生態護岸面源污染物截污效率簡化計算模型*

楊 星，王 蔚

(1．江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017；2．江蘇省水利工程建設局，江蘇 南京 210029)

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生態護岸面源污染物截污效率簡化計算模型*

楊 星1，王 蔚2

(1．江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017；2．江蘇省水利工程建設局，江蘇 南京 210029)

生態護岸面源污染物截污效率的量化研究對生態護岸建設和管理具有重要的意義，為此，定義了生態護岸截污效率概念并建立了其簡化計算模型，同時，利用常熟地區不同下墊面條件下的人工降雨模擬試驗，進一步分析得到了模型中降雨徑流污染物濃度、降雨徑流含沙量，徑流泥沙所吸附的污染物質量濃度的經驗公式，最后應用該模型對常熟市金涇塘河道治理中擬采用的梯級潛流式生態護岸進行了截污效率計算，結果顯示：利用該模型計算的新型生態護岸綜合截污效率達到了75.4%，和試驗數據基本一致；作為一種護岸環境效益的量化分析方法，模型的建立具有明顯的工程意義。

生態護岸；面源污染；截污效率；計算模型；人工降雨試驗；經驗公式

生態護岸是固岸技術的一種[1-2]。在保有傳統硬質材料護岸型式基本功能前提下，生態護岸加強了護岸的生態保護功能、水邊景觀功能、文化內涵表達功能等，即能達到削弱護岸工程對自然水體環境生態脅迫性的目的，又能很好地滿足人們臨水親水的需求，更能體現一定的區域水文化內涵，符合現代治河理念，得到了廣泛的研究和應用，并取得了豐碩的成果，其中在護岸材料、構造型式、植草技術、行洪影響分析等方面，尤顯突出。以生態護岸構造型式為例，基于天然石材、木材、植被等的常用型式就有堆石、石籠、活木樁(live staking)、灌叢墊(brush mattress)和活枝捆垛(live fascine)等數十種[3-6]。20世紀80年代發明的三維土工網植草技術，2000年加拿大籍韓國人金博士與中國張逸陽博士共同發明研制的生態袋、各種生態磚、生態混凝土、可降解土工布等綠色材料的出現[7-9]，廢棄物綠色材料加工工藝的發展[10]，以及對生態護岸行洪影響、結構安全性能等方向的深入研究[11-13]，進一步推動了生態護岸綜合技術的發展。此外，生態護岸型式的多樣化，還促進了以層次分析法(AHP)為代表的生態護岸優化選型技術的發展[14]。

以上研究成果顯示，國內外生態護岸建設分別經過短期、長期的發展，都積累了相當的理論基礎和實踐經驗，若只從技術應用角度來看，兩者之間的差距不大，主要的存異點在設計理念上，國外發達國家更關注生態護岸的固岸抗侵蝕功能和維系河岸自然屬性功能，所以側重于生態護岸的工程材料、結構安全設計等層面。國內因為當前河流污染、生態系統退化等存在的實際問題，而更寄希望于生態護岸在河流生態系統修復、入河污染物處理等方面的建設成效，已有的研究成果，如，劉盈斐[15]通過魚類對孔隙的選擇實驗，提出多孔棲息單元式生態護岸結構并研究新型生態護岸修建后的魚類數量變化趨勢；蔡婧[16]針對上海城市地表徑流的水質特征，研究了生態護岸提高生物多樣性的效益以及生態護岸作為濱岸植被緩沖帶控制面源污染的效益研究，都是圍繞這兩方面的內容進行的。但是現階段研究成果的匱乏，理論認識又遠遠落后于工程實踐認識，導致生態護岸的生態效益、環境效益的分析與設計，更多地只是依賴定性的和經驗的東西，而缺乏定量的依據，其建設成效不盡人意的實例不乏出現，這也是生態護岸建設目前面臨的主要瓶頸問題。

綜上，針對生態護岸在“生態修復”、“污染物處理”等方面即沒有明確的建設要求，也沒有規范化、標準化設計依據的現實情況，并特別考慮到降雨徑流污染是河流水體污染的主要原因之一，對河流生態環境已經構成嚴重威脅。在污染物處理方面，雖然國外學者早在20世紀90年代初，就針對濕地、砂濾等系統提出了一些表征污染物去除率的簡易方程式，但尚不能直接應用在生態護岸上，生態護岸截污效率計算模型匱乏已成為制約生態護岸設計技術發展的障礙之一，亟待進行研究。為此，定義了生態護岸的截污效率，提出了生態護岸面源污染物截污效率簡化計算模型，為生態護岸環境效益定量性的分析與設計提供一種新的數學方法。

