合肥地区生物滞留设施的水文效应及对径流的净化效果

合肥地区生物滞留设施的水文效应及对径流的净化效果

由于城市化对该地区水文特征的影响，美国提出了低影响发展的概念（lid）。生物收集设施是美国使用最广泛的lid措施之一。作为一种有效的分散控制措施，已广泛应用于许多城市的排水源中。1试验安装和方法1.1渗透型生物滞留设施在合肥市塘西河污水厂内建造了3个生物滞留设施,分别记为B1、B2和B3,其中,B1为设置下排水系统的过滤型生物滞留设施,填料深度为90cm,表面储水区深度为15cm,采用不透水混凝土底板;B2和B3为渗透型生物滞留设施,填料深度和表面储水区深度同B1,B3的底部建有30cm深的砾石储水区。各设施剖面如图1所示。3个设施的尺寸均为长×宽=3.0m×1.5m,表面覆盖厚度为3cm的松树皮,设施内种植当地常见的耐旱耐涝植物黄菖蒲,种植密度为22株/m1.2设施水文效应测量在配水池内配制模拟径流并通过管道输送到各设施,进水流量均使用精度为0.5级的电磁流量计计量。B1出水由穿孔排水管收集后通过集水井排入市政雨水管道,出水流量使用三角堰配合超声液位计测量。B1的进水量为3m中试条件下设施的进水量相当于一场大雨产生的径流,而在实际应用中,降雨事件的降雨量和前期晴天数等是随机的,中试结果难以反映设施实际运行的水文效应。为了扩展中试水文数据的适用范围,笔者借鉴国外生物滞留设施水文模拟的方法,基于中试实测数据,验证率定RECARGA模型。以合肥市气候中心提供的合肥市1989年—2008年除冰冻季节之外的分钟降雨数据作为模型的输入,确定生物滞留设施在当地长期连续运行的水文效应。2结果与讨论2.1设施出流特性RECARGA是一款专门应用于生物滞留设施水文性能分析和设计的软件,现已得到广泛应用。模型应用中的主要输入参数如设施面积、表面储水区深度、排水管径、填料深度及其渗透速率等都通过现场试验取得。根据设施总进水量和假定的设施服务区域面积及其不透水性区域的比例可以推求设计进水对应的总降雨量,将总降雨量按各设施的进水流速成比例分配即可得到模拟计算所需要的设计降雨过程。验证率定模型时将设计降雨过程输入模型模拟设施进水。模型输出数据包括设施的溢流量、排水管出流量、地下水回补量和最大积水时间等与设施水文特性相关的参数。对于B1,中试期间共进水5次,在RECARGA中设置设施的服务面积比为5%,汇水区域全部为不透水路面,设施表面储水区深度、填料深度、排水管径按照实际值输入,设施底部原土渗透速率设为零,蒸散量根据合肥市平均气温和辐射值求算。向RECARGA中导入3次进水对应的设计降雨过程,并将填料渗透速率设为实测值即9.9cm/h,模拟得到的设施出流过程与实测结果能较好地吻合。对设施3次出流过程进行验证,模拟效率系数均大于70%,说明通过模型计算得到的结果能较准确地反映设施的出流特性试验期间,B2和B3共进水8次,两者所能控制的总径流量分别为(1.47±0.09)和(1.94±0.12)m对B2和B3各使用5次进水试验数据进行率定,率定后B2和B3的表面积水时间实测值与模拟值的平均相对均方差分别为3.48%和3.45%,模拟值与实测值吻合较好,能够准确反映B2和B3的水文特性。率定得到B2和B3底部原土的渗透速率分别为0.75和0.81cm/h。采用双环渗透仪实测合肥市滨湖新区典型城市绿地地面以下20~40cm深处的土壤渗透速率为0.18~0.37cm/h。建造生物滞留设施过程中的开挖作业,显著增强了周边原土的渗透能力,促进了径流的侧向渗透试验中由观测井得到渗透型生物滞留设施进水与周边浅层地下水水位的关系如图2所示。渗透型生物滞留设施进水后,浅层地下水水位明显上升,这是因为较低的土壤渗透速率的限制和高地下水水位的顶托,使得进入设施的径流下渗困难且横向扩散速度慢,阶段性提高了设施附近的浅层地下水水位。试验期间,浅层地下水中监测污染物的浓度始终稳定在较低范围内,均未见明显上升,浅层地下水水质始终能达到国家地下水Ⅲ类水体的标准,这是因为合肥地区土壤渗透性差,能很好地截留污染物,径流中的污染物难以透过原土迁移到浅层地下水中。因此,进入渗透型生物滞留设施的径流所携带的污染负荷可认为被完全去除。2.2设施水文性能应符合防止降雨的三大趋势生物滞留设施的设计目标主要分水量和水质控制两大类。国外实践表明,在原土渗透速率<1.27cm/h时,渗透型设施的水力负荷小,难以应用。由于合肥地区的原土渗透速率过低,渗透型设施只能按水质控制标准考虑。