雨水资源综合利用-海绵城市建设成果

为满足城市中雨水花园的降雨蓄积和污染物削减需求,根据已有研究,雨水花园的基本结构包含预处理设施、蓄水层、覆盖层、种植层、过滤层、填料层、排水层、渗水设施和溢流设施9部分。其中,预处理设施包括环形边坡和砾石,环形边坡位于雨水花园的周边,砾石覆盖于环形边坡上(实验不设置)。蓄水层能为收集的暴雨径流提供暂时的滞留空间,发挥雨洪调蓄作用;同时使径流中的污染物在此沉淀,并起到去除附着在沉淀物上的有机物和金属离子的作用;其深度一般为100～250 mm。覆盖层一般由3～5 cm的细石(粒径1 cm)或者有机覆盖物铺设而成,主要为了缓冲雨水径流对于雨水花园结构层的侵蚀作用,并可以有效保持土壤湿度,避免土壤板结而导致的土壤渗透性能下降;同时其可以作为微生物生长的环境场所促进径流中存在有机物的降解,并且可以过滤部分悬浮物。

种植层包括种植土以及种植于土中的植被。种植土常选用渗透系数较大的砂质土壤,其中砂子含量以60%为宜,有机成分为5%～10%。黏土含量最好不超过5%;该层主要是为植物的生长提供必要的水分及营养物质,此外其也可通过过滤、植物吸收、土壤吸附、微生物作用等方式去除径流中的有机物、金属离子、氮素、磷素等污染物。种植草本植物时种植土的厚度一般为25 cm左右,种植灌木则需要50～80 cm厚。植被一般选取乡土物种,外来物种在驯化的前提下也可谨慎选用;另外,根系发达、生物量大、净化能力强的植物应该优先选用;而且雨水花园是连续运作的缩小版旱地生态系统,其中的植物要经历丰水期和枯水期,并且会接触到浓度较高的污染径流,为了保证其全年都能正常运行,应选择耐涝、抗旱、抗污染、抗病虫害等的多年生草本或灌木,植被的高度为25～75 cm。

过渡层由中砂铺设而成,过渡层的厚度一般为5～10 cm,中砂的粒径以0．35～0．5 mm为宜。沙层的目的主要是防止土壤等悬浮颗粒进入填料层或者排水层而引起堵塞,同时也起到通风作用。由于中砂的粒径较难筛沥,但实验选取两层土工布作为替代,同样可以起到截留防堵的作用。填料层常选用渗透性较强且去污能力较高的天然或人工材料。具体厚度根据当地的降雨特性、雨水花园的服务面积等确定,多为0．2～0．5 m。由于现有雨水花园常用的填料较多,结合上海地区现状,本模拟实验选取改良种植土、瓜子片、沸石以及砌块砖作为研究对象,厚度以100 mm为梯度取100～500 mm作为研究范围。排水层多选用粒径10～30 mm的砾石组成,其可以加速雨水径流的排出,并起到一定的净化水质作用,厚度一般取200～300 mm。本书选取粒径为12 cm的砾石作为排水层材料,厚度以50 mm为梯度取100～300 mm作为研究范围。

渗水设施由渗水管和渗水排水管构成;渗水管位于排水层的底部,常采用直径为100 mm的穿孔管,经过系统处理过的雨水径流由穿孔管收集进入渗水排水管,渗水排水管具有1%～3%的坡度,渗水排水管的较高的一端与渗水管连通,较低的一端与附近的排水支管或雨水井连通,也可收集净化后的雨水径流进行再利用。本模拟实验在排水层底部安装直径为100 mm的穿孔管,穿孔管连接外部集水器。

雨水花园对雨水径流的调蓄能力是有限的,超过其最大处理径流流量时,就需要通过溢流设施将过量的雨水排走。模拟实验在蓄水层上端安置溢流口,溢流口通过溢水管连接到外部排水体系。

为估测雨水花园对雨水径流水量和污染物的削减作用,并结合上海城市社区的降雨条件和场地特征,人工降雨模拟实验将以不同填料(因素A)、不同填料层厚度(因素B)、不同排水层厚度(因素C)所构建的雨水花园开展其削洪去污能力的正交试验(各因素选取5个水平,共形成25个实验组)(表4-39)。

