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植被管理对路边绿化带的作用及其作为用于线性运输基础设施的一种低影响开发实践的效果
Derek Henderson, James A. Smith, 及G. Michael Fitch
在弗吉尼亚州，费尔法克斯县的洛顿路边，对两条路边绿化带在16次暴风雨事件中对于水质的提升，群众交通运输的减轻及水力性能方面的作用进行了评估。使用了自动化的流量加权抽样的方法来采集复合样本及代表一整个风暴事件的平均浓度。通过监测洛顿路及两侧路边绿化带以得到流速与流量来判断其水力性能。收集到的样本被分析了其中的13种水质成分：悬浮固体总量，氮含量，硝酸盐，磷酸盐，油脂含量，化学需氧量，大肠菌群，大肠杆菌，含镉量，含铬量，含铜量，含铅量和含锌量。在各个绿化带上都应用了不同的植被管理方法以确定植被管理对路边绿化带性能的影响。有管理的和无管理的绿化带分别实现了平均峰值流量减少76.3%和89.5%，同时实现了平均总流量分别减少80.7%和87.3%。相对较高的雨水渗透率和水流速度的减慢使得结果允许对13种监测得的水质成分质量荷载进行中到高的减轻。对成分质量荷载数据的符号测试分析显示，就分析的13种水质成分和两个水力参数来说，两个绿化带的流出量在统计学上均低于洛顿路的径流。统计上，无管理的绿化带流出量相比有管理的具有更低的峰值流量，氮、磷酸盐、铜和锌的质量荷载也更低。
近年来，对高速公路的雨水径流质量的担忧一直在增多，部分由于修建、拓宽了更多的道路，以及流域的不透水面积的增加。除此之外，高速公路上行驶的汽车里程日益增加也可能会给功高速公路表面增加额外的污染源，同时也可能进一步降低水的径流质量。
为减轻高速公路径流对水接收的影响，低影响开发（LID）雨水管理系统被用作一种分散的，水力的，非点源控制的方法来代替集中式最佳流域管理措施（BMPs）处理。将路边绿化用作一种可行的LID措施，将使国家交通运输部门能够采用另一种经济有效的雨水管理措施以更好地保护接收水流。这次路边绿化的研究结果提供了能够确定并非为雨水管理而设计路边绿化对于缓解雨水潜在功能的重要数据。
除了路边绿化的性能之外，还有必要理解LID系统的性能，用于正确评估构建、运行和维护LID系统的可行性和价值。若路边绿化所表现出的性能与工程LID系统相当，则与现有的路边绿化相比，LID系统的可行性、价值和性能或许会降低。同样的，通过改善路边绿化将其作为一种用于线性运输系统的可接受的LID做法的可行性也会升高。
一份先前的研究评估了路边绿化的首次冲水水质性能（1），发现径流中部分成分的浓度降低可以归功于道旁绿化。另一份研究对植被覆盖的高速公路中间洼地进行了流量加权采样，发现对减少污染物质量荷载尤为有效。其他研究评估了各种工程LID系统对于线性运输基础设施的可行性（3-15）。这些LID系统普遍有效，尤其是对于减少峰值流量和去除悬浮物而言。
为确定植被管理对路边绿化的影响和其本身作为一种LID的可行性，2014年5月1日至2014年11月27日，对路边绿化进行了监测和采样。对弗吉尼亚州费尔法克斯县的洛顿路边的两条路边绿化带在16次暴风雨事件中对于水质的提升，群众交通运输的减轻及水力性能方面的作用进行了评估。使用了自动化的流量加权抽样的方法来采集复合样本及代表一整个风暴事件的平均浓度。雨水片流被集中并监测来获得洛顿路径流、未经管理及经过管理的路边绿化带中的径流其三者的流速和流量。收集到的样本被分析了其中的13种水质成分：悬浮固体总量，氮含量，硝酸盐，磷酸盐，油脂含量，化学需氧量，大肠菌群，大肠杆菌，含镉量，含铬量，含铜量，含铅量和含锌量。在各个绿化带上都应用了不同的植被管理方法以确定植被管理对路边绿化带性能的影响。
地点描述
一份2014年进行的研究提供了以下三个数据集：洛顿路的径流数量和质量的描述，路边绿化的性能，及各种植被管理和维护程序对其性能的影响。该研究究地点位于弗吉尼亚州费尔法克斯县，毗邻I-95州以西的Furnace Road和Silverbrook Road之间的Lorton Road东行车道。罗顿路（Lorton Road）是一条两车道道路，每天通行大约8,000辆汽车（16）。 地点位置如图1所示。
水流监测及取样
