生态沟渠对黄河流域城市雨水径流调控效果的研究

摘 要：

为探究生态沟渠对城市雨水径流量的调控效果及水质的净化作用，构建生态沟渠试验装置，研究不同重现期下生态沟渠对径流量的削减作用，以及不同径流污染物浓度下生态沟渠对径流污染物的去除作用。以黄河流域中段西安市未央区未央湖附近区域为研究对象，建立SWMM模型对生态沟渠建设前后的城市水文以及水质参数进行对比，分析其对城市水环境的影响。结果表明：生态沟渠在重现期为1 a、3 a、5 a的降雨条件下，径流量平均削减率依次为71.80%、51.67%、47.15%,污染物的去除效果在不同进水污染物浓度下变化幅度较大。模拟结果表明：在3种重现期条件下，构建生态沟渠后，雨水峰值流量均有所削减，对应的削减量依次为3.34 m3/s、2.98 m3/s、3.03 m3/s;峰值时间分别延迟了3 min、3 min、5 min;降雨后期不同重现期的污染物负荷削减率由大到小依次为：1 a>3 a>5 a。研究结果能够为黄河流域城市规划中生态沟渠的建设提供数据支撑。

关键词：

海绵城市;生态沟渠;径流量削减;径流污染物去除;SWMM模型;

杨利伟(1971—)，男，副教授，硕士研究生导师，博士，主要研究方向为水污染控制、海绵城市与雨水管理。

基金：

国际科技合作重点项目计划(2018YFE0103800);

引用：

杨利伟，程舜媛，王岩松，等． 生态沟渠对黄河流域城市雨水径流调控效果的研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 6) : 173-183.

YANG Liwei，CHENG Shunyuan，WANG Yansong，et al． Research on the effect of ecological ditches on the regulation and control of urban rainwater runoff in the Yellow River Basin ［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2022，53( 6) : 173-183.

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0 引 言

黄河流域是中国最重要的生态屏障，同时还是中国的核心经济地带，在维护生态安全和推进经济发展等方面发挥着重要作用。2019 年9 月，习近平总书记特别提出了“弘扬黄河文化，促进黄河流域高质量发展”的目标任务，将推进黄河流域生态保护和高质量发展确定为重大国家战略。然而，现阶段黄河流域面临的生态治理形势依然严峻，生态环境依然脆弱，水资源治理问题尤为突出。为此，需要多学科紧密合作共同推进黄河流域的生态保护工作，以实现高质量的经济和生态协调发展。黄河流域高质量发展必须强化源头控制，统筹实施，科学治理，而海绵城市的建设是一种行之有效的源头控制技术。

生物滞留技术在污染控制、城市雨水管理等多方面起到积极的作用，是有效的低影响开发技术之一，在海绵城市建设中备受重视。近年来国内外学者将关注点集中到生物滞留设施上，如DANIELLE等发现生物滞留系统中植物的选取对于氮磷污染物的去除有着重要作用，此外植物还具有维持生物滞留系统中土壤渗透性的重要功能；PALIZA等研究了伯灵顿路边的8个生物滞留设施对雨水径流中污染物的去除效果，发现生物滞留设施对TSS的去除率最高可达96%,通过添加其他具有优秀性能的材料对传统填料进行改良可以显著提高生物滞留设施对氮磷的吸附性能；李家科等研究了不同改良填料对生物滞留设施持水能力、净化能力的提升作用；蒋春博等借助HYDRUS-1D模型研究了氮元素在生物滞留设施中的迁移和转化的特性；杨乾等研究了生物滞留设施中不同粒径级配对污染物的去除效果，表明粒径级配越小，污染物的去除效率越高。

1 室内试验

1.1 试验装置

本研究所采用的试验装置如图1所示，由潜水泵、进水桶、配水槽、生态沟渠装置、日光灯、出水桶、出水管路等组成。光照时间为12 h/d, 室内温度为18～23 ℃。配水槽选用泡沫制成，辅以三角堰来确保配水均匀。构建的生态沟渠装置长为1 m, 宽为0.5 m, 高为1 m, 底部坡度为1.5%。填料种类及相应的参数如表1所列。

