海绵城市建设土壤污染物削减效应研究

摘要：本文以全国首批海绵城市试点建设区——四川省遂宁市为研究对象，进行土壤重金属污染的跟踪调查研究，通过对比海绵城市建设前后7种常见土壤重金属Sn、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg的ICP-MS法和原子荧光法检测结果，探究海绵城市建设对区内土壤重金属污染的削减情况以及各重金属离子表现出的敏感性。结果表明:建设完成后区内土壤重金属含量明显低于建设前，重金属污染程度降低且削减效应明显，典型海绵结构的生物修复净化功能和渗透排水功能使得土壤中的重金属污染物含量减少；同时所检测的7种常见重金属Sn、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg分别对污染物的削减效应表现出不同的敏感性，其中金属汞（Hg）最高，金属铜（Cu）敏感性最低；最后结合相应原则给出了土壤重金属污染的防治建议和措施。

关键词：海绵城市；海绵城市建设；污染物；土壤重金属

随着我国城市化的快速发展，城市下垫面透水性和排水模式不断变化，逐渐被大量不透水路面覆盖，有研究指出北京及上海的不透水面积比例分别为77%和80%（幺海博，2013）。大量不透水路面的出现造成水资源循环以及排水的时、量和质的改变，最终导致城市内涝、缺水以及水环境恶化等一系列问题，给人民生活带来了极其不利的影响，严重威胁到城市的良性发展（朴希桐，2015；李博，2008；高波，2017）。国内受国外低影响开发等理念的影响，相关研究与实践探索已有一定时间，但2013年之前国内对于海绵城市的研究只有零星论述（俞孔坚，2003；董淑秋，2011）。原有的城市排水理念以及排水设施己不能满足现在的发展需求。2013年，明确提出“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市建设目标，海绵城市理论以期通过对城市雨洪的合理利用和有效管控，使之在面对环境变化和自然灾害时，可以像海绵一样表现出应有的“弹性”。2014年，国家住房和城乡建设部颁发《海绵城市建设技术指南—低影响开发系统》，对我国海绵城市建设做出进一步规划与指导（车伍等，2015；吴丹洁等，2016），《海绵城市建设指南——低影响开发系统》中明确指出：海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。这一定义被不少文献所采用（崔广柏，2016；吴丹洁，2016；唐克旺，2016），这些文献在一定程度上指出了海绵城市的主要功能及特征，此外径流污染控制也是海绵城市建设的重要目标。重金属污染物在进入土壤后，会引起土壤生物数量的显著下降和植物中重金属的累积。重金属在土壤中的初期积累，不容易被人们觉察和关注，属于潜在危害，积累的重金属通过食物链或其它方式转化为毒性更强的物质，严重危害人体健康，土壤中重金属的污染问题尤为突出，因此对土壤重金属污染削减作用的研究意义重大。目前国内关于海绵城市建设对污染物削减效应的研究大多以模拟实验为主，缺乏对海绵城市实际案例的研究。为进一步明确海绵城市建设削减污染物的效果和实际应用价值，本文以我国首批海绵城市试点建设区四川省遂宁市海绵城市试点建设区为例，进行土壤重金属污染的跟踪调查研究，通过对比Sn、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg，7种常见的重金属在海绵城市建成前后的离子含量，以期说明海绵城市建设对土壤重金属污染物的削减情况以及各重金属表现出的敏感性，为该技术更好地应用于土壤污染控制提供参考。

1研究内容与方法

1.1研究区概况。遂宁市海绵城市试点建设区主要位于遂宁市老城区（船山区）和河东新区，研究区属涪江水系，分别位于涪江两侧，涪江平均坡降为0.642‰，河面平均宽500m，流速缓慢平均为1.5m/s，散流在第四系平坝中。研究区为四川盆地亚热带湿润季风气候，年平均气温17.5℃，年均降雨量约1100mm。降雨多集中在6—8月，占年降雨量50%左右。地形地貌为红层丘陵和冲积平坝区。研究区在海绵城市建成后共有植草沟（渗、滞、净）、蓄水桶（蓄、用）、透水铺装（渗、滞）、渗排一体渠（渗、滞、蓄）、雨水花园（渗、净）、PP模块水池（蓄、用）、碎石渗沟（蓄、净）、城市排水分流管网以及水生态修复9种典型的海绵结构设施，其中透水铺装、植草沟、雨水花园和碎石渗沟的断面示意图如图1所示。1.2土样采集及检测方法。此次表层土样分为一、二两期采集，一期土样是在遂宁市海绵城市试点建设区建设前采集的，而二期土样是在建成后采集的。采样点的布设均采用随机分布的原则，采样点的分布如图2所示。一期共布设表土采样点23个，土样点编号为HTTY10-22、HTTY24-30、HTTY35、HTTY36、HTTY61。二期共布设表土采样点20个，土样点编号为TY1-20。在实际采样时一个采样单元(1hm2)内沿“S”形均匀布设8～10个采样点，各点采集表层0～20cm土壤样品1kg左右，然后将各点样品混合均匀，用四分法取1kg混合土样用于实验室重金属离子检测分析。对一、二期表土样的重金属离子检测分析，主要采用ICP-MS法和原子荧光法等检测方法，检测Sn、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg，7种常见的重金属含量。1.3数据分析。对于此次检测数据的分析主要采用对比分析的方法，通过一、二期表土样重金属离子检测分析结果的对比，来说明海绵城市建设前后土壤重金属污染物的削减效应。采用各表土样点重金属含量的平均值来表征研究区该重金属的污染情况，同时通过对比前后两期分析结果可得到7种常见重金属对海绵城市建设所产生的污染物削减效应的敏感性。

