海绵城市建设：生态植草沟降雨模拟试验

已有的上海地区降雨径流的研究表明,降雨径流中污染物的主要成分为悬浮颗粒物(TSS)、人有机污染物和不同程度的氮磷污染物,同时降雨径流的水量变化和水质变化大,较强降雨条件下初试冲刷效应明显。因此,生态植草沟的设计需要满足较强的抗冲刷能力和去污能力。选择适合在城市社区环境中应用的干植草沟进行降雨模拟实验,设计“植被层+过滤层”的结构,植被层的植物叶片和根系可有效阻滞降雨径流作为缓冲,过滤层的滤料过滤净化径流污染物。同时,兼顾植草沟表面植被正常生长的需要和降雨径流较好的下渗效果,能有效吸纳阻滞降雨径流,替代传统雨水排水管网的部分功能,延缓降雨洪峰、削减降雨径流,具有有效削减降雨污染的作用。

1．生态植草沟的实验材料选择

研究表明降雨径流在生态植草沟内下渗过滤的净化过程中,滤料对径流污染物的吸附截留作用显著。径流污染物中的悬浮颗粒污染物在经过滤料时,经由一系列复杂的物理化学过程得以去除,如悬浮颗粒物粒径大于滤料的空隙将被拦截;悬浮颗粒物与滤料表面发生碰撞和接触,以被吸附;径流污染物可被滤料阻滞蓄纳、截留和沉淀。目前,水处理生态设施常用的基质滤料有沸石、碎石、粉煤灰和砌块砖等,其物理化学性状差异性较大,对径流和污染物的处理效果也有较大差异。

其中,沸石是一类具有架装结构的天然硅酸盐矿物,其内部具有较多空腔,空腔内还存在很多水一类含水矿物。由于其结构的特殊性,沸石内部充满细微的孔穴和通道,具有吸附性、离子交换性和催化等性能,被用作吸附剂和离子交换剂被广泛应用于净化和污水处理等领域,尤其在废水脱氮方面,沸石对氨氮具有很强的吸附性能。形成的生物膜可借助微生物的硝化和反硝化反应有效去除含氮污染物。但沸石的脱磷效果不佳,同时价格较高,不适合实际推广使用。

碎石是由天然岩石(或卵石)经破碎、筛分而得,俗称瓜子片,主要来源为青石、石灰石,粒径为10～20 mm。碎石多棱角,表面粗糙,比表面积大,虽然单一碎石填料对污染物的去除效果不好,但因强度高、结构稳定,价格便宜、来源广泛,常作为雨水花园、人工湿地等水处理设施的基础填料。

粉煤灰为燃煤电厂燃烧煤粉后的高温烟气产物,是燃煤颗粒中矿物质品粒一系列变化形成,主要成分为二氧化硅、氧化铝和铝硅酸盐。粉煤灰的直接利用效率不高,通过改性后,可利用多孔性和比表面积大的优点,用于吸附废水中的有害污染物,其中对重金属离子、有机物、悬浮物和总磷都有较好的去除效果。粉煤灰较多地应用于废水处理领域,存在吸附容量小、不够稳定的问题,同时吸附饱和后处置不当易对土壤和水体造成二次污染,故不适合在植草沟等开放设施中使用。

砌块砖为粉煤灰、炉渣、石膏和水泥等为主要原料,经特殊工艺制成的多孔材料。由于其主要原材料为粉煤灰,对污染物的去除具有类似的效果,是对粉煤灰改良的不同形式基质滤料,可在生物滤池和人工湿地等生态水处理设施中广泛使用。砌块砖碎料具有原材料来源广、价格低廉、容重轻、结构稳定的优点,同时在对污染物去除方面,其空隙率大、磷吸附高,同时不产生二次污染,是较好的滤料。

综合分析以上各滤料的性质,选用碎石和砌块砖作为滤料(表4-23)。

表4-23　生态植草沟结构层的滤料选择及规格参数

此外,根据上海地区的降雨径流水量和水质情况,设计植草沟结构为种植层和滤料层。其中,种植层为种植土和植被,其植被为百慕大草(Cynodon dactylo),种植土为常规园林用土;滤料层为砌块砖和碎石;结构尺寸统一为200 cm×40 cm×60 cm(长×宽×厚),主要的变量因素为各层结构的厚度(表4-24)。通过改变生态植草沟的各结构层的厚度,可进行实证分析种植土和不同滤料对降雨径流污染物的削减效应。在城市社区分散性绿色基础设施的设计中,需根据区域的环境条件和汇水面积,合理设置植草沟的长度、宽度反厚度及渗排水管在滤料层中的高度。为满足生态植草沟的应用需求和实验的可行性,设定植草沟的宽度为40 cm,植草沟表面修整为弧形凹面,下凹最低处低于边缘最高处5 cm,弧形对应半径为40 cm,弧度为π/3(图4-13)。

表4-24　生态植草沟结构层的厚度及实验分组

图4-13　3号生态植草沟的基本结构示意图

实验设计了3层结构总厚度为60 cm的12条生态植草沟,其中1～5号5条植草沟设定种植土厚度为20 cm,改变40 cm厚的滤料层中砌块砖层和碎石层的厚度,作为分组Ⅰ;6～9号4条植草沟设定种植土厚度为30 cm,改变30 cm厚的滤料层中砌块砖层和碎石层的厚度,作为分组Ⅱ;10、11、12号3条植草沟设定种植土厚度为40 cm,改变20 cm厚的滤料层中砌块砖层和碎石层的厚度,作为分组Ⅲ。设置3个分组的目的是通过组间对比研究,分析植草沟中种植土的变化对降雨径流处理效果的影响;另一方面通过组内对比研究,分析植草沟中滤料层的变化对降雨径流的处理效果影响;同时,3种厚度的种植土条件也可以满足不同场地的应用和不同植被的生长需求。

2．生态植草沟的模拟实验设计

生态植草沟的室内人工降雨模拟实验,选取最小的长方形植草沟单元,模拟降雨径流从一侧平缓均匀地流入植草沟中,以尽可能模拟实际路面的径流汇入情况。同时为检测植草沟的净化效应,需从植草沟底部收集过滤处理之后的水体。根据实验需求和上海城市绿地的应用可行性,设计植草沟的实验装置(图4-14),包括PE板种植槽、布水槽、穿孔渗水管、溢流口、水箱、调速水泵和进水管,其中种植槽长2 m,宽40 cm,深80 cm,可确保植草沟的独立性,使进出水不受外界条件的影响。此外,装置两侧设有布水槽,与进水管相连,进水时水体首先进入布水槽,充满布水槽后溢出,均匀平缓地流入植草沟内。进水管与调速水泵和水箱相连,调速水泵可控制进水流速来模拟不同降雨强度下的降雨径流;通过在水箱中配制不同浓度污染物的实验水体,可以模拟不同污染程度的降雨径流。种植槽内底部设置一根PVC渗排水管,连接出水口向外排水,实验过程中出水口收集的水体即为植草沟处理后的降雨径流。

