2017, Vol. 37
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随着城市化进程的加快，城市不透水地面的比例越来越高，导致城市面源污染也越来越严重.近几十年以来，国内外学者对城市不透水下垫面的径流污染特征及相应的控制措施进行了大量的研究(Eckley et al., 2009).然而，针对径流过程中污染物质在透水区的行为特征研究较少(Luo et al., 2013).城市草地透水区作为城市下垫面的主要类型之一，是一种天然透水设施，是城市生态系统的重要组成部分，在控制城市非点源污染及削减洪峰流量方面发挥着十分重要的作用，并且能起到防止水土流失、美化环境、减少噪音的作用，越来越受到世界各国的广泛关注(Barrett, 2005；聂发辉等，2008；Zhang et al., 2015).
另一方面，城市化进程的加快使得城市建筑量、旧城改造量、公路铺设量都在不断增加.大规模的建设和拆迁必定产生大量的建筑垃圾(如渣土、散落的砂浆和混凝土、碎金属、竹木材、废弃的装饰材料及各种包装材料等)(Wang et al., 2010; Wang et al., 2015)，城市建设过程中回填土壤夹杂着大量建筑垃圾被堆放和填埋，因而在城市地区形成了大面积的回填土绿地.由于在城市土地开发利用过程中，回填土草地受人工翻动、回填、践踏、车压及园林绿化等活动的影响，破坏了土壤的物理和化学属性.因此，形成了不同于自然土壤或农业用地土壤的城市土壤，这也使得城市回填土草地径流过程中污染物质的迁移与富集特征不同于其它区域径流过程(Wei et al., 2014).
目前，针对城市透水区(城市绿地)径流过程中的水力水质特征的研究较少，而且由于野外条件下地表径流、壤中流难以分别监测，对径流过程中地表径流与壤中流污染物质的比较研究报道不多，尤其是在不同降雨强度情况下的城市回填土草地方面，仍是当前该领域研究的薄弱之处(李恒鹏等，2008).因此，本文采用人工降雨装置，对不同降雨强度下城市回填土草地径流系统中水量和污染物的分配特征进行实验研究.以明确降雨过程中地表径流与壤中流污染物质的输出特征，这对污染物质迁移与分配的影响机制研究和城市面源污染的治理及相应处理措施的选择具有重要的意义，且对于地下水保护极具现实意义.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 供试土壤特征城市回填土以拆迁重建区草地土壤、新建区草地土壤、公路两旁绿地土壤这3种较为典型和常见.本研究采用的是新建区草地土壤，其具体理化性质见表 1.实验采土525 kg，自然阴干半个月后，混匀装入4个箱体中，每个箱体装入130 kg土壤.实验于2016年7—9月进行，在2016年7月播种果岭草草籽，15 d后待果岭草生长成熟后，开始进行实验.经测定成熟后的果岭草密度、根深、叶长分别为10.9~12.8条· cm-2、11.8~17.0 cm、25.3~32.2 cm.
| 表 1 供试土壤的理化性质平均值 Table 1 Average values of physical and chemical properties of tested soil |
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本实验采用自制模拟降雨器进行模拟降雨.该降雨器采用美国VeeJet Spray 80100喷头，共计3个喷头，喷头距离供试土壤的高度约2.6 m(图 1)，其模拟降雨雨滴大小及冲击力与自然降雨相近(薛燕妮等，2007；吴长文等，1995).本研究采用的模拟降雨装置降雨强度可控制在10~150 mm· h-1之间，能够满足实验需求.降雨用水为事先收集好的自然雨水，经测定，供试雨水TP、TN、氨氮、硝酸盐氮浓度分别为0.03、11.23、0.93、0.64 mg·L-1，测得结果符合要求(车伍等，2003).
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| 图 1 模拟降雨装置与小区示意图 (1.水泵；2.模拟小区；3.地表径流收集盘；4.壤中流收集盘；5.降雨喷头；6.量筒) Fig. 1 Schematic diagram of simulated rainfall device and district |
本实验中模拟回填土小区装置的尺寸为1.2 m×0.4 m×0.26 m(长×宽×高)，横侧面上设有壤中流流出孔(流出孔直径为13 mm，面积为133 mm2，打4排孔，每排4个，占横侧面积的2.0%)，并且在箱体的正侧面和底部用2层纱网垫底，纱网之间放入破麻布和衣料，用来初步过滤大颗粒(于江华等，2016).
