李俊奇，孫夢琪，李小靜，李 璟，李子牧

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點實驗室，北京 100044；2.北京節(jié)能減排與城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044)

在城市化地區(qū)，夏季雨水徑流往往攜帶大量不透水下墊面富集熱量匯入受納水體，干擾了水生生物生命活動，加劇了水環(huán)境富營養(yǎng)化，同時也加大了地表水資源保護(hù)的難度和資源化利用的風(fēng)險[1]。水生態(tài)方面的研究表明，鱒魚、鮭魚等冷水魚類適宜生存溫度為16～18 ℃，當(dāng)溫度升至19～20℃時，其繁殖捕食能力大幅下降，超過23 ℃將會患病致死[2-4]；鯉魚、鯽魚等國內(nèi)養(yǎng)殖魚類在25～29 ℃環(huán)境中健康狀態(tài)不佳，開始患病[5-7]；底棲大型無脊椎動物和諸多魚類都是熱敏性的，長遠(yuǎn)來看，物種多樣性也將受到嚴(yán)重影響[8]。從水環(huán)境的角度，水溫升高會導(dǎo)致溶解氧含量下降，研究表明，水溫從4 ℃升高至21 ℃，溶解氧質(zhì)量濃度由10.92 mg/L降低至8.68 mg/L[9]，加速了藻類等浮游生物的繁殖，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，從而破壞水環(huán)境[10]。

雨水設(shè)施在徑流水質(zhì)控制和水量削減的同時，具有緩解徑流熱污染效能的作用。綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施在削減熱污染方面表現(xiàn)較好，例如植物過濾帶、雨水石籠、植草溝、地下滲蓄水池、透水鋪裝、生物滯留設(shè)施等有促進(jìn)雨水下滲功能的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，在減少徑流外排的同時可有效控制徑流熱污染，其中生物滯留設(shè)施應(yīng)用最為廣泛[11-12]。研究表明，雨水管網(wǎng)也可以降低徑流溫度[13]，但雨水管道的大量鋪設(shè)導(dǎo)致區(qū)域城市化進(jìn)程加快，河道生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[14]。生物滯留設(shè)施主要通過對雨水的體積控制及雨水徑流與填料進(jìn)行熱交換削減徑流熱污染，其表面綠地相較于硬化地面吸收太陽輻射少，植物冠層具有一定的遮陰面積，底層土壤溫度受氣溫變化影響較小，且在雨水下滲過程中砂石等過濾材料具有一定熱交換作用，并對徑流下滲體積削減控制，這些因素使得生物滯留設(shè)施對徑流溫度有較好的削減效果[15]。Jones等[16]監(jiān)測發(fā)現(xiàn)深度為1.2 m以上的生物滯留設(shè)施才能穩(wěn)定控制徑流熱污染，但設(shè)施深度往往受到設(shè)計條件限制不宜過深；Jones等[17]研究表明，在生物滯留設(shè)施內(nèi)部及周圍種植寬葉植物可增大設(shè)施遮陰面積，減少太陽輻射，從而提升其對熱污染的控制效果。大量研究表明，生物滯留設(shè)施的內(nèi)部儲水體積會影響其對熱污染的控制效果，設(shè)施內(nèi)部儲水體積越大越有利于雨水下滲，并有利于提高整體蒸發(fā)量和設(shè)施對雨水徑流的體積削減率，從而減少徑流熱負(fù)荷。Brown等[18]建議增設(shè)內(nèi)部儲水層(internal water storage, IWS)以增大設(shè)施儲水體積，提升其對熱污染的控制效果；Long等[19]通過試驗計算得出，設(shè)有內(nèi)部儲水層且無防滲措施的生物滯留設(shè)施可平均削減雨水徑流熱量37 MJ/m3?，F(xiàn)有的研究大多以實證監(jiān)測為主，主要基于生物滯留設(shè)施對水量和污染物的控制效能，部分研究初步探討了降雨特征及生物滯留結(jié)構(gòu)對設(shè)施熱污染控制效果的影響，但鮮有對生物滯留設(shè)施熱污染控制效果的評價以及對不同影響因素的響應(yīng)機(jī)制研究。

本文通過構(gòu)造典型生物滯留設(shè)施，采用人工模擬降雨的方法，試驗研究了降雨歷時、生物滯留設(shè)施服務(wù)面積與內(nèi)部結(jié)構(gòu)對熱污染控制效果的影響規(guī)律，分析降雨期間設(shè)施各個結(jié)構(gòu)層的溫度變化特征，可為利用生物滯留設(shè)施控制城市雨水徑流熱污染的有效性提供理論支撐，為徑流熱污染敏感區(qū)域雨水設(shè)施的設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