图4-14　生态植草沟室内人工降雨模拟实验装置

实验开始前需先在实验装置的种植槽内布置植草沟,后将碎石和砌块砖冲洗干净,确保不影响实验结果,按照每条植草沟的结构厚度,依次往种植槽内装填铺设碎石、土工布、砌块砖、土工布和种植土,然后种植植被,本实验统一选取百慕大草作为植被。设置完毕后,整个植草沟厚度为60 cm,植草沟表面距离溢流口为蓄水空间,可蓄水50 L,当植草沟表面积水超过此容量时,可从溢流口排走。实验布置准备就绪后,等结构和植被稳定后才可开始实验。

(1)生态植草沟对降雨径流流量的调蓄实验设计

生态植草沟对降雨径流的调蓄实验主要通过模拟不同雨强条件下的降雨径流,测定不同植草沟的出水水量情况,分析研究不同植草沟对径流洪峰的延缓情况和对径流量的削减情况。由于较小的雨强下降雨径流较小,植草沟对较小的降雨径流没有太大的研究意义,因此主要研究大雨和暴雨情况下植草沟对降雨径流的调蓄效应。

实验设计3个实验组12条植草沟,设置1组大雨和2组暴雨实验,模拟降雨径流的流速根据上海市降雨强度及植草沟汇水面积确定,即进水流速(mL/min)=雨量(mm/h)×汇水面积(m2)×104/60,其中设计汇水面积为植草沟面积的5倍。3个实验组分别为:实验组Ⅰ模拟12 mm/h(大雨)降雨强度下的降雨径流,进水流速为800 mL/min;实验组Ⅱ模拟24 mm/h(暴雨)降雨强度下的降雨径流,进水流速为1 600 mL/min;实验组Ⅲ模拟30 mm/h(暴雨)降雨强度下的降雨径流,进水流速为2 000 mL/min。当模拟降雨径流逐渐从布水槽中溢出均匀流入种植槽中的植草沟内时,开始计时。模拟径流在植草沟内逐渐下渗,经渗排水管从出水口流出,每分钟测量记录植草沟的出水量,40 min后停止。绘制每条植草沟出水量关于时间(t)的散点图,并对其进行拟合分析。

(2)生态植草沟对降雨径流污染物的削减实验设计

生态植草沟对降雨径流污染物的削减实验主要通过模拟不同污染物浓度的降雨径流,测定不同植草沟的出水水质情况,分析研究不同植草沟对降雨径流中的总悬浮物(TSS)、化学需氧量(COD)、氨氮(—N)和总磷(TP)的削减情况。根据上海市道路降雨径流的水质情况和国家地表水环境Ⅴ类标准,设置3个浓度梯度模拟降雨径流污染物含量(表4-25)。在水箱中配置好以上浓度的实验用水,首先用聚乙烯塑料瓶收集500 mL的进水水样,启动调节水泵,以2 L/min的进水流速进水,以5 min作为时间间隔收集水样,每个水样收集500 mL,收集5个出水水样。其中,选用硅藻土、葡萄糖、碳酸氢铵和磷酸二氢钾模拟降雨径流中的总悬浮物(TSS)、化学需氧量(COD)、氨氮(—N)和总磷(TP)。3个实验组分别为:浓度A为最低浓度,4种污染物TSS、COD、—N和TP的浓度分别为100 mg/L、50．0 mg/L、1．00 mg/L和0．30 mg/L;浓度B为中间浓度,4种污染物TSS、COD、—N和TP的浓度分别为200 mg/L、100．0 mg/L、2．00 mg/L和0．60 mg/L,为A浓度的两倍;C为最高浓度,4种污染物TSS、COD、—N和TP的浓度分别为600 mg/L、300．0 mg/L、6．00 mg/L和2．00 mg/L,约为B浓度的3倍。

表4-25　生态植草沟模拟降雨径流污染物浓度梯度

模拟3个浓度污染物的降雨径流,分别称取5．0 g硅藻土、2．358 g葡萄糖、0．282 g碳酸氢铵和0．061 g一水磷酸二氢钙,溶解于装有50 L水的水箱中,作为浓度A的实验用水;浓度B的模拟降雨径流用水则分别称取10．0 g硅藻土、4．717 g葡萄糖、0．564 g碳酸氢铵和0．122 g一水磷酸二氢钙,溶解于50 L水;浓度C的模拟降雨径流用水则分别称取30．0 g硅藻土、14．151 g葡萄糖、1．693 g碳酸氢铵和0．406 g一水磷酸二氢钙,溶解于50 L水。

在水箱中配置好以上一个浓度的实验用水,首先用聚乙烯塑料瓶收集500 mL的进水水样,启动调节水泵,以2 L/min的进水流速向植草沟的实验装置内进水,实验进水充满布水槽后平缓均匀溢出进入。以5 min作为时间间隔收集水样,收集水样前需用水样润洗聚乙烯瓶3次,每个水样收集500 mL,收集5个出水水样后停止实验。实验结束后暂停24 h,等植草沟恢复稳定后,继续下一组实验,对12条植草沟重复3个浓度的实验,共计36次实验,收集水样216个。

对每次生态植草沟对降雨径流污染物的削减实验水样中的总悬浮物(TSS)、化学需氧量(COD)、氨氮(—N)和总磷(TP)的浓度进行测定。测定方法为浊度换算法、《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》(HJ/T 399—2007)、《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)和《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》(GB 11893—89)。用Excel绘制生态植草沟对降雨径流的调蓄实验中得到的出水量Q出关于时间t的散点图,并对其进行拟合,如公式(4-4);利用SPSS软件进行方差分析和多重比较。

式中 Q——每分钟出水量;

t——时间;

a、b——常数。

分别令公式(4-5)中Q=0、Q=Qm可分别计算得到出水时间和洪峰到达时间:

式中 t0——计算出水时间;

a、b——常数;

tm——洪峰到达时间;

Qm——洪峰径流量。

分析植草沟对降雨径流的调蓄效应,计算降雨径流的削减率,计算公式为:

式中 RQ——径流水量削减率;

Q进——总进水量;

Q出——总出水量。

分析植草沟对各降雨径流污染物的净化效应,计算各污染物削减率,计算公式为:

式中 RC——污染物浓度削减率;

C进——进水污染物浓度;

C出——出水污染物浓度。

3．生态植草沟的实验结果分析

(1)生态植草沟对降雨径流的水量调蓄实验结果

生态植草沟对降雨径流的处理过程为垂直方向的渗透,对径流的削减主要发生在种植土层和滤料层对径流的吸收,当植草沟整体蓄水达到饱和时,径流削减能力达到最大,同时渗排水管中出水达到稳定最大值。生态植草沟对降雨径流的调蓄效应要体现在两个方面,即对径流洪峰到达时间的延缓和对降雨径流量的削减。