图1 试验装置示意

采用粒径为30～50 mm的陶粒作为改良填料。相比于传统填料(BSM),大颗粒的陶粒具有较大的孔隙，能够更好地为微生物提供吸附空间且造价也相对较低。国内相关的研究还表明选用陶粒作为填料还能对部分重金属、氨氮、溶解性磷进行有效地吸附和去除。同时还能针对不同的降雨污染物，通过适当改良陶粒针对性地提高污染物的去除率。种植土层种植西安市道路绿化带常见植物——麦冬。

1.2 试验方案

1.2.1 试验水量确定

式中，i为暴雨强度[L/(s·hm2)];P为重现期(a);t为降雨时间(min)。

1.2.2 试验水质确定

试验采用人工配置雨水径流，在设定水质参数变化的取值范围时，主要参考的是相关学者对西安市道路雨水径流污染情况的研究以及其他研究文献资料。试验进水水质及不同种类污染物配置所需的药品种类如表2所列。

1.2.3 试验设计步骤

水量试验：进水采用自来水配置，按照设计流量将潜水泵流量调整为1.5 L/min、2.15 L/min、2.5 L/min, 分别对应降雨重现期P为1 a、3 a、5 a的西安市雨水径流量，设定进水时长为60 min, 每隔10 min进行一次蓄水层水位的测定，做好相应的记录。当总出水口处达到稳定出水时，每10 min测定一次出水口的水量。模拟降雨间隔时间为7 d。

水质试验：采用8 种不同进水浓度进行试验，在进水水量为2.15 L/min的条件下，进水60 min, 当出水口处呈现出连续出水状态后，间隔20 min进行一次取样，并且针对不同的进水水质分别进行4次取样来监测水质状况。模拟降雨间隔时间为7 d。

1.2.4 结果分析方法

本试验中，生态沟渠对水量削减的评判指标为径流总量削减率(Rv);对径流污染净化效果的评判指标为污染物去除率(Rc),计算公式分别如下

式中，Vin为进水总水量(L);Vout为出水总水量(L);Cin为进水污染物浓度(mg/L);Cout为出水污染物浓度(mg/L)。

水质试验中测定各径流污染物的方法如表3所列。

1.3 结果分析

本试验研究在不同重现期下，生态沟渠对径流雨水水量的调控效果，径流水量削减效果如图2所示。由图2可以看出，随着降雨时间的持续推进，生态沟渠所起到的径流量削减作用呈现出先升后降的趋势。其主要原因在于经过7 d的干燥时间以后，发生在降雨初期的雨水已经充分被填料所吸附，随后装置达到吸附饱和状态。此时的水量调控效果最佳，径流量削减程度最高。重现期1 a时的水量削减率为65.86%～77.75%;重现期3 a时的水量削减率为43.90%～59.43%;重现期5 a时的水量削减率为36.86%～57.44%;

图2 水量削减率变化

在不同进水浓度下，生态沟渠对不同的径流污染负荷的去除效果如图3所示。由图3可知，随着人工配置进水COD浓度的增加，生态沟渠对COD的去除作用呈现先降后升的趋势，且最低去除率为40.62%,最高去除率为73.12%。随着进水中TN、NH3-N浓度的升高，生态沟渠对这两种物质的去除率变化截然不同：前者先降后升，而后者先升后降。其中TN的去除率最低为25.52%,最高为63.82%;NH3-N的去除率最低为10.92%,最高为62.88%。之所以会出现这种情况是因为在降雨期和干旱期内填料中的氮元素出现了硝化或者反硝化反应，再加上降雨与干旱期的循环交替，使得土壤中的水分和氧含量均出现了明显的变化，进而影响到生态沟渠所发挥的固氮作用以及(反)硝化作用。TP的去除率变化波动相对较小，约为53.74%～84.98%,通过对生态沟渠去除磷的研究分析后可以得出，影响到磷去除效果的因素主要包括以下几类：一是填料种类及不同种类的组合方式；二是入流污染物浓度大小；三是水力负荷大小。

