第2期
2021年2月
广东水利水电
G U A N G D O N G WA T E R R E S O U R C E S A N D H Y D R O P OW E R
N o .2
F e b .2021
削减效果的试验研究
赵璧奎
1,2,3
，胡佳纯1,2,3，洪昌红1,2,3，周铭浩1,2,3，陈家豪1,
2,3小家电控制板
(1.广东省水利水电科学研究院，广东广州 510635;
2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510635;
3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东广州 510635
)摘 要：为探究不同生态护坡对氨氮㊁磷酸盐的削减效果和规律，构筑了现浇绿化混凝土㊁生态砌块㊁格宾石笼㊁植物蜂巢㊁普通植草等5种不同生态护坡试验段并开展了径流模拟试验，分别监测了试验过程中地表径流㊁壤中流的水量水质变化过程㊂结果发现：以上5种生态护坡对氨氮㊁磷酸盐的削减率均较为显著；对氨氮㊁磷酸盐的综合削减率由大至小依次为植物蜂巢(68%,59%)㊁格宾石笼(54%,43%)㊁生态砌块(41%,38%)㊁现浇绿化混凝土(23%,13%)㊁普通植草(22%,12%)；壤中流对氨氮㊁磷酸盐的削减率均显著高于地表径流㊂关键词：生态护坡；污染削减；现浇绿化混凝土；植物蜂巢；生态砌块
中图分类号:T V 861 文献标识码:A 文章编号:1008-0112(2021)02-0001-07
收稿日期:2020-11-23；修回日期:2020-12-20
基金项目：国家重点研发计划项目(编号:2016Y F C 0402603)；广东省水利科技创新项目(编号:2017-13)；深圳市水务科技创新项目(编号:1243-456O T C 1803203)；广东省省级科技计划项目(编号:2017A 070701011
)㊂作者简介：赵璧奎(1985-)，男，博士，高级工程师，主要从事海绵城市建设及水库优化调度与水资源优化配置研究工作㊂
径流总量控制㊁径流峰值控制㊁径流污染控制㊁雨水资源化利用是海绵城市建设规划的4大控制目
标[
1]
㊂河湖水系是城市海绵体的重要组成部分，是城市资源㊁环境㊁生态㊁景观的载体[
2]
㊂应用生态护坡材料实施生态岸线恢复工程，是实现污染物截留㊁增强河道自然净化能力的重要措施㊂
生态护坡及其植被对水质净化的机理与效果仍处
于研究探索中㊂蔡婧等[3
]通过现场模拟径流试验，研
究了柴笼㊁灌丛垫㊁植草3种不同类型的生态护坡对地表径流的延滞作用和污染控制作用，证明生态护坡在控制地表径流污染方面具有良好的生态效益㊂王慧
子等[4]
选取麦冬㊁香根草㊁狗牙根3种植物作为护坡
植物进行模拟降雨冲刷试验，研究了植物对降雨径流
携带的泥沙等悬浮固体污染物的拦截效果㊂张文源[
5
]等针对深圳坪山河 宾格石笼网箱+中空生态砌块+联锁砌块+植被修复 的组合式生态护坡方式，研究暴雨
径流削减效益和污染物的削减效益㊂李亚娟等[6
]应用
M I K E 中E c o L a b 模块，模拟研究河流湿地水动力及电力线网络摄像机
水质净化效果㊂另外也有学者从生态护坡对河道水质净化效果的视角开展研究，分别从不同生态护坡滨水
植物选择[7-10]㊁多孔混凝土与水生生物组合优化[11
]等
方面进行了大量研究㊂从现有研究成果看，生态护坡植物对河道中的C O D ㊁T N ㊁T P 等多种污染物质均有
着较好的去除效果，能够满足河道水质净化的要
求[
12]
㊂此外，国内外学者就生物滞留设施中填料改良对地表径流水质净化作用开展了大量试验研究[
镜片镀膜13-16
]，为生态护坡对地表径流水质净化作用提供很好的借鉴参考㊂
随着 生态岸线恢复 被纳入海绵城市建设绩效评
价与考核指标的约束性指标[
17
]，生态岸线恢复将更加受到重视，生态护坡材料应用前景将更加广阔㊂然而，目前生态护坡材料种类繁多，新型护坡材料的水质净
㊃
1㊃
