1 引言(Introduction)

随着经济的快速发展和城市规模的不断扩大, 非透水性路面的面积急剧增加(Zhao et al., 2018; Choi et al., 2018).地面结构的变化不但改变了自然状态下的水循环过程, 而且也改变了人类社会的物质循环过程.一方面, 径流流量增加、流速增大、峰值流速提前、下渗量减少(尹海龙等, 2015；Kumar et al., 2016; Eaton et al., 2018)；另一方面, 径流可以携带大量的污染物进入水体, 造成水质恶化.目前, 雨水径流已经被认为是引起水环境质量下降的重要面源污染之一(Ladsilas et al., 2015).为了有效地管理雨水径流, 可持续城市开发(Sustainable Urban Development, SUD)、低影响开发(Low Impact Development, LID)、水敏感城市设计(Water Sensitive Urban Design, WSUD)及海绵城市等措施相继被提出(Buuman et al., 2017; Zhang et al., 2017; Kazemi et al., 2018; 田婧等, 2018).这些管控措施的出现, 极大地促进了雨水下渗系统的设计和应用.雨水下渗系统不但可以通过雨水下渗来补充地下水、减少径流量及其流速(Fanelli et al., 2017), 而且还可以通过下渗过程所发生的一系列物理、化学、生物作用来去除污染物达到净化水质的目的(Bonneau et al., 2017).

近年来, 径流下渗系统的设计开发越来越受到重视, 国内外研究人员进行了大量的研究(Petrucci et al., 2017; 李平等, 2014).研究内容包括下渗性能与影响因素、污染物的去除效率与机理及其影响因素等(刘芳等, 2012; 袁宏林等, 2015; 田婧等, 2018; 吴建等, 2018; Tedoldi et al., 2017; Bockhorn et al., 2017).然而, 由于各地的气候特征、下渗沟的设计方法及填料种类等不同, 所得出的结论也不尽相同.另外, 有很多研究是以实验室模拟为基础的, 所得的结论还需要进一步验证, 因此, 对于下渗沟的研究还有待加强.本研究通过定量分析下渗沟对高速公路雨水径流、污染负荷的削减和相应排放能力的影响, 以及下渗沟的性能与降雨特征之间的关系, 以期为下渗沟的设计优化提供参考.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 径流下渗系统

本文所研究的径流下渗系统位于韩国京畿道平泽市(Pyeongtaek)的水原西-彭泽高速公路彭泽收费站以西白峰JCT高架附近(112.973°E、37.032°N).该径流下渗系统包扩沉淀池和下渗沟两部分, 用来收集产自2436 m²的高速公路的路面径流(图 1).根据韩国环境部对面源污染控管理的要求, 雨水径流设施至少能够控制前5 mm降雨量所产生的径流(Im et al., 2016).为了提高径流和污染物的削减量, 该下渗系统被设计成能够收集10 mm降雨量所产生的路面径流.汇水区面积为2436 m², 径流系数取0.85, 所对应的径流体积为21 m³.实践中, 下渗沟的深度为0.9~3.6 m.考虑到地下水位的高度, 该系统设计深度为0.8 m.填料以粒径为3.8~6.5 cm的碎石为主, 为了提高下渗效率和污染物的去除效果, 掺杂了20 cm厚的由木材制成的陶粒.填料层的平均孔隙率为50%, 有效容积约为21 m³.下渗沟出水口上缘与地平齐, 高度为30 cm.另外, 设计要求该系统对SS、COD_Cr、TP和TN的削减率在80%~95%的范围内.

2.2 雨期监测与水质分析

在韩国道路公司道路交通研究院2015年非点源污染控制设施维护管理监测项目的支持下对该径流下渗系统进行了监测.由于人力、时间等因素的限制, 不可能对所有的降雨时段进行监测.研究期间, 根据天气预报选择了有代表性的7次降雨进行监测(表 1和2).研究过程中, 如果两次降雨的时间间隔小于6 h, 则认为是同一场降雨.降雨径流过程中分别在进水口和出水口监测进水(径流)、出水的流速和水质.采样的时间和频率则根据降雨量、降雨强度和降雨历时等因素综合确定, 流速采用流速仪(GlobalWater FP101)测定.对于采集的水样采用标准方法测定SS、COD_Cr、TN和TP等水质指标(APHA et al., 2005).

2.3 数据分析

径流体积、污染物的事件平均浓度和去除率分别按公式(1)~(3)进行计算, 径流和污染物的削减量分别按公式(4)和(5)计算.另外, 分别采用单因素方差分析和皮尔森相关分析检验进出水相关参数之间的差异和相互关系, 所有统计分析工作均采用SPSS软件(22版)完成.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中, V为径流或出水体积(m³)；Q_t为t时刻径流或出水流量(m³·h^-1)；T为降雨历时(h)；EMC为径流或出水中污染物的事件平均浓度(mg·L^-1)；C_t为t时刻径流或出水中污染物的浓度(mg·L^-1)；R_e为污染物去除效率；EMC_runoff为径流中污染物的事件平均浓度(mg·L^-1)；EMC_out为下渗沟出水中污染物的事件平均浓度(mg·L^-1)；VOL_red为径流削减量(m³); VOL_run为径流总量(m³); VOL_dis为径流排放量(m³)；MASS_red为污染物削减量(kg); MASS_run为径流中污染物总量(kg); MASS_dis为污染物排放量(kg).

