韓衛(wèi)娜， 張瑞粉，王 雅，紀(jì)思羽

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司交通設(shè)計院，河南 鄭州 450003；2.鄭州市碧沙崗公園，河南 鄭州 450003； 3.鄭州市經(jīng)緯廣場，河南 鄭州 450003)

在海綿城市建設(shè)過程中，控制雨水徑流污染是最主要目標(biāo)之一[1]。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市降雨過程中沖刷下墊面沉積物以及淋洗大氣中的污染物，使雨水徑流中含有大量的SS，COD，N，P營養(yǎng)物、氯化物、油和脂、農(nóng)藥和 PAHs(多環(huán)芳烴)等污染物。且降雨初期，雨水徑流污染物濃度最高[2]，嚴(yán)重影響著城市水體生態(tài)環(huán)境，雨水徑流非點(diǎn)源污染問題日益凸顯，對雨水初期徑流污染的控制已備受關(guān)注。生態(tài)草溝、透水路面、濕塘等作為重要的海綿設(shè)施，可以有效削減地面徑流污染物，控制面源污染，且在我國不同區(qū)域城市建設(shè)中已有應(yīng)用，但因地區(qū)不同其徑流污染削減效果有較大差異，因此分析研究鄭州市鄭州雨園海綿設(shè)施對雨水徑流污染物控制能力具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

鄭州雨園2020年12月建成開放，位于鄭州市花園路東、渠北路北，原為長途汽車站，外部人流量較大，周圍景觀環(huán)境較為單一，公園紅線總占地面積約為14 044 m2。雨園設(shè)計年徑流控制率85%，以注重資源節(jié)約，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，因地制宜，經(jīng)濟(jì)適用為規(guī)劃建設(shè)原則。雨園處于東風(fēng)渠流域，結(jié)合公園周邊用地性質(zhì)、綠地率、河道水系等條件，綜合確定海綿設(shè)施的類型與布局，有針對性地設(shè)置生態(tài)草溝、透水鋪裝、濕塘等小型、分散式海綿設(shè)施消納自身徑流雨水，高效利用現(xiàn)有設(shè)施和場地，將雨水控制與景觀相結(jié)合；采用海綿功能設(shè)施的不同類型進(jìn)行組合，在公園內(nèi)體現(xiàn)自身海綿城市理念的特色。

參照對象文化公園位于鄭州市花園路西側(cè)，距鄭州雨園500 m，園內(nèi)未設(shè)置任何海綿設(shè)施，兩者同屬綠文廣場管理中心管理范圍，管護(hù)情況相似。

1.2 典型降雨選取方法

鄭州屬暖溫帶亞濕潤季風(fēng)氣候。四季分明，雨熱同期，干冷同季。隨著四季更替，依次呈現(xiàn)春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雨雪的基本氣候特征。根據(jù)鄭州氣象站多年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鄭州市多年平均降雨量約為640.9 mm，汛期降水占74%左右，年平均降水日數(shù)約82 d，其中達(dá)到暴雨(≥50 mm)的年平均天數(shù)約為2.0 d，大暴雨(≥100 mm)平均天數(shù)0.25 d，大雨(≥25 mm)平均天數(shù)約為5.1 d，中雨(≥10 mm)平均天數(shù)約為10.9 d，出現(xiàn)小雨(<10 mm)的平均天數(shù)約為63.8 d。

降雨量年際變化較大，1984年—2014年極大值出現(xiàn)在2003年，為953.9 mm,極小值出現(xiàn)在2013年，為353.2 mm,極差為600.7 mm。2015年—2021年極大值出現(xiàn)在2021年，為1 339.0 mm,極小值出現(xiàn)在2017年，為597.6 mm,極差為741.4 mm(見圖1)。

降雨量季節(jié)分布不均，春季多年平均降雨量117.4 mm，夏季多年平均降雨量326.21 mm，秋季多年平均降雨量144.78 mm，冬季多年平均降雨量32.3 mm，分別占年降雨量的18.91%,52.56%,23.33%,5.20%。因此，降雨量主要集中在夏秋季，接近80%[3](見圖2)。

