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不同植被带的人工生态系统对集雨水污染物 消减作用研究 * 张国珍陈现强韩猛 兰州交通大学环境与市政工程学院， 兰州 730070 摘要 西北干旱半干旱地区地表水和地下水极端缺乏， 集雨水是唯一有潜力的水资源。采用人工生态系统模拟紫花苜 蓿、 红豆草、 冰草三种不同植被带对集雨水径流污染物的消减作用， 通过对降雨过程中三种植被带在不同长度上对污 染物去除率的分析， 确定了植被带的最佳长度; 比较三种植被带对集雨水污染物的去除率， 得出冰草植被带的去除效 果最好。 关键词 人工生态系统; 集雨水; 植被带; 消减 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201403003 ＲESEAＲCH ON HAＲVESTED ＲAIN WATEＲ POLLUTANTS ＲEMOVAL IN THE DIFFEＲENT GＲEEN AＲTIFICIAL ECOSYSTEM Zhang GuozhenChen XianqiangHan Meng School of Environmental and Municipal Engineering ＆ Institute of Environmental Ecology，Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070，China AbstractIn Northwest Chinas arid and semi- arid areas，surface water and underground water are in extreme shortage，and harvested rain water is the only potential resourse． An artificial ecosystem was used to study the pollutant removal mechanisms of stormwater runoff through alfalfa greenbelt，sainfoin greenbelt and agropyron greenbelt． By the analysis of rain water pollutants removal rate in different greenbelt length，the result confirmed the optimal length of greenbelt． Compared the pollutant removal efficiency through the three of greenbelts， the result showed that the pollutant removal efficiency in the agropyron greenbelt was the highest． Keywordsartificial ecosystem;harvested rain water;greenbelt;removal * 国家自然科学基金项目 西北黄土高原地区窖水水质变化及水质稳 定性研究 51068014 ; 甘肃省建设厅科技攻关项目 甘肃省村镇集雨饮 用水安全保障适用技术研究 JK2010- 26 。 收稿日期 2013 －03 －31 0引言 我国西北地区是世界上水资源最为短缺的地区 之一， 随着人口增加和经济发展， 水的问题已成为西 部地区经济和社会发展的主要制约因素之一。在西 北地表水和地下水极端缺乏的干旱山区， 雨水是唯一 有潜力的水资源。 集雨水在集流的过程中， 受到了生活污水、 化肥、 农药、 养殖畜禽粪便、 生活垃圾和塑料制品废弃物等 污染物的污染， 水源水质越来越差， 致使集雨水含有 大量对人体有害的污染物［1 ］。因此， 为解决窖水水 质不良的问题， 通过工程措施和生态措施， 减轻农村 各种面源对集雨水源地的污染， 实行有效的窖前雨水 径流污染物消减的研究是非常必要的。 本研究旨在通过模拟系统， 模拟污染物在降雨径 流中的迁移转化过程， 进行不同形式植被过滤带实 验， 通过植物根系和土壤对雨水污染物的拦截， 比较 紫花苜蓿、 红豆草、 冰草三种不同植被带对雨水径流 污染物的消减作用， 筛选消减作用最明显的植被带， 从而实施有效的水源保护措施。 1实验部分 1. 1实验装置及参数 在一定的工程措施配合下， 设计生态防控措施对 01 环境工程 Environmental Engineering 比实验， 建立人工生态截污模拟系统， 如图 1 所示。 本实验装置设立 4 个廊道， 采用砖土结构， 每个廊道 长 20 m、 宽0. 5 m、 平均深0. 7 m、 底坡5‰， 植物选择 西北地区常见的抗旱草种植物， 其中廊道 1 种植紫花 苜蓿， 廊道 2 种植红豆草， 廊道 3 种植冰草， 廊道 4 砖 铺地， 草覆盖上方， 使其在土层上接近自然生长状况。 为进行配水实验， 系统前建立一个配水池， 长 宽 高分别为 2. 7 m 2. 7 m 0. 95 m， 总容积约 7. 5 m3， 池体内部采用水泥砂浆抹面， 并涂上一层防水材料， 确保水池不渗漏， 在池子底部装设 4 个 50PVC 管并 安装阀门用以控制流量。在每个廊道内每隔 2. 5 m 设置一个取样器， 作为取水的设施。 图 1人工生态截污系统平面 Fig．