雨水花园对雨水径流热污染控制效果试验研究

摘 要：

雨水花园是海绵城市建设中应用较为广泛的技术措施之一。为研究雨水花园对雨水径流热污染的控制效果和影响因素,以典型构造的雨水花园试验装置为研究对象,采用人工模拟雨水径流的方法,系统研究了降雨过程中雨水花园各构造层的温度变化规律,以及雨水径流温度、降雨强度对热污染控制效果的影响。结果表明:雨水花园可以有效控制雨水径流热污染,当重现期从1 a一遇增大到10 a一遇时,雨水径流温度的削减量从17.4℃减小到10.5℃,热量削减率从32.42%减少到14.54%;当雨水径流温度从22℃升高至35℃时,温度的削减量从6.3℃增加到20.5℃,热量削减率从20.67%增大到32.65%。此外,雨水花园出水温度受填料层温度影响较大,靠近出水口附近的填料层温度越低,雨水花园出水温度越低。因此,降雨强度越小、填料层温度越低、雨水径流温度越高时,雨水花园对雨水径流热污染的控制效果越显著。

关键词：

雨水花园;雨水径流;热污染;温度;热量;

徐玮曈(1995—),女,硕士研究生,主要从事城市水环境及雨水径流污染控制研究。E-mail:xuweitong9565@163.com;

*王建龙(1978—),男,教授,博士,主要从事城市雨水径流污染控制、城市雨水规划管理方向研究。E-mail:wjl_xt@163.com;

基金：

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07103-002);

引用：

徐玮曈，王建龙，武彦杰，等． 雨水花园对雨水径流热污染控制效果试验研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 9) : 162-167.

XU Weitong，WANG Jianlong，WU Yanjie，et al． Immigration of thermal pollution from stormwater runoff via rain garden［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 9) : 162-167.

0 引 言

1 研究材料与方法

1.1 试验装置

试验装置由雨水花园模拟装置、水箱和配水系统组成(见图1)。雨水花园模拟装置材料为不锈钢,尺寸为L×B×H=120 cm×120 cm×100 cm,试验装置外壁为10 cm厚的保温层,采用玻璃丝绵填充,试验装置四周包裹了铝箔气泡隔热膜,以此来降低环境温度对试验的干扰。雨水花园结构由上至下依次为调蓄层、种植土层、填料层和碎石排水层。种植土层的植物选用马莲;种植土采用土壤与细砂1∶1混合(H=30 cm);填料层采用细砂(H=30 cm);排水层采用级配碎石(Φ=1-3 cm, H=10 cm),其与填料层之间铺设土工布。在距种植土表面1 cm和20 cm的种植土层、距离种植土表面50 cm的填料层、进水口和出水口处分别安装温度传感器监测温度,上述各监测点温度分别用T1、T20、T50、T进水和T出水表示, T1、T20和T50采用NT78型热敏电阻温度传感器, T进水和T出水采用UC-21 W型温度传感器。试验装置实物如图2所示。

图 1 试验装置

图 2 试验装置实物

1.2 试验方法

雨水花园进水量通过调节计量泵(型号:YZ-35)转速控制,每次试验前进行流量的校准,试验期间每5 min调整一次流量,环境温度变化为±0.5 ℃。雨水花园服务汇水面积比取1∶10,汇水区域雨水径流系数取0.9,雨型采用芝加哥雨型,降雨历时为1 h,雨峰系数为0.5,根据北京市II区暴雨强度公式,分别模拟重现期P=1 a、2 a、5 a、10 a下的雨水径流过程线(见图3)。

式中,q为设计降雨强度[L·(s·hm2)-1];P为设计降雨重现期(a);t为降雨历时(min)。

图 3 不同重现期时的雨水径流过程线

根据夏季沥青道路雨水径流温度的变化范围,实验期间雨水径流温度选择22 ℃、26 ℃、30 ℃和35 ℃,通过水箱中加热装置(304不锈钢电加热管)调控雨水径流温度。具体试验方案如表1所列。

一般采用降雨事件平均温度(EMT)表示雨水花园场次降雨出水平均温度,计算公式如下

式中,q为出水流量(m3);t为出水温度(℃);T为持续时间(s)。

试验中EMT可以用下式进行计算

式中,Vi为每5 min出水体积(m3);Ti为每5 min出水平均温度(℃)。

2 结果与讨论

2.1 各结构层温度变化特征

图 4 雨水花园各结构层温度变化规律( P= 1 a，T进水 = 30 ℃ )

2.2 降雨强度对热污染控制效果的影响

当雨水径流温度为30 ℃,重现期分别为P=1 a、2 a、5 a、10 a时,降雨期间及降雨后1 h雨水花园各结构层最终稳定温度如图5所示,降雨强度对出水温度的影响如表2所列。由图5可知,重现期越大,各结构层温度越高,出水温度稳定值越高。由表2可知,重现期由1a增加到10 a,出水时间由44 min缩短至34 min,平均出水温度EMT由12.6 ℃升高至19.5 ℃,出水温度降低值由17.4 ℃减少至10.5 ℃。因此,降雨强度越小,出水温度越低,温度降低幅度越大,雨水径流热污染控制效果越明显。初步分析其主要原因是降雨强度越大,雨水径流渗透过程中与各结构层热交换作用越弱,进而造成出水温度越高。进一步分析图5可知,不同重现期下雨水花园出水温度T出水与填料层温度T50相近,因此,填料层的设计参数对雨水花园热污染控制效果影响较大。雨水花园的出水温度受降雨强度和填料层温度共同影响,实际工程中可通过增加雨水花园填料层厚度来增加雨水径流的热交换时间,或选择热容量高的填料来提高雨水径流热污染控制效果。