1.1.1生物滯留模擬系統(tǒng)

試驗裝置由生物滯留設(shè)施模擬裝置和模擬降雨系統(tǒng)組成(圖1)。其中生物滯留設(shè)施箱體尺寸為90 cm×90 cm×155 cm，外壁為不銹鋼材料，裝置內(nèi)含直徑為50 cm的生物滯留土柱，側(cè)壁使用PVC材料。不銹鋼外壁四周及底部包裹高密度鋁箔橡塑保溫棉，外壁與內(nèi)部土柱間填充保溫石棉，以避免外界環(huán)境溫度對箱體內(nèi)部土壤溫度的影響。土柱結(jié)構(gòu)由上至下分別是蓄水層(厚度15 cm)、樹皮覆蓋層(厚度5 cm)、種植土層(厚度20 cm)、填料層(厚度90 cm)、礫石層(厚度20 cm)。

圖1 生物滯留模擬系統(tǒng)試驗裝置

生物滯留設(shè)施內(nèi)種植植物選用根系較為發(fā)達(dá)的馬藺(Irislacteal)，植物高度約20 cm，種植覆蓋率為50%；種植土層介質(zhì)采用粒徑為0.35～1 mm的土壤；填料層介質(zhì)采用粒徑2～5 mm的爐渣[20]；礫石層介質(zhì)粒徑為6～20 mm；蓄水層的溢流管和出水滲排管直徑均為10 mm。生物滯留設(shè)施IWS為設(shè)施內(nèi)部的額外儲水空間，試驗中通過將出水口提升一定高度來實現(xiàn)。在內(nèi)部土柱各層布置高精度防水土壤溫度及水分傳感器，由上至下依次布設(shè)7個溫度采樣點，分別用于采集覆蓋層溫度(T1)、種植土層溫度(T2)、填料層溫度(T3、T4、T5)、礫石層溫度(T6)及排水口出水溫度(TO)，其中填料層中傳感器間距為22.5 cm。

1.1.2模擬降雨系統(tǒng)

模擬降雨系統(tǒng)由水箱、噴淋裝置和控制系統(tǒng)構(gòu)成。水箱尺寸為50 cm×60 cm×60 cm，噴淋裝置采用不銹鋼噴射增壓水泵以及直徑為45 cm的噴頭，通過1.5 kW矢量單相變頻器、DN6螺紋脈沖液體渦輪流量計以及流量積算儀實時調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度。

1.2 試驗方案

1.2.1生物滯留設(shè)施接納溫?zé)嵊晁畯搅鬟^程模擬

生物滯留設(shè)施通過變頻器調(diào)控水泵轉(zhuǎn)速，以改變降雨強(qiáng)度，模擬降雨期間每5 min調(diào)節(jié)一次進(jìn)水流量，根據(jù)北京地區(qū)夏季道路雨水徑流溫度的變化范圍，試驗選擇雨水徑流溫度為30 ℃，通過水箱中加熱裝置調(diào)控進(jìn)水溫度。設(shè)施出水流量采用規(guī)格為1.8 L的翻斗雨量計記錄，出水溫度利用出水口處的溫度傳感器采集，采集間隔為5 min。

試驗方案見表1，在降雨重現(xiàn)期為1 a時，研究不同降雨歷時、不同設(shè)施服務(wù)面積和不同IWS高度條件下設(shè)施出水溫度。生物滯留設(shè)施表面積為0.2 m2，匯水面積分別取1 m2、2 m2、4 m2，因此生物滯留設(shè)施面積與其服務(wù)面積比R分別為1∶5、1∶10和1∶20； IWS高度h分別取0 cm、50 cm和80 cm[21]。匯水區(qū)徑流系數(shù)取0.9，基于北京市短歷時暴雨特征研究成果[22]，試驗雨型采用單峰雨型，取雨峰系數(shù)r=0.4，利用北京市Ⅱ區(qū)降雨強(qiáng)度公式，分別計算降雨歷時為30 min、60 min、120 min時的降雨時程分布：

表1 試驗方案設(shè)計

(1)

式中：q為設(shè)計降雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期，a；td為降雨歷時，min。

1.2.2徑流熱污染控制效能評估

試驗中采用場降雨徑流平均溫度作為生物滯留設(shè)施熱污染控制效果的評價指標(biāo)，計算公式為

(2)