生态植草沟对降雨径流的调蓄实验共设置了3个实验组,3个实验组模拟了3个不同的降雨强度,分别为12 mm/h(大雨)、24 mm/h(暴雨)和30 mm/h(暴雨)。在3个不同的降雨强度下,12条植草沟对模拟降雨径流的调蓄效应有较大差异,单独每一种模拟降雨条件下生态植草沟的调蓄效应进行初步分析,有助于后期对生态植草沟的种植土层和滤料层开展对比分析,同时了解生态植草沟对不同降雨强度的降雨径流的调蓄情况。

通过模拟降雨实验,得到在12 mm/h(大雨)的降雨强度下1～12号植草沟在前30 min的出水量如图4-15所示。从图中可以看出,在达到稳定出水的时刻前,每分钟的出水量呈对数增长的趋势,在时间为20～30 min的一段时间内,每分钟出水量逐渐停止增长并维持在800 mL左右,即达到峰值。从图中较难看出每条植草沟的初始出水时间和到达洪峰的时间,因此按照公式(4-4)对其进行对数曲线拟合,得到相应的对数函数表达式,各函数表达式的方程系数见表4-26,并以此计算得到12条植草沟在12 mm/h(大雨)的降雨强度下的出水时间t0和到达洪峰时间tm。从表4-26中可以看出,在12 mm/h(大雨)的降雨强度下出水时间最早的植草沟是11号,为1．3 min;出水时间最晚的是1号、4号和9号,均为3．8 min。

图4-15　生态植草沟在12 mm/h雨强下出水量及拟合曲线方程图

表4-26　雨强为12 mm/h植草沟出水时间t0和到达洪峰时间tm

续表

另外,在12 mm/h(大雨)的降雨强度下到达洪峰时间最晚的植草沟是6号,延缓洪峰32．3 min;到达洪峰最早的是2号,延缓洪峰21．0。因此在12 mm/h(大雨)的降雨强度下12条植草沟中对洪峰延缓最佳的是6号植草沟,延缓洪峰32．3 min。

通过计算总出水量与总进水量的比值,得到12条植草沟在12 mm/h降雨情况下对降雨径流的削减率(图4-16)。12条植草沟对降雨径流的削减率存在较大差异,其中对降雨径流削减率最高的是4号植草沟,削减率达到33．8%;对降雨径流削减率最低的是8号植草沟,削减率为19．7%。

图4-16　12 mm/h降雨强度下植草沟对降雨径流的削减率

通过模拟降雨实验,得到在24 mm/h(暴雨)的降雨强度下1～12号植草沟在前30 min的出水量如图4-17所示。从图中可以看出,在达到稳定出水的时刻前,每分钟的出水量呈对数增长的趋势,在时间为20～30 min一段时间内,每分钟出水量逐渐停止增长并维持在1 600 mL左右,即达到峰值。从表4-27、图4-17中可以看出,在24 mm/h(暴雨)的降雨强度下出水时间最早的植草沟是10号,为0．3 min;出水时间最晚的植草沟是2号,为3．8 min。在24 mm/h(暴雨)的降雨强度下到达洪峰时间最晚的植草沟是6号,延缓洪峰30．7 min;到达洪峰最早的是11号,延缓洪峰20．0 min。因此在24 mm/h(暴雨)的降雨强度下12条植草沟中对洪峰延缓最佳的是6号植草沟,延缓洪峰30．7 min。

通过计算总出水量与总进水量的比值,得到12条植草沟在24 mm/h对降雨径流的削减率(图4-18)。12条植草沟对降雨径流的削减率存在较大差异,其中对降雨径流削减率最高的是2号植草沟,削减率达到29．6%;对降雨径流削减率最低的是11号植草沟,削减率为11．2%。

图4-17　植草沟在24 mm/h雨强下出水量及拟合曲线方程图

表4-27　雨强为24 mm/h植草沟出水量曲线拟合方程系数及t0和tm

图4-18　24 mm/h降雨强度下植草沟对降雨径流的削减率

通过模拟降雨实验,得到在30 mm/h(暴雨)的降雨强度下1～12号植草沟在前30 min的出水量(图4-19)。从图中可以看出,在达到稳定出水的时刻前,每分钟的出水量呈对数增长的趋势,在时间为15～30 min。一段时间内,每分钟出水量逐渐停止增长并维持在2 000 mL左右,即达到峰值。从表4-28中看出在30 mm/h(暴雨)的降雨强度下出水时间最早的植草沟是11号,为0．3 min;出水时间最晚的植草沟是2号,为3．7 min。在30 mm/h(暴雨)的降雨强度下到达洪峰时间最晚的植草沟是12号,延缓洪峰28．8 min;到达洪峰最早的是10号,延缓洪峰17．5 min。因此在30 min/h(暴雨)的降雨强度下12条植草沟中对洪峰延缓最佳的是12号植草沟,延缓洪峰28．8 min。

图4-19　植草沟在30 mm/h雨强下出水量及拟合曲线方程图

表4-28　雨强为30 mm/h植草沟出水量曲线拟合方程系数及t0和tm

通过计算总出水量与总进水量的比值,得到12条植草沟在30 mm/h对降雨径流的削减率(图4-20)。12条植草沟对降雨径流的削减率存在较大差异,其中对降雨径流削减率最高的是2号植草沟,削减率达到28．4%;对降雨径流削减率最低的是11号植草沟,削减率为13．0%。

图4-20　30 mm/h降雨强度下植草沟对降雨径流的削减率

常规情况下,需对植草沟的水力负荷进行计算,但由于干植草沟的极强的渗透能力,只能对其进行大致估算,以种植土厚度最大的3条植草沟为对象,其面积为0．8 m2,每分钟渗透出水超过2 L,说明其水力负荷能力远超过2．5×103 m3/(m2·min),即4．2×10-5 m3/(m2·s)。

由图4-20可知,实验中的12条植草沟对降雨径流的平均削减率差异显著,其中平均削减率最高的是1号植草沟,为29．7%;削减率最低的是11号植草沟,为15．5%。根据削减率与出水时间和到达洪峰的时间存在的关联,可以得出削减率较低的植草沟的出水时间或到达洪峰的时间相对较早。

此外,不同降雨强度下(12 mm/h,24 mm/h,30 mm/h)生态植草沟对径流的削减和延迟洪峰的能力存在显著差异。由表4-29可知,在不同降雨强度下,随着植草沟内种植土厚度的增加,系数a和t0均表现出减小的趋势。在12 mm/h、24 mm/h雨强下,种植土厚度为30 cm的植草沟的tm最大,表明其达到洪峰的时间最晚,对降雨径流洪峰的延缓效果最好;在30 mm/h雨强下,种植土厚度为20 cm的植草沟的tz最大。对3个实验组的tm求平均值可得,植草沟对洪峰延缓时间排序为Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ,其中分组Ⅱ植草沟对洪峰延缓平均时间最久,为26．4 min,其结构为30 cm种植土+30 cm滤料层。