表4-39　雨水花园3因素5水平正交实验组设计

续表

1．雨水花园的实验材料选择

在不同填料(因素A)的5个水平中,改良种植土由50%粒径0．35～0．5 mm黄沙、30%上海市黄色粉质黏土、15%泥炭、5%有机肥按比例混合均匀而成;瓜子片选取建筑施工常用瓜子片,将其用清水冲洗5遍左右,筛沥后得到粒径为1～2 cm的实验用瓜子片;沸石选取水处理常用沸石材料,粒径为1～2 cm;选用经济、环保的建筑材料砌块砖,其主要成分为粉煤灰,而作为雨水花园填料层的材料。将砌块砖打碎为粒径为2～4 cm以及5～7 cm的两种碎料,分别为砌块砖Ⅰ以及砌块砖Ⅱ。此外,实验组中的排水层均使用冲洗筛选后的粒径为1～2 cm的砾石。

2．雨水花园的模拟实验设计

为保证人工降雨模拟实验的可控性,选择在联动温室内进行,以保证日照充足且不受自然降雨影响,室内温度设置为恒定26℃,湿度设置为恒定60%。模拟雨水花园装置(图4-39)放置于平坦的地面,使雨水可以均匀通过整个体系。其中,实验装置分为模拟降雨器及雨水花园装置两部分,模拟降雨器包括水箱、可调控进水量的水泵、流量计、入水口、喷头以及支架;雨水花园装置包括6个结构层,其中填料层和排水层为变量,常量从上到下依次为蓄水层(15 cm)、覆盖层(3 cm,铺设粒径为1～2 cm的砾石)、种植土层(25 cm,种植铜钱草)、过渡层(3 cm,铺设2层土工布)以及位于蓄水层上部的溢水口和位于排水层下部的渗水设施(包括渗水管、出水口与集水器)。

图4-39　联动温室内设置的人工降雨模拟器及雨水花园装置

此外,参考上海地区近30年来降雨事件的变化特征,针对水文特征、水质情况的模拟实验设计降雨量均设置为16 mm/h,进入模拟降雨器的进水量为14 mL/s。

式中 a——仪器底面积1 600 cm2;

K——雨水花园服务面积与其设计面积的比值;

h模拟——设计降雨量16 mm/h。

参考上海市区非渗透性地面径流污染特性研究中径流事件平均浓度中值使用葡萄糖、硝酸铵、过磷酸钙等化学药剂调配COD浓度为205 mg/L、TN浓度为7．23 mg/L、TP浓度0．40 mg/L径流模拟液。在进行不同结构参数的雨水花园对水文特征影响的模拟实验时,使用自来水模拟雨水径流。

(1)雨水花园对雨水径流削减率的数据采集和计算

将模拟雨水径流放置于水箱中,通过水泵上的旋钮调节进水量为14 mL/s,每分钟测一次集水器中的流出的径流体积V出流,持续降水60 min,每分钟记录1次。同时,如果有溢流则记录每分钟溢流径流体积V溢流。若在60 min的实验过程中,可取到相对稳定的最大V出流值,则到达该值所用的时间作为出流洪峰延迟时间T洪峰(min);若在60 min内未达到V出流的相对稳定最大值,则持续降水直至稳定。

洪峰时刻累积削减率η洪峰为从实验开始到了以T洪峰时刻时间段内,实际进入装置的径流量Q入流与通过渗流设施流出装置的径流量Q出流的差值占实际进入装置的径流量Q入流的比例,计算公式为:

总削减率η总为在1 h的实验内总进水量Q总入与通过渗流设施流出装置的总径流量Q总出的差值占进水量Q总入的比例,计算公式为:

式中 η总——总削减率;

Q总入——总进水量;

