植草沟(grass swale)是低影响开发技术中的一种，在发达国家已被广泛用于高速公路雨水径流的处理^[1]，在去除径流中TSS、 COD、 金属离子等方面具有良好的效果^{[2, 3, 4, 5]}，但植草沟对TN、 TP 等污染物去除效果的报道存在分歧，部分降雨事件中存在氮磷的释放现象^[1,6,7].以径流输送为主要目的的植草沟可分为植草输送沟和干植草沟(dry swale)，干植草沟通过设置过滤土壤层和下排水管道可增加径流输送能力，但对污染物的净化效果有待探讨^[8].

我国大中城市中道路径流是城市面源污染的重要来源^[9,10]，采用植草沟实行源头控制具有重要意义.然而，迄今为止国内关于植草沟技术的应用研究还处于起步阶段，鲜有现场实验的报道.合肥地区表层土壤黏重，黏粒含量接近40%，土壤渗透性能差，不利于植草沟的应用.为了支持合肥市滨湖新区的低影响开发建设并探讨植草沟的实际应用效果，本研究在滨湖新区内建造了2条不同形式的植草沟用以考察其对道路径流中污染物的去除效果，评价不同植草沟对道路径流污染的控制能力，以期为植草沟在国内的推广应用提供参考. 1 材料与方法 1.1 实验设施

在毗邻巢湖的合肥市滨湖新区庐州大道(双向8车道)一侧建造了2条实验性植草沟设施，分别记作设施Ⅰ和设施Ⅱ.2条植草沟的汇水面均位于道路东侧，汇水面积均为450 m²，设施的服务面积比均为12%.设施Ⅰ为传统梯形断面的植草输送沟，长30 m，高0.3 m，底宽0.6 m，侧面坡度为2 ∶1，纵向坡度为1%.为了提高植草输送沟在土壤渗透速率低、 地面坡度小的地区的应用效果，对设施Ⅱ的底部进行了改良，设置了改良土壤层、 砾石储水层及穿孔下排水管道，具体结构见图 1.改良后的设施Ⅱ属干植草沟，其长、 宽、 高及侧面坡度均与设施Ⅰ相同，纵向坡度为0.5%，在地势较平坦的区域可增加径流输送能力.

图 1

Fig. 1

单位：mm图 1 设施Ⅰ和设施Ⅱ断面结构示意 Fig. 1 Schematic of the cross section of facilitiesⅠ and Ⅱ

路面径流由道路旁两个独立的雨水口通过直径150 mm的连接管分别接入设施Ⅰ和设施Ⅱ.雨水口内有约0.6 m的落底，可储存一定体积的进水，作用类似于进水前处理池.改良土壤层为当地土壤与建筑黄沙按1 ∶1质量比的混合物，厚度为0.1 m，实测渗透速率为1.76 cm ·h^-1.砾石储水层厚度为0.3 m，外侧采用透水土工布包裹，孔隙率约为0.37.下排水管道管径100 mm，沿设施Ⅱ纵向布置，表面开孔直径6 mm，管底距砾石层底部0.1m.设施Ⅰ和设施Ⅱ的表面均种植多年生草本植物高羊茅、 早熟禾和黑麦草，按3 ∶6 ∶1的比例混播，约每月进行1次修剪将其高度控制在10～30 cm之间. 1.2 样品的采集与分析

由于两条植草沟的汇水面位于同一条道路的一侧且面积相同，因此只选取设施Ⅱ的进水口作为进水水质及流量的监测点.同时，分别在两个设施出水口处采集水质样品.降雨初期每5～10 min 采集一个样品，后期采样间隔取30～60 min，具体根据降雨强度大小而定.采用250 mL聚乙烯采样瓶收集水质样品，采集后样品及时检测，未能当天测定者储存于4℃冰箱内的时间不超过72 h.

进水流量采用德国NIVUSPCMF便携式速度-面积流量计测定.设施Ⅰ末端出水处安装60°的三角堰，通过超声波液位计监测、 记录堰上水头计算流量.设施Ⅱ下排水管道处出水流量过程的测定方法与进水相同，其渠道表面的少量出水采用体积法测定.使用SL3-A翻斗式雨量计监测研究区域的降雨特征数据.

