合肥地區(qū)生物滯留設施的水文效應及對徑流的凈化效果

由于城市化對該地區(qū)水文特征的影響，美國提出了低影響發(fā)展的概念（lid）。生物收集設施是美國使用最廣泛的lid措施之一。作為一種有效的分散控制措施，已廣泛應用于許多城市的排水源中。1試驗安裝和方法1.1滲透型生物滯留設施在合肥市塘西河污水廠內(nèi)建造了3個生物滯留設施,分別記為B1、B2和B3,其中,B1為設置下排水系統(tǒng)的過濾型生物滯留設施,填料深度為90cm,表面儲水區(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施,填料深度和表面儲水區(qū)深度同B1,B3的底部建有30cm深的礫石儲水區(qū)。各設施剖面如圖1所示。3個設施的尺寸均為長×寬=3.0m×1.5m,表面覆蓋厚度為3cm的松樹皮,設施內(nèi)種植當?shù)爻Ｒ姷哪秃的蜐持参稂S菖蒲,種植密度為22株/m1.2設施水文效應測量在配水池內(nèi)配制模擬徑流并通過管道輸送到各設施,進水流量均使用精度為0.5級的電磁流量計計量。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測量。B1的進水量為3m中試條件下設施的進水量相當于一場大雨產(chǎn)生的徑流,而在實際應用中,降雨事件的降雨量和前期晴天數(shù)等是隨機的,中試結(jié)果難以反映設施實際運行的水文效應。為了擴展中試水文數(shù)據(jù)的適用范圍,筆者借鑒國外生物滯留設施水文模擬的方法,基于中試實測數(shù)據(jù),驗證率定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,確定生物滯留設施在當?shù)亻L期連續(xù)運行的水文效應。2結(jié)果與討論2.1設施出流特性RECARGA是一款專門應用于生物滯留設施水文性能分析和設計的軟件,現(xiàn)已得到廣泛應用。模型應用中的主要輸入?yún)?shù)如設施面積、表面儲水區(qū)深度、排水管徑、填料深度及其滲透速率等都通過現(xiàn)場試驗取得。根據(jù)設施總進水量和假定的設施服務區(qū)域面積及其不透水性區(qū)域的比例可以推求設計進水對應的總降雨量,將總降雨量按各設施的進水流速成比例分配即可得到模擬計算所需要的設計降雨過程。驗證率定模型時將設計降雨過程輸入模型模擬設施進水。模型輸出數(shù)據(jù)包括設施的溢流量、排水管出流量、地下水回補量和最大積水時間等與設施水文特性相關的參數(shù)。對于B1,中試期間共進水5次,在RECARGA中設置設施的服務面積比為5%,匯水區(qū)域全部為不透水路面,設施表面儲水區(qū)深度、填料深度、排水管徑按照實際值輸入,設施底部原土滲透速率設為零,蒸散量根據(jù)合肥市平均氣溫和輻射值求算。向RECARGA中導入3次進水對應的設計降雨過程,并將填料滲透速率設為實測值即9.9cm/h,模擬得到的設施出流過程與實測結(jié)果能較好地吻合。對設施3次出流過程進行驗證,模擬效率系數(shù)均大于70%,說明通過模型計算得到的結(jié)果能較準確地反映設施的出流特性試驗期間,B2和B3共進水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B2和B3各使用5次進水試驗數(shù)據(jù)進行率定,率定后B2和B3的表面積水時間實測值與模擬值的平均相對均方差分別為3.48%和3.45%,模擬值與實測值吻合較好,能夠準確反映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)滲透儀實測合肥市濱湖新區(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。建造生物滯留設施過程中的開挖作業(yè),顯著增強了周邊原土的滲透能力,促進了徑流的側(cè)向滲透試驗中由觀測井得到滲透型生物滯留設施進水與周邊淺層地下水水位的關系如圖2所示。滲透型生物滯留設施進水后,淺層地下水水位明顯上升,這是因為較低的土壤滲透速率的限制和高地下水水位的頂托,使得進入設施的徑流下滲困難且橫向擴散速度慢,階段性提高了設施附近的淺層地下水水位。試驗期間,淺層地下水中監(jiān)測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)始終能達到國家地下水Ⅲ類水體的標準,這是因為合肥地區(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,進入滲透型生物滯留設施的徑流所攜帶的污染負荷可認為被完全去除。2.2設施水文性能應符合防止降雨的三大趨勢生物滯留設施的設計目標主要分水量和水質(zhì)控制兩大類。國外實踐表明,在原土滲透速率<1.27cm/h時,滲透型設施的水力負荷小,難以應用。由于合肥地區(qū)的原土滲透速率過低,滲透型設施只能按水質(zhì)控制標準考慮。