式中：TEM為場降雨徑流平均溫度，℃；Q(t)為t時刻出水流量，m3/min；T(t)為t時刻徑流出流溫度，℃；VOi為生物滯留設(shè)施出水口每5 min出水體積，m3；TOi為生物滯留設(shè)施出水口每5 min出水溫度，℃。

采用熱污染削減率作為生物滯留設(shè)施總熱量削減效果的評價指標(biāo)，其計算公式為

(3)

式中:VI為進(jìn)水總體積，m3；VO為出水總體積，m3；TEMI為場降雨徑流進(jìn)水平均溫度，℃；TEMO為場降雨徑流出水平均溫度，℃。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 生物滯留對徑流熱污染緩解效應(yīng)

2.1.1生物滯留熱污染削減

試驗條件下，生物滯留設(shè)施出水溫度變化范圍為23.55～28.50 ℃，平均為26.50 ℃，TEMO較TEMI下降了3.82 ℃，熱污染削減率最高可達(dá)84.12%，表現(xiàn)出較好的熱污染控制效果。分別統(tǒng)計不同深度土壤在降雨過程中以及雨后1 h的溫度，數(shù)據(jù)采集間隔為5 min，各層溫度(T1～T6)變化區(qū)間如圖2所示。由圖2可知，由上至下T1～T6依次降低，各組數(shù)據(jù)的方差依次為5.67、5.36、6.72、2.00、0.88、0.55，T3～T6溫度波動范圍縮小，T6最為穩(wěn)定，雨水徑流中位溫度削減了3.6 ℃，深度平均每增加30.56 cm，土壤溫度下降1 ℃。

圖2 生物滯留設(shè)施各結(jié)構(gòu)層溫度分布

2.1.2不同情景下徑流溫度變化規(guī)律

為研究生物滯留設(shè)施各結(jié)構(gòu)層對徑流熱污染的控制規(guī)律，記錄了降雨過程的進(jìn)水溫度TI和降雨過程中以及雨后1 hT1～T6和出水溫度TO的變化。在降雨持續(xù)時間和不同服務(wù)面積的情況下，以 4種具有代表性的降雨情景為例(圖3)，對設(shè)施內(nèi)部各結(jié)構(gòu)層土壤溫度變化趨勢和規(guī)律進(jìn)行分析。

生物滯留設(shè)施排空時間指設(shè)施蓄水量全部排出所需時間，在降雨間隔大于排空時間時，如圖3(a)(c)所示，覆蓋層溫度(T1)在降雨開始前較低，與雨水徑流接觸后進(jìn)行熱交換導(dǎo)致溫度迅速升高，在35～45 min后達(dá)到峰值29～30 ℃，之后逐漸緩慢下降。種植土層溫度(T2)變化趨勢與覆蓋層相似，但由于T2測點位置位于距表層25.0 cm處，在降雨開始15 min后溫度才發(fā)生變化，在45～50 min后達(dá)到峰值28.5～29.5 ℃，之后逐漸緩慢下降；填料層初始溫度較低，在降雨開始20 min后溫度開始緩慢升高，且整個過程中變化幅度顯著低于T1和T2；T5測點位置位于填料層底部距表層92.5 cm處，降雨歷時為30 min時僅上升0.5 ℃，可見填料層底部的土壤溫度在試驗雨量范圍內(nèi)受雨水徑流溫度的影響很??；圖3(a)中，礫石層溫度(T6)在35 min時出現(xiàn)下降趨勢，分析其原因是礫石層孔隙率較大，表面干燥且較土壤熱傳導(dǎo)更快，外部高溫空氣從底部滲排管進(jìn)入，導(dǎo)致礫石層初始溫度高于填料層，因此下滲的雨水徑流反而降低了該層溫度。綜上所述，一定范圍內(nèi)土壤溫度升高幅度與土壤深度成反比，在土壤深度約為90.0 cm處溫度最為穩(wěn)定，并與出水溫度接近。

