植草沟在城市雨洪控制利用中的研究进展

62城镇供水NO.52015CITYANDTOWNWATERSUPPLY·节水在北京·快速的城市化发展对城市区域气候、土壤、水量和水质影响明显，城市下垫面的改变对城市水循环过程的影响也非常大。由于城市地区硬化面积增加，降雨过程中雨水入渗量减少，造成暴雨洪峰提前、洪峰变大。目前城市道路雨水排放大多仍采用“边沟-雨水口-连接管-市政管线”等传统排水方式，在一些城郊或城乡结合部以沟渠排水为主[1]。这种传统的排水模式导致大量城区雨水直接排放，严重影响城市水环境和整个流域地表水体及地下水的水文循环，破坏城市生态系统，危及城市饮用水安全。早期的雨水管理措施着重于建设雨水滞蓄池，暂时储存雨水减少径流峰值，以此减少下游地区的洪水威胁，但这并没有减少径流总量，而且污染物质在雨水径流中富集，成为加重城市面源污染的一大原因[2]。随后，水质控制、下渗回补、减少对水文循环的人为改变成为雨水管理措施的重点。低影响开发（LowImpactDevelopment，LID）是上世纪九十年代初期美国、日本等发达国家兴起的一种新的雨水管理概念。LID强调采用源头控制理念实现雨水控制与利用，其基本内涵是通过有效的水文设计，综合采用入渗、过滤、蒸发和调蓄等方式减少植草沟在城市雨洪控制利用中的研究进展潘　姣（北京市水科学技术研究院，北京100048）摘要：本文论述了植草沟的国内外研究进展，讨论了植草沟在降雨径流流量削减及水质净化方面的作用，提出在当前城市内涝灾害频发的情况下，研究植草沟入渗机理、提高植草沟入渗性能并结合其他LID措施建设具有广阔的应用前景。关键词：低影响开发　植草沟　径流削减　水质净化　入渗性能时地开展节水执法。3.3充分利用新媒体展开宣传北京市节水宣传主要以传统媒体为主，新媒体运用较少，应充分利用互联网、新媒体平台，实现节水工作信息化、网络化、全覆盖，提高时效性，增强辐射力；加强全社会对节水的互动性，提高公众参与节水事务的积极性，营造全社会关心节水的网络环境；运用新媒体联系群众、服务社会，推进节水工作公开，建立面向社会公众的节水监督机制，落实群众的知情权、参与权、选择权、监督权。节水工作事关首都发展和稳定大局，应进一步提高首都节水工作重要性和紧迫性的认识，强化管理，积极引导，广泛凝聚全社会爱水、护水、惜水、节水的强大合力，推进北京市节水型社会建设。作者通联：010-88159388城镇供水NO.5201563CITYANDTOWNWATERSUPPLY·节水在北京·雨水径流量，使城市开发区域水文功能尽量接近开发之前的状况[3]。植草沟作为一种常见的低影响开发措施，在许多发达国家已得到了广泛运用。1.植草沟概述植草沟，有时也被叫做植被浅沟、浅草沟、生物沟等。在美国，不少州都出台了一些雨水措施规范管理手册，其中有不少明确提到植草沟的定义。爱荷华州2008年州雨水措施管理手册[4]中指出“植草沟，也被称为生物过滤设施，是设计用来对雨水进行初步处理的措施，同时也能使得降雨径流达到设计暴雨水质控制的流速目标。”新泽西州2010年雨水管理手册[5]中提到“植草沟是一块通过断面为抛物线型或者梯形的沟渠来提高水质或者输送径流的平坦草地。”密西西比州2012年雨水冲刷手册[6]中写道“植草沟是天然形成或者按尺寸人工建造的、种植有适合的植被来稳定输送降雨径流且对沟渠不产生冲刷的沟渠。”概括来说，植草沟是种有植被的地表沟渠，一般适用于城市园区道路两侧、不透水地面周边、大面积绿地内等，可以同雨水管网联合运行，也可代替雨水管网，在完成输送排放功能的同时满足雨水的收集及净化处理的要求[7]。雨水流经植草沟时，通过土壤和植被的渗透、沉降、过滤作用，起到减小径流量、提高径流水质的作用。根据地表径流在植草沟中的传输方式，植草沟可分为3种类型：标准传输植草沟（standardconveyanceswales）、干植草沟（dryswales）和湿植草沟（wetwales）[8]。