筆者設定滲透型生物滯留設施處理初期15mm徑流,即可取得較為理想的污染負荷控制效果。模擬所采用的當?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施不會發(fā)生溢流,設施的年溢流量約為按照非冰凍季節(jié)降雨過程計算得到結(jié)果的81%。造成設施長時間積水的降雨事件通常發(fā)生在非冰凍季節(jié),故使用模型計算得到的單次最大積水時間能代表實際長期運行的情況。設置排水系統(tǒng)的生物滯留設施的水力負荷較高,可考慮按水量控制標準設計。在未開發(fā)地區(qū),地表徑流量約為年總降雨量的10%~30%。筆者設定過濾型生物滯留設施的年溢流量計算值不超過年徑流量的30%,考慮服務區(qū)域全部為不透水下墊面(徑流系數(shù)為0.9),冰凍季節(jié)的降雨不會發(fā)生溢流,設施的溢流量約為區(qū)域年總降雨量的22%,認為此刻區(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),以年度為單位進行模擬計算,模型試驗統(tǒng)計的設施單次最大積水時間為20年內(nèi)各年最大值的均值,溢流量、地下水回補量、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良好,生物滯留設施的最大積水時間通常不超過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施的年單次最大積水時間分別取24、48h。對于滲透型生物滯留設施,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設施水文性能的影響較小。若設施在降雨間歇期能充分落干,設施服務面積比為5%即可控制初期15mm徑流。由于當?shù)卦翝B透速率僅約為0.4cm/h,單次最大積水時間不超過48h成為這種設施應用的限制因素:在設施服務面積比<10%的條件下,中雨(24h雨量<15mm)就可能造成儲水區(qū)深度10cm的設施滿蓄或漫溢。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,以及降雨歷時很長的大雨,都會造成年最大積水時間超過48h。在表面儲水區(qū)深度為10cm、填料滲透速率為5cm/h、填料深度為90cm的條件下,不含底部儲水區(qū)的滲透型生物滯留設施水文性能與服務面積比的關系見表1。鑒于合肥地區(qū)城區(qū)土地資源緊缺,滲透型生物滯留設施主要適用于著重控制徑流污染、對設施積水時間要求不嚴格的區(qū)域,設施服務面積比建議不小于10%。服務面積比為5%時,設施底部30cm儲水區(qū)的設置理論上約能控制4~5mm徑流,而由于合肥地區(qū)原土滲透速率過低,底部儲水區(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)的生物滯留設施的主要設計參數(shù)為設施服務面積比和填料滲透速率當設施服務面積比由4%增加到7%時,設施的溢流量明顯減少;繼續(xù)增大設施服務面積比,則溢流量減少幅度降低。在設施服務面積比>5%、填料滲透速率>3cm/h時,過濾型生物滯留設施的平均年單次最大積水時間<24h。為了減少設施的占地面積并盡量提高設施的水文控制效果,過濾型生物滯留設施的設施服務面積比宜取5%~7%、填料滲透速率宜取3~5cm/h。受試驗區(qū)域地下水位的限制,筆者只建設了過濾型和滲透型生物滯留設施。在實際應用中,若地下水位較低,為減少設施的排水管出流量,過濾型生物滯留設施底部可以不設防水層,即將設施建為過濾-滲透型。也可以在過濾-滲透型生物滯留設施底部建造一定深度的儲水區(qū),即將設施建為過濾-滲透-回補型。在設施服務面積比為5%、表面儲水區(qū)深度為15cm、填料滲透速率為5cm/h的常見設計參數(shù)條件下,過濾型、過濾-滲透型和設有30cm內(nèi)部儲水區(qū)的過濾-滲透-回補型生物滯留設施在合肥市的運行效果的模型試驗結(jié)果見表2。在同樣的設計參數(shù)下,相對于過濾型生物滯留設施,過濾-滲透型生物滯留設施能小幅度削減設施的排水管出流量,而過濾-滲透-回補型生物滯留設施能減少34.6%的排水管出流量。3種構(gòu)型設施的單次最大積水時間、溢流量、年均溢流次數(shù)均無明顯差異。不建防水層或設置內(nèi)部儲水區(qū)的主要作用在于減少設施的排水管出流,同時有助于提高設施的污染負荷控制能力。根據(jù)設施水文控制效果的目標,建議的過濾-滲透型和過濾-滲透-回補型生物滯留設施的主要設計參數(shù)與過濾型生物滯留設施相同。3設施、排水系統(tǒng)的設計原則滲透型生物滯留設施的應用可以補給附近的淺層地下水,且不會導致地下水污染。合肥當?shù)卦翝B透速率過低導致滲透型設施的水力負荷較小、積水時間較長,限制了這種設施的應用。滲透型設施宜按水質(zhì)控制標準設計,主要用于關注徑流污染控制、對設施積水時間要求不嚴格的區(qū)域,設施的服務面積比建議不