化效果差异尚不明晰㊂笔者选取了当前广泛应用的5种生态护坡材料作为研究对象，采取模拟径流试验方法，探究不同生态护坡材料对径流氨氮㊁磷酸盐削减效果，为护坡材料的选用提供借鉴，并结合试验结果对生态护坡的应用提出几点建议㊂1 材料与方法1.1 材料选择
选取当前应用最为广泛的格宾石笼㊁生态砌块和具有推广应用前景的现浇绿化混凝土㊁植物蜂巢等材料作为研究对象，其结构形式如图1所示,5种护坡材料特性如表1所示，并选择普通植草护坡作为参照组
㊂
图1 主要生态护坡材料结构形式示意表1 5种护坡材料结构特性对比
材料类型主要材料材料特点
格宾石笼结构
格宾网片+块石柔韧㊁抗冲耐磨㊁防锈㊁抗老化㊁耐腐蚀较好
生态砌块
预制混凝土砖
连锁结构提高了整体性，能适应轻微的塌陷变形现浇绿化混凝土*
多孔无沙混凝土
结构整体性好㊁抗冲抗压强
度高，孔隙率高㊁具有连通孔隙结构适合动植物生长㊂植物蜂巢蜂窝状高分子片材
施工快捷㊁方便㊁省力，柔性结构能够适应不均匀沉降普通植草
素土
回填夯实土㊁施工方便㊁成本低
注：冯辉荣[18]
等形象地称现浇绿化混凝土为 沙琪玛骨架 绿化混
凝土㊂
1.2 试验装置
分别构筑了每种护坡材料的试验段，每个试验段长为6m ㊁宽为1.5m ，坡度为1 2.25，完成护坡材
料构筑后，在结构材料表层铺设5c m 厚回填素土作为
植土层，并铺设马尼拉草[19]
草皮，植草铺设㊁培育4
个月后开展模拟试验㊂5种生态护坡中，生态砌块植被覆盖率为18.13%，其余试验段表面均全部覆盖植被，试验时植被生长良好㊂
试验装置由2t 储水桶㊁供水管㊁开关㊁流量计㊁
分水管组成供水系统，为了区分生态护坡对地表径流和壤中流的水质净化效果，试验装置下边缘设置2个出水管，分别收集地表径流和壤中流，试验装置示意及现场照片如图2所示
㊂
图2 试验装置示意及试验段现场照片
1.3 边界条件
考虑氮㊁磷是引起水体富营养化的关键指标，试验选取氨氮㊁磷酸盐两项水质指标为代表㊂试验用水是某试验基地生活污水，并添加少量氯化铵㊁磷酸二氢钾等物质配置而成㊂
水燃料
参照深圳市2年一遇设计暴雨强度150.71L /(s ㊃h m 2
)
，假设护坡外边界道路为3车道，即道路宽度为10.5m ,
试验段宽度为1.5m ，汇水面积为15.75m 2
，推算试
验段平均汇水流量约为12.11L /m i n
，每一组护坡上㊃
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赵璧奎，等：不同生态护坡材料对径流中氨氮及磷酸盐削减效果的试验研究
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边界的入流流量大小尽量维持恒定，径流模拟时间长度为60m i n
㊂实际试验中受水桶内水位变化及管线水头损失影响，实际入口流量存在波动变化，每次试验单独进行，不同组次的水质浓度也存在一定差异，每组试验的平均流量和平均水质浓度如表2所示㊂ 表2 每组试验的平均流量及水质浓度
指标
普通植草格宾石笼现浇混凝土植物蜂巢生态砌块平均流量/(L /m i n )12.413.112.511.811.5氨氮浓度/(m g
/L )3.04.02.11.91.4磷酸盐浓度/(m g /L )5.8
5.3
5.4
4.1
4.4
1.4 监测与采用
1
)采样频率试验开始时刻打开总开关并快速调节至预设流量
对应开度㊂从试验开始时刻T 0起，每隔5m i n 记录入口处流量计读数㊂分别记录地表径流㊁壤中流开始溢流的时刻，并从各自开始溢流时刻开始按照5m i n
间隔监测记录流量值，两个出口流量采用量筒计时法计量㊂每次监测记录流量时均同步采集3处监测点处的水质样品，当试验第60m i n 时，关闭供水阀门并加
密地表径流和壤中流的监测和采样，直到地表径流㊁壤中流均结束溢流时，试验结束㊂
2
)水质检测按照国家标准方法对所采集水质样品进行测定,
其中磷酸盐(P O 3-4)
采用钼酸铵分光光度法，氨氮(N H 3-N )
采用水杨酸分光光度法㊂1.5 评价方法
1
)浓度削减率选取浓度削减率指标评价生态护坡的污染物削减
效果㊂地表径流和壤中流的氨氮㊁磷酸盐两项水质指标的浓度削减率R e 计算公式见式(1)(2