1The planar graph of artificial ecosystem 其中模拟植被带土壤的物理特性为［2 ］ 相对密 度为 2. 546， 密度为 1. 559 g/cm3， 土壤有机质质量分 数为 3. 2， 总孔隙率为 38. 77， 含水率为 21. 2。 1. 2原水水质及分析方法 原水水质及分析方法见表 1。 表 1原水水质及分析方法 Table 1Ｒaw water quality and analysis 测试指标范围分析方法 浊度250 ～300 NTU便携式浊度计法 CODMn2. 20 ～2. 90 mg/L 酸性法 氨氮0. 4 ～1. 0 mg/L钠式试剂光度法 总磷0. 2 ～0. 3 mg/L过硫酸钾消解法 SS260 ～330 mg/L重量法 1. 3实验方法 实验首先在廊道 1 中进行， 选用紫花苜蓿植被 带， 模拟降雨强度为6. 2 10 －3 L/ s m2 ， 分别在 t1 10 min、 t240 min、 t370 min、 t4100 min 各取样器 及出口取样， 在第 10 分钟时， 只有第 1、 第 2 取样器 进水， 在 t240 min、 t370 min、 t4100 min 时， 1 ～6 取样器内均进水， 到 t5110 min 时， 关闭配水池出水 阀门， 在 t6130 min 时， 此时剩余水流已流至第 3 个 取样器， 所以取得水样为 3 ～6 取样器和出口水样。 其次， 对廊道 2 红豆草 、 廊道 3 冰草 也进行 同样条件下的雨水污染物消减实验。 2实验结果与分析 2. 1不同植被带对浊度、 SS 消减实验结果及分析 对不同植被带分别在 t2 40 min， t3 70 min， t4100 min 各取样器进水时， 植被带对浊度、 SS 消减 作用进行分析， 其主要水质指标变化趋势见图 2 图 7所示。 图 2紫花苜蓿对浊度的消减趋势 Fig．2The subtractive trend of turbidity with alfalfa 图 3红豆草对浊度的消减趋势 Fig．3The subtractive trend of turbidity with sainfoin 从图 2图 7 可以看出 植被带对雨水中浊度、 SS 的消减作用随着生态廊道的长度呈一条下降的曲 线， 这是因为浊度和 SS 的去除主要靠物理沉淀、 过滤 作用。雨水中的固体颗粒与土壤颗粒之间发生作用， 水流中的固体颗粒直接被土壤颗粒表面拦截。水中 颗粒迁移到土壤颗粒表面时， 在范德华力和静电力作 用下以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用 下， 被粘附在土壤颗粒上， 随着雨水流过生态廊道， 水 11 水污染防治 Water Pollution Control 图 4冰草对浊度的消减趋势 Fig．4The subtractive trend of turbidity with agropyron 图 5紫花苜蓿对 SS 的消减趋势 Fig．5The subtractive trend of SS with alfalfa 图 6红豆草对 SS 的消减趋势 Fig．6The subtractive trend of SS with sainfoin 图 7冰草对 SS 的消减趋势 Fig．7The subtractive trend of SS with agropyron 中固体颗粒及悬浮物被土壤颗粒、 植物根系吸附过 滤， 雨水中的浊度、 SS 随之下降 ［3- 6 ］。图 5 中， 紫花苜 蓿生态廊道的 2. 5 m 处， SS 指标比原水有所上升， 这 是由于开始时流量较大， 形成漫流所致。 2. 2不同植被带对氨氮消减实验结果及分析 不同植被带分别在 t2 40 min， t3 70 min， t4 100 min 时对氨氮消减作用进行分析， 其主要水质指 标变化趋势如图 8图 10 所示。 图 8紫花苜蓿对氨氮的消减趋势 Fig．8The subtractive trend of ammonia nitrogen with alfalfa 图 9红豆草对氨氮的消减趋势 Fig．9The subtractive trend of ammonia nitrogen with sainfoin 图 10冰草对氨氮的消减趋势 Fig．10The subtractive trend of ammonia nitrogen with agropyron 从图 8图 10 可以看出 植被带对雨水中氨氮 的消减作用随生态廊道的长度呈下降趋势。植被带 对于氨氮的净化作用主要有三个方面 吸收、 吸附及 根际微生物的分解作用。首先植物从水中吸收氮同 化为自身的结构组成物质， 从而将水体中的营养盐固 定下来， 但是在本实验中同化作用并不是植物去除氮 的主要途径， 植物对氮的同化吸收只占全部消减量的 极小部分。影响植被带对氨氮消减的最主要作用根 际效应。微生物是生态系统中有机污染物和氮分解 去除主要作用者。根系微生物是一群聚居在根际， 以 21 环境工程 Environmental Engineering 根际分泌物为主要营养的微生物， 其作用于周围环境 形成根际， 从而产生根际效应［7- 10 ］。从图中还可以看 出 在生态廊道的 2. 5 m 处， 氨氮指标比原水有所上 升， 这是由于开始时流量较大， 形成漫流所致。 2. 3不同植被带对 CODMn消减实验结果及分析 不同植被带分别在 t2 40 min， t3 70 min， t4 100 min， 对 CODMn消减作用进行分析， 其主要水质指 标变化趋势如图 11图 13 所示。 