合肥地區(qū)生物滯留設(shè)施的水文效應(yīng)及對(duì)徑流的凈化效果

合肥地區(qū)生物滯留設(shè)施的水文效應(yīng)及對(duì)徑流的凈化效果

由于城市化對(duì)該地區(qū)水文特征的影響，美國(guó)提出了低影響發(fā)展的概念（lid）。生物收集設(shè)施是美國(guó)使用最廣泛的lid措施之一。作為一種有效的分散控制措施，已廣泛應(yīng)用于許多城市的排水源中。1試驗(yàn)安裝和方法1.1滲透型生物滯留設(shè)施在合肥市塘西河污水廠內(nèi)建造了3個(gè)生物滯留設(shè)施,分別記為B1、B2和B3,其中,B1為設(shè)置下排水系統(tǒng)的過濾型生物滯留設(shè)施,填料深度為90cm,表面儲(chǔ)水區(qū)深度為15cm,采用不透水混凝土底板;B2和B3為滲透型生物滯留設(shè)施,填料深度和表面儲(chǔ)水區(qū)深度同B1,B3的底部建有30cm深的礫石儲(chǔ)水區(qū)。各設(shè)施剖面如圖1所示。3個(gè)設(shè)施的尺寸均為長(zhǎng)×寬=3.0m×1.5m,表面覆蓋厚度為3cm的松樹皮,設(shè)施內(nèi)種植當(dāng)?shù)爻Ｒ姷哪秃的蜐持参稂S菖蒲,種植密度為22株/m1.2設(shè)施水文效應(yīng)測(cè)量在配水池內(nèi)配制模擬徑流并通過管道輸送到各設(shè)施,進(jìn)水流量均使用精度為0.5級(jí)的電磁流量計(jì)計(jì)量。B1出水由穿孔排水管收集后通過集水井排入市政雨水管道,出水流量使用三角堰配合超聲液位計(jì)測(cè)量。B1的進(jìn)水量為3m中試條件下設(shè)施的進(jìn)水量相當(dāng)于一場(chǎng)大雨產(chǎn)生的徑流,而在實(shí)際應(yīng)用中,降雨事件的降雨量和前期晴天數(shù)等是隨機(jī)的,中試結(jié)果難以反映設(shè)施實(shí)際運(yùn)行的水文效應(yīng)。為了擴(kuò)展中試水文數(shù)據(jù)的適用范圍,筆者借鑒國(guó)外生物滯留設(shè)施水文模擬的方法,基于中試實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),驗(yàn)證率定RECARGA模型。以合肥市氣候中心提供的合肥市1989年—2008年除冰凍季節(jié)之外的分鐘降雨數(shù)據(jù)作為模型的輸入,確定生物滯留設(shè)施在當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的水文效應(yīng)。2結(jié)果與討論2.1設(shè)施出流特性RECARGA是一款專門應(yīng)用于生物滯留設(shè)施水文性能分析和設(shè)計(jì)的軟件,現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。模型應(yīng)用中的主要輸入?yún)?shù)如設(shè)施面積、表面儲(chǔ)水區(qū)深度、排水管徑、填料深度及其滲透速率等都通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得。根據(jù)設(shè)施總進(jìn)水量和假定的設(shè)施服務(wù)區(qū)域面積及其不透水性區(qū)域的比例可以推求設(shè)計(jì)進(jìn)水對(duì)應(yīng)的總降雨量,將總降雨量按各設(shè)施的進(jìn)水流速成比例分配即可得到模擬計(jì)算所需要的設(shè)計(jì)降雨過程。驗(yàn)證率定模型時(shí)將設(shè)計(jì)降雨過程輸入模型模擬設(shè)施進(jìn)水。模型輸出數(shù)據(jù)包括設(shè)施的溢流量、排水管出流量、地下水回補(bǔ)量和最大積水時(shí)間等與設(shè)施水文特性相關(guān)的參數(shù)。對(duì)于B1,中試期間共進(jìn)水5次,在RECARGA中設(shè)置設(shè)施的服務(wù)面積比為5%,匯水區(qū)域全部為不透水路面,設(shè)施表面儲(chǔ)水區(qū)深度、填料深度、排水管徑按照實(shí)際值輸入,設(shè)施底部原土滲透速率設(shè)為零,蒸散量根據(jù)合肥市平均氣溫和輻射值求算。向RECARGA中導(dǎo)入3次進(jìn)水對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨過程,并將填料滲透速率設(shè)為實(shí)測(cè)值即9.9cm/h,模擬得到的設(shè)施出流過程與實(shí)測(cè)結(jié)果能較好地吻合。