1 模型的建立

1.1 截污效率模型的初步建立

設污染物x任意計算時段Δt(s)進入護岸系統的總量為MIt(kg)，對應的護岸系統截留的污染物總量為MEt(kg)，則護岸系統Δt時段污染物x的平均截污效率P(%)可用公式(1)計算

(1)

污染物x進入護岸系統的總量MIt可以分為徑流攜帶的可溶性部分和徑流泥沙吸附的非可溶部分，按公式(2)計算

(2)

污染物x護岸系統的截留總量MEt主要受2個因素的影響，包括護岸系統截砂的能力、護岸系統截留徑流中可溶性污染物的能力，可以按公式(3)計算

(3)

式中，M1t為計算時段Δt內，截砂作用截留的污染物x的平均質量(kg)；M2t為計算時段Δt內，護岸系統截留的溶在水中的污染物x的平均質量。

M1t和M2t分別按公式(4)和公式(5)計算

(4)

(5)

(6)

式中，K1t為護岸綜合截砂效率(取值0～1)；K2t為護岸對溶于水中的污染物x的綜合截污效率(取值0～1)；CIt為降雨徑流所含溶在水中的污染物x的質量濃度(mg/L)；Cst為徑流泥沙所含污染物x的平均質量分數(mg/kg)；SIt為進入護岸系統的降雨徑流含沙量(kg/m3)。公式中的參數受下墊面條件、降雨強度等影響很大，下面一一講解。

1.2CIt求解公式推導

降雨徑流所含污染物濃度的大小受下墊面條件、降雨強度、降雨量、降雨頻次等綜合因素的影響，理論上難以直接求解，于是根據實測數據尋求經驗公式成為解決的手段。為此，基于以下實際情況：①降雨對下墊面表層污染物的沖刷、稀釋和溶解等作用主要發生在降雨徑流形成的初期，所以盡管徑流污染物質量濃度會隨著降雨過程呈現出一定的隨機性和波動性，但總體下降的趨勢不會改變；②雨強越大，雨水對地表的沖刷作用越強，則降雨徑流攜帶的污染物就越多。所以，一定范圍內，降雨量與污染物質量濃度呈正相關關系。但是，降雨對污染物還有稀釋的作用，超出一定雨強范圍后，在相同的污染物累積量條件下，雨強越大，雨水對污染物的稀釋作用越強，徑流中污染物的質量濃度就會降低，降雨量與污染物質量濃度呈負相關關系；③水利工程上，設計降雨重現期一般≥20年一遇(與市政排水設計區別)，所以用于分析的實測數據應取較大降雨強度的情況；并通過在常熟河網地區不同下墊面進行人工降雨模擬試驗，推求獲得CIt經驗公式(7)。其中人工降雨裝置采用南京南林電子科技有限公司設計的NLJY-10：降雨高度4 m；雨滴直徑分布范圍為1.7～2.8 mm；有效降雨面積為4 m2；試驗雨強分別選擇10、20、50 mm/h；連續降雨歷時120 min；檢測污染物僅考慮TP、TN。

(7)

式中,α、β、γ、a、b是參數，i是降雨強度變量(mm/h)，t是時間變量(min)。

下面驗證公式的合理性：

圖1 徑流污染物峰值計算值和實測值對比Fig.1 Compansion of calculated values and experimental values of of the peak of pollutant concentration表1 降雨徑流污染物質量濃度計算公式參數Table 1 Calculation parameters for formula (7)

類別αβγabTP8.6932.3733.379.3614.40TN6.5134.1937.268.5122.50

1.3 SIt求解公式推導

降雨泥沙的產生過程包括雨滴的擊濺起沙、片蝕、溝蝕以及徑流搬運等過程，機理上十分復雜，理論上也難以直接求解，為此，基于以下實際情況：①降雨量越大，雨滴對地表的打擊擾動作用越強，則侵蝕力越大，泥沙流失也就越多，所以高強度的降雨在徑流形成初期更容易形成較大的含沙量；②徑流泥沙含量隨著產流過程存在一定的波動，但總體隨著降雨過程的漸趨結束而呈現下降趨勢；③參考一般的降雨重現期設計條件，僅考慮大暴雨情況。通過1.2節的人工降雨模擬試驗，推求獲得SIt計算公式如下