2.3 降雨模拟过程本实验是在降雨时间为60 min，小区坡度为4°的条件下进行，目的是探讨小、中、大、暴雨(16、30、71、87 mm· h-1)对水量和污染物分配的影响(李贺等，2008).实验时天晴，风力对实验无影响.降雨开始后准确记录降雨产流时间，每隔1~10 min采集一次径流样品，每隔1~15 min收集壤中流量样本，并用量筒测量收集到的水量，装入清洗过后的塑料瓶中，实验结束后立刻检测分析(霍炜洁，2013).其中，TSS测定方法为重量法(GB11901-89)，TN测定方法为碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89)，TP测定方法为钼酸铵分光光度法(GB11893-89).实验中小区水量分配见表 2.
| 表 2 小区水量分配 Table 2 District water distribution |
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如图 2所示，在其他条件相同的情况下，随着降雨强度的增大，地表径流流量呈增大趋势；并且当雨强为16和30 mm· h-1时，小区只产生地表径流；当降雨强度为71和87 mm· h-1时，小区不仅有地表径流，还有壤中流产生.降雨强度较小时，单位时间内降雨量较少，由于坡度和植被的滞缓作用，一部分降雨先作为地表径流流出，另一部分降雨渗入土壤，作为壤中流储存在土壤空隙里，由于没有达到饱和，故无壤中流流出.但当降雨强度增大后，小区内的壤中流增多，小区的土壤含水量逐渐达到饱和.汪邦稳等(2009)研究发现，在草地土壤中，越往下壤中流流量越小，达到某一深度后，流量几乎为零，因此，相对于壤中流而言，下渗流更难流出(石飞等，2017).
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| 图 2 径流过程中流量变化特征曲线 (a.16 mm· h-1, b.30 mm· h-1, c.71 mm· h-1, d.87 mm· h-1) Fig. 2 The characteristic curve of runoff flow |
降雨前期，地表径流流量不断增加；当降雨达到一定时间，随着降雨的继续，地表径流达到稳定阶段，维持这一流量直至降雨停止.壤中流的径流曲线在71和87 mm· h-1降雨强度条件下均表现为缓慢上升并很快达到稳定的状态，在产流初期和结束阶段，壤中流流量都表现出骤涨骤落的特点，对降雨的响应较快(沈珍瑶等，2008).这是因为壤中流是土壤壤中流达到饱和后才流出的，相对于地表径流而言，壤中流能很快达到最大流量并能维持稳定状态.降雨结束时，壤中流不再增加，因此，壤中流也很快消失.
3.2 径流过程中泥沙含量变化地表径流中泥沙含量(以TSS表征)随降雨强度的增加而增大，同时，累计含沙量也随着降雨时间的延长而增加.在小雨和中雨条件下，地表径流泥沙含量总体偏低并且呈现稳定状态，在大雨和暴雨条件下，地表径流泥沙含量呈现波动减小并最终趋于稳定的现象(图 3).这是因为降雨强度较小时，雨水对草地的冲刷作用很小，植被对地表土壤的保护作用起决定性作用，在整个降雨过程中地表径流主要是携带小颗粒土壤.当降雨强度较大时，雨水对地表土壤的侵蚀作用超过植被对土壤的保护作用，使得地表径流中大颗粒含量逐渐增加，地表径流是在降雨进行了约10 min后才流出，此时地表径流中的大颗粒聚集较多，因此，最开始时地表径流的泥沙含量高.之后随着水流的汇集作用，地表径流对表层土的侵蚀作用减弱，泥沙含量也就随之逐渐降低并趋于稳定(付兴涛，2012).
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| 图 3 径流过程中泥沙含量变化特征曲线 (a.16 mm· h-1, b.30 mm· h-1, c.71 mm· h-1, d.87 mm· h-1) Fig. 3 Time curve of sediment concentration in runoff |
当降雨强度分别为16、30、71、87 mm· h-1时，地表径流泥沙平均含量分别为0.08、0.99、2.76、2.41 g·L-1，壤中流泥沙平均含量分别为0、0、1.76、1.05 g·L-1.综上可知，地表径流中泥沙含量基本随着降雨强度的增大而增多，这主要是因为降雨强度越大，雨水对小区表面土壤的冲刷作用越强，地表径流携带出的泥沙含量也就越大(张海涛等，2014).
3.3 径流过程中总氮浓度变化从图 4可以看出，小区的地表径流总氮曲线变化随降雨强度增大呈现由波动下降到产流开始便稳定的特征.这是因为在降雨强度较小时，雨水首先冲刷地表土壤，然后冲出细颗粒，而这些细颗粒的养分含量一般低于原来的表土土壤(马琨等，2002).因此，随降雨时间的增加地表径流的总氮浓度也就逐渐降低，并且由于降雨强度较小，冲刷变化很不稳定，导致总氮曲线变化也不稳定.降雨强度越大，对小区表面的冲刷效果越大，降雨冲刷出的大颗粒含量逐渐增加，积累了一段时间后才随地表径流出，此时地表径流中的大颗粒占绝大部分，因此，测得的总氮也就基本不变(Wu et al., 2012).