依據(jù)圖2可知，鄭州市降雨主要集中在每年7月,8月份，歷史統(tǒng)計資料顯示，7月份平均降雨155.5 mm，降雨天數(shù)為11.6 d，日平均降雨量13.4 mm。因此本研究選擇以7月11日降雨為研究對象，氣候情況為溫度25 ℃～30 ℃，南風(fēng)3 級～4 級，中雨，區(qū)域降雨量為17.1 mm，且降雨形成5 mm及以上路面徑流，本場降雨前2 h以上沒有其他降雨發(fā)生[4]。

1.3 取樣與測定方法

降雨初期時雨水徑流中污染物濃度最高，極易導(dǎo)致城市水環(huán)境污染。依據(jù)鄭州市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃(2017年—2030年)目標(biāo)要求，采用源頭低影響開發(fā)措施，控制5 mm路面初期雨水徑流污染。因此取樣點(diǎn)選擇在兩個公園內(nèi)相似區(qū)域雨水口，當(dāng)路面形成雨水徑流5 mm時，用500 mL聚乙烯瓶采集雨水樣品，每個取樣點(diǎn)落水管下端采集水樣3個。將采集好的水樣立即送入實(shí)驗(yàn)室，保存至4 ℃的恒溫箱中，測定水樣中SS,COD,TN,TP含量及pH值，確保24 h內(nèi)測定完畢，指標(biāo)測定方法見表1。

表1 測定指標(biāo)與方法

2 結(jié)果與討論

2.1 海綿設(shè)施對初期雨水徑流污染物控制能力分析

2.1.1 生態(tài)草溝對初期雨水徑流污染物控制能力

雨水公園生態(tài)草溝構(gòu)成為表層播種馬尼拉，匯水口處墊層為鵝卵石、級配碎石，厚度10 cm；文化公園未設(shè)置草溝，表層播種馬尼拉，匯水口無鋪設(shè)墊層。

如圖3,表2所示，通過初期雨水徑流污染物數(shù)據(jù)分析可知，雨園生態(tài)草溝初期雨水徑流中各污染物含量均低于文化公園內(nèi)正常地形形態(tài)草坪的含量，且在0.05水平上，差異顯著，符合地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)及國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說明生態(tài)草溝對雨水徑流污染物有明顯的控制能力。其中，SS含量(質(zhì)量濃度)為文化公園的47.6%，相對控制率達(dá)到52.4%。兩個公園綠地雨水徑流中COD含量均較高，可能與綠地中存在植物殘體分解產(chǎn)物有關(guān)[5]；對比表明，雨園生態(tài)草溝中TN,TP含量較低，這是因?yàn)槭艿街脖弧夂颦h(huán)境等各種客觀因素的影響，綠地雨水徑流經(jīng)過生態(tài)草溝時，因?yàn)橥寥?植被的作用流速較低，并通過土壤、植物與微生物的吸附、過濾截留和轉(zhuǎn)化吸收作用，可以有效去除多數(shù)懸浮顆粒污染物和部分溶解態(tài)污染物[6]。

表2 生態(tài)草溝初期雨水徑流中各污染物含量差異顯著性

2.1.2 透水混凝土路面對初期雨水徑流污染物控制能力

雨園透水路面面層采用透水混凝土、墊層為級配碎石，級配碎石中安裝濾水管；文化公園路面為不透水混凝土路面。

由圖4,表3可知，路面雨水徑流中主要污染物為SS，雨園透水混凝土路面徑流中污染物含量均低于文化公園混凝土路面，且差異顯著。其中，雨園SS含量為文化公園的5%，相對控制率達(dá)到95%，文化公園因不透水路面材料及其沖刷效應(yīng)、管養(yǎng)車輛、人員流動等因素的影響，致使徑流污染物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于選取的其他取樣點(diǎn)，超出地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)；而雨園在基本相同的外界環(huán)境條件下，應(yīng)用新材料、技術(shù)，發(fā)揮了透水混凝土的阻滯、濾滲、吸附功能，污染物凈化率明顯提高，達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)及以下。因此在海綿城市理念下，透水混凝土鋪裝系統(tǒng)作為一種新型的雨洪管理措施，可以有效削減初期雨水徑流中的污染物[7-8]。但雨園作為新建公園，透水混凝土路面能否長時間、高質(zhì)量發(fā)揮截污和吸附作用，還有待于進(jìn)一步觀察實(shí)驗(yàn)。