Q总出——通过渗流设施流出的总径流量。

(2)雨水花园渗透率及渗水率的数据采集和计算

将模拟雨水径流放置于水箱中,通过水泵上的旋钮调节进水量为140 mL/s,每分钟测一次集水器中的出流径流体积V出流,持续降水60 min,即记录每分钟出流体积。同时,若有溢流情况,则记录每分钟溢流径流体积V溢流2。若在60 min的实验过程中,出现了溢流情况,且可取到相对稳定的最大V出流2值,则可计算该结构参数雨水花园的渗透率Kmax;若在60 min内未出现溢流情况,或未达到V出流2的相对稳定最大值,则缓慢增加单位时间进水量并持续降水直至稳定。雨水花园的渗透率Kmax(m/d)为该结构参数的雨水花园体系内所蓄积的径流相对饱和的情况下出流的下渗速率,即当该雨水花园出现持续溢流情况时,此刻装置内径流的下渗情况。其计算公式为:

式中 Kmax——雨水花园渗透率;

Vmax——相对稳定的最大V出流2值;

t——收集Vmax所用时间;

a——仪器底面积。

雨水花园蓄水率θmax指的是该结构参数的雨水花园体系内所蓄积的径流相对饱和的情况下体系内存在的径流占体系总体积的比例,即当该雨水花园出现持续溢流情况时,且可取到相对稳定的最大V出流2值,到此刻流入体系的总进水量Q累积入与总出水量Q累积出的差值占雨水花园总体积V结构的比例。其计算公式为:

运用SPSS 18．0软件对试验结果进行方差与极差分析,找出三因素分别对流洪峰延迟时间、洪峰时刻累积削减率、总削减率、渗透率、蓄水率影响的显著性及排序。

(3)雨水花园对径流污染物削减的数据采集和计算

将配制后的模拟液放置于水箱中,通过水泵上的旋钮调节进水量,实验开始60 min后取出水水样500 mL,分别参照《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》(HJ/T 399—2007)、《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)、《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》(GB 11893—89)测量水样中COD、TN、TP的浓度。将实验数据换算为污染物去污率,计算公式为:

式中 η——去除率;

ω出流——出流污染物含量;

ω入流——模拟液污染物含量;

ω体系——装置中原先存在的污染物含量。

运用SPSS 18．0软件对试验结果进行方差与极差分析,找出A、B、C因素分别对有机物、总氮、总磷影响的显著性及影响排序。

3．雨水花园的实验结果分析

对不同结构的雨水花园对降雨径流的水文特征(出流洪峰延迟时间、洪峰时刻累积径流削减率、总削减率、渗透率、蓄水率)进行模拟实验采集的数据使用SPSS 18．0进行不同因素(A填料层填料、B填料层厚度、C排水层厚度)的显著性分析、不同因素在不同水平下的差异性分析,并分析其可能的原因,从而获得针对不同测量指标适用于上海市的雨水花园的不同结构参数,为构建上海城乡绿地中不同功能及类型的雨水花园提供理论支撑。

(1)雨水花园结构差异对径流的峰延迟时间的影响

通过模拟实验测定不同实验组对出流洪峰延迟时间,并进行方差分析,结果表明,因素A、因素B、因素C的Sig值均小于0．01,可见雨水花园填料层填料、排水层厚度以及填料层厚度对出流洪峰延迟时间的影响都极显著。基于方差检验的结果可知,对于出流洪峰延迟时间的影响排序为:填料层填料＞填料层厚度＞排水层厚度。因此,当构建适用于上海城市社区的雨水花园并需要着重考虑其对洪峰延迟的效果时,可优先考虑填料种类的选择。

图4-40　不同因素在不同水平下对出流洪峰延迟时间的影响

根据A、B、C因素分别在正交试验中所得的对于出流洪峰延迟时间的均值(图4-40)。由图可知,实验误差浮动均较大,即填料内容、填料厚度、排水层厚度对于出流洪峰延迟时间的影响均较不稳定。应用Tukey HSD a,b方法对因素间不同水平两两比较得知,因素A中不同水平对于出流洪峰延迟时间两两差异较为显著,其中沸石对出流洪峰延迟时间最高为49 min,瓜子片、砌块砖Ⅱ对出流洪峰延迟时间最低分别为26 min、25 min。可能的原因是沸石相较于其他填料其表面粗糙程度较高,增加了填料对径流的黏滞效应,因此相较于其他几种填料出流洪峰延迟时间较长。而砌块砖Ⅱ的粒径较大,对于径流下渗过程可产生的阻力较小,因此对洪峰延迟的时间较短。综上,在构建适用于上海气候条件的雨水花园以提升出流洪峰延迟时间的效率时,建议采用沸石作为填料层填料,其次改良种植土。