表4-29　生态植草沟不同降雨强度下平均计算出水时间t0和洪峰到达时间tm

由表4-30可知,不同种植土厚度的植草沟对径流的削减率存在显著差异,随着种植土厚度的增大,植草沟对径流的削减率呈现减小的趋势,种植土厚度为20 cm的植草沟径流的平均削减率最大,为25．9%。其中,在12 mm/h的雨强条件下,种植土厚度为20、30 cm的植草沟均具有良好的削减效果。但是,相对滤料层而言,种植对径流的削减率效果较差,在降雨径流量较大的区域应选用种植土厚度较小、滤料层较厚的植草沟结构。

表4-30　生态植草沟在不同降雨强度下对径流的削减率

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从已有结果分析可知,植草沟的滤料层比种植土对降雨径流的削减效果更好,植草沟滤料层分为砌块砖层和碎石层,因此需要对两者厚度变化对降雨径流的调蓄效应进行比较,并且分析两者的作用机理,获得最佳的厚度结构。已有结果表明,种植土厚度为20 cm的植草沟对降雨径流的削减效果最好,同时为了尽量较小种植土的影响,选择3个分组植草沟对滤料层的影响进行研究分析。

比较分组Ⅰ中1～5号植草沟的初始出水时间t0和达到洪峰时间tm(表4-31),3个不同降雨强度条件下5条植草沟达到出水量峰值的时间各有差异。其中,在12 mm/h(大雨)的降雨强度下,5条植草沟中对降雨径流洪峰的延缓效应最好的植草沟是1号,出水延缓为3．8 min,洪峰延缓为27．0 min;在24 mm/h(暴雨)的降雨强度下,5条植草沟中对降雨径流洪峰的延缓效应最好的植草沟是2号,出水延缓为3．8 min,洪峰延缓为25．8 min;在30 mm/h(暴雨)的降雨强度下,5条植草沟中对降雨径流洪峰的延缓效应较好的植草沟是2号和4号,出水延缓分别为3．7 min和2．1 min,洪峰延缓分别为26．2 min和27．2 min。比较5条植草沟对洪峰的平均延缓时间,可得到排序为1＞5＞2＞4＞3,其中1号植草沟平均延缓洪峰最久,达到25．3 min。结果表明,植草沟滤料层内部结构的变化对降雨径流的延缓效应的影响不显著,其中对降雨径流延缓效果最佳的生态植草沟结构为:20 cm种植土+40 cm砌块砖。

表4-31　分组植草沟的t0和tm

1～5号条植草沟在3个不同雨强条件下对降雨径流量的削减率如图4-21所示,图中结果表明,5条植草沟对降雨径流削减效应的排序为:1＞4＞2＞3＞5。其中削减率最高的是1号植草沟(20 cm种植土+40 cm砌块砖),平均削减为29．7%,削减率最低的是5号植草沟,平均削减率为20．7%。结果表明,5条不同结构参数的植草沟对降雨径流的削减率不同,可能的原因是:砌块砖和碎石内部结构的不同和堆积结构存在差异。比较砌块砖和碎石的空隙率和孔隙率,砌块砖的空隙率和孔隙率都远大于碎石,能够蓄存滞留较多水量,对降雨径流的削减能力大于碎石。

图4-21　分组Ⅰ中5条生态植草沟在不同雨强下对降雨径流的削减率

由图4-21可知,1号、4号和5号植草沟随着雨强的增加削减率都呈下降的趋势,而2号和3号植草沟随着雨强的增加削减率呈先上升后下降的趋势,即在12 mm/h的雨强下,4号植草沟(20 cm种植土+10 cm砌块砖+30 cm碎石)对降雨径流的削减率最高;在24 mm/h和30 mm/h的雨强下,2号植草沟(20 cm种植土+30 cm砌块砖+10 cm碎石)对降雨径流的削减率均最高。该实验结果表明,生态植草沟不同的结构组合(种植层+滤料层)对不同降雨的条件下的径流削减效应有着直接和间接的影响,这可能与生态植草沟滤料层中砌块砖和碎石的组成成分及结构有关。例如,砌块砖的空隙率和孔隙率都远大于碎石,能够蓄存滞留较多水量,对降雨径流的削减能力大于碎石。

比较分组Ⅱ中6～9号植草沟的初始出水时间t0和达到洪峰时间tm(表4-32),3个不同降雨强度条件下4条植草沟达到出水量峰值的时间各有差异。其中,在12 mm/h(大雨)的降雨强度下,4植草沟中对降雨径流洪峰的延缓效应最好的植草沟是6号,出水延缓为3．1 min,洪峰延缓为32．3 min;在24 mm/h(暴雨)的降雨强度下,4条植草沟中对降雨径流洪峰的延缓效应较好的植草沟是6号和9号,出水延缓分别为1．5 min和1．4 min,洪峰延缓分别为30．7 min和31．0 min;在30 mm/h(暴雨)的降雨强度下,4条植草沟中对降雨径流洪峰的延缓效应最好的植草沟是7号,出水延缓为1．0 min,洪峰延缓为27．0 min。比较4条植草沟对洪峰的平均延缓时间,可得到排序为6＞2＞9＞8,其中6号植草沟平均延缓洪峰最久,达到27．7 min。结果表明,植草沟滤料层内部结构的变化对降雨径流的延缓效应的影响不显著,其中对降雨径流延缓效果最佳的生态植草沟结构为:30 cm种植土+30 m砌块砖。

表4-32　分组Ⅱ植草沟的t0和tm

比较分组Ⅱ中6～9号条植草沟在不同雨强条件下对降雨径流量的削减率如图4-22所示,分组Ⅱ中4条植草沟对降雨径流削减效应的排序为:9＞6＞7＞8。其中,削减率最高的是9号植草沟(30 cm种植土+30 cm碎石),平均削减为24．6%,削减率最低的是8号植草沟,平均削减率为16．5%。该实验结果表明,不同结构参数的植草沟对降雨径流的削减率不同,但呈现的变化趋势为着碎石层厚度的增加削减率先减小后增大。与分组Ⅰ表现不同的可能原因是砌块砖和碎石的总厚度减小及种植土厚度的增加,导致植草沟对径流的削减效应差异不显著。