對(duì)設(shè)施3次出流過程進(jìn)行驗(yàn)證,模擬效率系數(shù)均大于70%,說明通過模型計(jì)算得到的結(jié)果能較準(zhǔn)確地反映設(shè)施的出流特性試驗(yàn)期間,B2和B3共進(jìn)水8次,兩者所能控制的總徑流量分別為(1.47±0.09)和(1.94±0.12)m對(duì)B2和B3各使用5次進(jìn)水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定,率定后B2和B3的表面積水時(shí)間實(shí)測(cè)值與模擬值的平均相對(duì)均方差分別為3.48%和3.45%,模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好,能夠準(zhǔn)確反映B2和B3的水文特性。率定得到B2和B3底部原土的滲透速率分別為0.75和0.81cm/h。采用雙環(huán)滲透儀實(shí)測(cè)合肥市濱湖新區(qū)典型城市綠地地面以下20~40cm深處的土壤滲透速率為0.18~0.37cm/h。建造生物滯留設(shè)施過程中的開挖作業(yè),顯著增強(qiáng)了周邊原土的滲透能力,促進(jìn)了徑流的側(cè)向滲透試驗(yàn)中由觀測(cè)井得到滲透型生物滯留設(shè)施進(jìn)水與周邊淺層地下水水位的關(guān)系如圖2所示。滲透型生物滯留設(shè)施進(jìn)水后,淺層地下水水位明顯上升,這是因?yàn)檩^低的土壤滲透速率的限制和高地下水水位的頂托,使得進(jìn)入設(shè)施的徑流下滲困難且橫向擴(kuò)散速度慢,階段性提高了設(shè)施附近的淺層地下水水位。試驗(yàn)期間,淺層地下水中監(jiān)測(cè)污染物的濃度始終穩(wěn)定在較低范圍內(nèi),均未見明顯上升,淺層地下水水質(zhì)始終能達(dá)到國(guó)家地下水Ⅲ類水體的標(biāo)準(zhǔn),這是因?yàn)楹戏实貐^(qū)土壤滲透性差,能很好地截留污染物,徑流中的污染物難以透過原土遷移到淺層地下水中。因此,進(jìn)入滲透型生物滯留設(shè)施的徑流所攜帶的污染負(fù)荷可認(rèn)為被完全去除。2.2設(shè)施水文性能應(yīng)符合防止降雨的三大趨勢(shì)生物滯留設(shè)施的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要分水量和水質(zhì)控制兩大類。國(guó)外實(shí)踐表明,在原土滲透速率<1.27cm/h時(shí),滲透型設(shè)施的水力負(fù)荷小,難以應(yīng)用。由于合肥地區(qū)的原土滲透速率過低,滲透型設(shè)施只能按水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)考慮。筆者設(shè)定滲透型生物滯留設(shè)施處理初期15mm徑流,即可取得較為理想的污染負(fù)荷控制效果。模擬所采用的當(dāng)?shù)胤潜鶅黾竟?jié)降雨過程數(shù)據(jù),20年的年均降雨量為790mm,而實(shí)際年均降雨量為980mm。由于冰凍季節(jié)的單次降雨量較小,假定冰凍季節(jié)降雨過程中生物滯留設(shè)施不會(huì)發(fā)生溢流,設(shè)施的年溢流量約為按照非冰凍季節(jié)降雨過程計(jì)算得到結(jié)果的81%。造成設(shè)施長(zhǎng)時(shí)間積水的降雨事件通常發(fā)生在非冰凍季節(jié),故使用模型計(jì)算得到的單次最大積水時(shí)間能代表實(shí)際長(zhǎng)期運(yùn)行的情況。設(shè)置排水系統(tǒng)的生物滯留設(shè)施的水力負(fù)荷較高,可考慮按水量控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在未開發(fā)地區(qū),地表徑流量約為年總降雨量的10%~30%。筆者設(shè)定過濾型生物滯留設(shè)施的年溢流量計(jì)算值不超過年徑流量的30%,考慮服務(wù)區(qū)域全部為不透水下墊面(徑流系數(shù)為0.9),冰凍季節(jié)的降雨不會(huì)發(fā)生溢流,設(shè)施的溢流量約為區(qū)域年總降雨量的22%,認(rèn)為此刻區(qū)域的水文性能可維持開發(fā)前的狀態(tài)。根據(jù)1989年—2008年的降雨數(shù)據(jù),以年度為單位進(jìn)行模擬計(jì)算,模型試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的設(shè)施單次最大積水時(shí)間為20年內(nèi)各年最大值的均值,溢流量、地下水回補(bǔ)量、排水管出流量為20年年累積值的均值。為了防止蚊蠅滋生和保證植物生長(zhǎng)良好,生物滯留設(shè)施的最大積水時(shí)間通常不超過24~48h。根據(jù)合肥地區(qū)的土壤水文條件,過濾型和滲透型生物滯留設(shè)施的年單次最大積水時(shí)間分別取24、48h。對(duì)于滲透型生物滯留設(shè)施,合肥地區(qū)原土滲透速率過低是限制徑流下滲的最主要因素,填料的深度和滲透速率對(duì)設(shè)施水文性能的影響較小。