赵松婷，李新宇，戴子云，许 蕊，王 行

(北京市园林科学研究院/园林绿地生态功能评价与调控技术北京市重点实验室，北京 100102)

集雨型绿地通过各种技术和设施，在一定降雨量内，能消纳绿地产生的雨水径流，还可以接收绿地范围以外的一定量雨水，在削减洪峰流量和削减径流污染物等方面发挥重要作用[1,2]。当前的“集雨型绿地”的主要技术措施包括[1]：透水地面、渗透井、渗水边沟、坡地蓄水沟、绿地地下雨水收集管网、雨水湿地花园、雨旱两宜型雨水池、下凹式绿地、小型雨水截留坑和大型雨水蓄坑池。其中雨水花园是指绿地中具有一定渗透结构的低洼地，利用土壤和植物来管理和控制城市的雨水径流，减少雨洪灾害和径流污染的同时又能补给地下水[3]。

目前，部分学者[4-7]对集雨型城市绿地削减洪峰流量的效果开展了研究。张金龙等[8]对下凹式绿地蓄渗能力及其影响因素进行了分析。还有部分学者对传统城市绿地雨水径流中含有的污染物成分、含量和影响因素等方面展开研究。黄金良等[9]对厦门和澳门城市绿地开展了降雨径流监测，研究了城市绿地降雨径流污染特征。国内对集雨型绿地削减降雨径流污染的研究起步较晚，且已有报道多为室内模式试验[10,11]，大多数研究仅限于对下凹式绿地的模拟试验[12-14]，但对于其他类型的集雨型城市绿地，尤其是对自然状态下的集雨型绿地截留去除雨水径流中污染物的净化效果少有研究。本研究选择以雨水花园为主要措施的集雨型城市绿地-望和公园作为研究对象，开展降雨径流监测，研究集雨型城市绿地和路面径流两种不同下垫面降雨径流污染特征，进行差异对比分析，得出集雨型城市绿地对雨水径流污染物的净化效果。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

北京市望和公园南园为北京市集雨型绿地示范点之一，是北京市唯一雨水不外排的公园，南园设计为以户外运动为特色的区域性综合公园，占地面积约为22.5 hm2，周边用地类型以绿地为主，雨水设施容量按照能容纳两年一遇的雨水标准进行设计。在设计中，根据基本场地条件，采用透水铺装、渗透池、渗井、渗排水沟、雨水花园等多种雨水利用设施形式。

1.2 研究方法

1.2.1 采样点的选择 设置公园绿地集中排水口采样点作为监测点，公园内铺装路面产生的地表径流采样点作为对照点，所选择的采样点所对应的汇水分区分别代表望和公园雨水花园和铺装路面的主要汇水分区。

1.2.2 样品采集 根据北京市的降雨特点，试验选择在7—9月降雨集中期内完成，三次采样时间分别是2017年8月16日、2017年8月18日及2017年9月10日(表1)。对照点和监测点采用雨量筒人工采集水样，采集的水样数量根据降雨与径流持续时间而定。采样频率采用“前密后疏”的方式，自产流起的20 min内，以10 min为间隔采样，后期30 min为间隔采样。每次采样量500 mL。

表1 试验期间降雨的基本特征Tab.1 The basic features of the rainfall during the experiment

注：24 h内，降雨量在0.1～9.9 mm之间为小雨；降雨量在10.0～24.9 mm之间为中雨；降雨量在25.0～49.9 mm之间为大雨；降雨量在50.0～99.9 mm之间为暴雨；降雨量在100.0～249.9 mm之间为大暴雨；降雨量≥250.0 mm为特大暴雨[15]。

Note：In 24 h The rainfall of 0.1-9.9 mm is light rain, and the rainfall of 10.0-24.9 mm is moderate rain, and the rainfall of 25.0-49.9 mm is heavy rain, and the rainfall of 50.0-99.9 mm is rainstorm, and the rainfall of 100.0-249.9 mm is heavy rainstorm, and rainfall above 250.0 mm is extraordinary rainstorm.

1.2.3 测定指标及方法 测定指标：总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)。所有水质指标均按照国家水质分析标准进行保存和测定。测定方法见表2。

表2 水质参数测定方法Tab.2 The assay methods of water quality parameters

1.2.4 数据处理与分析 采用文献[16,17]方法对数据进行分析，选取的指标及场次降雨污染物平均浓度(EMC)，计算公式如下：

式中：Cj为第j时间所测的污染物的浓度，mg/L；Vj为第j时间段的径流量，m3；通常根据两个样本采集时间间隔的中间值(平均分割法)划分流量区间；n为时间分段数。

径流量V：V=αpS

式中：α为径流系数；p为降雨量，mm；S为汇水面积，m2

式中：R为污染物去除比；Ci为对照点污染物平均浓度，mg/L；C0为监测点污染物平均浓度，mg/L。

2 结果与分析

2.1 降雨-径流过程与污染物浓度历时变化

试验对2017年历时最长的一次降雨过程数据进行分析，详见图1、图2和图3，发现绿地降雨径流中污染物浓度TN、TP、NH3-N和COD最大峰值分别滞后于径流量最大峰值10、10、100、10 min。相反，对照点的污染物浓度的峰值出现在降雨初期，各污染物浓度峰值的出现早于径流量峰值，TN、TP、和COD最大峰值都较径流量提前10 min。绿地中降雨径流污染物TN和NH3-N的瞬时浓度明显低于对照点，绿地中TN的浓度随径流呈波动性变化，对照点TN和NH3-N的浓度总体呈下降趋势，绿地中降雨径流污染物TP的瞬时浓度明显高于对照点，TP的浓度相对平稳。