比较分组Ⅲ中10～12号植草沟的初始出水时间t0和达到洪峰时间tm(表4-33),3个不同降雨强度条件下3条植草沟达到出水量峰值的时间各有差异。其中,在12 mm/h(大雨)的降雨强度下,3条植草沟中对降雨径流洪峰的延缓效应最好的植草沟是12号,出水延缓为1．8 min,洪峰延缓为32．1 min;在24 mm/h(暴雨)的降雨强度下,3条植草沟中对降雨径流洪峰的延缓效应最好的植草沟是12号,出水延缓为0．9 min,洪峰延缓为25．6 min;在30 mm/h(暴雨)的降雨强度下,3条植草沟中对降雨径流洪峰的延缓效应最好的植草沟是12号,出水延缓为1．4 min,洪峰延缓为28．8 min。比较3条植草沟对洪峰的平均延缓时间,可得到排序为12＞11＞10,其中12号植草沟平均延缓洪峰最久,达到28．8 min。结果表明,在分组Ⅲ的3条植草沟中,碎石层厚度越大的植草沟对降雨径流的延缓效果最好,其中对降雨径流延缓效果最佳的生态植草沟结构为:40 cm种植土+20 cm碎石。

图4-22　分组Ⅱ中4条生态植草沟在不同雨强下对降雨径流的削减率

如图4-23所示,比较分组Ⅲ中10～12号条植草沟在不同雨强条件下对降雨径流量的削减效能的排序为:12＞11＞10。其中,削减率最高的是12号植草沟(40 cm种植土+20 cm碎石),平均削减为20．4%,削减率最低的是11号植草沟,平均削减率为15．5%。结果表明,不同结构参数的植草沟对降雨径流的削减率不同,但呈现的变化趋势与分组Ⅱ中表现的相同,可能的原因是砌块砖和碎石对径流都有一定的削减效应,但两者组合时部分功能相互抵消,导致单一滤料比两种滤料组合削减率更高。

表4-33　分组Ⅲ植草沟的t0和tm

图4-23　分组Ⅲ中3条生态植草沟在不同雨强下对降雨径流的削减率

综上所述,通过植草沟对降雨径流调蓄效应实验结果分析,可以得出以下结论:12条植草沟对降雨径流的渗透能力均极强,水力负荷能力远大于4．2×10-5/(m2·s)。理论上1 m2的植草沟1 h可以处理超过0．15 m3的降雨径流,相当于在1年重现期下,可处理超过4倍面积的硬质地面的降雨径流。种植土厚度为30 cm,滤料层厚度为30 cm的分组Ⅱ植草沟对洪峰的延缓效果最佳,平均延缓26．4 min;种植土厚度为20 cm,滤料层厚度为40 cm的分组Ⅰ植草沟对降雨径流的削减率最高,平均削减25．9%的径流量。同时种植土与滤料相比,对降雨径流的削减效果较差。分组Ⅰ植草沟中对降雨径流洪峰延缓最佳的结构为20 cm种植土+40 cm砌块砖,对降雨径流削减率最高的结构为20 cm种植土+40 cm砌块砖;分组Ⅱ植草沟中对降雨径流洪峰延缓最佳的结构为30 cm种植土+30 cm砌块砖,对降雨径流削减率最高的结构为30 cm种植土+30 cm碎石;分组Ⅲ植草沟中对降雨径流洪峰延缓和对降雨径流削减率最佳的结构均为40 cm种植土+20 cm碎石。在降雨径流量较大的区域如停车场、广场、道路等,较适合应用的植草沟结构为20 cm种植土+40 cm砌块砖,20 cm种植土+30 cm砌块砖+10 cm碎石;在降雨径流量较小的区域如绿地周边和居住小区等,较适合应用的植草沟为30 cm种植土+30 cm碎石,40 cm种植土+20 cm碎石。

(2)生态植草沟对降雨径流的污染物削减实验结果

生态植草沟对降雨径流污染物的削减效应研究主要分为生态植草沟种植土层和滤料层厚度变化对降雨径流污染物的削减效应。按照植草沟分组研究生态植草沟种植土厚度变化对降雨径流污染物的削减效应影响,其中分组Ⅰ为种植土厚度为20 cm的1～5号植草沟,分组Ⅱ为种植土厚度为30 cm的6～9号植草沟,分组Ⅲ为种植土厚度为40 cm的10～12号植草沟(表4-34)。污染物浓度设置为A、B、C 3个浓度梯度。

表4-34　植草沟对降雨径流污染物的削减率

续表

对12条植草沟进行3个实验组的降雨径流污染物的削减实验,共进行了36次实验,每次实验取水样6个,共计216个水样。对降雨径流污染物的削减实验中取得的水样中的总悬浮物(TSS)、化学需氧量(COD)、氨氮(—N)和总磷(TP)共4个污染物指标进行测定,将进水污染物浓度和出水污染物浓度根据公式进行计算,得到12条植草沟在3个浓度下对4种降雨径流污染物的削减率。

按照植草沟分组研究生态植草沟种植土对降雨径流污染物的削减效应影响,其中分组Ⅰ为种植土厚度为20 cm的1～5号植草沟,分组Ⅱ为种植土厚度为30 cm的6～9号植草沟,分组因为种植土厚度为40 cm的10～12号植草沟。3个分组的植草沟对降雨径流中总悬浮物(TSS)、化学需氧量(COD)、氨氮(—N)和总磷(TP)的平均削减率见表4-35。在植草沟总厚度为60 cm不变的情况下,其种植土层厚度的变化对其功能有着极其重要的影响,通过比较分析3个分组植草沟的削减率研究生态植草沟种植土变化对降雨径流污染物的削减效应的影响。

表4-35　不同种植土厚度生态植草沟对降雨径流污染物的削减率

通过方差分析和多重比较,得到分组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3组植草沟在A、B、C 3个浓度下对TSS的平均削减率(图4-24)。植草沟分组对径流中TSS污染物的削减率排序为:Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ。其中,分组Ⅰ的植草沟对TSS的削减率最高,平均削减率达到79．9%;分组Ⅲ的植草沟对TSS的削减率最低,平均削减率为53．6%。平均削减率最高的分组Ⅰ植草沟的结构为20 cm种植土+40 cm滤料层,其对A、B、C 3个浓度TSS的削减率分别为64%～91%、58%～94%和64%～98%。

该结果表明,植草沟中种植土层厚度越小、滤料层厚度越大,其对TSS的削减率越高。这与种植土和滤料的物理性状有关,一方面滤料的孔隙率高,对悬浮颗粒的吸附远高于种植土;另一方面,种植土本身由于水流冲蚀,会产生悬浮颗粒,自身成为发生污染的污染源。在大雨或小雨的情况下,种植土对TSS的削减效应良好;但暴雨时将有所削弱。虽然,对初期降雨径流仍有较好的削减效果,但后续的大量的径流可能会冲蚀植草沟,对植草沟表层土壤造成破坏同时裹挟产生大量颗粒物。