若設(shè)施在降雨間歇期能充分落干,設(shè)施服務(wù)面積比為5%即可控制初期15mm徑流。由于當(dāng)?shù)卦翝B透速率僅約為0.4cm/h,單次最大積水時(shí)間不超過48h成為這種設(shè)施應(yīng)用的限制因素:在設(shè)施服務(wù)面積比<10%的條件下,中雨(24h雨量<15mm)就可能造成儲(chǔ)水區(qū)深度10cm的設(shè)施滿蓄或漫溢。中雨以上的降雨事件發(fā)生頻繁,前次降雨積水尚未排盡、后續(xù)降雨徑流又來的情況,以及降雨歷時(shí)很長(zhǎng)的大雨,都會(huì)造成年最大積水時(shí)間超過48h。在表面儲(chǔ)水區(qū)深度為10cm、填料滲透速率為5cm/h、填料深度為90cm的條件下,不含底部?jī)?chǔ)水區(qū)的滲透型生物滯留設(shè)施水文性能與服務(wù)面積比的關(guān)系見表1。鑒于合肥地區(qū)城區(qū)土地資源緊缺,滲透型生物滯留設(shè)施主要適用于著重控制徑流污染、對(duì)設(shè)施積水時(shí)間要求不嚴(yán)格的區(qū)域,設(shè)施服務(wù)面積比建議不小于10%。服務(wù)面積比為5%時(shí),設(shè)施底部30cm儲(chǔ)水區(qū)的設(shè)置理論上約能控制4~5mm徑流,而由于合肥地區(qū)原土滲透速率過低,底部?jī)?chǔ)水區(qū)內(nèi)的蓄水在降雨間歇期難以充分落干,使得其作用不能有效發(fā)揮。配置下排水系統(tǒng)的生物滯留設(shè)施的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為設(shè)施服務(wù)面積比和填料滲透速率當(dāng)設(shè)施服務(wù)面積比由4%增加到7%時(shí),設(shè)施的溢流量明顯減少;繼續(xù)增大設(shè)施服務(wù)面積比,則溢流量減少幅度降低。在設(shè)施服務(wù)面積比>5%、填料滲透速率>3cm/h時(shí),過濾型生物滯留設(shè)施的平均年單次最大積水時(shí)間<24h。為了減少設(shè)施的占地面積并盡量提高設(shè)施的水文控制效果,過濾型生物滯留設(shè)施的設(shè)施服務(wù)面積比宜取5%~7%、填料滲透速率宜取3~5cm/h。受試驗(yàn)區(qū)域地下水位的限制,筆者只建設(shè)了過濾型和滲透型生物滯留設(shè)施。在實(shí)際應(yīng)用中,若地下水位較低,為減少設(shè)施的排水管出流量,過濾型生物滯留設(shè)施底部可以不設(shè)防水層,即將設(shè)施建為過濾-滲透型。也可以在過濾-滲透型生物滯留設(shè)施底部建造一定深度的儲(chǔ)水區(qū),即將設(shè)施建為過濾-滲透-回補(bǔ)型。在設(shè)施服務(wù)面積比為5%、表面儲(chǔ)水區(qū)深度為15cm、填料滲透速率為5cm/h的常見設(shè)計(jì)參數(shù)條件下,過濾型、過濾-滲透型和設(shè)有30cm內(nèi)部?jī)?chǔ)水區(qū)的過濾-滲透-回補(bǔ)型生物滯留設(shè)施在合肥市的運(yùn)行效果的模型試驗(yàn)結(jié)果見表2。在同樣的設(shè)計(jì)參數(shù)下,相對(duì)于過濾型生物滯留設(shè)施,過濾-滲透型生物滯留設(shè)施能小幅度削減設(shè)施的排水管出流量,而過濾-滲透-回補(bǔ)型生物滯留設(shè)施能減少34.6%的排水管出流量。3種構(gòu)型設(shè)施的單次最大積水時(shí)間、溢流量、年均溢流次數(shù)均無明顯差異。不建防水層或設(shè)置內(nèi)部?jī)?chǔ)水區(qū)的主要作用在于減少設(shè)施的排水管出流,同時(shí)有助于提高設(shè)施的污染負(fù)荷控制能力。根據(jù)設(shè)施水文控制效果的目標(biāo),建議的過濾-滲透型和過濾-滲透-回補(bǔ)型生物滯留設(shè)施的主要設(shè)計(jì)參數(shù)與過濾型生物滯留設(shè)施相同。3設(shè)施、排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則滲透型生物滯留設(shè)施的應(yīng)用可以補(bǔ)給附近的淺層地下水,且不會(huì)導(dǎo)致地下水污染。合肥當(dāng)?shù)卦翝B透速率過低導(dǎo)致滲透型設(shè)施的水力負(fù)荷較小、積水時(shí)間較長(zhǎng),限制了這種設(shè)施的應(yīng)用。滲透型設(shè)施宜按水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),主要用于關(guān)注徑流污染控制、對(duì)設(shè)施積水時(shí)間要求不嚴(yán)格的區(qū)域,設(shè)施的服務(wù)面積比建議不