城市河流在承担着城市行洪排涝和受纳城市退水功能的同时, 也面临着工农业和城市生活造成的污染风险^[1-2]。城市河流滨水缓冲带作为河流与周边陆地的过渡交错带, 在入河径流消减及水质净化方面起着关键作用, 对河流的生态环境有着重要影响^[3]。

滨水缓冲带对径流的截留作用主要来源于植被和植物根系的截留以及土壤的入渗^[4-5]。相对于人工硬化河岸, 植物缓冲带可以明显降低流速, 减少降雨过程中汇入水体的总水量^[6-7]。缓冲带对水体的净化作用主要体现在其通过过滤、拦截^[8]、植物吸收、土壤吸附^[9]、增强化学反应等实现对泥沙的拦截和N^[10]、P^[11]等化学元素的去除。

缓冲带的植被类型、生长状态、坡度、坡长等是影响雨水径流滞蓄能力和生物理化化学环境的重要因素^[12]。植被类型的差异对水质的净化作用差异较大, 现有研究结论呈现特异性^[13-14], 效果取决于植被的生理特性、生长状态以及配置方式。通常认为缓冲带的坡度越小, 初始径流产生时间越长^[15], 水质净化效果越好^[16-19]。坡长也能产生重要影响, 国外的研究中, 滨水缓冲带的坡长通常较长, 多数为几十米^[20], 甚至超过百米^[21]。而国内的河岸为应对洪水, 通常堤防较高, 坡度较大, 坡长相对较小, 尺度为几米^[22]或十几米的较为普遍。因此, 在坡长的影响方面, 国内外的研究结论不尽相同, 尚无统一的认识。

目前, 我国正在开展大量的水生态系统修复工程, 迁安三里河生态廊道就是将水泥硬化河岸恢复为自然河岸的典型实践, 其滨水缓冲带的设计考虑了可持续的雨洪资源管理和水生态效益^[23]。本研究对建成后的滨水缓冲带的雨水径流消减和水质净化效果进行验证与分析, 以期为未来城市滨水缓冲带水生态功能的设计与实现提供科学依据。

1 研究区概况

三里河位于迁安市城区东侧, 由西向东南流经迁安市城区, 全长16.2 km, 流域面积48.42 km², 多年平均径流量0.12亿m³。三里河是迁安的重要水源地, 工业化以前, 沿岸芦苇丛生、花草繁盛, 是城区的景观胜地。20世纪70年代, 工业化和城镇化加速, 三里河成为城区工业污水的主要排放通道, 水质受到严重污染, 鱼虾绝迹, 水体污浊且有异味。进入21世纪后, 经过治理, 河水水质有所好转。但仍存在上游来水量减少, 河道断流, 周边用地被随意侵占等问题。为进一步解决这些问题, 迁安市政府于2007年开展三里河生态廊道建设, 主要包括水源恢复、污水截流、生态重建、城市土地开发等内容。生态廊道建设中对河流滨水缓冲带的设计以自然生态为基础, 上游河段基本保持了原有的农林用地, 其余河段采用的植被组成基本为当地乡土树种, 乔木以杨柳为主, 建设区与周边原生的杨柳与针叶植物的混交林地自然过渡。近岸植被以乡土草本为主, 主要包括三叶草(Trifolium repens)、狼尾草(Pennisetum alopecuroides)等^[24-25]。

2 数据与方法 2.1 SCS-CN模型及汇水区CN值计算

SCS-CN模型(Soil Conservation Service-Curve Number)是美国农业部开发的用来估算地表径流的流域水文模型, 其结构简单, 能综合反映流域的地理特征, 在许多流域得到了广泛应用。该模型综合概括了流域降雨条件、土壤分布、土壤水文组、土地利用类型及与径流量间的关系, 详细介绍参见相关研究^[26-27]。

模型通过将流域下垫面因素对降雨-径流的贡献归结为一个无因次的变量CN值(径流曲线数, Curve Number), 最大限度地减少了产流模型的参数数量, 使得模型能在多种下垫面条件下应用。CN值由土壤类型、土地利用方式、水文条件等条件决定。

2.1.1 汇水区划分

场地内绝大部分园路高于两侧植被带(图 1), 因此, 本研究中的滨水缓冲带外侧以园路为边界。根据现场测量的滨水缓冲带的形状、面积、植被情况和坡度等, 将缓冲带划分为22类, 并分别统计其面积(表 1)。

2.1.2 CN值计算

滨水缓冲带的土壤类型主要为薄层黄土、沙壤土。结合降水前5日的降水量总和与植物生长季节两个要素, 判定土壤前期含水量等级。在此基础上, 通过美国国家工程手册列出的CN值查算表得到滨水缓冲带各分区的CN值^[28](表 1)。考虑到坡度对产流的影响, 根据坡度对CN值进行修正^[29](表 1)。