图4-24　不同分组生态植草沟对径流中TSS的削减率

在实际应用中,径流量较大TSS污染较严重的区域应选取分组Ⅰ的植草沟,即结构为20 cm种植土+40 cm滤料层的植草沟,同时选择植被时使用覆盖度较高、根系较密的草坪草等;在径流量较小即汇水面积较小的区域,可以选择分组Ⅱ、Ⅲ的植草沟,在选择植被时也可以适当选取宿根花卉和低矮灌木。

通过方差分析和多重比较,得到分组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3组植草沟在A、B、C 3个浓度下对COD的平均削减率(图4-25),从图中可以看出,3组植草沟对COD的削减率存在差异,其中在COD浓度为50．0 mg/L(A浓度)下,分组Ⅰ的削减率略高于分组Ⅱ和Ⅲ,但不显著;COD浓度为100 mg/L(B浓度)时,削减率大小排序为分组Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ,差异不显著;COD浓度为300 mg/L(C浓度)时,削减率大小排序为分组Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ,差异不显著。

图4-25　不同分组生态植草沟对径流中COD的削减率

3个分组植草沟对径流中污染物COD的平均削减率排序为:Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ。其中,分组Ⅱ的植草沟对COD的削减率最高,平均削减率达到61．7%;分组Ⅲ的植草沟对COD的削减率最低,平均削减率为52．2%。平均削减率最高的分组Ⅱ植草沟的结构为30 cm种植土+30 cm滤料层,其对A、B、C 3个浓度COD的削减率分别为34．4%～62．3%、43．5%～84．9%和67．0%～75．1%。结果表明,植草沟中种植土厚度的变化对其COD的削减率没有显著影响。分析原因可能为,种植土中有大量的微生物对COD有较强的削减效果,但同时种植土中也含有较多有机物,有部分有机物会随着降雨径流的渗透而流出,提高COD的浓度。两个过程相互影响,导致种植土和滤料层对COD的削减效果没有显著差异。

通过方差分析和多重比较,得到分组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3组植草沟在A、B、C 3个浓度下对—N的平均削减率(图4-26),从图中可以看出,3组植草沟对—N的削减率存在显著差异,其中在—N浓度为1．0 mg/L(A浓度)下,分组Ⅰ的削减率高于分组Ⅱ,并显著高于分组Ⅲ;—N浓度为2．0 mg/L(B浓度)时,削减率大小排序为分组Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ,差异不显著;—N浓度为6．0 mg/L(C浓度)时,分组Ⅰ的削减率高于分组Ⅱ,并显著高于分组Ⅲ。

图4-26　不同分组生态植草沟对径流中—N的削减率

根据—N的平均削减率对3个分组植草沟进行排序为Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ。其中,分组Ⅰ的植草沟对—N的平均削减率高达到68．6%;分组Ⅲ的植草沟对—N的削减率最低,平均削减率为49．7%。平均削减率最高的分组Ⅰ植草沟的结构为20 cm种植土+40 cm滤料层,其对A、B、C浓度—N的削减率分别为47．4%～72．4%、58．1%～75．5%和67．2%～84．6%。结果表明,种植土厚度为20 cm和30 cm的植草沟在不同浓度下对—N的削减率差异不显著,植草沟厚度为40 cm的植草沟对—N的削减率较小。植草沟中种植土层厚度越小、滤料层厚度越大,其对—N的削减率越高,滤料对—N的削减效应高于种植土。原因可能是种植土与滤料相比,孔隙率和空隙率较小,太过质密不易形成生物膜,对—N的吸附消解能力较低。

因此在实际应用中,—N污染较严重的区域应选取分组Ⅰ和分组Ⅱ的植草沟,即结构为20 cm种植土+40 cm滤料层和30 cm种植土+30 cm滤料层的植草沟,对植被的选择上没有特别需要注意,只要和周边绿化相协调搭配即可。

通过方差分析和多重比较,得到分组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3组植草沟在A、B、C 3个浓度下对TP的平均削减率(图4-27),从图中可以看出,3组植草沟对TP的削减率存在显著差异,其中在TP浓度为0．30 mg/L(A浓度)下,分组Ⅱ的削减率略高于分组Ⅰ,并显著高于分组Ⅲ;TP浓度为0．60 mg/L(B浓度)时,分组Ⅰ的削减率高于分组Ⅱ,并显著高于分组Ⅲ;TP浓度为2．00 mg/L(C浓度)时,3个分组削减率差异不显著,大小排序为分组Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ。

图4-27　不同分组生态植草沟对径流中TP的削减率

由图4-27可知,分组Ⅰ的植草沟对TP的削减率最高,平均削减率达到71．9%;分组Ⅲ的植草沟对TP的削减率最低,平均削减率为43．7%。平均削减率最高的分组Ⅰ植草沟的结构为20 cm种植土+4．0 cm滤料层,其对A、B、C浓度TP的削减率分别为27．5%～85．9%、64．6%～91．3%和58．1%～90．0%。该结果表明,在TP浓度较低时,种植土厚度为20 cm和30 cm的植草沟对TP的削减效果没有显著差异,单明显高于种植土厚度为40 cm的植草沟;在TP浓度高时,种植土厚度为20 cm、30 cm和40 cm的植草沟对TP的削减效果没有显著差异,削减率均较高。植草沟中种植土层厚度越小、滤料层厚度越大,其对TP的削减率越高。原因可能是,降雨径流中的TP主要靠介质的吸附除去,滤料层的孔隙率和比表面积都大于种植土,对TP的削减效果也好于相同厚度的种植土。

因此在实际应用中,针对TP污染的控制,应选择分组Ⅰ和分组Ⅱ的植草沟,即结构为20 cm种植土+40 cm滤料层和30 cm种植土+30 cm滤料层的植草沟。

综上所述,通过对比研究生态植草沟种植土对污染物的削减效应,可以得出如下结论:在进水量为2 L/min,模拟30 mm/h(暴雨)的降雨径流条件下,植草沟中种植土层厚度越小、滤料层厚度越大,其对TSS、—N和TP的削减率越高,对COD的削减率没有显著变化。比较4种污染物的削减情况,植草沟对TSS和TP的削减率变化较为一致,两者的削减过程和机理存在一定的相关性,均通过介质的孔隙和表面吸附去除。在3个厚度的植草沟分组中,对TSS、COD、—N和TP削减效果最佳的植草沟为分组Ⅰ,结构为20 cm种植土+40 cm滤料层,其对TSS、COD、N—N和TP的平均削减率分别为79．9%、60．5%、68．6%和71．9%。在实际应用时,推荐采用此类结构的植草沟,同时在后续分析研究中,也可选取分组Ⅰ中的5条植草沟展开对比研究。根据3个分组的去污能力和种植土厚度,在降雨径流污染物浓度较高同时无较高景观种植要求的区域适合用分组Ⅰ的生态植草沟,在污染物浓度较高同时要求有一定景观种植要求的区域适合用分组Ⅱ,在污染物浓度低同时需要有种植景观的区域适合用分组Ⅲ。