):R e 地=C 1-C 2
C 1
ˑ100%
(1)R e 壤=C 1-C 3
C 1
ˑ100%
(2
)
式中 R e 地㊁R e 壤分别为地表径流㊁壤中流的削减率,%;C 1为输入的平均浓度,m g /L ;C 2为地表径流出口的指标平均浓度,m g /L ;C 3为壤中流出口的指标平均浓度,m g
/L ㊂因试验过程中流量及对应水质均为波动变化，计算平均浓度时按照逐时段水质浓度值及其时段对应的水量进行加权平均:
C 1=ðC 1t V
1t
ðV 1t ˑ1
00%(3)C 2=
ðC 2t V 2t硅胶加热膜
ðV 2t ˑ1
00%(4)C 3
=
ðC 3t V 3t
ðV
3t
ˑ1
00%(5
)式中C 1t ㊁C 2t ㊁C 3t 分别为入口处㊁地表径流出口㊁壤中流出口在t 时刻的浓度,m g /L ;V 1t ㊁V 2t ㊁
V 3t 分别为t 时段入口处㊁地表径流出口㊁壤中流出口出水量,L ㊂
综合护坡材料对地表径流㊁壤中流的削减率，按
照水量比例进行加权平均，以此计算某种护坡材料对某一水质指标的综合削减率，见式(6
):R e 综合=R e 地ðV 2t -R e 壤ðV 3t
ðV 2
t +ðV 3t ˑ1
00%(6
)2)相对浓度值C 't
考虑不同组次试验过程中试验水样实际浓度存在
差异，为比较分析不同组次试验的浓度过程变化规律，需要首先对水质浓度做归一化处理，消除因不同组次试验水样浓度差异造成的影响㊂归一化处理方式为将每一组次的t 时刻地表水㊁壤中流的水质实际指标浓度值C t 除以入口处水质浓度算数平均值C i n ，并采用归一化处理后的相对浓度过程C 't 进行规律分析㊂
C 't =C t /C i n ˑ
100%(7
)3)径流入渗比例I r
径流入渗比例I r 指模拟试验过程中，入渗形成土
壤水的水量占模拟试验入口总水量的比例，如式(7
)所示，用该指标衡量不同材料的径流入渗能力相对大小,
辅助分析水质指标在地表径流削减率㊁壤中流削减率和综合削减率的关系㊂
I r =
ðV 1t
-ðV 2t
ðV相位调制器
1t
ˑ1
00%(8
)2 结果分析
2.1 径流入渗比例分析
试验结果如图2所示，不同护坡材料径流入渗比
㊃
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例差异较大，其中现浇绿化混凝土㊁生态砌块相对较高，分别为64.6%㊁62.87%,5组护坡材料的平均径流入渗比例为47.81%，试验表明其中4种生态护坡材料的径流入渗比例均显著高于普通植草护坡
㊂
图2 不同护坡材料的径流入渗比例比较示意
2.2 削减效果分析评价
1
)不同护坡材料对氨氮削减规律不同护坡材料的地表径流㊁壤中流的氨氮相对浓
度过程如图3所示㊂植物蜂巢的出口氨氮浓度呈现稳定上升趋势㊂其余4种护坡材料的地表径流和壤中流的氨氮浓度变化趋势均呈现前15~20m i n 浓度逐渐升
高(充盈期)㊁20~60m i n 出口水质浓度维持相对稳定
(平稳期)㊁60m i n 关闭径流输入后出口浓度又逐渐降
低(恢复期)等3个阶段的过程规律㊂
开始溢流时，试验开始时各种材料对氨氮的削减
率达到最大，地表径流的氨氮水质浓度仅有输入浓度的7%~46%，壤中流的氨氮水质浓度则仅有输入浓度的6%~58%㊂经过15~20m i n 的径流入渗，土壤
含水率趋于饱和，出口浓度逐渐上升㊂20~60m i n 入
流与产流趋于平衡，同时对氨氮的吸附也趋于稳定㊂
T =60m i n 时关闭阀门，入口流量为0，出口处流量
逐渐减小，此时的出口浓度也呈现下降趋势㊂
分析20~60m i n 平稳期不同材料的氨氮浓度，在
一定程度上可以代表护坡材料对氨氮的削减能力㊂普通植草护坡㊁现浇绿化混凝土的地表径流浓度约为该组的入口平均浓度的0.9倍，此阶段两种材料的地表径流中氨氮浓度相对输入平均浓度降低了10%；同理格宾石笼㊁生态砌块两种材料的地表径流氨氮浓度相对输入平均浓度降低了30%~40%；植物蜂巢的地表径流出流浓度在试验过程中呈现持续上升过程，在径流模拟结束时刻达到峰值后，浓度又迅速下降㊂
