于高位花壇的污染物去除效果。

3 結論

(1)不同降雨量和雨型會對典型源頭LID設施的污染物濃度時間分布造成影響。在本研究的大雨量雙峰值的降雨事件中,各典型源頭LID設施的進出口污染物濃度分布基本呈單峰分布。在小雨量多峰值的降雨事件中,各LID設施的進口污染物濃度分布仍呈單峰分布,但出口污染物濃度分布不再呈單峰分布,而是呈負斜率直線型。

(2)具有植物覆蓋的典型源頭LID設施在小雨量多峰值的降雨事件中表現出更好的污染物去除效果。雨水花園和高位花壇對SS、CODCr的去除率為85%～90%;對TN的去除率為76%～83%,對TP的去除率為76%～95%;不具備植物覆蓋的典型源頭LID設施(透水鋪裝)對SS、CODCr的去除率僅為54%左右;對TN的去除率僅為42%左右。

(3)不同降雨事件之間由于降雨量、最大降雨峰值及降雨時長不同,而導致徑流的不同,最終也是因為徑流的不同產生了徑流總量和典型源頭LID設施的徑流控制效果、徑流污染物去除率在不同雨型之間有差別的現象。分析得出,降雨量較大且峰值雨量較為明顯、徑流污染較為嚴重且內澇風險較大的工業區或商業區,布置雨水花園、高位花壇等生物滯留帶類型的典型源頭LID設施來削減徑流量,降低內澇風險以及凈化初期雨水所造成的徑流污染;降雨量較小且存在多個峰值雨量的地區,可以布置透水鋪裝、透水瀝青等硬化鋪裝類典型源頭LID設施以及調蓄池來收集凈化后的雨水,從而達到削減初期雨水污染,雨水循環利用的目的。