水质分析指标：TSS、 COD、 TP、 PO^3-₄-P、 TDP、 TN、 NH⁺₄-N、 NO₃^--N、 重金属离子、 颗粒物粒径.分析方法：COD 采用比色法测定(HACHDRP2010)； 重金属离子采用电感耦合等离子质谱法测定(Agilent7700)，测定元素包括Zn、 Cu、 Cd、 Pb； 颗粒物粒径采用激光粒度粒形分析仪(Malvern Mastersizer 3000)测定； 其余指标分析均采用文献^[11]规定的方法.

所有水质指标均实行过程样的连续监测，结合流量过程的监测获得单次降雨事件的污染物事件平均浓度(event mean concentration,EMC).污染物的EMC值为整个降雨径流事件中该污染物质量与径流总体积之比，可采用文献^[12]建议的方法近似计算得到.

2 结果与讨论 2.1 降雨特征及进出水污染物特性

在2014年6月到2014年8月的监测期间内共发生21场降雨事件，设施Ⅰ 和设施Ⅱ在其中的11场降雨事件中均产生出流.出流事件含雨量小于10 mm的降雨事件2场，10～24.9 mm的3场，大于24.9 mm的6场，相关降雨事件特征见表 1. 11场出流事件对当地造成植草沟产流的降雨具有代表性.

表 1(Table 1)

表 1 出流降雨事件的降雨特证 Table 1 Characteristics of rainfalls in effluent events 特征值 最小值 最大值 中值 平均值 降雨量/mm 7.7 66.3 29.5 32.5 降雨历时/h 3.2 23.8 9.0 11.2 平均降雨强度/mm ·min-1 0.022 0.106 0.046 0.053 前期晴天数/d 0.2 11.9 4.6 4.5

表 1 出流降雨事件的降雨特证 Table 1 Characteristics of rainfalls in effluent events

监测期间，出流事件的进、 出水中部分污染物的EMC值分布情况见表 2.本研究调查结果与国内相似交通条件道路的径流水质接近^[13,14]，其中COD浓度偏小可能是由于本文的研究区域靠近公园，远离居住区，道路表面累积的生活废弃物较少所致.

图 2

Fig. 2

图 2 植草沟进出水中TN、 NH+4-N、 NO3--N、 TP浓度分布 Fig. 2 Distribution of the EMC of TN,NH+4-N,NO3--N,TP in influent and effluent of the two grass swales

表 2(Table 2)

表 2 出流事件设施进水、 出水中污染物的EMC监测结果 /mg ·L-1 Table 2 EMC monitoring results of influent and effluent pollutants in effluent events/mg ·L-1 污染物 进水 设施Ⅰ出水 设施Ⅱ出水 中值及范围 变差系数 中值及范围 变差系数 中值及范围 变差系数 TSS 164.82(45.5～267.92) 0.56 41.05(24.41~74.27) 0.39 21.83(16.72~80.09) 0.58 COD 52.15 (12.2～89.6) 0.55 17.14(23.7～42.37) 0.51 13.54(4.77~32.47) 0.53 TP 0.29 (0.11～0.51) 0.52 0.16(0.10～0.23) 0.28 0.09(0.04~0.26) 0.56 TN 2.31(1.085～6.19) 0.62 1.19(0.78～3.14) 0.52 1.26(0.59~3.25) 0.53 NH+4-N 1.10(0.45～2.03) 0.49 0.72(0.36～1.81) 0.51 0.58(0.20~0.93) 0.42 NO3--N 0.62(0.37～1.94) 0.60 0.53(0.34～2.28) 0.73 0.69(0.40~2.45) 0.68

表 2 出流事件设施进水、 出水中污染物的EMC监测结果 /mg ·L-1 Table 2 EMC monitoring results of influent and effluent pollutants in effluent events/mg ·L-1