图 5 不同降雨强度下雨水花园各结构层稳定温度( T进水 = 30 ℃ )

2.3 雨水径流温度对热污染控制效果的影响

当重现期为1 a一遇,雨水径流温度分别为22 ℃、26 ℃、30 ℃、35 ℃时,试验结果如表3和图6所示。从表3和图6可知,雨水径流温度由22 ℃升高到35 ℃时,雨水花园对雨水径流温度的降低值由6.3 ℃增加到20.5 ℃,温度削减率由28.6%增加至58.6%,随着雨水径流温度的升高,出水温度的降低值和削减率均增大。进一步分析表3可得,平均出水温度与填料层平均温度几乎保持一致,当雨水径流温度为22 ℃时,实验期间的填料层温度较高(16.4 ℃),平均出水温度也较高(15.9 ℃);当雨水径流温度为30 ℃时,实验期间的填料层温度较低(12.7 ℃),平均出水温度也较低(12.6 ℃),与2.1研究结果一致。因此,出水温度受雨水径流温度和填料层温度影响较大,且填料层温度越低,出水温度越低,雨水径流热污染控制效果越好。当雨水径流温度较高时,出水温度相对于雨水径流温度的降低幅度较大,温度削减率也较高,热污染控制效果更显著。此外,在不同雨水径流温度条件下,种植土表层温度T1的温度变化为10.2 ℃～25.4 ℃,20 cm种植土温度T20的温度变化为10.7 ℃～21.4 ℃,因此,在雨水花园植物的选择上,应选择适宜土壤温度为10 ℃～25 ℃的植物。

图6 进水温度对雨水花园出水温度的影响(P=1a)

2.4 雨水花园热量平衡分析

雨水花园对雨水径流热量的削减量计算公式如下

式中,ΔQ为雨水花园对雨水径流热量削减量(kJ); V1为雨水径流总体积(m3);V2为溢流总体积(m3);V3为渗透出水总体积(m3);ρ为雨水径流的密度(103 kg/m3);C为雨水径流比热容[4.2×103J/(kg·℃)];EMT1为雨水径流平均温度(℃);EMT2为溢流出水平均温度(℃);EMT3为渗透出水平均温度(℃)。

根据公式(4)可得出雨水花园对雨水径流的热量削减率为

根据公式(4)、(5)可计算得出雨水花园对雨水径流的热量削减效果,结果如表4、表5所列。由于试验中雨水花园的面积为1 m2,因此表4、表5中的热量削减值可表示为单位面积雨水花园对雨水径流的热量削减值,单位为kJ/m2。由表4可知,重现期由1 a一遇增大到10 a一遇时,雨水花园对雨水径流的热量削减值由1.33×104 kJ/m2减小到1.08×104 kJ/m2,热量削减率由32.42%减小到14.54%。因此,重现期越小,雨水花园对雨水径流热量削减量越大,热量削减率越高,雨水花园对雨水径流热污染的控制效果越好。由表5可知,雨水径流温度由22 ℃升高到35 ℃,雨水花园对雨水径流削减的热量由6.22×103 kJ/m2增加到1.56×104 kJ/m2,热量削减率由20.67%增加到32.65%。因此,雨水径流温度越高,雨水花园对雨水径流的热量削减量越大,热量削减率也越高,雨水花园对雨水径流热污染的控制效果越显著。

3 结论与展望

(1)降雨强度对雨水径流热污染控制效果具有重要影响。重现期从1 a一遇增加到10 a一遇时,雨水花园出水EMT从12.6 ℃升高至19.5 ℃,热量削减率从32.42%减小到14.54%。因此,降雨强度越小,出水温度越低,雨水花园对雨水径流热量削减率越大,雨水径流热污染控制效果越显著。

(2)雨水径流温度是影响雨水花园对雨水径流温度削减率和热量削减值的重要因素,但对出水温度影响不显著。雨水径流温度从22 ℃升高至35 ℃,温度削减值从6.3 ℃增加到20.5 ℃,温度削减率从28.6%增加到58.6%,雨水径流热量削减率从20.67%增加到32.65%。因此,雨水径流温度越高,雨水花园对其温度和热量的削减量越大,此外,雨水花园对雨水径流热污染耐冲击能力强,且控制效果稳定。

(3)填料层设计参数对雨水花园出水温度影响较大,填料层温度越低,雨水花园出水温度越低。因此,在实际工程中可通过增加填料层厚度、选用热容量较高的填料等方式,提高雨水花园热污染控制效果。

雨水径流热污染受光照、天气、风速等多种因素影响,今后有待于结合实际项目的监测以及雨水径流在管道传输中的热量损失,系统评估雨水径流对受纳水体的热污染负荷。此外,应加强关于雨水径流热污染控制的基础研究,制定雨水径流热污染相关政策制度,实现对热污染敏感性水域的有效管控。

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