图1 2017年8月16日降雨量及径流量变化情况Fig.1 The changes of the rainfall and runoff volumes on August 16, 2017

图2 2017年8月16日绿地降雨径流污染物浓度变化Fig.2 The changes of the pollutant concentrations of rainfall runoff in green space on August 16, 2017

图3 2017年8月16日对照点降雨径流污染物浓度变化Fig.3 The changs of the pollutant concentrations of rainfall runoff in control site on August 16, 2017

2.2 城市绿地径流污染水平

三场降雨径流中TN范围在2.1～6.2 mg/L，EMC在2.53～5.97 mg/L之间，TP范围在0.11～0.75 mg/L，EMC在0.14～0.47 mg/L，NH3-N范围在0～1.33 mg/L，EMC在0.09～1.29 mg/L之间，COD范围在15～40 mg/L，EMC在15～40 mg/L之间，其EMC平均值分别为4.10、0.33、0.69、1.91、28.78 mg/L(表3)。

研究表明，三场降雨中，通过绿地对降雨径流中污染物NH3-N的滞留作用，其出水浓度均达到了国家IV类地表水水质标准，其中在8月16日历时136 min小雨降雨过程中，绿地NH3-N的出水浓度达到了国家III类地表水水质标准，但其污染同样不容忽视。通过望和公园绿地降雨径流监测研究来看，三次降雨事件中TN的EMC均超过了国家V类地表水环境质量标准。

表3 场次降雨径流水质指标情况Tab.3 The water quality indexes in the events of rainfall runoff

注：国V类地表水水质标准：TN：2 mg/L，TP：0.4 mg/L，NH3-N：2 mg/L，COD：40 mg/L[18]。

Note：Environmental quality standards for class V surface water : TN：2 mg/L，TP：0.4 mg/L，NH3-N：2 mg/L，COD：40 mg/L1[18].

2.3 集雨型城市绿地对雨水径流中污染物削减效果

试验证明，除了TP，集雨型城市绿地对雨水径流中的污染物有很好的滞留效果，在三场次降雨中，集雨型绿地对TN、NH3-N及COD的平均消减率分别为18.88%，63.75%和8.83%。

集雨型绿地对NH3-N的消减作用最明显，最高达到了94.86%，这与陈袆璠[12]研究下凹式绿地试验装置对模拟城市降雨径流中的结果一致。集雨型绿地对TP没有消减作用，反而污染物浓度要高出对照点2倍左右，这可能与土壤中TP随着降雨径流进入绿地而被淋溶出来有关。集雨型绿地对COD的消减作用不明显，消减率仅在10.18%～28.57%之间，而其对TN的消减随着降雨强度的不同而变化，消减率在1.04%～38.74%之间(图4)。

图4 集雨型绿地对雨水径流中污染物消减率 Fig.4 The cutting rates of rainfall runoff pollutants by rainwater harvesting urban green space

总体来看，在小雨降雨条件下，集雨型绿地对各污染物的消减比在大雨降雨条件下的消减作用更为明显，这也与陈袆璠[11]研究下凹式绿地试验装置对模拟城市降雨径流时得出的结果类似。

3 讨 论

从污染物浓度历时变化来看，绿地降雨径流污染物浓度峰值的出现滞后于径流量峰值，这与赵建伟等[19]武汉动物园降雨径流研究结果类似，主要是因为绿地中污染物保持力比非透水地面更大，这也说明透水区地面降雨径流污染排放相对缓慢，排放时间较长。相反，对照点的污染物浓度的峰值出现在降雨初期，各污染物浓度峰值的出现早于径流量峰值，这与黄金良等[20]研究澳门城市小流域地表径流污染时的结果类似。

集雨型城市绿地降雨径流的主要污染物为TN、TP、NH3-N和COD，其EMC平均值分别为4.10、0.33、0.69、28.78 mg/L。在三场次降雨中，集雨型城市绿地对TN、NH3-N及COD的平均消减率分别为18.88%，63.75%和8.83%，通过其对降雨径流中污染物NH3-N的滞留作用，其出水浓度达到国家三类地表水水质标准，主要是由于雨水花园通过反硝化作用和植物吸收增强对N的去除[21]，其构造系统的低渗透利率和长期排水时间也有利于提高污染物NH3-N的去除效率[22]，可见集雨型绿地净化、滞留作用的发挥与雨水花园内部构造也紧密相关[23]。TN浓度超过国家Ⅴ类地表水水质标准，其污染不容忽视。受降雨强度、降雨量、降雨频次、汇水区域内主要污染源以及随机污染事件等因素影响，进入集雨型城市绿地的不同场次降雨径流污染物EMC会有一定的波动[16]。受现场试验条件限制，本研究对集雨型绿地削减降雨径流污染的研究尚处于起步阶段，为有效减少降雨径流污染，改善城市水体水质，针对不同植物种类和土壤类型的集雨型绿地对城市不同功能区降雨径流污染的削减研究以及不同类型集雨型城市绿地净化污染物的作用还需进一步研究。