因素B即填料层厚度不同水平对于出流洪峰延迟时间差异较为明显,填料层厚度为50 cm时,最高为43 min,厚度为10 cm时,最低为23 min,且随着填料层厚度的增加出流洪峰延迟时间也增加的趋势较为明显。可能的原因是随着填料层厚度的增加,对等体积的流体在同样的压强下所产生的阻力也会增加,所以对出流洪峰的延迟时间也会增加。因此,适用于上海城市社区的雨水花园以提升出流洪峰延迟时间的效率时,建议采用填料层厚度范围为50 cm。

因素C即排水层厚度,不同水平对于出流洪峰延迟时间相较于另外两个因素较不明显。当排水层厚度越大时,其对于出流洪峰延迟时间越高,厚度为30 cm时,最高为39 min,厚度为10 cm时,最低为26 min。可能是因为填料层对于径流的黏滞能力高于排水层,对于径流的滞留主要发生在填料层,所以排水层厚度对出流洪峰延迟时间的影响波动不大。在后续相关实验中,可适当增加排水层厚度范围,再进行对出流洪峰延迟时间的实验,进一步验证两者相关性。因此,在构建适用于上海气候及土壤条件的雨水花园以提升出流洪峰延迟时间的效率时,建议采用排水层厚度范围为20～30 cm。

(2)雨水花园结构差异对径流洪峰时刻累积削减率的影响(www.xing528.com)

通过模拟实验测定不同实验组的洪峰时刻累积径流削减率,并进行方差分析,结果表明,因素A、因素B、因素C的Sig值均小于0．01,可见填料层填料、排水层厚度以及填料层厚度对洪峰时刻累积径流削减率的影响都极显著。基于方差检验的结果,进行三因素的极差分析可知,对洪峰时刻累积径流削减率的影响排序为:填料层填料＞填料层厚度＞排水层厚度。

图4-41　不同因素在不同水平下对洪峰时刻累积径流削减率的影响

由图4-41可知,填料种类在对洪峰时刻累积径流削减率的影响方面较为稳定,而填料厚度、排水层厚度对洪峰时刻累积径流削减率的影响均较不稳定。应用Tukey HSD a,b方法对因素间不同水平两两比较得知(表4-40),因素A不同水平间差异显著,沸石对洪峰时刻累积径流削减率最高为189%,瓜子片最低为41%。可能的原因是沸石相较于其他填料其表面粗糙程度较高,增加了填料对径流的黏滞效应,因此相较于其他几种填料其到达洪峰时刻所经历的时间较长,因此其在洪峰时刻所累积的削减量也相对较多。综上,在构建适用于上海气候条件的雨水花园并以提升对洪峰时刻累积径流削减率的效率为目标时,建议采用沸石作为填料层填料,其次改良种植土。

表4-40　不同水平的洪峰时刻累积削减率的两两比较(因素A)

填料层厚度5水平对于洪峰时刻累积径流削减率差异较明显,且随着填料层厚度的增加而增加,填料层厚度为50 cm时,最高为125%,厚度为10 cm时,最低为81%。原因可能是填料孔隙内携带许多泥沙、粉尘等悬浮颗粒,随着填料层厚度的增加,对等体积的流体在同样的压强下所产生的阻力增加,所以对出流洪峰的延迟时间也会增加,相应的其到洪峰时刻对于径流的削减率也相对较高。因此,在上海城乡绿地中应用雨水花园以提升洪峰时刻累积径流削减时,建议采用填料层厚度为50 cm。

排水层厚度5水平对于洪峰时刻累积径流削减率差异较不明显,当排水层厚度为30 cm时,最高分别为113%,厚度为10 cm、15 cm时,最低分别为88%、82%。该差异出现的原因可能是因为填料层对于径流的黏滞能力高于排水层,对于径流的滞留主要发生在填料层,所以排水层厚度对出流洪峰延迟时间的影响波动不大。因此,在上海城市社区中应用雨水花园以提升其对洪峰时刻累积径流削减率时,建议采用排水层厚度范围为20～30 cm。