由图3可知，不同材料的壤中流氨氮相对浓度规律
不同，其平稳期出现时间㊁持续时间存在较大差异㊂其中现浇绿化混凝土壤中流氨氮浓度在T =25~54m i n 期间维持平稳，期间壤中流氨氮浓度比入口平均浓度降低了30%；生态砌块壤中流在T =0~60m i n 期间维持平
稳，其氨氮浓度比入口平均浓度降低了35%
㊂
图3 不同护坡材料的氨氮相对浓度变化过程示意
按式(1)(3
)综合流量㊁水质的试验结果，根据式(6
)计算不同护坡材料试验段对氨氮综合削减率(见图4
)㊂从图4可见，不同材料对氨氮综合削减率从大到小依次为植物蜂巢(68%)㊁格宾石笼(54%)㊁生态砌块(41%)㊁现浇绿化混凝土(23%)㊁普通植草(22%)
㊂图4 不同护坡材料的氨氮指标削减效果分析示意
2
)不同护坡材料对磷酸盐削减规律不同护坡材料的地表径流㊁壤中流的磷酸盐相对
浓度变化过程如图5所示㊂试验结果表明，与氨氮浓度变化规律类似,5种护坡材料的地表径流和壤中流的磷酸盐浓度变化趋势也存在充盈期㊁平稳期㊁恢复
㊃
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赵璧奎，等：不同生态护坡材料对径流中氨氮及磷酸盐削减效果的试验研究
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期3个阶段㊂
平稳期普通植草护坡㊁现浇绿化混凝土两种材料的地表径流磷酸盐浓度比入口平均浓度降低3%~9%；格宾石笼㊁生态砌块㊁植物蜂巢3种材料的地表径流磷酸盐浓度分别比入口平均浓度降低25%㊁
37%㊁49%
㊂
图5 不同护坡材料的磷酸盐变化示意
不同护坡材料试验段对磷酸盐的地表径流削减率㊁壤中削减率及加权平均的综合削减率如图6所示㊂从图6可见，不同材料对磷酸盐综合削减率从大到小依次为植物蜂巢(59%)㊁格宾石笼(43%)
㊁生态砌块(38%)㊁现浇绿化混凝土(13%)㊁普通植草(12%)
㊂图6 不同护坡材料的磷酸盐指标削减效果分析示意
3
)削减率的规律分析试验表明所研究的5种生态护坡在对氨氮㊁磷酸
盐的削减上呈现以下规律:
①5种生态护坡对氨氮削减率均高于对磷酸盐的
削减率，并且呈现出地表径流的削减率普遍小于壤中流削减率，土壤所起到的吸附降解作用更加显著，因此，提高材料的入渗强度㊁增加入渗比例，在一定程度上可以增加护坡材料对氨氮㊁磷酸盐的削减作用;②不同材料对氨氮㊁磷酸盐的削减率差异较大,
不同材料的壤中流对氨氮㊁磷酸盐的综合削减率由小到大依次为植物蜂巢(68%,59%)㊁格宾石笼(54%,
43%)㊁生态砌块(41%,38%)㊁现浇绿化混凝土(23%,13%)㊁普通植草(22%,12%)
㊂4
)单位面积护坡污染物质削减量分析入流浓度的不同对削减率的评价会造成一定影
响[
20]
，主要体现为入流负荷强度的增大，削减率会呈现降低趋势㊂为此在评价综合削减率的同时，需考虑入流流量㊁输入浓度等边界条件存在波动，推求每个试验块对氨氮㊁磷酸盐的物质削减量，并根据实验块面积，计算得到本次模拟实验的60m i n 时间内，单位
面积生态护坡材料对氨氮㊁磷酸盐的物质削减量(如图7所示)㊂分析表明，每平方米生态护坡材料在60m i n
模拟实验中平均可以削减氨氮86m g
㊁磷酸盐126m g ，其中格宾石笼每平方米削减的氨氮188m g
㊁磷酸盐198m g
，格宾石笼对物质削减量是5种材料中最高
㊂
图7 单位面积护坡材料对氨氮、磷酸盐削减量示意
3 讨论
蔡婧[3]等研究了柴笼㊁灌丛垫㊁植草3种不同类
型的生态护坡对地表径流的延滞作用和污染控制作用,
提出植草护坡延滞地表径流的能力不及柴笼和灌丛垫，与本次试验结果提出普通植草护坡综合去削减率较低㊁增强护坡入渗率有利于提高污染物质削减率等结论和判断基本相一致㊂研究结果表明：植草护坡对泥沙结合态营养盐的拦截率分别达到85.93%和80.53%~
㊃
5㊃2021年2月 第2期
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