由上述分析可知,滤料层对污染物的削减能力高于种植土,对植草沟中滤料层的污染削减效应展开研究十分有必要。为了尽可能减小种植土层的影响和最佳的对比效果,对TSS、COD、—N和TP平均削减效果最佳分组Ⅰ的植草沟进行重点对比分析(图4-28)。同时为了适应不同的应用区域的景观种植要求,对分组Ⅱ、Ⅲ进行简单的方差分析。

图4-28　分组Ⅰ中生态植草沟对径流污染物的削减率

分组Ⅰ中1～5号植草沟的滤料层厚度为40 cm;分组Ⅱ6～9号植草沟的滤料层厚度为30 cm;分组Ⅲ中10～12号植草沟的滤料层厚度为20 cm。由图4-29可知,随着TSS浓度的变化,分组Ⅰ中4条植草沟对其削减率呈现出一定的变化趋势,其中1、2号植草沟对TSS的削减率随着TSS浓度的增大而增大,3、4号植草沟对TSS的削减率随着TSS浓度的增大呈现先减小后增大的趋势,5号植草沟对TSS的削减率随着TSS浓度的增大呈现先增大后减小的趋势。结果表明,在3个不同TSS浓度下,1号植草沟对TSS均具有明显的削减效果,应优先考虑应用,其结构为20 cm种植土+40 cm砌块砖。

图4-29　分组Ⅰ植草沟对TSS的平均削减率

如图4-30所示,在COD为A浓度(50 mg/L)的情况下,5号植草沟有最佳削减效果,其结构为20 cm种植土+40 cm碎石;在COD为B浓度(100 mg/L)和C浓度(300 mg/L)的情况下,4号植草沟有最佳削减效果,其结构为20 cm种植土+10砌块砖+30 cm碎石。在不同—N浓度下,4号植草沟均具有明显的削减效果,其结构为20 cm种植土+10 cm砌块砖+30 cm碎石。在TP为A浓度(0．3 mg/L)和C浓度(2．0 mg/L)的情况下,1号植草沟有最佳削减效果,其结构为20 cm种植土+40 cm砌块砖;在TP为B浓度(0．6 mg/L)的情况下,2号植草沟有最佳削减效果,其结构为20 cm种植土+30 cm砌块砖+10 cm碎石。

图4-30　分组Ⅰ植草沟对COD的平均削减率

通过对分组Ⅱ的6～9号植草沟的削减率进行方差分析和多重比较,得到4条植草沟在A、B、C 3个浓度下TSS的平均削减率。4条植草沟对TSS的削减率存在差异,但不显著,其削减率的大小排序为7＞6＞9＞8,7号植草沟对TSS的削减率最高,达到77．5%;8号植草沟的削减最低,为53．9%。图中规律不明显,可能原因是种植土厚度的干扰。结果表明,分组Ⅱ中的对TSS净化效应最优的生态植草沟结构是:30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石,削减率最高可达到77．5%。

通过对分组Ⅲ的10～12号植草沟的削减率进行方差分析和多重比较,得到3条植草沟在A、B、C 3个浓度下TSS的平均削减率(图4-31)。3条植草沟对TSS的削减率存在差异,但不显著,其削减率的大小排序为11＞12＞10,11号植草沟对TSS的削减率最高,达到56．4%;10号植草沟的削减最低,为52．1%。从图中没有看出明显的规律,可能原因是种植土厚度的干扰导致相互之间的差异过小。分组Ⅲ中的对TSS净化效应最优的生态植草沟结构是:40 cm种植土+10 cm砌块砖+10 cm碎石,污染物去除率达到56．4%。分组Ⅱ中的对COD净化效应最优的生态植草沟结构是:30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石,污染物去除率达到72．5%。

图4-31　分组Ⅱ、Ⅲ植草沟对TSS的平均削减率

通过方差分析和多重比较,得到分组Ⅰ的5条植草沟在A、B、C 3个浓度下对COD的平均削减率,从图4-32中可以看出,5条植草沟对COD的削减率差异显著,其中4号植草沟对TSS的削减率最高,达到74．5%;2号植草沟的削减率最低为48．0%。可能原因是砌块砖孔隙率大,但形成的有效生物膜面积小,对可溶性有机物的吸附削减能力较弱,而碎石层的总生物膜面积大,对COD的附削减能力较强。因此,分组Ⅰ中对COD净化效应最优的生态植草沟结构是:20 cm种植土+10 cm砌块砖+30 cm碎石。

图4-32　分组Ⅱ、Ⅲ植草沟对COD的平均削减率

5条植草沟在3个不同浓度下对COD的削减率变化中可以看出,随着COD浓度的变化,5条植草沟对其削减率呈现出一定的变化趋势,其中1、4号植草沟对COD的削减率随着COD的浓度增大而增大,2、3、5号植草沟的削减率随着COD浓度的增大呈现先增大后减小的趋势。结果表明,在COD为A浓度(50 mg/L)的情况下,5号植草沟有最佳削减效果,其结构为20 cm种植土+40 cm碎石;在COD为B浓度(100 mg/L)和C浓度(300 mg/L)的情况下,4号植草沟有最佳削减效果,其结构为20 cm种植土+10砌块砖+30 cm碎石。

通过对分组Ⅱ的6～9号植草沟的削减率进行方差分析和多重比较,得到4条植草沟在A、B、C 3个浓度下COD的平均削减率。4条植草沟对COD的削减率存在差异,但不显著,其削减率的大小排序为7＞6＞9＞8,7号植草沟对COD的削减率最高,达到72．5%;8号植草沟的削减最低,为48．3%。从图中没有看出明显的规律,可能原因是种植土厚度的干扰。结果表明,分组Ⅱ中的对COD净化效应最优的生态植草沟结构是:30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 m碎石。

通过对分组Ⅲ的10～12号植草沟的削减率进行方差分析和多重比较,得到3条植草沟在A、B、C 3个浓度下COD的平均削减率。3条植草沟对COD的削减率存在差异,但不显著,其削减率的大小排序为12＞10＞11,12号植草沟对COD的削减率最高,达到57．8%;11号植草沟的削减最低,为49．3%。从图中没有看出明显的规律,可能原因是种植土厚度的干扰导致相互之间的差异过小。结果表明,分组Ⅲ中的对COD净化效应最优的生态植草沟结构是:40 cm种植土+20 cm碎石。