(3)雨水花园结构差异对径流总削减率的影响

通过模拟实验测定不同实验组的径流总削减率,并进行方差分析,结果表明,因素A、因素B的Sig值均小于0．01,可见填料层填料以及填料层厚度对径流总削减率的影响都极显著。而因素C的Sig值大于0．05,因此排水层厚度对于径流总削减并没有显著的影响。基于方差检验的结果,进行三因素的极差分析,其对径流总削减率的影响排序为:填料层填料＞填料层厚度＞排水层厚度。

由图4-42可见填料内容在对总削减率的影响方面较为稳定,而填料厚度、排水层厚度对总削减率的影响均较不稳定。应用Tukey HSD a,b方法对因素间不同水平两两比较得知,因素A中不同水平对于径流总削减率两两差异较为显著,其中沸石对径流总削减率最高为43%,改良种植土其次为28%,砌块砖Ⅰ、砌块砖Ⅱ对径流总削减率最低分别为17%、15%。可能的原因是沸石相较于其他填料具有较高的表面粗糙度,相较于其他填料在同样厚度下径流在其间下渗速率较慢,因此在相同降雨情况下,相等的时间段内,其通过渗流设施流出体系的总径流量少于其他填料,因此其对于径流的总削减率较高。综上,在构建适用于上海地区的雨水花园并优先考虑对径流总削减率的效率时,建议采用沸石作为填料层填料,其次是改良种植土。

图4-42　不同因素在不同水平下对总削减率的影响

因素B即填料层厚度不同水平对于径流总削减率差异较明显,填料层厚度为50 cm时最高为33%,厚度为10 cm、20 cm最低为19%、20%,且随着填料层厚度的增加径流总削减率也增加的趋势同样比较明显。可能的原因是随着填料层厚度的增加,对等体积的流体在同样的压强下所产生的阻力也会增加,所以其对径流总量的削减能力也会增加。因此,对于提升径流总削减率的雨水花园,建议采用填料层厚度为50 cm。

因素C即排水层厚度,不同水平对于径流总削减率相较于另外两个因素较不明显。当排水层厚度越大时,其对于径流总削减率越高,厚度为30 cm时,总削减率最高为26%,厚度为10 cm时,最低为22%。可能是因为填料层对于径流的黏滞能力高于排水层,对于径流的滞留主要发生在填料层,所以排水层厚度对径流总削减率的影响波动不大。在后续相关实验中,可适当增加排水层厚度范围,再进行对径流总削减率的实验,进一步验证两者相关性。因此,对于提升径流总削减率的雨水花园,建议采用排水层厚度范围为10～30 cm。

(4)结构参数差异对雨水花园渗透率的影响

通过模拟实验测定不同实验组的雨水花园渗透率,并进行方差分析,结果表明,因素A、因素C的Sig值均小于0．01,可见填料层填料以及排水层厚度对雨水花园渗透率的影响都极显著。而因素B的Sig值大于0．05,因此填料层厚度对于雨水花园渗透率并没有显著的影响。基于方差检验的结果,进行三因素的极差分析,填料层填料＞排水层厚度＞填料层厚度。

由图4-43可知,填料内容、填料厚度、排水层厚度对于雨水花园渗透率的影响均较不稳定。应用Tukey HSD a,b方法对因素间不同水平两两比较得知,因素A中不同水平对雨水花园渗透率两两差异较为显著,其中沸石对雨水花园渗透率最高为80 m/d,砌块砖Ⅱ其次为65 m/d,瓜子片对雨水花园渗透率最低为34 m/d。可能的原因是瓜子片在5种填料中孔隙率最低,其内部掺杂许多泥沙成分,所以径流在其间下渗速率较慢,而其他4种材料的渗透率均较好。综上,为提升雨水花园的渗透率,建议采用沸石作为填料层填料,其次砌块砖Ⅱ。