各降雨出流事件中设施Ⅰ和设施Ⅱ进水与出水中TN、 NH⁺₄-N、 NO₃^--N、 TP的EMC值分布情况见图 2. 从中可知，部分出流事件中设施Ⅰ和设施Ⅱ均出现了TN、 NH⁺₄-N、 NO₃^--N、 TP的释放现象.这些释放事件的降雨量均大于29.5 mm、 降雨历时均超过5 h.较大的降雨量和较长的降雨历时使得进水污染物EMC值降低，且设施修剪时残留的植物叶片经过长时间的浸泡可成为氮磷元素的释放源^[1]. 设施Ⅰ和设施Ⅱ对TN的去除率中值分别为38.9%和41.5%，但设施Ⅱ仅在一次事件中出现微弱的TN释放现象，其去除效果更加稳定.对于在径流中主要以溶解态存在的NH⁺₄-N、 NO₃^--N，植草输送沟主要依靠吸附、 植物吸收及生物化学作用去除^[1].但由于设施Ⅰ中的水力停留时间较短，导致上述途径对NH⁺₄-N、 NO₃^--N去除的效果受限，使得其去除率中值分别为24.5%和14.3%.对设施Ⅱ运行过程的观测表明，其出水主要通过下排水管道排出，仅在一次降雨事件中观测到表面出水，说明径流在设施Ⅱ中经下渗进入蓄水层，通过管道排出，改良土壤层的过滤、 吸附作用是其主要净化机制^[15]，且改良土壤层中黏粒含量高的当地土壤具有较高的阳离子交换量，对NH⁺₄-N等阳离子具有较强的吸附能力，但NO₃^--N不易被土壤吸附导致其去除效果微弱^[16].设施Ⅱ对NH⁺₄-N、 NO₃^--N的去除率中值分别为47.2%和10.2%.

植草沟对TP的去除效果受进水浓度的影响，在低进水浓度下容易发生TP的释放.随着进水TP浓度的增加，设施Ⅰ和设施Ⅱ对TP的去除效果逐渐提高.整个监测期间内，设施Ⅰ和设施Ⅱ对TP的平均去除率分别为14.7%和45.4%.设施Ⅱ对TP的去除效果较好得益于改良土壤层对径流中颗粒态P良好的过滤截留作用^[17]，设施Ⅰ和设施Ⅱ出水中颗粒态P、 TDP(除PO^3-₄-P外)、 PO^3-₄-P的分布情况见图 3.

图 3

Fig. 3

图 3 两条植草沟出水中不同形态P分布情况 Fig. 3 Distribution of different forms of P in effluent of the two grass swales

植草沟对TSS的去除效果受其粒径大小的影响^[18].2014-08-06及2014-08-24两次降雨事件中进水及两个设施出水中TSS粒径的分布情况见表 3.

表 3(Table 3)

表 3 两条植草沟进出水中颗粒物粒径分布 Table 3 Particle size distribution of influent and effluent in the two grass swales 时间 类型 TSS 浓度/mg ·L-1 粒径分布/μm D101) D50 D90 进水 164.82 9.46 30.9 259 2014-08-06 设施Ⅰ出水 64.65 4.64 19.7 128 设施Ⅱ出水 28.07 4.19 16.4 42.3 进水 222.96 6.8 33.6 885 2014-08-24 设施Ⅰ出水 73.27 5.16 23.1 461 设施Ⅱ出水 80.09 2.52 13.6 1230 1)表示颗粒物累计体积比例达到10%时所对应的粒径大小

表 3 两条植草沟进出水中颗粒物粒径分布 Table 3 Particle size distribution of influent and effluent in the two grass swales

由表 3可知，设施Ⅰ和设施Ⅱ均可有效降低径 流出水中粒径较大的颗粒物所占的比例，减小出水颗粒物粒径的中值.2014-08-24事件中可能因人工采样操作发生偏差，导致设施Ⅱ出水中存在粒径较大的颗粒物，使得其出水TSS稍大.对比TSS浓度可知，植草沟出水中TSS浓度的减少主要受益于较大粒径颗粒物的去除.在11场产生出流的降雨事件中，设施Ⅰ和设施Ⅱ对径流中TSS的去除率中值分别为67.1%和78.6%，设施Ⅱ的去除效果优于设施Ⅰ，原因是设施Ⅱ对颗粒物的净化机制主要为改良土壤层具有的过滤、 截留作用^[19]，不同于设施Ⅰ中植物叶片的过滤作用及颗粒物沉淀作用^[1]，且很少存在沉淀颗粒物受径流冲刷再悬浮的问题.

