杨银川 肖冰 崔贺 黄民生 尹超 何岩 曹承进

摘要：以我国海绵工程实施较早、规模较大的池州市的典型海绵工程单项措施雨水花园、植草沟）为研究对象，通过跟踪监测已实施海绵工程改造和未实施改造的两个居民区内径流雨水水质，探究海绵工程改造对居民区径流污染的减排效应.结果表明：改造后小区出水污染物浓度显著低于未改造小区;雨水花园较植草沟出水污染物浓度更低，水质更稳定.最后对雨水花园和植草沟的技术经济指标进行了分析.

关键词：城市径流污染;海绵工程建设;雨水花园;植草沟

中图分类号：x52，Tu99 文献标志码：A DoI：10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.005

0引言

近年来，随着城市化进程的明显加快，城市下垫面透水性和排水模式也在不断地变化，进而造成水资源循环以及排水的时、量和质的改变，最终导致城市内涝、缺水以及水环境恶化等一系列问题，给人民生活带来了极其不利的影响，严重威胁到城市的良性发展.

从这些城市通病可以看出，原有的城市排水理念以及排水设施已不能满足其发展需求.2013年，习近平总书记明确提出了“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市建设目标.海绵城市理论试图通过对城市雨洪进行合理利用和有效管控，使之面对环境变化和自然灾害时，可以像海绵一样表现出应有的“弹性”.2014年，国家住房和城乡建设部颁发《海绵城市建设技术指南》，对我国海绵城市建设做出进一步规划与指导.径流污染控制是海绵城市建设的重要目标同时也是一个世界性的水环境问题.美国环境保护署（uSEPA）于2002年就已将该问题列为地表水环境恶化的主要来源，在儿种污染源中，分别位列河流和湖泊中的第4位和第3位.2004年的研究报告还显示：美国城市产生的雨水径流污染已成为美国13%的河流、18%的湖泊和32%的河口中最主要的污染源[引.此外，英国环境食品和农村事务部（DEFRA）的报告也表明：英国23个浴场及1000多个水体的污染主要原因都是城市径流.与发达国家相比，我国城市雨水径流污染的严重程度更为突出，相关研究表明，我国三分之二的河流由于雨水径流中的氮磷污染物而导致功能退化.生活污水中的表面活性剂（Linear Alklybezene Sulfonates，LAS）属于生物难降解物质，在水体起泡会降低水中复氧速率，尤其在雨污混接的居民区，LAS经雨水管网进入就近水体继而导致其自净受阻.因此，控制城市径流雨水中的N、P和LAS等污染物意义重大.

目前国内关于海绵城市对城市径流污染物的削减效应控制以中小型模拟实验为主，缺乏海绵工程实际案例的研究.为了明确海绵城市建设对城市面源污染控制的效果和实际应用价值，本文以我国首批海绵城市试点安徽省池州市为主要研究區域，选取了该市具有代表性的两个居民小区（河滨花园和汇景北苑）进行雨水水质跟踪与调查，并选择总氮（TN）、NH-4-N、总磷（TP）和LAS等4个水质指标对两个小区径流污染情况进行分析，以期为该技术更好地应用于城市径流污染控制提供参考.

1材料与方法

1.1研究区域概况及采样点位布设

本研究区域位于池州市，共涉及2个居民小区，分别是汇景北苑（30°39'N，117°29'E）和河滨花园（30°40'N，117°29'E）.河滨花园占地面积约11.1 hm2，位于九华山大道以西，清溪河以东，北邻红河，南邻第十中学，该小区未参与海绵工程改造.汇景北苑占地10.6hm2，位于九华山大道以西，清溪河以东，北邻第十中学，南邻汇景南苑，已完成海绵工程改造.两个小区地理位置邻近，且气候特征、土壤地质等条件并无明显差异.两个小区共设置6个样点，其中样点14位于汇景北苑，样点5 6位于河滨花园，采样点位特征描述见表1，两种海绵工程单项措施结构差异示意图见图1.因本研究涉及到样点的汇水区域主要为就近屋顶，各个样点对应屋面面积接近，所以可以认为，每场降雨各个样点的径流量是近似相同的.此外，由表1可以看出植草沟和雨水花园的面积无太大差异，植草沟和雨水花园之间的水力负荷是接近的，由上述对两个小区的描述可知，小区间径流污染并无太大差异，即两种设施的污染负荷接近，所以两种设施具有可比性.鉴于本研究对象是实际工程案例，在不影响试验准确性的前提下，对相关参数做了合理假设，便于更好地分析问题.