图4-43　不同因素在不同水平下对雨水花园渗透率的影响

填料层厚度水平对雨水花园渗透率差异不明显,填料层厚度为30 cm时,雨水花园渗透率最高为61 m/d,厚度为40 cm、50 cm时,最低为53 m/d、54 m/d,并未随着填料层厚度的增加雨水花园渗透率呈现相关趋势。可能的原因是在设计降雨量较大并且蓄水层满溢的情况下所产生的水压也相对较大,而填料层厚度的变化对体系内正在下渗的径流产生的黏滞力不如材料本身的变化和排水层厚度变化所产生的影响大,所以填料层厚度变化对雨水花园渗透率的影响并不显著。因此,在设计和建设过程中,如提升雨水花园渗透率时,建议采用填料层厚度为10～50 cm。

因素C即排水层厚度的不同水平对雨水花园渗透率较为明显。但就目前的实验结果而言,排水层厚度变大与雨水花园渗透率的趋势无明显的线性关系,即当排水层厚度为25 cm时,渗透率最高为63 m/d;厚度为30 cm时,最低为13 m/d。在后续相关研究中,可适当增加排水层厚度范围,再次进行雨水花园渗透率的实验,进一步验证两者相关性。综上所述,在构建适用于上海地区的雨水花园时,如果需要考虑雨水花园渗透率时,建议采用排水层厚度的范围为10～30 cm,以提升雨水花园的渗透速率和降雨径流的入渗效率。

(5)结构参数差异对雨水花园蓄水率的影响

由图4-44可知,即填料内容、填料厚度、排水层厚度对雨水花园蓄水率的影响均较稳定。经因素间不同水平两两比较得知,因素A中不同水平对雨水花园蓄水率两两差异较为显著,其中砌块砖Ⅱ、沸石对雨水花园蓄水率较高,分别为36%、34%,砌块砖Ⅰ、瓜子片、改良种植土对雨水花园蓄水率较低分别为29%、30%、30%。可能的原因是沸石、砌块砖Ⅱ相较于其他填料具有较高的孔隙率,且砌块砖Ⅱ的粒径为35 cm,即其堆积密度较小,在雨水花园体系内蓄水能力相对饱和的情况下,同样厚度下孔隙率越大、堆积密度越小其所能蓄水的空间越大,因此砌块砖Ⅱ和沸石作为雨水花园填料时蓄水能力较强。

因素B即填料层厚度对雨水花园蓄水率差异较为明显,且具有随着填料层厚度的增加雨水花园蓄水率相应地降低的趋势,填料层厚度为10 cm时,蓄水率最高为36%,厚度为40 cm时,最低为28%。可能的原因是随着填料层厚度的增加导致总体积增加但是其相对蓄水量的贡献率较低,反而导致了其他层所贡献的蓄水量的比重减少,因此填料层厚度的增加反而使雨水花园蓄水率降低。因此,提升雨水花园蓄水率的建议填料层厚度范围为10～20 cm。

图4-44　不同因素在不同水平下对雨水花园蓄水率的影响

因素C即排水层厚度不同水平对于雨水花园蓄水率较为明显。当排水层厚度为15 cm时,最高为35%,厚度为30 cm时,最低为26%。提升雨水花园蓄水率的建议排水层厚度范围为10～25 cm。

(6)雨水花园对降雨径流中污染物COD的去除率

径流中的有机物分为可溶性有机物和不溶性有机物,其中不溶性有机物主要通过吸附沉降作用被截留在种植层、填料层的表层和中层;可溶性有机物则通过植物根系以及填料表面形成的生物膜的吸附去除,最终两种形态的有机物均通过微生物代谢作用彻底分解。通过模拟实验测定不同实验组对COD的去除率,并进行方差分析,结果表明,因素A、因素B、因素C的Sig值均小于0．01,可见雨水花园填料层填料、排水层厚度以及填料层厚度对COD去除率的影响都极显著(表4-41)。基于方差检验的结果,进行三因素的极差分析,因素A、因素B、因素C的极差依次为40、7、12,因此对于COD去除率的影响排序为:填料层填料＞排水层厚度＞填料层厚度。所以在构建适用于上海城市社区的雨水花园并优先考虑对COD去除率的效率时,优先考虑填料内容,其次排水层厚度,再次填料层厚度。