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 降雨特征

韩国降水受温暖潮湿的东亚季风影响, 50%~60%的降雨事件发生在夏季, 年平均降雨量为1307.7 mm, 70%~80%的降雨事件降雨量在10~20 mm以下(Maniquiz et al., 2012).以2015年为例, 研究区域内共降雨84次, 降雨量在0.5~61.0 mm之间, 平均降雨量为8.8 mm, 80%的降雨在15.0 mm以下(图 2).

3.2 径流削减

下渗系统的渗透系数受填料孔隙率、导水系数及湿度等因素的影响.孔隙率越大、导水系数越高, 渗透系数越大.前期降雨主要是通过影响填料的湿度来影响下渗过程, 一般来说, 填料湿度增加会降低渗透系数.降雨过程中随着下渗系统内饱和区的出现, 下渗速率会降低.饱和状态下, 黏土的下渗性能会明显降低.径流管理实践中通过添加木屑等有机成分改造土壤或用颗粒状填料置换土壤来增加渗透性.为了防止地下水污染及地下水进入下渗系统, 下渗沟底层至少要与地下水水位保持0.9 m的距离.一般来说, 降雨径流进入下渗沟后可以发生以下过程(图 3).

由图可知, 降雨刚开始时, 有少量的径流进入下渗沟, 其只对填料起到润湿作用, 并不能形成下渗(图 3a).随着时间的推移, 当进入下渗沟的水量进一步增加后, 便开始有径流下渗发生(图 3b).当下渗沟的进水速率大于下渗速率时, 径流开始在下渗沟内积存, 首先在下渗沟底部形成饱和区(图 3c).降雨过程中, 饱和区的水位不断升高, 经过一段时间后, 水位到达出水口的位置, 开始有径流排出(图 3d).

对比发现, 下渗沟的出水平均流速要明显低于相应进水平均流速(p < 0.05), 表明下渗沟具有很好的流速削减能力.另外, 下渗沟对径流的体积削减率为39%~100%, 平均值为71%.相应的, 经过下渗沟后径流的排放量占雨水径流量的最大百分比为62%, 平均为29%.因此, 可以确定下渗沟对路面径流的流速和流量都起到了很好的控制作用.

下渗沟的径流削减能力与降雨特征具有重要的关系.关于径流流速变化对该下渗沟性能的影响, 课题组成员Guerra等(2018)进行了相应报道.本文根据Maniquiz等(2012)描述的方法研究了降雨量和降雨强度与径流削减和径流排放之间的关系, 结果见图 4.

图 4a展示了径流水量(下渗沟进水量)对径流削减和排放的影响.根据多项式拟合的结果, 当径流量达到60 m³, 即进水负荷与下渗沟的容积比为2.9 m³/1 m³后, 径流排放量才开始大于削减量.然而, 根据径流削减率和排放率与降雨量的拟合结果(图 4b), 当削减率和排放率均为50%时, 所对应的降雨量约为38 mm.因此, 当降雨量超过38 mm后, 径流的排放率会大于削减率.需要注意的是, 按照韩国环境部对面源污染控管理与控制的要求, 以控制5 mm降雨量所产生的径流核算时(Im et al., 2016), 设计的有效容积应为12.2 m³, 而实际上该下渗沟设计所依据的降雨量为10 mm, 有效容积约为21 m³, 这意味着当降雨量在10 mm以下时, 径流基本上可以被完全削减(图 4c).需要注意的是, 实际中当降雨量大、降雨过程漫长、降雨强度低时, 径流也可以被完全下渗, 因为径流流量小于下渗沟的下渗流量.众所周知, 降雨强度的大小会直接影响径流流量的大小.通过研究降雨强度对径流削减性能的影响发现, 只有在一定时间内的平均降雨强度超过4 mm·h^-1(图 4d)且进水负荷与下渗沟的容积比为2.9 m³/1 m³时, 才有可能出现径流排放量大于削减量的情况.