1.2水样采集与测试方法

2017年7-12月，逐月对6个样点进行水样采集，采样点分布见图2.鉴于地表径流水质特征会随降雨历时变化，所以雨水每次采样时问确定为降雨开始后1h.本文所用的采样器为手持式长柄勺，采集水样时尽量减少对水体的扰动，采得雨水样品（约1L）后，装入黑色采样瓶，密封保存以避免污染，并尽快送至实验室于24h内完成检测，以尽量减少取样和保存过程对水质特性的影响.

水样的TN浓度采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法检测;TP浓度采用钼酸铵分光光度法检测;NH+4-N浓度采用纳氏试剂分光光度法检测;LAS浓度采用亚甲蓝分光光度法检测.具体分析方法参照《水和废水监测分析方法（第四版）》，无特别说明外，所有试剂均为分析纯，实验用水为新鲜去离子水，保证实验数据可靠.

1.3数据分析

本研究采用单因素方差分析法（ANOVA）和标准差（sD）对各样点水质进行对比分析.单因素方差分析是两个样本平均数比较的引伸分析，从而确定因素对试验结果有无显著性影响的一种统计方法.单因素方差分析中涉及到控制变量（自变量）和观测变量（因变量），要求观测变量具有独立性和正态性.本实验中控制变量为海绵工程单项措施的不同种类，观测变量为各样点出水的水质，符合独立性和正态性.标准差是反映一组数据离散程度最常用的一种量化形式，本次试验用其度量各观测变量的离散程度，从而评价各单项措施出水的稳定性.基于本次研究对象的特殊性，现定义评价参数差异度（D），并给出其与去除率（R）的换算关系，相关参数计算方法为

2结果与讨论

由于采样点1 6所属类型不同，现根据不同类型对其分组.采样点1、2位于未参与改造小区，定义为工况G1;采样点3、4为雨水花园，定义为工况G2;采样点5、6为植草沟，定义为工况G3.为了避免单次降雨的偶然性，本次研究的每个工况数据均为两个样点的平均值，并逐月进行统计分析.试验期间，不同运行工况下出水水质指标随采样时间变化如图3.

2.13种工况出水水质及对比分析

2.1.1工况G1出水水质分析

工况G1出水为劣V类水fGB 3838 2002），各污染物变化幅度大于工况G2和G3（SDl=3.37），主要是因为G1未参与改造，其出水即为径流雨水.径流污染物的转移过程主要分为污染物在干期的累积、降雨的冲刷以及污染物向纳污水体的转输三个阶段，污染物浓度的大小取决于多种影响因素，包括降雨强度、降雨量和降雨历时等.同时，雨水径流污染物浓度还与雨前晴天数（ADWP）、区域气候、污染源特征、土地利用方式、排水系统等因素密切相关.各污染物浓度随采样时间波动较大，表现为前3个月（7-9月）径流污染物平均浓度明显低于后3个月（10-12月），推测是由上述ADWP导致.相关研究表明，前期降雨天数长的降雨径流污染物平均浓度会低于前期降雨天数短的降雨径流污染物浓度.采样期问池州市降雨信息统计见图4，第三季度每月降雨天数均大于第四季度，所以相同时间区间（一个月）内污染物的累积量势必会出现差异.图3中LAS与TN、NH+4-N和TP的差异主要是由污染源自身特殊性决定.LAS主要来源是小区雨污混接的洗衣污水而非地面污染物积累，所以其变化的波动性更多来自于所在居民使用洗衣机时间的随机性.