图3 污染物去除率变化

生态沟渠对雨水径流中污染物的平均去除率随时间的变化情况如图4所示。由图4可以看出，随着降雨时间的增加，生态沟渠对4种污染物的去除率都有所下降，这是由于随着降雨时间的推移，生态沟渠中收纳水量增加，水力负荷增大，使得雨水在生态沟渠中的停留时间逐渐减少，雨水中的污染物质不能得到充分的吸附去除，导致污染物去除率降低。

图4 污染物平均去除率变化

生态沟渠对进水中不同浓度污染物去除率的影响如图5所示。在不同进水浓度试验中，污染负荷浓度对COD去除率影响程度较小；污染负荷浓度对TN和NH3-N去除率影响程度较大，整个过程中去除率出现了较大范围的波动；TP的去除率受污染负荷浓度的影响较小，变化幅度不大，去除过程中出现了一些异常值，这是由于磷的去除主要与填料及干旱期有关。可以看出本试验采用的生态沟渠能够在较大污染负荷雨水径流的冲击下，对污染物依然保持较高的去除效果。

图5 径流污染物平均去除率变化

通过室内试验分析了不同降雨重现期下径流量和不同进水污染物浓度下污染物负荷在生态沟渠中的去除效果，考虑到试验室研究与实际降雨径流存在一定差异，选择黄河流域中段西安市未央湖附近区域作为研究对象，采用国内外广泛使用的城市雨洪模型SWMM,将室内试验中生态沟渠不同结构层的深度参数设置为相应的生态沟渠模型参数，研究生态沟渠对城市雨水径流量及污染负荷的作用，结合室内试验的结果说明生态沟渠对城市雨水径流的调控效果。

2 案例分析

2.1 区域概况

研究区域位于西安市北客站以东、渭河以南、灞河以西、西安科技大学以北，总面积约为7.56 km2。研究区域四季气候差距大，夏季高温，降雨量大，占全年的三成以上，且多为暴雨；冬季为旱季，降水量仅为全年的3%～4.72%,多雨雪，径流污染情况严重。

2.2 场地模型概化

将研究区域进行概化处理得到汇水子区域74个，节点46个，管段41段，末端排放口1个。在排放时遵循就近排放和自由排放的基本原则，考虑地形的限制和地面坡度情形，通过排水节点将各子汇水区域进行有效地连接。对研究区域现状路 进行模拟研究，模拟结果如图6所示。

图6 SWMM模型

2.3 模拟参数设置

SWMM模型中降雨模块选用芝加哥雨型，这是一种基于降雨的强度、持续时间以及场次频率之间关系的降雨模式，因此可以概括大部分降雨类型。模拟重现期P分别取1 a、3 a、5 a, 设定降雨时间和计算步长分别为120 min和5 min, 设定雨峰系数为0.4。

采用霍顿下渗模型，根据相关研究成果确定参数取值范围，利用2021年7月24日降雨的实测资料及排出口的实测流量进行参数率定，结合CAD图纸与研究区域的实际情况得到最终的参数取值，如表4所列。

该研究区域的主要污染物类型为COD、TN、NH3-N、TP,这4种污染物在天然雨水中的取值分别为：40.0 mg/L、2.0 mg/L、1.5 mg/L、0.1 mg/L。污染物的累计和冲刷与下垫面的性质有关，水质参数根据相关研究取值,如表5所列。

SWMM中LID模块参数主要有植物体积系数、表面粗糙系数、导水率坡度、枯萎点、孔隙率和深度等。本次模拟采用的主要参数参考国内对海绵城市参数敏感度的研究并将室内试验中生态沟渠不同结构层的深度参数设置为相应的模型参数，具体参数如表6所列。

2.4 模型验证

由于该研究区域缺乏水质监测资料，本研究采用2021年9月1日实测降雨量及排出口实测流量进行模型验证，采用Nash-Sutcliffe系数(NSE)作为模型精度的评价指标，当NSE≥0.5时，可认为模型具有良好精度。模型率定及验证结果如图7所示。