2.2 滨水缓冲带径流人工模拟

三里河位于我国北方典型季风气候区, 大型降水基本集中在夏季, 非集中降雨时径流量极小。为研究不同地表特征的滨水缓冲带的净化效果的差异, 在几种典型断面上进行人工径流模拟。根据滨水缓冲带在植被、坡长、坡度上的差异, 选择了5个典型场地(图 2, 表 2)。实验用水为场地内自来水, 经过缓冲带外围道路后流入缓冲带。放水装置为50 L水箱与橡胶软管。每3组水箱为1组, 同时开始放水并计时, 放水过程中保持水压基本稳定。在场地选取断面定点位置埋入容量为800 mL的量杯, 用于收集地表径流。

2.3 水样品采集及水质监测

为研究滨水缓冲带对入河水体的净化效果, 在典型断面, 分别对自然降雨径流过程和人工模拟径流过程中的地表径流进行样品采集并进行水质检测。水质检测委托中国环境科学院完成, 检测指标为总氮(Total nitrogen, TN)、总磷(Total phosphorus, TP)、氨氮(Ammonia nitrogen, NH₃-N)、化学需氧量(Chemical oxygen demand, COD)、悬浮物总量(Suspended Solids, SS)。

自然降雨径流过程的样品采集断面为4个。断面1的地表覆被组成为道路-疏草草地-园路-草坡-坑塘, 样品采集点为4个, 分别为道路、园路、草坡中部、坑塘入口, 样品采集1次。断面2为雨水干管出口以下, 样品采集点为3个, 样品采集2次, 时间间隔为1 h。断面3的地表覆被组成为道路-草坪-草坪中洼地, 样品采集点为3个, 样品采集2次, 时间间隔为1 h。断面4的地表覆被组成为公园非正式出口-道路-道路旁洼地, 样品采集点为3个, 样品采集2次。样品采集时间为2014年9月1日。

人工模拟径流的样品采集场地为5个(图 2，表 2), 每个场地包括样品采集断面3个。在坡长为5 m, 坡度为10°的场地, 坡面中点和坡底各设置1个样品采集点, 同一点采集样品2次, 时间间隔为30 min。在植被类型分别为草地、灌木, 坡长为5 m, 坡度分别为5°、13°(和10°)的场地, 各设置1个样品采集点, 各点采集样品1次。在植被类型分别为草坪、花卉、灌木, 坡长分别为5 m、10 m的场地, 各设置1个样品采集点, 各点采集样品1次。

3 结果与讨论 3.1 滨水缓冲带雨水径流消减效果

利用SCS-CN模型对2000—2013年间最大单日降雨的径流消减效果进行模拟(表 3)。发现14个年份中的日最大降雨量差异较大, 与消减率之间没有显著的相关关系。14个年份中有9个年份的雨水径流消减率超过了80%, 其前期土壤含水量都较低。雨水径流消减率低于70%的3个年份, 其前期土壤含水量都较大。前期土壤含水量越低, 雨水径流的消减率越高, 表明场地的前期土壤含水量对雨水径流的消减效果影响显著。灌木缓冲带的径流消减效果明显优于其他植被类型, 且覆盖度越高, 消减效果越好。缓冲带的坡长越大, 面积则越大, 雨水径流的消减率越高。缓冲带的坡度范围在5°—30°之间, 在此范围内, 坡度越小, 雨水径流的消减总量越大。

3.2 滨水缓冲带的雨水水质净化效果

断面1的TP和NH₃-N的浓度先增大后减小, TN、COD、SS的浓度持续减小。TP和NH₃-N的浓度从样点1到样点2的增加可能由雨水冲刷道路引起, 样点2到样点4浓度显著下降, 则可能与草地的净化作用有关。断面2的TP、TN、COD的浓度先增大后减小, NH₃-N和SS的浓度持续减小。断面2后半段污染物浓度的减小与植物的净化作用有关。断面3的污染物浓度变化较小或者都显著增大, 可能与污染物集中富集到洼地有关。断面4的TP、COD浓度持续减小, NH₃-N浓度持续增加, TN和SS的浓度先减小后增大。断面4以道路为主, 没有植被覆盖, 样点2处SS显著减小, 表明园区道路能对园区外的颗粒物产生拦截作用(图 3)。