道路径流中的COD与TSS存在着一定的相关性^[20,21]，植草沟对COD的去除易受到TSS去除效果的影响.监测期间设施Ⅰ和设施Ⅱ对COD去除率的中值分别为46.7%和58.6%，设施Ⅱ的去除效果稍优. 2.2.3 重金属离子的去除

道路径流中重金属离子具有不同的存在形态，其中Cu和Pb主要以颗粒态形式存在，而Zn和Cd在道路径流中主要以溶解态形式存在^[1].对出流事件的进水及设施Ⅰ、 Ⅱ出水中Pb、 Cu、 Cd、 Zn这4种重金属离子含量的测定结果见图 4.

图 4

Fig. 4

图 4 两条植草沟进出水中重金属离子浓度 Fig. 4 EMC of heavy metals in influent and effluent of the two grass swales

由图 4可知，设施Ⅰ和设施Ⅱ对Pb、 Cu、 Cd、 Zn这4种重金属离子均有一定的去除效果，对主要以溶解态存在的Zn去除效果最为显著，设施Ⅰ和设施Ⅱ的去除率中值分别为72.8%和76.3%.原因是一般路面径流的pH范围为6.5～8.0，在此条件下Zn较容易与土壤发生吸附作用而被去除^[17].但径流中的Cd一般不易与土壤产生吸附作用，设施进水中较高的Cd浓度可能是导致其在植草沟中去除率较高的原因.设施Ⅰ和设施Ⅱ对径流中Cd的去除率中值分别为77.1%和78.5%.对于主要以颗粒态形式存在的Pb及Cu，设施Ⅰ和设施Ⅱ均表现出稳定的控制效果，原因是颗粒态的重金属离子在植草沟中主要通过沉淀、 过滤、 截留等作用去除^[22].设施Ⅰ出水中Pb和Cu的浓度范围分别为0.05～0.16mg ·L^-1和0.03～0.17mg ·L^-1，设施Ⅱ出水中Pb和Cu的浓度范围分别为0.03～0.08mg ·L^-1和0.02～0.09mg ·L^-1.其中，设施Ⅱ出水中Pb、 Cu、 Zn这3种重金属离子的浓度均可达到地表水Ⅴ类水的要求^[23]. 2.3 径流污染负荷控制效果

植草沟通过渗透、 蒸发、 孔隙存储等作用控制径流体积，削减出水水量^[24].在2014年6月到2014年8月的监测期间内，通过累计进水量、 出水量统计，得到设施Ⅰ和设施Ⅱ在监测期的累积水量削减率分别为18.5%和22.0%.根据各监测降雨事件中两设施的实测进水、 出水水量与对应降雨事件污染物平均浓度(EMC)，计算得到各污染物在监测期间的次降雨进水、 出水负荷，用于分析设施Ⅰ和设施Ⅱ对次降雨径流污染负荷的控制效果，结果见图 5.

图 5

Fig. 5

图 5 植草沟对不同污染物次降雨负荷的控制效果 Fig. 5 Distribution of removal efficiencies of different pollution load in the two grass swales

由图 5可知，设施Ⅰ和设施Ⅱ对污染物的负荷去除效果均优于浓度去除效果，2条植草沟均可降低降雨事件中氮磷污染物出水负荷大于进水负荷的发生概率.对比两个设施的负荷控制效果可知，设施Ⅱ对TSS、 COD、 TP、 TN、 NH⁺₄-N、 NO₃^--N的负荷削减效果较为稳定，在大部分降雨事件中设施Ⅱ均能较好地控制这些污染物负荷的输出.设施Ⅰ和设施Ⅱ对污染物负荷去除率的中值见表 4.