圖3 生物滯留設(shè)施各結(jié)構(gòu)層溫度變化特征

由圖3(b)(d)可知，在降雨間隔小于排空時間時，T1、T2、T3在降雨開始后35 min左右上升，變化規(guī)律與降雨間隔大于排空時間情境基本一致；不同的是，分別位于距離土壤表層70.0 cm與92.5 cm處的填料層溫度T4和T5變化趨勢發(fā)生改變，T4、T5在降雨將要結(jié)束時開始下降，此時土壤表層T1～T3上升速度最快，位于距離土壤表層115.0 cm的礫石層溫度(T6)在T4、T5下降的同時開始上升。其原因是此次降雨與前場降雨間隔不足24 h，在生物滯留設(shè)施雨水徑流沒有排空時其內(nèi)部仍蓄積部分熱量，不具備降溫功能，填料層相對穩(wěn)定的溫度使其反而將熱量傳導(dǎo)給雨水，導(dǎo)致填料層內(nèi)溫度下降，隨著徑流下滲在礫石層內(nèi)得到進(jìn)一步冷卻。此情況下，在土壤深度約為120.0 cm處溫度最為穩(wěn)定，出水溫度與土壤深度為70.0 cm處接近。

由此說明，生物滯留設(shè)施對降雨初期徑流的溫度控制效果較好，填料層持續(xù)吸收熱量與徑流達(dá)到熱量平衡，但在實際降雨過程中，若降雨后期徑流溫度低于填料層溫度，生物滯留設(shè)施也可能導(dǎo)致徑流溫度升高。

2.2 降雨歷時對熱污染控制效果的影響

控制進(jìn)水溫度為30 ℃，R為1∶10，當(dāng)td分別為30 min、60 min、120 min時，根據(jù)式(2)(3)計算得到不同td情況下生物滯留設(shè)施對雨水徑流的體積削減率、溫度削減率及熱污染削減率，結(jié)果如表2所示。當(dāng)td由30 min增加到120 min時，出流時間由20 min延長至135 min，TEMO由25.02 ℃升高至26.92 ℃，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的溫度削減值由4.98 ℃減少至3.08 ℃。隨著td的延長，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的溫度削減率隨之降低，體積削減率隨之升高。當(dāng)td由30 min延長至120 min時，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的溫度削減率由16.60%下降至9.37%，體積削減率由19.25%上升至22.63%。

表2 不同降雨歷時試驗結(jié)果

生物滯留設(shè)施對雨水徑流的熱污染削減率隨td的延長呈現(xiàn)前期較為穩(wěn)定、后期下降的趨勢，具體而言，當(dāng)td小于60 min時，體積削減對熱污染削減貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，熱污染控制效果較為穩(wěn)定；當(dāng)td大于60 min時，熱交換對熱污染削減的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，熱污染控制效果隨溫度削減率減小而下降。也就是說，當(dāng)td大于60 min時，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的體積削減率增大幅度不及溫度削減率減小幅度對熱污染控制效果的影響，故其熱污染削減率在td為60 min時達(dá)到32.75%后開始下降。由于長歷時降雨后期填料逐漸達(dá)到飽和，無法達(dá)到持續(xù)的降溫效果，因此在實際工程應(yīng)用中，可在雨水進(jìn)入生物滯留設(shè)施之前增設(shè)其他過濾轉(zhuǎn)輸型雨水控制利用設(shè)施，延長填料飽和時間，以利于排空設(shè)施內(nèi)部蓄水空間，達(dá)到更佳的熱污染控制效果。

2.3 生物滯留設(shè)施服務(wù)面積對熱污染控制效果的影響

以td為60 min、R分別為1∶5、1∶10、1∶20進(jìn)行試驗，研究服務(wù)面積對生物滯留設(shè)施熱污染控制效果的影響，結(jié)果如圖4和表3所示。從場降雨平均出水溫度來看，變化幅度不顯著，但隨R的減小，出水溫度方差由0.063增大至0.839，出水溫度波動幅度增大(圖4(a))；從出水流量變化來看，生物滯留設(shè)施在R為1∶5時對徑流峰值及總量的削減幅度最為明顯(圖4(b))。生物滯留設(shè)施在降雨強(qiáng)度達(dá)到峰值時開始出水，當(dāng)R為1∶5時，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的熱污染削減率最高可達(dá)38.02%，此時對應(yīng)的體積削減率為29.72%；當(dāng)R為1∶20時，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的熱污染削減率降低至23.19%，此時對應(yīng)的體積削減率為14.46%。綜上，隨著R由1∶5變化到1∶10和1∶20，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的熱污染削減率逐漸減小。試驗條件下，R增大1倍，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的體積削減率平均提高7.63%，熱污染削減率平均提高7.42%。此時不同R的生物滯留設(shè)施熱污染控制效果主要取決于設(shè)施對雨水徑流體積的削減能力，因此適當(dāng)增大生物滯留設(shè)施填料體積可增強(qiáng)其對熱污染的控制效果。