植被带的存在对雨水的水质能起到一定的净化作用, 受园区道路影响初期径流容易含有大量SS, 经过植被带的净化后浓度会显著下降, 消减率可达到98%。最典型的断面1, 雨水先经过道路后又经过植被带, 5种污染物的浓度均得到了显著的净化, TP、TN、NH₃-N、COD、SS的消减率分别为85.35%、13.41%、68.32%、87.76%、98.5%。该结果与相关研究的缓冲带可截留3%—50%的TN、65%—95%的TP相似^[18]。

3.3 不同地表特征对地表径流水质净化效果的影响机制 3.3.1 径流时长

在5种植被类型、坡度为10°、坡长为5 m的缓冲带上采集人工模拟的地表径流, 并对同一样品采集点的两个时间点的污染物浓度与水体的初始浓度进行对比(图 4)。发现径流时长为60 min时, 除花卉对COD和灌木对SS外, 各场地均能使污染物浓度得到消减。径流时长为30 min时, 除砾石和花卉对TP、高草对TN、花卉对NH₃-N、高草对SS外, 各场地均能使污染物浓度得到消减。

不同径流时长对污染物的消减率受植被类型的影响较大。各场地对TP在60 min内的消减率均大于在30 min内的消减率。草坪和灌木对TN在60 min内的消减率均大于在30 min内的消减率。砾石和花卉对TN在60 min内的消减率均小于在30 min内的消减率。30 min内, 高草使得TN的浓度增加, 60 min内则能产生消减。草坪和高草对NH₃-N在60 min内的消减率均大于在30 min内的消减率。砾石和灌木对NH₃-N在60 min内的消减率均小于在30 min内的消减率。30 min内, 花卉使得NH₃-N的浓度增加, 60 min内则能产生消减。草坪、高草和灌木对COD在60 min内的消减率均大于在30 min内的消减率。砾石对COD在60 min内的消减率小于在30 min内的消减率。30 min内, 花卉能消减COD, 60 min内则使得COD的浓度增加。草坪和砾石对SS在60 min内的消减率均大于在30 min内的消减率。花卉对SS在60 min内的消减率则小于在30 min内的消减率。30 min内, 高草使得SS的浓度增加, 60 min内则能产生消减。30 min内, 灌木能消减SS, 60 min内则使得SS浓度增加。

3.3.2 植被类型

在5种植被类型、坡度为10°、坡长为5 m的缓冲带的中点和坡底各采集两次水样, 对坡面中的第一次水样和坡底第二次水样的污染物浓度进行对比(图 5)。发现除砾石外, 其他植被类型均对TP有消减作用。各植被类型均对TN有消减作用, 坡中TN的浓度较相近, 经过坡面后, 草坪和灌木对TN的消减作用较强, 消减率分别为45.21%和27.12%。砾石对TN的消减作用最小, 消减率仅为1.71%。各植被类型均对NH₃-N有消减作用。草坪、花卉和灌木在坡中位置NH₃-N的浓度相接近, 3种植被对NH₃-N的消减率均较高, 其中花卉的消减率达到了63.72%。各植被类型均对COD有消减作用, 草坪、砾石和灌木在坡中位置的COD浓度相接近, 草坪和灌木的消减率较大, 分别为55.8%和57.03%, 砾石的消减作用较小, 消减率为12.99%。花卉和高草在坡中位置的COD浓度相接近, 其消减率相近但均较小。除砾石外, 其他植被类型均对SS有消减作用。

不同植被对不同污染物的消减作用差异较大。草坪对TN、NH₃-N、COD的消减率较高, 花卉对NH₃-N、COD的消减率较高, 高草对TP、SS的消减率较高, 灌木除对SS的消减率较低外, 对其他污染物的消减率较高, 砾石的消减作用最弱, 且会使得TP、SS的浓度增加。总体上, 可以认为植被组成越复杂, 对污染物的消减效果越好, 这与有关研究表明, 森林、草地缓冲带能有效截留N、P, 并且森林、草地的复合林截留效果更好相似^[30-32]。

3.3.3 坡度

在草坪和灌木两种植被类型、宽度均为5 m, 坡度分别为5°和10°的场地上, 采集地表径流样品, 并对比5°坡和10°坡位置的污染物浓度值(图 6)。在草坪场地中, 5°坡对TP、TN、NH₃-N、COD均有消减作用, 10°坡除TP外, 对其他污染物均有消减作用。5°坡对TN和NH₃-N的消减率均大于10°坡的消减率, 5°坡对COD的消减率小于10°坡的消减率。在灌木场地中, 5°坡除COD外, 对TP、TN、NH₃-N均有消减作用, 10°坡对4种污染物均消减作用。5°坡对TP、TN、NH₃-N的消减率均大于10°坡的消减率。