表 4(Table 4)

表 4 各设施污染负荷去除率中值/% Table 4 Median removal efficiencies of pollution load in the two grass swales/% 植草沟 TSS COD TP TN NH+4-N NO3--N 设施Ⅰ 78.7 58.1 57.8 54.8 52.9 35.6 设施Ⅱ 84.4 70.6 80.0 57.3 63.3 38.1

表 4 各设施污染负荷去除率中值/% Table 4 Median removal efficiencies of pollution load in the two grass swales/%

采用Pearson相关性系数分析降雨量、 降雨历时、 水量削减效果对设施Ⅰ和设施Ⅱ中各污染物去除效果的影响，结果见表 5.

表 5(Table 5)

表 5 各污染物去除效果与降雨特征的相关性 Table 5 Correlation coefficient between rainfall characteristics and removal efficiencies of different pollutants 参数 降雨量/mm 降雨历时/h 水量削减率/% Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ TP -0.055 -0.045 -0.234 0.006 0.251 0.150 TN -0.879** -0.581 -0.705* -0.629 0.517 0.260 NH+4-N -0.668* -0.232 -0.546 0.084 0.458 0.368 NO3--N -0.728** -0.092 -0.667* 0.011 0.670* 0.142 TSS 0.048 0.029 -0.055 0.011 0.135 0.230 COD -0.022 0.311 -0.310 -0.042 0.337 -0.049 1)**表示在0.01的水平上显著相关,*表示在0.05的水平上显著相关

表 5 各污染物去除效果与降雨特征的相关性 Table 5 Correlation coefficient between rainfall characteristics and removal efficiencies of different pollutants

由表 5可知，在设施Ⅰ中主要以溶解态形成存在的TN、 NH⁺₄-N、 NO₃^--N的去除效果与降雨量、 降雨历时均呈较明显的负相关性，且与水量削减率之间的相关性高于其他污染物.改良的设施Ⅱ可有效降低降雨量、 降雨历时等对TN、 NH⁺₄-N、 NO₃^--N去除效果的影响，提升去除效果的稳定性.本研究中设施Ⅱ对污染物的净化机制主要为改良土壤层带来的过滤、 吸附、 截留等作用，这种去除机制是造成设施Ⅱ污染物去除效果优于设施Ⅰ的主要原因.然而，由于本研究设施Ⅱ的改良土壤层较薄，植物的根系又增加了径流污染物的穿透比例，导致设施Ⅱ对各污染物去除效果的提升作用有限.同时，研究区域土壤黏重、 渗透性能差的特点也缩小了2种形式植草沟负荷控制效果间的差距.对比2条植草沟对污染物的去除效果和负荷控制效果可知，在土壤渗透性能差、 地面坡度小的地区，使用干植草沟可取得较好的水质控制及污染负荷削减效果.

4 结论

(1)本研究采用的2种植草沟均能有效去除径流中的TSS、 COD、 Pb、 Cu、 Cd、 Zn等污染物.设施Ⅰ对TSS和COD的去除率中值分别为67.1%、 46.7%，设施Ⅱ对TSS和COD的去除率中值分别为78.6%、 58.6%.设施Ⅱ出水中除Cd、 TN外的监测污染物浓度均可达到地表水Ⅴ类水的要求.

(2)2种植草沟对TN、 NH⁺₄-N、 NO₃^--N的去除率波动较大，对TP的去除受进水浓度的影响，在部分降雨事件的出水中均出现氮磷的释放现象.整个监测期间内，TP的去除效果随进水浓度的增加而逐渐提高，设施Ⅰ和设施Ⅱ对TP的平均去除率分别为14.7%和45.4%.

(3)设施Ⅱ对污染物的净化机制主要为改良土壤层的过滤、 吸附、 截留作用，可有效降低降雨量、 降雨历时等对TN、 NH⁺₄-N、 NO₃^--N去除效果的影响，且对TSS、 COD、 TP、 TN、 NH⁺₄-N、 NO₃^--N的负荷削减效果也更加稳定.在土壤渗透性能差、 地面坡度小的地区，使用干植草沟可取得较好的水质控制及污染负荷削减效果.