圖2 徑流污染過程計算值和實測值對比(雨強:20mm/h)Fig.2 Compansion of calculated values and experimental values of the rainfall pollution process(Rainfall intensity:20mm/h)

(8)

式中：φ、θ、ε、c、d是參數;i是降雨強度變量(mm/h);t是時間變量(min)。下面驗證公式的合理性。

1)公式中的φln(θi)+ε表示徑流泥沙含量的峰值，根據同一場地不同雨強下人工降雨實測峰值，試算看是否能取得最佳的參數φ、θ、ε數值。僅給出常熟金涇塘南港塘段菜地人工模擬降雨試驗試算結果(圖3，φ=3.20,θ=14.14,ε=-8.30)，顯示：①計算的徑流泥沙峰值和實測數據吻合良好；②降雨強度較低階段，峰值增長很快，隨著降雨強度的不斷增大，增長趨勢逐漸減緩，與試驗結果相似；③當i<0.95時，計算峰值<0，此時徑流泥沙含量計算值已經沒有工程意義。

圖3 徑流泥沙峰值計算值和實測值對比Fig.3 Compansion of calculated values and experimental values of the peak of sediment concentration

2)公式(0.01ct+d)3表示徑流泥沙變化趨勢，乘上已經確定的峰值，則可根據不同雨強下人工降雨實測泥沙含量過程，試算看是否能取得最佳的參數c、d值，使得按公式(8)計算出的徑流泥沙含量變化過程相似于實測數據。僅給出常熟金涇塘南港塘段菜地人工模擬降雨試驗試算結果，且僅考慮20 mm/h降雨過程(圖4,c=-0.33,d=1.05)，計算的徑流泥沙變化過程和實測數據擬合度好，顯示了公式(8)的適用性和合理性。

圖4 徑流泥沙計算過程和實測過程對比Fig.4 Compansion of calculated values and experimental values of the sediment concentration process

1.4 Cst求解公式推導

降雨徑流形成過程中，土壤中的一部分污染物質溶解于水中，由地表徑流運載匯入河道；另一部分非可溶性污染物，直接通過徑流泥沙載體運輸匯入河道，成為潛在的污染源。將人工降雨試驗區域隨機采集的土樣，參照相關檢測規范進行前處理，之后作為待檢測土樣：①各取少量待檢測土樣做土壤TP、TN的檢測；②各取100 g待檢測土樣，分別加入500 mL蒸餾水，用玻璃棒充分攪拌(圖5)，最大釋放土壤中的可溶性污染物，之后檢測水中的TP、TN值；③所得結果按公式(9)分別計算土壤污染物TP、TN中各自可溶性部分占比，結果參考表2。

表2 試驗區土壤TP和TN可溶性部分占比Table 2 Ratio between soluble TP and TN in the soil

圖5 土壤污染物中可溶性比例試驗Fig.5 Soluble contaminant test in the soil

(9)

式中，ξ為土壤某種污染物中可溶性部分所占的百分比(%)；M土C土為土壤某種污染物質的質量(mg)，其中,M土為土壤質量(kg，本例為0.1 kg)，C土為土壤中某種污染物質的質量分數(mg/kg)；V水C水為水中某種污染物質的質量(mg)，其中V水為水體體積(L，本例為0.5 L)，C水為某種污染物質的質量濃度(mg/L)。

以上結果顯示：①試驗區土壤污染物質的可溶性部分占比穩定在一定的范圍內；②試驗區土壤總的污染物質中，可溶性部分僅占到1%左右，其余不可溶性部分占到90%左右，也間接說明了對徑流泥沙攔截的重要性。所以，可以將Cst表達如公式(10)，是合理的。

(10)

1.5 截污效率模型的說明

綜上，將CIt的表達式(7)、SIt的表達式(8)、Cst的表達式(10)帶入公式(6)，同時，通過試驗、經驗公式等可以確定系數K1t、K2t數值，則可求得護岸系統的綜合截污效率P。需要說明的是：①生態護岸環境效益定量分析缺乏足夠的理論基礎和研究成

果，所以其截污效率計算公式建立在經驗公式推導基礎上；②水利工程上的設計降雨重現期較大，本節所分析的各類公式一般適用于一定暴雨等級的情況；③公式中主要系數的確定，還需要針對不同地域不同土地利用形式，在下一階段展開進一步的試驗研究，最終給出系數查算圖表。