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| 图 4 径流过程中总氮变化特征曲线 (a.16 mm· h-1, b.30 mm· h-1, c.71 mm· h-1, d.87 mm· h-1) Fig. 4 Time curve of total nitrogen in runoff |
降雨强度从小雨变化到暴雨的过程中，对应小区地表径流总氮平均浓度分别为9.80、10.91、15.39、11.76 mg·L-1，壤中流总氮平均浓度分别为0、0、14.98、11.80 mg·L-1，总氮平均浓度基本表现出随降雨强度的增大而增多.在整个降雨径流过程中，4个小区的地表径流、壤中流的总氮浓度都远远超过水体富营养化的总氮警戒线(0.03 mg·L-1)，可见其造成的地表水和地下水污染的潜在影响不容忽视.
3.4 径流过程中总磷浓度变化由图 5可知，在不同降雨强度下，地表径流的总磷曲线变化都表现出波动较大且呈现微弱降低的趋势(陈玲等，2013).总磷的流失过程与其他形态存在明显不同，这与杨丽霞等(2007)对太湖流域蔬菜地的人工模拟降雨试验研究结果基本一致，原因可能是磷主要以泥沙结合态随地表径流流失(黄利玲等，2011)，在初期径流量较小，泥沙携带能力有限，但坡面松散土粒富集程度较高，易随降雨径流流失，总磷浓度在初期较高并呈降低趋势；之后雨滴对地表的击打使土壤大颗粒被击散成为细小的颗粒，小颗粒中携带的总磷含量变化较大，因此, 测得的总磷浓度也就呈现起伏的变化.
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| 图 5 径流过程中总磷变化特征曲线 (a.16 mm· h-1, b.30 mm· h-1, c.71 mm· h-1, d.87 mm· h-1) Fig. 5 Time curve of total phosphorus in runoff |
当降雨强度分别为16、30、71、87 mm· h-1时，地表径流总磷平均浓度分别为0.59、0.79、1.04、0.84 mg·L-1，壤中流总磷平均浓度分别为0、0、1.11、0.75 mg·L-1.在径流中的最小平均浓度(0.59 mg·L-1)也几乎是水体富营养化总磷警戒线(0.02 mg·L-1)的30倍，并且降雨强度越大，地表径流总磷浓度基本上也就越大.由此可知，大暴雨所引起的回填土草地径流污染威胁更大.
3.5 水量及污染物分配特征本研究表明，降雨强度对水量及污染物分配有较大影响.当降雨强度为小雨和中雨时，小区只有地表径流产生，由中雨增加到暴雨过程中，小区不仅有地表径流也会有壤中流产生，并且地表径流占比会随降雨强度的增加呈现先下降后上升的趋势，壤中流占比呈现先上升后下降的趋势.例如，当降雨强度从16 mm· h-1增加到87 mm· h-1时，地表径流占比从100%先下降到85.8%，然后又上升到87.8%，壤中流占比先从0上升到14.2%，接着下降到12.2%；径流过程中的氮磷营养盐(TSS、TN、TP)占比变化与水量变化类似(表 3).因此，小降雨时小区内的污染物质主要随着地表径流流出对周围水体(如湖泊、河流等)造成污染，当大暴雨时，产生的壤中流可能对地下水造成污染，并且这种污染会随降雨强度的增加而增加.
| 表 3 不同降雨强度下小区水量和污染物分配 Table 3 Water and pollutantsdistribution of district under different rainfall intensities |
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1) 不同降雨强度下，地表径流中的TSS、TN和TP都表现为初始浓度较高，随降雨历时延长而下降，并最终趋于稳定.
2) 小降雨时小区内的污染物质主要随着地表径流流出，当大暴雨时，不仅有地表径流，也会产生壤中流，它可能会对地下水造成污染，并且这种污染会随降雨强度的增加而增加.
3) 随着降雨强度的增加，雨水对草地土壤侵蚀作用加强，使得地表径流中的TSS、TN和TP浓度都在增加，这表明大暴雨所引起的回填土草地径流污染更严重.因此，在暴雨易发期，应调整城市建设时间，避免降雨与频繁土地开发相遇，以减少城市回填土草地径流对地表水和地下水的污染危害.
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