表3 道路初期雨水徑流中各污染物含量差異顯著性

2.1.3 濕塘對初期雨水徑流污染物控制能力

雨園濕塘采用生物滯留池技術(shù)，其填料自上而下通常依次為覆蓋物、土壤、粗砂和礫石，底部設(shè)有排水系統(tǒng),周圍栽植水生植物；文化公園為磚砌式池塘，塘內(nèi)栽植荷花、蘆葦?shù)戎参铩?/p>

生物滯留池主要通過填料的過濾與吸附作用，以及植物根系的吸收作用來凈化雨水[9]。由圖5,表4可以看出，濕塘內(nèi)生物滯留池對SS有很好的凈化效果，相對文化公園控制率達(dá)到72%，這與HSIEH等[10]的研究結(jié)果相近(生物滯留池對城市綜合雨水徑流中TSS的去除率為29%～96%)。對COD的控制率相對達(dá)到45%，但對N,P營養(yǎng)性污染物去除效果不明顯，諸多研究結(jié)果也表明，生物滯留池對城市雨水徑流中N,P營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果很不穩(wěn)定，這可能與填充材料的空隙大小及栽植植物的種類有關(guān)，而選擇的降雨雨型也是影響徑流污染物含量的重要因素。

表4 濕塘初期雨水徑流中各污染物含量差異顯著性

2.1.4 出水口對初期雨水徑流污染物控制能力

雨園出水口雨水是經(jīng)過雨水蓄水模塊濾滲、沉淀后的雨水，文化公園雨水井內(nèi)為雨水徑流匯集雨水。

由圖6,表5可以看出,經(jīng)過雨水蓄水模塊的雨水徑流中各污染物含量均低于文化公園，且除TP外，差異顯著。其中，SS控制率相對于文化公園達(dá)到95%，這是因?yàn)槌跗谟晁涞焦珗@表面后經(jīng)過海綿設(shè)施的截污、凈化，較大懸浮物和漂浮物被截留，雨水匯集并儲存到模塊蓄水池后，懸浮物經(jīng)過自然沉淀和重力作用，沉入模塊底部，從而使水澄清。COD,TN,TP含量達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)及以下，因此儲蓄在雨水模塊中的雨水再經(jīng)過雨水處理設(shè)備的過濾、消毒后，可用于澆灑路面、景觀補(bǔ)水；也可經(jīng)過蓄水池將雨水下滲，達(dá)到補(bǔ)充地下水資源，改善生態(tài)環(huán)境的目的。

表5 出水口初期雨水徑流中各污染物含量差異顯著性

2.2 海綿設(shè)施對初期雨水徑流pH影響

由圖7，表6可以看出,雨園初期雨水徑流pH值相比于文化公園雨水徑流變化值較小、差異不顯著，說明海綿設(shè)施對初期雨水徑流的pH值無明顯影響。兩個公園pH值均在7～9之間，基本符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中無量綱6～9之間。

表6 初期雨水徑流pH值差異顯著性

3 結(jié)論分析

1)上述分析可知，鄭州雨園初期雨水徑流中污染物含量基本上均顯著低于文化公園，pH值符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，說明雨園海綿設(shè)施生態(tài)草溝、透水路面、濕塘對雨水徑流污染物有很好的凈化能力，其中對SS控制率相對達(dá)到78.6%，符合鄭州市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃(2017年—2030年)中要求的年SS總量削減率大于50%，為鄭州以后海綿設(shè)施應(yīng)用提供參考依據(jù)。另外，雨園生態(tài)草溝雨水徑流中TN，TP含量低于透水路面、濕塘、出水口含量，這可能與生態(tài)草溝周邊栽植的紫荊、西府海棠、金葉復(fù)葉槭等植物對徑流污染物中N，P的削減效果有關(guān)，在今后以海綿城市理念下的園林綠化建設(shè)中，建議可選擇具有此類削減徑流污染物作用的苗木進(jìn)行植物配置。

2)本研究是基于正常降雨而非模擬試驗(yàn)情況下進(jìn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)分析，且兩個公園建設(shè)時間不同，科學(xué)性與誤差并存；又因試驗(yàn)場地及條件的限制，本研究僅僅針對一次典型降雨的初期雨水徑流進(jìn)行檢測分析，具有一定的片面性和局限性。在今后的研究中，建議以不同雨型的不同歷時雨水徑流中污染物含量為目標(biāo)，更加深入的開展海綿城市理念下雨水徑流中污染物的相關(guān)研究，為改善城市水環(huán)境提供更加科學(xué)、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參考。