3.2 污染削减

降雨过程中路面径流所携带的污染物主要来自于干期在路面积累的污染物.与之前的报道一样, 在降雨过程中, 污染负荷不会随着降雨量的增大而明显增大(p>0.05), 但污染负荷和降雨量之间存在一定的自然对数形式的关系(Maniquiz et al., 2012), 并且SS、COD_Cr、TN和TP的削减负荷和排放负荷与降雨量之间也存在着这种关系, 且变化趋势相同.通过对比分析发现, SS、COD_Cr、TN和TP的排放负荷明显低于径流负荷(p < 0.05), 表明该下渗系统能够很好地改善雨水径流的水质, 减小其对下游水环境的影响.图 5描述了负荷削减率和排放率(其中, 负荷排放率=1-负荷削减率)与降雨量之间的关系.首先, 拟合曲线的斜率的绝对值可以反映下渗沟在去除污染物方面的稳定性, 斜率的绝对值越小, 系统越稳定, 受降雨量变化的影响越小.各指标斜率绝对值由小到大依次为COD_Cr、SS、TN和TP, 表明该下渗系统对COD_Cr的去除性能最稳定, SS次之, 而对TP的去除能力较不稳定, 容易受到降雨量变化的影响.另外, 当降雨量在10 mm以下时, 该下渗系统对SS、COD_Cr、TN和TP的负荷削减率几乎为100%, 因为径流可以被完全截留(图 4c).当降雨量超过10 mm后, SS、COD_Cr、TN和TP的负荷削减率开始减小而负荷排放率开始增大.值得注意的是, 当降雨量超过20 mm后, 设计所要求的最低80%的TP和TN负荷削减率有可能无法完成.另外, 从图 5可以看到, 随着降雨量的增大最终会有一个负荷削减率和排放率均为50%的交点, 这个交点所对应的降雨量因污染物的不同而变化：营养盐类污染物(TN、TP)会出现的比较早, 其次是SS, 最后是COD_Cr.当降雨量大于交点所对应的降雨量后, 负荷排放率会大于其削减率.但需要注意的是, 在韩国绝大多数的降雨事件的降雨量在20 mm以下, 因此, 系统会维持较好的污染控制能力.监测结果也表明, 下渗系统对颗粒物和有机物的去除能力比较高, 而对TN和TP的去除能力相对较弱.这与径流中污染物的存在状态和去除机理有关, 下渗沟对污染物的去除主要以过滤为主, 因此, 以颗粒态存在的污染物较容易去除.而非渗透性路面径流中的N主要以溶解态存在(Li et al., 2014; Chen et al., 2014), 溶解态氮的去除主要依靠硝化作用和反硝化作用.但对于下渗系统而言, 由于淹水时间较短, 无法在下渗系统形成厌氧环境, 导致下渗系统反硝化能力不强(刘芳等, 2012).但实际上当流速较大、水力停留时间较短时, 氨氧化和硝化作用进行的也不充分, 同时填料与磷接触吸附的时间也不足.

根据径流和污染物的物料平衡的估算(图 6), 2015年共有1109 m³的径流携带51.58 kg SS、118.13 kg COD_Cr、4.21 kg N和0.57 kg P进入下渗沟, 最终有634 m³径流、45.16 kg SS、104.83 kg COD_Cr、2.84 kg N和0.43 kg P被截留.下渗沟的径流削减率为57%, 而对污染物SS、COD_Cr、N和P的削减率分别为87.6%、88.7%、67.5%和75.5%.据此判断, N和P的削减率没有达到设计之初所确定的目标.下渗沟对N和P的去除效果需要进一步加强.

在降雨初期, 径流会携带大量的污染物进入下游水体, 因此, 对初期径流的控制是一种有效的径流污染控制措施.在土地资源有限的情况下, 韩国主要以控制前5 mm的降雨所产生的径流来设计相关设施.本研究所涉及的下渗沟主要是通过控制前10 mm的雨水所产生的径流以达到污染负荷削减的目的.而我国《海绵城市建设技术指南—低影响发雨水系统构建(试行)》主要要求低影响开发雨水系统实现年径流削减率≥60%~80%.不管基于何种设计理念, 低影响开发雨水下渗系统都会起到防洪和控污的双重目的.但相较而言, 韩国的设计以污染负荷削减为基础, 而我国则以径流总量控制为主要目的.实践中, 可以将两个设计理念结合起来, 根据土地资源现状、防洪要求、水环境质量要求和径流污染特征等因素综合设计经济可行的低影响开发雨水系统.

4 结论(Conclusions)

通过修建路面径流下渗系统可以有效地减小径流的排放量和排放速度, 并通过下渗补充地下水.作为影响下渗沟运行性能的重要参数, 降雨特征对下渗性能的影响要比对污染负荷削减能力的影响明显.只有在一定时间内的平均降雨强度约为4 mm·h^-1且进水负荷与下渗沟的容积比为2.9 m³/1 m³时才有可能出现径流排放量超过其削减量的情况.在降雨量小于10 mm时, 由于径流被完全被截留而没有污染物排放；当降雨量超过10 mm后, 随着降雨量的增加, 污染负荷削减率逐渐减小.在韩国绝大多数的降雨在20 mm以下, 因此, 下渗系统在径流削减和污染控制方面具有很强的适用性, 但对N和P的去除性能的研究需要进一步加强.