表4-41　不同因素对径流COD去除率的方差检验

由图4-45可知,针对因素A、因素B的实验误差控制在较好的范围内,而针对因素C的实验误差浮动较大,即填料内容、填料厚度对COD去除率的影响较为稳定,而排水层对于COD去除率的影响较不稳定。对因素间不同水平两两比较得知,因素A中不同水平对COD的去除率两两差异较为显著,其中沸石对COD的去除率最高为61．1%,砌块砖Ⅰ、砌块砖Ⅱ对COD的去除率最低分别为27%、25%。可能的原因有:

①沸石孔隙率最高,同样厚度下其形成的生物膜表面积最大。

②其材料表面粗糙程度高于其他填料,为有机物的截留和分解都创造了更好的条件。

③砌块砖的孔隙率也较高,但是该材料打碎后孔隙中存在粉尘状颗粒,这些细小的颗粒极易与有机物结合然后流出,导致出流中COD的溶解浓度较高。

图4-45　不同因素在不同水平下对COD去除率的影响

因素B即填料层厚度不同水平对COD的去除率相较于另外两个因素较不明显,填料层厚度为50 cm时,去除率最高为47%,厚度为10 cm时,最低为40%。可能是因为去除有机物的主要场所发生在填料层的中上部,所以填料层厚度对COD去除率的影响波动不大。因此,为提升雨水花园对COD去除率,建议采用填料层厚度范围为30～50 cm。

因素C即排水层厚度不同水平对于COD的去除率差异较为明显,当排水层厚度越大时,其对COD的去除率越高,厚度为30 cm时,去除率最高为48%,厚度为10 cm时,最低为36%。可能由于排水层出砾石构成,随着砾石的厚度增加,相应的总生物膜表面积增加,可溶性有机物被吸附的概率增加,因此相应的COD去除率也会增加。因此,在上海城乡绿地提升雨水花园对COD去除率,建议采用排水层厚度范围为25～30 cm。

(7)雨水花园对降雨径流中污染物TN的去除率

径流中存在的氮主要以无机氮和溶解态有机氮组成,雨水花园主要通过微生物硝化—反硝化作用去除,此外也有部分借助植物吸收、介质吸附、氨的挥发等作用去除。雨水花园对雨水径流中NO3—N的去除主要依靠土壤中的反硝化细菌进行反硝化反应,大多数反硝化细菌为厌氧微生物。

通过模拟实验测定不同实验组对TN的去除率,并进行方差分析,结果表明,因素A、因素B、因素C的Sig值均小于0．01,可见填料层填料、排水层厚度以及填料层厚度TN去除率的影响都极显著。基于方差检验的结果,进行三因素的极差分析,因素A、因素B、因素C的极差依次为34、20、17,因此对于TN去除率的影响排序为:填料层填料＞填料层厚度＞排水层厚度。所以在构建适用于上海城市社区的雨水花园并优先考虑对TN去除率的效率时,应优先考虑填料内容。

由图4-46可知,填料内容、填料厚度、排水层厚度对于TN去除率的影响均较不稳定。经因素间不同水平两两比较可得,因素A不同水平间差异显著,瓜子片对TN的去除率最高为75%,砌块砖Ⅱ最低为41%。可能是因为瓜子片在5种填料中孔隙率最低,其内部掺杂许多泥沙成分,所以径流在其间下渗速率较慢,较易形成干湿交替的土壤环境,有利于氮的去除。砌块砖Ⅱ在5种填料中粒径最大,相应的径流在其间下渗速率最快,难以形成厌氧环境,不利于反硝化反应的发生,导致其对于TN的去除效果不理想。综上,为优先考虑对TN去除率的效率时,建议采用瓜子片作为填料层填料,其次沸石、改良种植土,再次粒径为2～4 cm的砌块砖。

图4-46　不同因素在不同水平下对TN去除率的影响

因素B即填料层厚度不同水平对TN的去除率差异较明显,且随着填料层厚度的增加去除率降低,填料层厚度为10 cm时,去除率最高为70%,厚度为50 m时,最低为50%。原因可能是:填料孔隙内携带许多泥沙、粉尘等悬浮颗粒,由于径流在体系内下渗速率较快,当填料厚度增加时,随径流冲刷出的悬浮颗粒会相应增多,当出流所携带氮素的增加量大于随反应面增加氮素被吸附或被硝化—反硝化的增加量,则出流中TN的去除率随填料厚度增加而减少。因此,为提升雨水花园对TN去除率,建议采用填料层厚度范围为10～30 cm。