坡度越小, 对污染物的消减作用越大。这是因为缓冲带坡度越小, 地表径流流速越低, 流经缓冲带的时间越长, 污染物截留和降解效率也越高^[33-34]。坡度从10°降低到5°, 消减率提升了50%以上。以往也有研究表明, 当坡度从5°下降到2°后, 缓冲带对TP、TN、SS的消减率可以提升15%^[19]。

3.3.4 坡长

在草坪、花卉、灌木3种植被类型的场地中, 分别在5 m和10 m坡长的位置采集地表径流样品, 并对比各污染物的浓度值(图 7)。在草坪场地中, 10 m坡长对TN、NH₃-N和COD的消减率比5 m坡长的消减率稍大。在花卉场地中, 10 m坡长对TN和NH₃-N的消减率比5 m坡长的消减率稍大, 10 m坡长对COD的消减率比5 m坡长的消减率小, 两种坡长下, COD的浓度都变大。在灌木场地中, 10 m坡长对TN和NH₃-N的消减率比5 m坡长的消减率稍大, 两种坡长下, COD的浓度都变大。

3种植被类型的场地中, 10 m坡长对污染物消减率与5 m坡长的消减率相接近, 坡长的增加对地表径流的净化作用增加不显著。其他相关研究也表明, 9.1 m的坡长对TN、TP、SS的消减率仅比4.6 m的坡长的消减率高10%—20%左右^[35]。这可能与本研究的缓冲带坡长较小有关, CRJC^[36](Connecticut River Joint Commissions)的公告表明截留N需要缓冲带的坡长为45—150 m, 同时, Chang等^[37]对受富营养化威胁的翡翠水库滨水缓冲带的研究发现, 坡长为30 m时去除P的效益最好。

4 滨水缓冲带设计优化建议 4.1 形态设计

条件相似的河段在滨水缓冲带设计中可以选择将宽度控制在5 m以上, 以5—20 m为主体。最理想的坡度应该是5°及以下, 5°—30°的效果也尚可, 超过30°则雨水径流减控和水质净化的效果都会明显下降。实际设计中, 在尊重原有河流和周边高差的情况下, 可以尽量减小坡度。不同形态特征的缓冲带在组合上应该保持河岸的自然凹凸, 一方面可以保证缓冲带与河流的相互作用, 维持河流的自我调节功能, 另一方面能提供城市公园所需的视觉和活动上的多样性。

4.2 植被选择

草地可以作为缓冲带的主体植物, 但一般草坪维护成本高(表 4), 可以选择能达到较高覆盖度, 视觉效果比较低矮整齐的乡土草本作为草地主要植物物种。灌木和高草草丛可以作为辅助的主要植被类型, 种植形式上不应太过杂乱。不需要精心培育养护的有花灌木可以提升使用者的好感。观赏性花卉, 尤其是限制种植密度的观赏性花卉尽量少用在滨河缓冲带内。能够达到较高地表覆盖度(应大于90%)且不需要大量维护的草本花卉不在此列, 可以作为主体草地的组成植被。以植被缓冲带作为河岸的主体构成, 若非必要，尽量不采用砾石河岸。

5 结论

利用SCS-CN地表径流估算模型、地表径流人工模拟以及水体样品实地采集等方法, 揭示了迁安三里河缓冲带的雨水消减及水质净化效果, 并分析了地表特征对其的影响。主要得到以下结论：

(1) 滨水缓冲带对雨水径流量有很好的消减作用。14个模拟年份中, 9个土壤前期含水量较低的年份, 其径流消减率能超过80%。前期土壤含水量、植被类型、坡长对径流消减作用显著, 前期土壤含水量越低、坡长越长, 径流消减量越大。灌木比草坪、花卉、铺装的径流消减量大。5°—30°的范围内, 坡度越小, 径流消减总量越大。

(2) 植被的存在对雨水的水质能起到一定的净化作用, 植被带对TP、TN、NH₃-N、COD和SS的消减率可分别达到85.35%、13.41%、68.32%、87.76%和98.5%。

(3) 不同径流时长对污染物的消减率受植被类型的影响较大。径流时长为60 min时, 除花卉对COD和灌木对SS外, 各场地均能使污染物浓度得到消减。径流时长为30 min时, 除砾石和花卉对TP、高草对TN、花卉对NH₃-N、高草对SS外, 各场地均能使污染物浓度得到消减。

(4) 不同植被对不同污染物的消减作用差异较大。草坪、花卉、高草、灌木对污染物的消减率高, 砾石的消减率低。

(5) 坡度越小, 对污染物的消减作用越大。坡度从10°降低到5°, 消减率可提升50%以上。坡长的增加对地表径流的净化作用增加不显著。