2结果与讨论

2.1表土样重金属检测结果。遂宁市海绵城市试点建设区一、二期表土样重金属检测分析结果分别如表1、表2所示。根据《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》（GB36600-2018）规定的土壤环境质量标准值，遂宁市海绵城市建设试点区域内两期表土样中重金属含量均未超标，即试点区在海绵城市建成前后几乎不存在污染物超标的现象。但在一期检测结果中，HTTY35号土样汞含量最高，为5.19mg/kg，虽未超标（GB36600-2018，一类用地汞限值为8mg/kg），但明显大于周边土样汞含量。HTTY35号土样位于河东新区圣莲岛景区停车场附近，初步分析，导致Hg离子超标的原因可能是停车场内大量汽车停放，低速行驶产生大量尾气导致。2.2污染物削减效应及敏感性分析。采用各表土样点重金属离子含量的平均值来表征研究区该重金属离子的污染情况，但一期检测结果中HTTY35号土样点由于停车场内大量汽车低速行驶和停放产生大量尾气所引起的汞Hg异常，而在二期随机分布采样时并未取到该异常点。为保证数据的可靠性，故用各表土样点重金属离子含量平均值来表征研究区该重金属离子的污染情况时，剔除一期检测结果中的HTTY35号异常点，一、二期重金属离子含量平均值如表3所示。从一、二期重金属离子含量均值可以看出海绵城市建设对土壤中的重金属污染有明显的削减作用，污染物含量都得到不同程度的减少，Sn、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg7种常见重金属含量都分别减少了8.44%、3.93%、12.47%、33.33%、18.88%、5.67%、45.45%。土壤中重金属污染物的减少是由海绵城市建设完成后研究区内9种典型海绵结构引起的，如具有生物修复净化功能的植草沟、雨水花园、碎石渗沟等，利用植物、微生物削减和净化土壤中的重金属；同时具有渗透排水功能的植草沟、透水铺装、渗排一体渠、雨水花园等典型海绵结构，在表层土壤经过降雨淋洗作用之后，土壤中的重金属由固相转为液相，将液相重金属回收处理，从而使得土壤中重金属污染物的减少。此外对海绵城市建设所产生的污染物削减效应各重金属离子表现出不同的敏感性，敏感性由高到低分别是Hg>Cd>Pb>Zn>Sn>As>Cu。7种重金属离子中敏感性最高的是汞（Hg）离子，减少高达45.45%；敏感性较低的是铜（Cu）离子，减少百分比仅为3.93%。

3结论

（1）在海绵城市建成后的土壤重金属含量明显低于建设前的土壤重金属含量，说明海绵城市建设对土壤重金属污染有明显的削减效应和实际应用价值。（2）海绵城市建设中典型海绵结构的生物修复净化功能和渗透排水功能，利用植物、微生物削减和净化作用、降雨淋洗作用使得土壤中重金属污染物含量减少，实现海绵城市建设对土壤重金属污染的削减作用。（3）7种常见重金属对海绵城市建设所产生的污染物削减效应表现出不同的敏感性，建成前后含量减少百分比最小值为3.93%，最大值为45.45%，敏感性由高到低分别是Hg>Cd>Pb>Zn>Sn>As>Cu。（4）对于土壤重金属污染的治理应采用预防和防治相结合的原则，针对未被污染的土壤以预防为主，切断污染源，提高土壤环境容量；针对已被污染的土壤主要进行改造、治理，以消除污染，具体的治理措施主要有换土和深翻两种。

作者:方宏宇 冯文凯 黎一禾 魏昌利