通过方差分析和多重比较,得到分组Ⅰ的5条植草沟在A、B、C 3个浓度下对—N的平均削减率,从图4-33中可以看出,5条植草沟对—N的削减率差异显著,其中4号植草沟对—N的削减率最高,达到77．5%;5号植草沟的削减率最低,为66．4%。可能原因是生物硝化与反硝化对—N的削减需要较复杂的有氧、缺氧微环境,砌块砖和碎石对—N的削减有不同的作用机理,单一滤料发生的硝化或反硝化反应对—N的削减能力较小,两种滤料的组合结构则可以较好地满足—N削减所需的有氧、缺氧环境条件。因此,分组Ⅰ中对—N净化效应最优的生态植草沟结构是:20 cm种植土+10 cm砌块砖+30 cm碎石。

图4-33　分组Ⅰ植草沟对—N的平均削减率

从5条植草沟在3个不同浓度下对NH+4—N的削减率变化中可以看出,随着—N浓度的变化,5条植草沟对其削减率呈现出一定的变化趋势,其中1号植草沟对—N的削减率随着—N浓度的增大呈现先减小后增大的趋势,2、3、4、5号植草沟对—N的削减率随着—N浓度的增大而增大。结果表明,在3个不同—N浓度下,4号植草沟均具有明显的削减效果,应优先考虑应用,其结构为20 cm种植土+10 cm砌块砖+30 cm碎石。

通过对分组Ⅱ的6～9号植草沟的削减率进行方差分析和多重比较,得到4条植草沟在A、B、C 3个浓度下—N的平均削减率。4条植草沟对—N的削减率存在显著差异,其削减率的大小排序为7＞6＞9＞8,7号植草沟对—N的削减率最高,达到79．8%;8号植草沟的削减最低,为49．7%。从图中没有看出明显的规律,可能原因是种植土厚度的干扰。结果表明,分组Ⅱ中的对—N净化效应最优的生态植草沟结构是:30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石。

通过对分组Ⅲ的10～12号植草沟的削减率进行方差分析和多重比较,得到3条植草沟在A、B、C 3个浓度下—N的平均削减率。3条植草沟对—N的削减率存在差异,但不显著,其削减率的大小排序为12＞10＞11,12号植草沟对—N的削减率最高,达到55．6%;11号植草沟的削减最低,为44．4%。从图中没有看出明显的规律,可能原因是种植土厚度的干扰导致相互之间的差异过小。结果表明,分组Ⅲ中的对—N净化效应最优的生态植草沟结构是:40 cm种植土+20 cm碎石。

分组Ⅱ、Ⅲ植草沟对—N的平均削减率如图4-34所示。

图4-34　分组Ⅱ、Ⅲ植草沟对—N的平均削减率

通过方差分析和多重比较,得到分组Ⅰ的5条植草沟在A、B、C 3个浓度下对TP的平均削减率,从图4-35中可以看出,5条植草沟对TP的削减率差异显著,其对TP削减率排序为:1＞2＞3＞4＞5。其中1号植草沟对TP的削减率最高,达到87．3%;5号植草沟的削减率最低,为52．4%。可见植草沟中砌块砖厚度越大,其对TP的削减率越大,可能原因是砌块砖孔隙率高和比表面积大,对TP吸附作用强,同时砌块砖对TSS的削减效果强。因此,分组Ⅰ中对TP净化效应最优的生态植草沟结构是:20 cm种植土+40 cm砌块砖。

图4-35　分组Ⅰ植草沟对TP的平均削减率

从5条植草沟在3个不同浓度下对TP的削减率变化中可以看出,随着TP浓度的变化,5条植草沟对其削减率呈现出一定的变化趋势,其中1、4号植草沟对TP的削减率随着TP浓度的增大而增大,2、3、5号植草沟对TP的削减率随着TP浓度的增大呈现先增大后减小的趋势。结果表明,在TP为A浓度(0．3 mg/L)和C浓度(2．0 mg/L)的情况下,1号植草沟有最佳削减效果,其结构为20 cm种植土+40 cm砌块砖;在TP为B浓度(0．6 mg/L)的情况下,2号植草沟有最佳削减效果,其结构为20 cm种植土+30 cm砌块砖+10 cm碎石。

如图4-36所示,通过对分组Ⅱ的6～9号植草沟的削减率进行方差分析和多重比较,得到4条植草沟在A、B、C 3个浓度下TP的平均削减率。4条植草沟对TP的削减率存在显著差异,其削减率的大小排序为7＞6＞9＞8,7号植草沟对TP的削减率最高,达到90．4%;8号植草沟的削减最低,为49．4%。从图中没有看出明显的规律,可能原因是种植土厚度的干扰。结果表明,分组Ⅱ中的对TP净化效应最优的生态植草沟结构是:30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石。

通过对分组Ⅲ的10～12号植草沟的削减率进行方差分析和多重比较,得到3条植草沟在A、B、C 3个浓度下TP的平均削减率。3条植草沟对TP的削减率存在差异,但不显著,其削减率的大小排序为12＞10＞11,12号植草沟对TP的削减率最高,达到49．5%;11号植草沟的削减最低,为37．5。从图中没有看出明显的规律,可能原因是种植土厚度的干扰导致相互之间的差异过小。结果表明,分组皿中的对TP净化效应最优的生态植草沟结构是:40 cm种植土+10 cm砌块砖+10 cm碎石。

图4-36　分组Ⅱ、Ⅲ植草沟对TP的平均削减率

上述实验结果表明,通过对比研究生态植草沟滤料层对污染物的削减效应,可以得出以下结论:分组Ⅰ的植草沟中对削减TSS和TP最优的结构是20 m种植土+40 m砌块砖;对削减COD最优的结构是20 m种植土+10 cm砌块砖+30 cm碎石;对削减—N最优的结构是20 cm种植土+10 cm砌块砖+30 cm碎石。综合4种污染物的削减效应,最佳的植草沟结构是20 cm种植土+30 cm砌块砖+10 cm碎石,此结构的生态植草沟对TSS、COD、—N和TP的削减率分别为89．3%、48．0%、72．3%和85．3%。分组Ⅱ的植草沟中对削减4种污染物最优的结构是30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石,此结构的生态植草沟对TSS、COD、—N和TP的削减率分别为77．5%、72．5%、79%和90．4%。分组Ⅲ的植草沟中对削减TSS和TP最优的结构是40 cm种植土+10 cm砌块砖+10 cm碎石;对削减COD和—N最优的结构是40 cm种植土+20 cm碎石。最佳的植草沟结构是40 cm种植土+10 cm砌块砖+10 cm碎石,此结构的生态植草沟对TSS、COD、—N和TP的削减率分别为56．4%、19．3%、44．4%和49．5%。在降雨径流污染物浓度较大的区域如停车场、广场、道路等,较适合应用的植草沟结构为20 cm种植土+40 cm砌块砖,20 cm种植土+30 cm砌块砖+10 cm碎石,30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石;在降雨径流污染物浓度较小的区域如绿地周边、公园和居住小区等,可考虑应用的植草沟为40 cm种植土+10 cm砌块砖+10 cm碎石。