标准传输植草沟构造简单，广泛用于雨水径流传输和前期处理；干植草沟在标准传输植草沟基础上增加了底部排水系统，且布置了具有更好的渗透性能的填料层，强化了植草沟的渗滤和传输性能；湿植草沟则长期保持湿润状态。2.国内外研究进展2.1植草沟的设计植草沟的设计参数主要为长度、水力停留时间、最大允许流速和纵向坡度等。长度和水力停留时间的取值影响植草沟对污染物的去除效果。Reeves[9]经试验得出，30m的植草沟对SS、碳氢化合物、TP去除率分别为60%、50%、45%，金属去除率为2%～16%，当植草沟长度增加到60m时，SS去除率增加20%，碳氢化合物去除率增加25%，TP去除率下降为30%，金属去除率则达到46%～67%。Yu[10]研究指出，当标准传输植草沟水力停留时间分别为5.5min、7min、10min、18min时，污染物的去除率分为48%、70%、67%、80%。因此，有学者建议植草沟最短长度不宜小于30m，水力停留时间在6min～8min之间[7]。合理确定沟内径流流速可有效防止对表层土壤以及植被造成冲蚀，所以雨水在植草沟中的流速应小于0.8m/s[11]。由于雨水在沟内靠重力流动，纵向坡度的取值很重要，取值过大导致水力停留时间变短，净化作用减弱。同时为了保证沟内径流的流动性，纵向坡度取值也不能过小，取值范围通常为1%～5%，一般最小不低于0.5%[12]。除此之外还有曼宁系数、植被高度、有效水深、边坡坡度等设计参数，在工程设计中，要结合实际情况来确定最佳取值。2.2植草沟对径流的净化作用当降雨径流流经植草沟系统时，在颗粒沉淀、植被截留、土壤渗透、吸附等作用下，径流中许多颗粒物质发生了沉淀或被吸附于土壤、滤料表面或以前粘附的颗粒上，颗粒物浓度有所降低。同时，植物生长过程中被吸收水流中的氮磷等营养物质，降低了氮磷等元素的浓度[13]。植物还能吸附和富集64城镇供水NO.52015CITYANDTOWNWATERSUPPLY·节水在北京·一些重金属。国外学者对植草沟的水质净化作用研究较多，主要围绕于对总悬浮固体（TSS）、总氮（TN）、总磷（TP）、有机物以及重金属的去除效果。众多文献表明植草沟对上述污染物质皆有良好的去除效果（表2）。由表中所示数据可以看出，植草沟对不溶性的悬浮物固体去除性能较好，但对于氮磷以及重金属等可溶性元素去除率较低。表1　植草沟对径流污染物的去除效率（%）来源Yousef[14]Barrett[15]U.S.EPA[16]Lloyd[17]Mazer[18]Stagge[19]TSS-85~87817460~9965~71TN-7~1123~54380--TP25~3034~459557.5~80-有机物-61~6967---重金属-17~9142~67-21~9130~60Wu[20]选择三处建设有植草沟系统的高速公路并对其产生的径流进行监测发现，当公路区域在植草沟作用下仅增加15%的透水面积时，总悬浮固体去除率增加30%。Barrett[15]经过试验指出，当降雨强度较大造成植草沟内水位过高时，污染物去除率有所降低，但降雨量总体积却与去除率没有相关关系，同时也指出在植草沟运行过程中须注意有关重金属富集的问题：（1）防止重金属通过生物链危害人类（2）避免污染地下水和饮用水。Backstrom[21]提出植草沟能去除79%~98%的悬浮固体，但同时也提出若降雨径流入流时污染物浓度较低，植草沟会提高而不是降低污染物浓度。当SS浓度约为40mg/L时去除率几乎为0，而当SS浓度大于100mg/L时，去除率大于50%。这也解释了表2中总氮去除率出现负值的原因。相比于国外，植草沟技术在国内的应用较晚，近几年才开始了对植草沟的研究和应用。张新颖[22]在重庆地区开展的植草沟研究实验中表明：径流浊度的去除率保持在70%以上，COD、TP的去除率保持在47%~82%，氨氮的去除率为25%~74%，重金属Pb的去除率达到80%~90%。