笔者设定渗透型生物滞留设施处理初期15mm径流,即可取得较为理想的污染负荷控制效果。模拟所采用的当地非冰冻季节降雨过程数据,20年的年均降雨量为790mm,而实际年均降雨量为980mm。由于冰冻季节的单次降雨量较小,假定冰冻季节降雨过程中生物滞留设施不会发生溢流,设施的年溢流量约为按照非冰冻季节降雨过程计算得到结果的81%。造成设施长时间积水的降雨事件通常发生在非冰冻季节,故使用模型计算得到的单次最大积水时间能代表实际长期运行的情况。设置排水系统的生物滞留设施的水力负荷较高,可考虑按水量控制标准设计。在未开发地区,地表径流量约为年总降雨量的10%~30%。笔者设定过滤型生物滞留设施的年溢流量计算值不超过年径流量的30%,考虑服务区域全部为不透水下垫面(径流系数为0.9),冰冻季节的降雨不会发生溢流,设施的溢流量约为区域年总降雨量的22%,认为此刻区域的水文性能可维持开发前的状态。根据1989年—2008年的降雨数据,以年度为单位进行模拟计算,模型试验统计的设施单次最大积水时间为20年内各年最大值的均值,溢流量、地下水回补量、排水管出流量为20年年累积值的均值。为了防止蚊蝇滋生和保证植物生长良好,生物滞留设施的最大积水时间通常不超过24~48h。根据合肥地区的土壤水文条件,过滤型和渗透型生物滞留设施的年单次最大积水时间分别取24、48h。对于渗透型生物滞留设施,合肥地区原土渗透速率过低是限制径流下渗的最主要因素,填料的深度和渗透速率对设施水文性能的影响较小。若设施在降雨间歇期能充分落干,设施服务面积比为5%即可控制初期15mm径流。由于当地原土渗透速率仅约为0.4cm/h,单次最大积水时间不超过48h成为这种设施应用的限制因素:在设施服务面积比<10%的条件下,中雨(24h雨量<15mm)就可能造成储水区深度10cm的设施满蓄或漫溢。中雨以上的降雨事件发生频繁,前次降雨积水尚未排尽、后续降雨径流又来的情况,以及降雨历时很长的大雨,都会造成年最大积水时间超过48h。在表面储水区深度为10cm、填料渗透速率为5cm/h、填料深度为90cm的条件下,不含底部储水区的渗透型生物滞留设施水文性能与服务面积比的关系见表1。鉴于合肥地区城区土地资源紧缺,渗透型生物滞留设施主要适用于着重控制径流污染、对设施积水时间要求不严格的区域,设施服务面积比建议不小于10%。服务面积比为5%时,设施底部30cm储水区的设置理论上约能控制4~5mm径流,而由于合肥地区原土渗透速率过低,底部储水区内的蓄水在降雨间歇期难以充分落干,使得其作用不能有效发挥。配置下排水系统的生物滞留设施的主要设计参数为设施服务面积比和填料渗透速率当设施服务面积比由4%增加到7%时,设施的溢流量明显减少;继续增大设施服务面积比,则溢流量减少幅度降低。在设施服务面积比>5%、填料渗透速率>3cm/h时,过滤型生物滞留设施的平均年单次最大积水时间<24h。为了减少设施的占地面积并尽量提高设施的水文控制效果,过滤型生物滞留设施的设施服务面积比宜取5%~7%、填料渗透速率宜取3~5cm/h。受试验区域地下水位的限制,笔者只建设了过滤型和渗透型生物滞留设施。在实际应用中,若地下水位较低,为减少设施的排水管出流量,过滤型生物滞留设施底部可以不设防水层,即将设施建为过滤-渗透型。也可以在过滤-渗透型生物滞留设施底部建造一定深度的储水区,即将设施建为过滤-渗透-回补型。在设施服务面积比为5%、表面储水区深度为15cm、填料渗透速率为5cm/h的常见设计参数条件下,过滤型、过滤-渗透型和设有30cm内部储水区的过滤-渗透-回补型生物滞留设施在合肥市的运行效果的模型试验结果见表2。在同样的设计参数下,相对于过滤型生物滞留设施,过滤-渗透型生物滞留设施能小幅度削减设施的排水管出流量,而过滤-渗透-回补型生物滞留设施能减少34.6%的排水管出流量。3种构型设施的单次最大积水时间、溢流量、年均溢流次数均无明显差异。不建防水层或设置内部储水区的主要作用在于减少设施的排水管出流,同时有助于提高设施的污染负荷控制能力。根据设施水文控制效果的目标,建议的过滤-渗透型和过滤-渗透-回补型生物滞留设施的主要设计参数与过滤型生物滞留设施相同。3设施、排水系统的设计原则渗透型生物滞留设施的应用可以补给附近的浅层地下水,且不会导致地下水污染。合肥当地原土渗透速率过低导致渗透型设施的水力负荷较小、积水时间较长,限制了这种设施的应用。渗透型设施宜按水质控制标准设计,主要用于关注径流污染控制、对设施积水时间要求不严格的区域,设施的服务面积比建议不