2 生態護岸截污效率計算模型實例應用

因建設單位和設計單位可研需要，對常熟市金涇塘河道治理中擬采用的一種新型生態護岸-梯級潛流式生態護岸(參考圖6)進行截污效率計算。其截污設計思路參考了土壤滲濾和潛流式濕地污水處理技術，不僅在其內部構筑了砂石填料和梯級跌水坎，還在外部構建了截雨溝和生態袋，其中截雨溝即用于輸送降雨徑流進入砂石填料，又兼顧沉砂截污的作用；連續設置的梯級跌水坎則是為了增強砂石填料去污效果，即一方面利用其阻水作用，增大污染物的水力停留時間，一方面利用坎槽的蓄水作用，提供可吸附污染物的微生物生存或維持微生物活力的富含有機質的水體環境；砂石填料則具有比較有效的滲濾截污作用；生態袋上生長的植被也用于截污作用。

圖6 梯級潛流式生態護岸斷面結構Fig.6 Cross-sectional structure of the ecological riverbank

以TP為例，20 mm/h設計降雨強度條件下，參考已有的前期試驗成果[17]，梯級潛流式生態護岸綜合截砂效率K1t=0.83，對溶于水中的TP的綜合截污效率K2t=0.21，另外CIt、SIt、Cst分別按公式(7)、公式(8)、公式(10)計算，其中主要系數參考表1，計算成果參考圖7,梯級潛流式生態護岸綜合截污效率為75.4%，與試驗結果基本一致[17]，為生態護岸的合理規劃和科學設計提供了數據支撐和定量分析方法。

圖7 梯級潛流式生態護岸綜合截污效率Fig.7 Efficiency of pollutant elimination of the ecological riverbank

3 結論與展望

從環境效益角度，生態護岸還停留在經驗設計階段，缺少定量分析的數學方法，為此，本文進行了生態護岸面源污染物截污效率簡化計算模型的研究，主要結論與展望如下：

1)提出了生態護岸截污效率的概念，分析推導了其計算模型。同時，通過開展常熟河網地區不同下墊面條件下的人工模擬降雨試驗，進一步分析得到了模型中降雨徑流污染物濃度、降雨徑流含沙量，徑流泥沙所吸附的污染物質量濃度的經驗公式，為生態護岸的規劃和設計提供了定量分析的數學方法。

2)利用生態護岸截污效率計算模型，對常熟市金涇塘河道治理中擬采用的一種新型生態護岸-梯級潛流式生態護岸進行了截污效率計算，為金涇塘河道治理的相關建設單位和設計單位提供了必要的數據參考。

3)文中推求的生態護岸截污效率計算模型中的主要參數僅適合常熟地區，其它地區的適宜參數獲取尚需要經過進一步的試驗，以參數查算圖表的形式給出，以方便今后使用。

4)總的來說，生態護岸截污效率簡化計算模型建立過程依據的實測數據以及一般性的降雨面源污染規律，是主要針對中小河流的，對于較大河流情況，還有待進一步分析其合理性。

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Simplified Calculation Model of Non-Point Source Pollution Removal Efficiency by Ecological Embankment

YANGXing1,WANGWei2

(1. Jiangsu Hydraulic Research Institute, Nanjing 210017, China;2. Jiangsu Water Conservancy Project Construction Bureau, Nanjing 210029, China)

Quantitative study of non-point source pollution removal efficiency is of significance in effective management of ecological embankment construction. Therefore, this work put forward a new concept of pollution removal efficiency of ecological embankment and the simplified calculation model. Meanwhile, several empirical formulas of key variables in this model were deduced based on the rainfall simulation tests under different ground cover in Changshu City, including pollutant concentrations in runoff water, sediment concentrations in runoff water and pollutant mass concentrations of sediment in runoff water. As one case study for the ecological embankment with a gradient and subsurface treatment system used for Jinjingtang River in Changshu City, the results showed the comprehensive pollution removal efficiency could reach 75.4%, which was in good agreement with experimental data. As a kind of quantitative analysis method of environmental benefits of ecological embankment projects, the establishment of the model had obvious engineering significance.

ecological embankment; non-point source pollution; pollution removal efficiency; calculation model; rainfall simulation tests; empirical formula

10.13471/j.cnki.acta.snus.2015.05.018

2015-03-11

江蘇省水利科技資助項目(2012064)

楊星 (1978年生)，男；研究方向：水資源與水環境、港口、海岸及近海工程;E-mail: ydaxue@163.com

TV143

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0529-6579(2015)05-0090-06