章茹[23]对深圳茜坑水库生态草沟6场暴雨中的监测表明，其对各污染物的平均去除率分别为：TSS69.4%、BOD543.8%、TP41.6%、氨氮19%。李海燕[24]实地监测并分析了传输型植被浅沟在暴雨事件中的净化效果，结果证明，植被浅沟在大暴雨事件中依旧可发挥一定的净化效果，其对SS、氨氮、COD、TN的平均去除率分别为10.5%、35.4%、26.7%和38.8%。2.3植草沟对径流的削减作用植草沟在不同强度的降雨中起着不同的作用。降雨强度较大时植草沟以传输径流的作用为主，降雨强度较小时以下渗作用为主。土壤下渗性能较好时，植草沟能对径流总量和径流峰值起到一定的削减作用。Wu[20]通过试验指出植草沟能减少至少10~20%的径流峰值。汪艳宁等[25]设计并建造了一个植草沟系统进行模拟实验发现，该系统能削减70%~96%的暴雨径流，可以接纳相当于自身面积2.16倍的硬质路面产生的径流量。在小降雨事件中植草沟对降雨径流削减效果较明显，随着降雨强度的增加其削减效果有所减弱。李海燕分析了植草沟在不同降雨情况下对径流量的削减作用。重现期大于一年一遇时，其径流削减百分比为26.69%[26]。当暴雨强度达到78mm/h，植草沟未体现出径流总量削减效果，径流峰值削减幅度也仅为10%[24]。3.植草沟的入渗性能在植草沟的运行过程中，无论是其对径流水质的净化还是对径流量的削减，都与植草沟的入渗性能有很大关系。在一些小降雨事件中植草沟甚至能城镇供水NO.5201565CITYANDTOWNWATERSUPPLY·节水在北京·消纳全部的降雨径流，这等同于消纳全部的污染物质，保证了零污染物排出[27]。有学者使用渗透性能良好的木质素聚合物和沸石混合成的土壤进行模拟入渗实验，发现径流汇流时间推迟了10分钟、径流量减少了44.4%~50.0%，TSS、CODCr、TN、TP去除率分别为44.58%、37.80%、51.62%和44.11%[28]。经过土壤过滤的雨水径流入渗补给地下水，有利于促进可持续的城市水循环。实验表明，虽然在径流下渗过程中，有机物、TP、Cu、Zn等能有效去除，但是NO3、Mn、Ni、碱土金属和汽车油污中的PFOS、FOSA等还是有可能入渗至地下水造成污染[29]。因此，若是想要通过提高植草沟的入渗性能来减少径流量、净化径流水质，如何保证入渗的水质达到回补地下水的水质标准是一个很重要的前提条件。在植草沟的运行过程中，堵塞也是必须注意的问题。Deletic[30]观察到在相邻两次植草沟模拟试验中，由于沉积物堵塞土壤孔隙，水量下渗率从87.4%下降到了61.6%，解决方法是用有压力的水流冲洗植草沟内植被层。Coustumer[31]等人设置了一个大尺度土柱试验，每周两次使用人工合成雨水模拟入流，经过72周后土柱渗透系数减少了3.6倍。试验结果也表明：所选植物种类和沟渠的大小是造成堵塞的决定性因素，入流一定时，植物根系越厚实，沟渠面积越大，堵塞情况越不容易发生。可见，植被选择和尺寸设计也与植草沟的入渗性能有很大关联。4.入渗模型国外学者在模拟下渗方面做了许多研究。Kuo[32]提出了一个二维有限元模型来模拟可变的饱和多孔介质中的瞬时流。该模型能通过沟槽几何形状、土壤性质、地下水水位、土壤初始湿润状况、地表径流水位过程线推出下渗率、水深和沟内的储水量；Graham[33]也提出了一个二维有限元饱和—非饱和流模型来分析瞬时流情况下流域下渗性能。通过改变积水深度最大值、前期土壤湿润程度、地下水水位和土壤性质参数，反映渗流和污染物质迁移的变化。Duchene[34]使用一个二维饱和—非饱和有限元模型模拟沟渠中暴雨径流的下渗情况，通过该模型来监测下渗率随时间、沟内水位、地下水位距离、土壤质地和前期土壤含水率的变化。同时他们使用一个基于达西定律的方式计算同样的实验数据，却发现计算结果比有限元模型的计算结果更加让人信服。Guo[35]设计了一个二维流网模型，可由几何形状、下渗系数和地下水水位推得下渗情况。5.结语合理设计的植草沟能有效地减少径流量和净化径流水质。我国有许