因素C即排水层厚度不同水平对于TN的去除率差异较为明显,当排水层厚度为20 m、30 cm时,去除率最高分别为65%、63%,厚度为10 cm时,最低为48%。该差异出现的原因可能有:

①随着排水层的厚度增加,体系中参与反应的表面积也相应增加。

②径流在体系内滞留的时间越长,体系内厌氧的时间越长,给予反硝化反应更多发生时间,因此TN的去除效果越好。因此,为提升雨水花园对TN的去除率,建议采用排水层厚度范围为15～30 cm。

(8)雨水花园对降雨径流中污染物TP的去除率

径流中的TP主要是以可溶性磷和颗粒结合态磷存在,其中,可溶性磷所包括H3PO4和等无机磷及可溶性有机磷,大部分是以颗粒结合态磷为主。雨水花园对磷的去除主要依靠填料介质的过滤吸附作用以及植物根系的吸收利用,其中以填料介质的过滤吸附为主。填料对于磷的吸附包括物理吸附、化学吸附和微生物吸附,物理吸附时间短,吸附量小,易饱和;化学吸附主要通过填料中的金属元素Al、Fe、Ca等于磷素形成沉淀或者络合物实现,吸附较为稳定。

通过模拟实验测定不同实验组对TP的去除率,并进行方差分析,结果表明,填料层填料、填料层厚度的Sig值均小于0．01,说明其对TP去除率的影响极显著;排水层厚度对TP去除率0．01＜Sig＜0．05,表明其对TP去除率的影响显著。基于方差检验的结果,进行三因素的极差分析,因素A、因素B、因素C的极差依次为24、12、7,因此对于TP去除率的影响排序为:填料层填料＞填料层厚度＞排水层厚度。填料内容对于TP去除率的影响大于填料层厚度,而上述两因素的影响均大于排水层厚度。所以在构建适用于上海地区的雨水花园并优先考虑对TP去除率的效率时,优先考虑填料内容,其次填料层厚度,最后排水层厚度。

由图4-47可知,因素A、因素B、因素C的实验误差均控制在较好的范围内,即填料内容、填料厚度与排水层厚度对于TP去除率的影响较为稳定。经因素间不同水平两两比较得知,因素A中水平3与其他水平差异非常明显。即沸石对TP的去除率最低为44%,改良种植土、瓜子片、砌块砖Ⅰ以及砌块砖Ⅱ的去污效果都较好。可能的原因是沸石孔隙率较高,易形成较多生物膜,由于其积累了大量生物膜和有机物,阻碍了磷素由径流向介质传导的过程,因此其对TP的去除效果欠佳。综上,为提升雨水花园对TP的去除率,建议采用瓜子片、改良种植土、粒径为5～7 cm的砌块砖或者粒径为2～4 cm的砌块砖。

图4-47　不同因素在不同水平下对TP去除率的影响

因素B即填料层厚度不同水平对于TP的去除率的差异较明显,随着填料层厚度的增加去除率也随之增加,填料层厚度为10 cm时,去除率最低为53%,厚度为50 cm时,最高为65%。可能是由于雨水花园对磷的去除主要依靠填料介质的过滤吸附作用,当填料层厚度增加时,径流所接触的吸附面积就会增加,所以其对磷素的吸附效果更好。因此,在上海城乡绿地中提升雨水花园对TP的去除率,建议采用填料层厚度范围为30～50 cm。

因素C即排水层厚度不同水平对于TP的去除率的差异相较于另外两个因素较不明显,当其厚度为30 cm、50 cm时,去除率较大分别为61%、62%,厚度为40 cm时,最低为55%。可能因为排水层由砾石构成,对磷素的处理能力较低,两者未呈现相关趋势。因此,为提升对TP去除率时,建议采用排水层厚度范围为10～20 cm。