工况G2出水的TP浓度显著低于工况G1（p<0.01），相对于G1的差异度为8.31，等效去除率为87%.工况G3出水的TP浓度显著低于G1（p<0.01），相对于G1的差异度为10.83，等效去除率为90%.工况G3净化效果优于工况G2.P主要通过填料层的过滤、吸附、植物吸收以及微生物摄取等共同作用得到去除.径流雨水中的P分为颗粒态和溶解态.颗粒态P主要随着径流中悬浮固体，经过填料过滤，被截留在其中，成为填料系统的一部分;溶解态P中最主要的正磷酸盐，通过填料的吸附、离子交换以及植物的吸收和微生物摄取作用去除.工况G2和G3填料结构和植物组成的差异性导致了吸附过滤和植物吸收作用的不同，解释了其净化效果的差异.与此同时，两种结构的填料中微生物含量与群落组成的差异也会影响其对TP的去除效果.

LAS是一类在低浓度时就能使体系的界面性质和状态发生明显變化的物质[301.分子中具有既亲水又亲油的两亲特征，废水中的LAS会造成水体起泡、产生毒性，且会在水中起泡进而降低水中的复氧速率和充氧程度，使水质变坏，影响水生生物生存，使水体自净过程受阻.工况G2出水的LAS浓度显著低于G1（p<0.01），相对于G1的差异度为32.14，等效去除率为96%.工况G3出水的LAS浓度显著低于G1（p<0.01），相对于G1的差异度为45.00，等效去除率分别为97%.工况G3净化效果优于工况G2.海绵工程措施对LAS的去除效果明显高于其他污染物，主要原因是改造后小区无雨污混接现象，所以其LAS浓度也较低.LAS属于生物难降解物质，故其去除主要依靠填料吸附作用.且有研究表明吸附法是常见的废水中LAS处理方法之一，常用的吸附剂包括活性炭、吸附树脂、硅藻土和高岭土等各种固体物料.所以初步推测本研究中对LAS的去除主要是通过填料的吸附作用，雨水花园对LAS的吸附作用优于植草沟.

2.2技术经济分析

在一定意义上，设计可以说是技术和经济相结合的产物.工程投资的经济效果是衡量工程设计优劣的重要标准.为此，必须重视设计的经济工作，努力降低工程造价，使国家有限的建设资金发挥最大的经济效益.一般地，在市政土建工程中工程造价主要由人工费、材料费和机械费三部分组成，其中材料费占工程造价的比例约为70%，是工程造价的主要组成.本文所涉及到的两种海绵工程单项措施主要材料差异较为明显：雨水花园的填料包括覆盖土层、种植土层、粗砂层、厚级瓜子片层和厚砾石层等，而植草沟的填料则主要为种植土层;雨水花园所涉及的常见植被为美人蕉、菖蒲、鸢尾和芦竹等，而植草沟则以地毯草为主.参考近年来北京和上海地区部分已实施的海绵城市建设项目，雨水花园造价为150～800元/m2，植草沟造价为30～200元/m2;参考重庆市海绵城市建设导则，雨水花园造价为150～250元/m2，植草沟造价为30～50元/m2[36].可以看出两种设施的造价差异较为明显，主要是由两种设施的结构与组成的差异性导致材料以及材料费的不同，进而使得工程造价产生差异.

3结论

（1）本研究所涉及已实施海绵工程改造的居民区径流雨水中污染物浓度（TN、NH+4一N、TP和LAS）显著低于未改造的居民区（去除率均大于75%），表明池州市汇景北苑的典型海绵工程单项措施（雨水花园、植草沟1对径流污染物具有显著的削减效果.

（2）海绵城市建设对LAS的去除率较高，主要是因为海绵工程改造后减少了雨污混接现象.但是目前同行对该指标的研究较少，仍需进一步的试验研究与探索.

（3）雨水花园相比植草沟而言对径流污染物削减效果更好且出水更稳定，表明雨水花园对径流中污染物具有更好的削减效应.

（4）通过对两种典型海绵工程单项措施（雨水花园、植草沟）的技术经济指标分析可知：虽然雨水花园对径流中污染物的削减效应优于植草沟，但雨水花园的工程造价明显高于植草沟，所以实际建设中如何选择这两种构筑物还需进一步技术经济论证.