图7 模型率定及验证

由图7可知，所构建的模型对两场降雨径流的模拟结果与实测数据的NSE系数分别为0.897、0.914,均大于0.5,证明所建模型适用于研究区域。

2.5 模拟情形设置

在3 种不同重现期(1 a、3 a、5 a)下，对研究区域内未添加与添加生态沟渠的两种情形，分别进行径流量的模拟测算，对结果进行比较分析，来判断生态沟渠对城市降雨径流量的影响程度，径流量模拟结果以最终排放口节点流量为准。

研究区域水质模拟以排放口的4种污染负荷为研究对象，进而得到研究区域排放口的污染物负荷削减率随时间的变化过程。

2.6 结果与分析

研究区域内未添加与添加生态沟渠在3种重现期(1 a、3 a、5 a)下的模拟结果如图8所示。由图8可知，随着降雨时间的推移，位于研究区域的排放口处流量先升后降。增设生态沟渠以后，排放口流量迅速减小，峰值流量降低，峰值时间推迟。在不同重现期的降雨情形下，地表径流量均有不同程度的减小，重现期为1 a、3 a、5 a时，减少数值分别为2.08 mm、3.50 mm、4.19 mm, 与此对应的最终排放口峰值流量减少数值分别为3.34 m3/s、2.98 m3/s、3.03 m3/s, 分别达到了23.59%、14.89%、13.72%的削减率，峰值流量的向后推迟时间分别为3 min、3 min、5 min。由此可得增设生态沟渠后，地表径流量的削减量与重现期呈现同步变化趋势，而峰值流量的削减率则与其呈现反向变化趋势。

图8 研究区域排出口的总流量过程线

通过在不同降雨重现期下，对未添加生态沟渠与添加生态沟渠排放口处污染物负荷进行模拟，对比结果如图9所示。

图9 污染物负荷削减率变化

由图9可知，在3种重现期下，COD污染负荷在0～60 min内平均削减率分别为57.035%、52.126%、68.439%,60～120 min内平均削减率分别为34.264%、30.434%、29.919%;TN污染负荷在0～60 min内平均削减率分别为58.596%、53.694%、68.412%,60～120 min内平均削减率分别为36.357%、32.644%、31.894%;NH3-N污染负荷在0～60 min内平均削减率分别为61.059%、56.330%、67.887%,60～120 min内平均削减率分别为34.856%、31.224%、30.411%;TP污染负荷在0～60 min内平均削减率分别为61.171%、55.944%、67.580%,60～120 min内平均削减率分别为37.375%、33.573%、32.771%。

随着降雨的持续推进，污染物负荷也会随之增加，而污染物削减率却呈现出下降的趋势。在降雨初期(1 h以内),按照重现期负荷削减率进行由大到小排序依次为5 a、1 a、3 a; 在降雨中后期(1～2 h),由大到小排序依次为1 a、3 a、5 a。由此可以看出，重现期越大，污染负荷削减率变化范围也就越大。

3 结 论

(1)采用改良填料的生态沟渠在重现期为1 a、3 a、5 a的降雨条件下，径流量平均削减率能够达到71.51%、51.24%和47.02%,在不同的重现期下，得到的削减率排序由高至低依次为1 a、3 a、5 a; 生态沟渠对COD、TN、NH3-N、TP的去除有着明显的差异，其去除率依次为：40.13%～73.12%、29.06%～63.82%、10.92%～63.88%、53.75%～84.98%。根据上述试验数据可得，生态沟渠对道路雨水径流调控效果良好，可进一步在城市中推广应用，使城市建成区更加符合海绵城市的建设理念，创建黄河流域宜居城市。

(2)选择黄河流域中段的西安市未央湖附近区域作为研究对象，基于相应的研究参数构建SWMM模型，分别对增加生态沟渠前后的降雨径流削减状况进行对比分析，结果发现在3种重现期下增加生态沟渠后的径流峰值流量削减率波动范围为13.72%～23.59%,且能够实现峰值时间向后推迟3～5 min; 污染物负荷削减率随着降雨时间增加而逐渐降低，随着重现期增加而逐渐降低，位于降雨后期不同重现期的污染削减率排序由大到小依次为1 a、3 a、5 a。可见加设生态沟渠对改善城市生态环境有着很好地促进作用，有利于黄河流域的生态保护和高质量发展。

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