雨水花园应对台风降雨冲刷山体土壤淋出液水质的处理效果
张孝忠1,[1]韦学玉2
（1.徐州市水利建筑设计研究院，江苏徐州221018； 2.安徽工程大学，安徽芜湖，241000）
摘要：本文为了论证雨水花园对台风降雨引发的水库水质突变的影响效果，借助模拟小试试验进行研究。结果发现经雨水花园处理后，出水水质得到提升，雨出水浊度被控制在100NTU以下，出水TSS控制率达到45%以上。经雨水花园处理后的水质进入水库，延长水库水质突变时间，给水厂应急处理赢得时间。
关键词：雨水花园；台风降雨；水质处理
1 前言
据统计，全球每年会产生24-30次台风，其中约10-14次的台风会影响到我国的东部沿海[1, 2]，台风强大的破坏力给沿海地区水源地水质、水处理工艺造成巨大影响[3-5]。台风携带的强降雨对以水库为饮用水水源的水质造成巨大影响[6, 7]，强降雨冲刷库区周边土壤，使土壤泥质及土壤中的污染物释放后随雨水汇入水库，浊度、氨氮、总悬浮固态（TSS）等水质指标短时间急剧上升，且水质恶化周期较长，给水厂制供水带来巨大挑战[8, 9]。比如浊度的突变会增加混凝过程中混凝剂的投加量，期间依靠强化混凝工艺依旧无法保证出水水质稳定[10-12]。从源头上减缓台风引发的以浊度为主要污染物的水质突变是当下水厂解决台风引发的水质突变的根本措施[13, 14]。
笔者结合海绵城市“渗、蓄、滞、净、用、排”理念[15-17]，结合小试试验,思考依靠自然积存、自然净化、自然转化的海绵设施去净化水质、削减污染物，从源头上截流一部分污染物，一定程度上缓解水库水质[18-20]。本文以频受台风影响的东南沿海某水库为研究对象，定性分析LID设施对水质的影响效果，以期为以水库水为水源地且频受台风影响的沿海地区提供技术支撑和理论指导。台风“海葵”、“灿鸿”、“莫兰蒂”、“悟空”影响期间，浊度、TSS均产生剧烈突变，浊度最大突变是正常时期的200倍以上，TSS在台风影响期间也升高了接近64倍。
2 研究材料与方法
2.1土壤样品的采集与指标分析
使用土壤取样器整体移取水库周边土壤，按原坡度移入设计水箱，检测土壤样品含水率0.18；浊度分析采用便携式浊度仪，TSS分析采用溶解性固体测定仪。
2.2模拟实验装置设计
淋溶实验装置为有机玻璃材质，长100cm,宽50cm,高 100cm,底部预留漏斗形出水孔，土壤淋溶模拟试验装置示意图见图1。
2.3雨水收集和试验方法
使用储水罐收集雨水，雨水水质见表1.2。基于水库近年来台风影响时降雨的基本情况（见表1.3）设计试验方案。
综合考虑台风影响期间降雨的复杂性，本试验过程中将降雨强度控制为20、30 mm/h，降雨时间一般比较集中，不同台风过境期间降雨时间有存在差异，为了便于研究降雨时间对水质的影响，特将连续降雨时间控制为16 h。
2.4 雨水花园结构设计
考虑到台风期间降雨的极端性，在雨水花园设计时选用根茎强硬、根系发达的红花檵木和花叶杞柳按1:1比例种植，同时在雨水花园边缘区采用φ200-400的卵石护坡，消纳雨水对设施造成的冲击；种植土按照素土：中粗砂：腐殖土为1:3:1配置，种植厚度300mm，下部增设厚度为30mmφ30-50mm的砾石层，砾石层内部铺设透水管收集雨水，收集雨水经透水管排出设施外。
3结果与分析
3.1 出水浊度对比
从图1.2可以看出，雨水花园可以有效控制淋出液浊度值。在不接入海绵设施情况下，淋出液随模拟降雨的进行，出水浊度在0-0.5h内急速升高，随后随着降雨的进行浊度逐渐趋于稳定值；降雨强度30mm/h的淋出液浊度大于20mm/h的淋出液浊度，即同一时刻，降雨强度越大，淋出液浊度越高；当淋出液接入雨水花园设施后，设施出水浊度随降雨时间的进行缓慢升高，浊度值一直被控制在100NTU以下；同等降雨条件下，在降雨持续1h以后，接入设施比不接入海绵设施出水浊度低了近400NTU，即雨水花园对淋出液中以浊度为代表的污染物进行了有效截流。
3.2 出水TSS含量对比
TSS 作为地表径流污染的主要污染物，而且是其他污染物的载体，研究TSS含量变化对于论证雨水花园对淋出液污染物含量重要意义[21, 22]。从图1.3可以看出，雨水花园可截流45%以上的TSS。淋溶初始的0.5h内，雨水花园对淋出液TSS控制率最高达到64%；不接设施时，淋出液随模拟降雨的进行，出水TSS在0-0.5h内急速升高，随后随着降雨的进行TSS逐渐趋于稳定值,1h以后，降雨强度越大，淋出液TSS含量反而低;当淋出液接入雨水花园后，出水TSS得到了一定程度的控制，1h以后出水TSS稳定在70mg/L以下，比淋出液中TSS低30-50mg/L。