(a) 出水溫度

表3 不同生物滯留設(shè)施面積與服務(wù)面積比試驗結(jié)果

2.4 IWS高度對熱污染控制效果的影響

為探究內(nèi)部儲水空間大小對生物滯留設(shè)施熱污染控制效果的影響，試驗通過將出水管提升一定高度，使設(shè)施內(nèi)部形成額外的儲水空間?？刂七M(jìn)水溫度為30 ℃，td為60 min，R為1∶10，記錄不同IWS高度的生物滯留設(shè)施出水溫度及流量變化過程，結(jié)果如圖5和表4所示。當(dāng)h由0 cm變化到80 cm時，生物滯留設(shè)施出流時間由降雨開始后15 min延緩至降雨開始后40 min，對雨水徑流的體積削減率由20.66%增至81.86%，出水流量峰值由0.067 m3/h降至0.010 m3/h。

圖5 IWS高度對生物滯留設(shè)施出水流量的影響

表4 不同IWS高度試驗結(jié)果

由表4可以看出，當(dāng)h由0 cm變化到80 cm時，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的熱污染削減率由32.75%增加到84.12%，TEMO由25.43 ℃增加到26.26 ℃。不同h條件下TEMO幾乎保持一致，但有IWS的生物滯留設(shè)施可大幅度提高對雨水徑流的熱污染削減率。試驗條件下，h每增加10 cm可使熱污染削減率提高5.18%～7.17%，且隨h持續(xù)增加，熱污染削減率的增長速率有所減緩。由出水溫度分析可知，IWS結(jié)構(gòu)沒有直接對徑流溫度進(jìn)行控制，而是通過將下滲雨水暫時儲存在填料層及礫石層內(nèi)削減了外排體積，從而達(dá)到對熱污染控制的效果。但在實際應(yīng)用中，生物滯留設(shè)施四周與原土相連通，選擇在地下土壤滲透性能好的區(qū)域應(yīng)用IWS，可使設(shè)施內(nèi)部雨水與周圍土壤熱交換更為充分，增加徑流下滲量的同時起到回補地下水的作用，但此設(shè)計不宜用于地下土壤滲透率低的區(qū)域，因為設(shè)施內(nèi)部的蓄水無法快速下滲將導(dǎo)致溢流頻次增加的風(fēng)險。

3 結(jié) 論

a.生物滯留設(shè)施對雨水徑流熱污染具有良好的控制效果。生物滯留設(shè)施對1年一遇雨水徑流的溫度削減率為9.37%～16.60%、體積削減率為14.46%～81.86%、熱污染削減率為23.19%～84.12%。現(xiàn)有研究中，生物滯留設(shè)施熱污染削減率通常在20%～85%之間，降雨特征及設(shè)施構(gòu)造對設(shè)施熱污染控制效果影響較大，因此本文數(shù)據(jù)范圍較為合理。

b.降雨過程中各結(jié)構(gòu)層溫度變化規(guī)律差異較大。覆蓋層與種植土層易受徑流溫度影響，溫度上升最快且變化幅度最大；填料層土壤溫度變化幅度較小，越深層土壤溫度越為穩(wěn)定，填料厚度至少90.0 cm才能保證生物滯留設(shè)施對熱污染的削減效果。生物滯留設(shè)施土柱深度平均每增加30.56 cm，土壤溫度可下降1 ℃。此外，設(shè)施排空時間作為關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，對徑流熱污染的控制效果具有一定影響。

c.相同降雨重現(xiàn)期條件下，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的熱污染削減率隨降雨歷時變化幅度不大，降雨歷時由30 min延長至120 min，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的溫度削減值由4.98 ℃減少至3.08 ℃，體積削減率由19.25%上升至22.63%；降雨歷時由30 min分別延長至60 min和120 min時，熱污染削減率由32.66%變化為32.75%和30.57%。

d.設(shè)施面積與其服務(wù)面積比R是影響生物滯留設(shè)施熱污染控制效果的重要因素。試驗條件下，R值增大1倍，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的體積削減率平均提高7.63%，熱污染削減率平均提高7.42%。出水溫度對R的響應(yīng)并不顯著，增大R值可提高設(shè)施對雨水徑流的體積削減率，從而提高對雨水徑流的熱污染削減率。

e.IWS可大幅提高生物滯留設(shè)施熱污染控制效果，IWS高度由0 cm增至80 cm，生物滯留設(shè)施對雨水徑流的熱污染削減率由32.75%提升至84.12%。在結(jié)構(gòu)設(shè)計允許條件下，IWS高度平均每增加10 cm可使熱污染削減率提高5.18%～7.17%。