图 11紫花苜蓿对 CODMn的消减趋势 Fig．11The subtractive trend of CODMnwith alfalfa 图 12红豆草对 CODMn的消减趋势 Fig．12The subtractive trend of CODMnwith sainfoin 图 13冰草对 CODMn的消减趋势 Fig．13The subtractive trend of CODMnwith agropyron 从图 11图 13 可以看出 植被带对雨水中 CODMn的消减作用随着生态廊道的长度呈下降趋势。 植被带对雨水中有机污染物的净化机理主要是土壤 的过滤作用和微生物的分解作用， 即使在雨水滞留时 间较短的情况下， 土壤和植被带的根系对有机污染物 也有较好的过滤作用， 另外植物根系微生物能促进有 机污染物的分解， 提高植被带对 CODMn的净化能力。 同样， 从图中可以看出 在生态廊道的 2. 5 m 处， CODMn指标比原水有所上升， 这是由于开始时流量较 大， 形成漫流所致。 2. 4不同植被带对总磷消减实验结果及分析 不同植被带分别在 t2 40 min， t3 70 min， t4 100 min， 对总磷消减作用进行分析。其主要水质指 标变化趋势如图 14图 16 所示。 图 14紫花苜蓿对总磷的消减趋势 Fig．14The subtractive trend of total phosphorus with alfalfa 图 15红豆草对总磷的消减趋势 Fig．15The subtractive trend of total phosphorus with sainfoin 图 16冰草对总磷的消减趋势 Fig．16The subtractive trend of total phosphorus with agropyron 从图 14图 16 可以看出 植被带对雨水中总 磷的消减作用随着生态廊道的长度呈下降趋势。 植被带对磷的去除， 一方面是以磷酸盐沉降并固结 在土壤上， 另一方面是可给性磷被植物吸收［11］。由 于有机磷及溶解性较差的无机磷酸盐必须经过磷 细菌的代谢活动将有机磷酸盐转变为磷酸盐， 将溶 31 水污染防治 Water Pollution Control 解性差的磷化合物溶解， 从而除去水中的磷， 因此， 微生物对含磷化合物的转化在磷的净化过程中是 一个限制性因子。另外， 植物对总磷的去除还有物 理作用、 化学吸附和沉淀作用。因此， 雨水流经人 工生态廊道时， 总磷逐步被消减， 浓度曲线随之下 降。同时， 从图中还可以看出， 在生态廊道的 2. 5 m 处， 总磷指标比原水有所上升， 这是由于开始时流 量较大， 形成漫流所致。 2. 5三种植被带对雨水污染物消减作用对比 从上述试验可以看出 在降雨过程中， 人工生态 系统对污染物的消减作用主要是植被根系和土壤对 污染物的吸附、 过滤和根际微生物的分解作用， 所以 浊度、 SS、 氨氮、 CODMn、 总磷等指标均随着距离的变 化逐渐降低， 对污染物有明显的消减作用。但三种植 被带对雨水污染物的消减作用不同。通过在相同含 水率、 相同流量情况下， 比较三种不同植被带对水质 指标的去除率， 如图 17 所示。 图 17三种植被带对不同水质指标的去除率比较 Fig．17Comparing the removal of different indicators by the three different greenbelts 由图 17 可以看出 对雨水中污染物的消减作用 由强到弱依次为 冰草 ＞ 紫花苜蓿 ＞ 红豆草， 这是因 为冰草的根系最为发达， 在相同条件下对污染物有更 好的截留、 吸附作用， 同时根际微生物数量越多， 活性 越高， 对污染物的分解作用越强 ［12 ］。三者的根系发 达程度为冰草 ＞ 紫花苜蓿 ＞ 红豆草。 3结论 1降雨过程中模拟植被带对径流污染物均有一 定的消减作用。由此可见， 人工生态系统作为集雨水 前处理技术可有效防止污染物进入水窖， 起到保护水 窖水质的作用， 降低了污染物进入水窖的含量， 减轻 后续水处理工艺的负荷。 2在进水水质和进水量稳定的条件下， 人工生 态系统工作稳定。在降雨期间， 主要是通过土壤和植 物根系的吸附、 过滤、 截留以及微生物的分解作用去 除雨水中的污染物。 3雨水在流经人工生态系统时， 植物对污染物 的消减作用随着生态廊道的长度而增强。 4总体上冰草对雨水污染物的消减作用优于紫 花苜蓿和红豆草。 参考文献 ［1］张国珍， 李舜， 刘晓东， 等． 粗滤慢滤技术在西北村镇集雨窖水 处理中的应用研究［J］． 给水排水， 2012 2 11- 15. ［2］鲁复昆． 土壤农化化学分许［M］． 北京 北京农业科技出版社， 1999 107- 240. ［3］杨清海， 吕淑华， 李秀艳， 等． 城市绿地对雨水径流污染物的削 减作用［J］． 华东师范大学学报． 自然科学版， 2008 3 41- 47. ［4］王宝山， 黄廷林， 聂小保， 等． 生态绿地控制初期雨水径流污染 的研究［J］． 中国给水排水， 2010， 26 3 11- 17. ［5］徐德福， 徐建民， 王华胜， 等． 湿地植物对富营养化水体中氮、 磷 吸收能力研究［J］． 植物营养与肥料学报， 2005， 11 5 597- 601. ［6］王倩， 张国珍， 武福平， 等． 人工生态沟收集雨水预处理效能研 究［J］． 兰州交通大学学报． 黄河水环境专辑， 2011 1- 4. 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