4 结论与展望
1．雨水花园对淋出液污染物进行了有效截流，借助雨水花园处理，可以一定程度上净化台风影响下的山体土壤淋出液；
2．设计雨水花园时，应选取根系发达、抗风性强的植物，充分发挥其根系固水能力，防止强降雨破坏组团的结构。
3.雨水花园有效截流台风降雨冲刷土壤释放的污染物，有利于减轻污染负荷，给后续水厂水处理带来巨大效益，如减少混凝剂的投加、减缓滤池过滤冲洗频次等。
4、本实验结论建立在小试试验的基础之上，还需结合实际进行数据和理论修正。
参考文献:
[1]. Pun, I.F., et al., Influence of the Size of Supertyphoon Megi (2010) on SST Cooling. Monthly Weather Review, 2018. 146.
[3]. Lai, L., The relationship between typhoon features and fine particulate matter: events in Metropolitan Taipei. Theoretical and Applied Climatology, 2019(1).
[4]. 文永仁等, 我国台风路径突变研究进展. 气象科技, 2017(6).
[5]. 蔡志文等, 台风"莎莉嘉"过境期间某泻湖内波浪特征分析. 船舶力学, 2017(s1).
[6]. 张孝忠等, 台风引发的底泥扰动对水源水质的影响及保护建议. 中国给水排水. 35(03): 第58-62+68页.
[7]. 周正协等, 台风导致的水库原水水质突变及其应对措施. 中国给水排水, (15): 第35-38页.
[8]. 周文婷, 极端天气强降雨对高州水库水环境质量影响, 西安工程大学.
[9]. 姚玲爱等, 台风强降雨输入水源水库的泥沙沉降模拟分析. 生态环境学报. 27(10): 第122-129页.
[11]. Wei, C., et al., Effect of typhoon with extreme precipitation on mountain reservoir drinking water treatment. 中国人口·资源与环境（英文）: p. 108.
[13]. 刘雯, 原水水质突变下水厂应急调控, 2010, 哈尔滨工业大学.
[14]. 段顺琼等, 城市饮用水源水质变化趋势及突变研究——以昆明市松华坝水库为例. 中国农村水利水电, 2013(11): 第143-146页.
[16]. Xu, Y.S., et al., Design of sponge city: Lessons learnt from an ancient drainage system in Ganzhou, China. Journal of Hydrology. 563: p. 900-908.
[18]. 孟永刚与王向阳, 海绵城市建设中雨洪景观的可持续性设计. 生态经济, 2018(7).
[19]. 王兴超, 地下水库在海绵城市建设中的应用. 水利水电科技进展, 2018(1).
[20]. Liu, H., Y. Jia and C. Niu, “Sponge city” concept helps solve China’s urban water problems. Environmental Earth Sciences, 2017. 76(14): p. 473.
[21]. Bao, W., et al., Particle size distribution mathematical models and properties of suspended solids in a typical freshwater pond. Environmental Pollution, 2018. 241-247.
基金项目：宁波市台风季节饮用水应急技术开发（201701TJ-C0101002）
作者简介：张孝忠（1992-），男，硕士研究生，从事现代水处理理论与技术等方面的研究，E-mail：1403691909@qq.com.