为监测和取样片流径流，在三个位置安装了带有铝盖板的30英尺长的聚氯乙烯（PVC）管槽，用以将片流引导至集中排放口。一个片流收集器直接安装在了洛顿路附近，用来收集道路径流样本。另在两个单独的监测位置安装了一额外的片流收集器，以收集路边绿化的废水。每个路边绿化的废水收集器都长18英尺，与流路平行，宽30英尺。洛顿路的片流收集器图片如图2所示。
在临近道路的前四英尺的绿化带其坡度为49%，其余绿化带的平均坡度为8%。集中道路和路边绿化的径流通过4英寸的PVC管输送至0.4 HS的水槽，如图3所示。
多年的道路径流使得道路附近的沉积物堆积，像路边石和排水沟一样组织了道路径流流向绿化带。这些沉积物和一小部分的道路被一同去除，来使得道路径流片流能够均匀地流向绿化带。
管槽内的水流深度由安装在探头井中的水下深度传感器测定。在路边绿化的研究过程中评估了一种更严格的植被管理程序的潜在益处。为了研究植被管理对路边绿化性能的影响，监测了两条由不同的植被管理程序管理下的路边绿化带。未经管理的绿化带，包括相对木本的植被和野生黑莓，仅受到当地的弗吉尼亚交通运输部（DOT）的路边绿化管理。绿化带和废水收集器如图4所示。
现场研究人员观察到，弗吉尼亚交通运输部的植被管理中涉及到一个夏季割草事项，该事项会将植被从道路上回切4英尺，且不去除任何插枝。受管理的绿化带有一层草本植被覆盖层，沿着整个30英尺长、18英尺宽的受管理绿化带，该覆盖层被切成大约4英寸。插枝被从受管理的绿化带上去除以防止养分从腐烂植被中流失。植被管理由非机动设备手工进行以防止燃料排放污染。事实表明，清除被砍伐的植被可防止因其腐烂而导致养分的重新释放，从而减少径流中影响接收水的养分含量（17）。 图5是一个简单的现场示意图，显示了雨水表流收集器和采样设备的布局。
用于样本收集和流量监控的Sigma 900 MAX型可移动样本系统被用来收集此次样本。每个系统都具备收集流量加权样本的能力并产生可达2.5加仑体积的复合样本。流量加权采样允许样本分配来创建可代表整个暴风雨事件的复合样本，而非收集初期冲刷样本，通常初期冲刷样本在初期径流期间包含较高的污染物浓度。为保存样本，采样器在暴风雨发生前都预先装满冰块。样本在24小时内收集完毕并冰冻运输到弗吉尼亚大学的水质分析实验室，在实验室中冷藏并用硫酸酸化至pH值小于2进行保存，直到进行分析。
分析方法
实验室对所有收集到的水样进行了分析，包括其中的悬浮物总量（TSS），化学需氧量，金属，养分及油脂。水样类型是他们离开路边时直接采集到的样本或是在有管理或无管理的植被之间运输的样本。这些分析确定了两条路边绿化带的去污染物效率。
美国环境保护署（EPA）通常将与城市径流相关的污染物分类为固体，需氧物质，养分，病原体，与燃料和其他石油产品相关的有机物，金属和合成有机物（18）。此次分析使用了EPA的污染物分类，弗吉尼亚大学水质分析实验室的分析能力以及先前的对高速公路径流和LID性能的雨水表征进行的研究文献综述(1–15, 18, 19)。选择了以下成分进行分析以确定LID系统的水质改善性能：TSS，化学需氧量，养分（亚硝酸盐和硝酸盐，氮和磷酸盐），金属（铜，铅，锌，铬，镉，和铁），油脂，大肠菌群和大肠杆菌。本研究中使用的分析方法包括TSS的过滤和重量测定，用于养分和化学需氧量的分光光度法比色分析，金属浓度的原子吸收分光光度法，油脂的分光光度法以及用于大肠杆菌群和大肠菌的最大可能数计算法。表1是对分析方法的总结。
数据分析
每个路边绿化带的性能都根据其水力特性及降低污染物平均浓度和污染物含量的能力进行了评估。假定污染物的平均浓度等于复合样本的污染物浓度。污染物含量等于平均浓度乘以每次风暴中洛顿路径流和路边绿化水流的总流量。
减少污染物含量的效率被认为更能代表BMP的性能，因为雨水的渗入，BMP经常将污染物运输到地下土壤中，而流量的减少也使得向接收水运输的污染物总量减少。减少污染物负荷的效率计算公式为
times; 100
为确定洛顿路径流和路边绿化水流之间的统计学显著差异——即，如果路边绿化实现了显著的清理功效——则对污染物负荷进行非参数符号测试分析。还通过比较两条路边绿化带，进行了污染负荷符号检验以确定是否会因植被管理的不同而存在统计学上的显著差异。水力性能特征包括径流减少量和峰值流量减少量。径流量减少量是流出水量相较于流入水量减少的百分比，主要是由于渗入路边绿化引起的，但也有部分是由于提取和蒸散作用。在本篇论文中，该词“渗入”的使用意思是包括所有形式的体积减少。对一给定的暴风雨事件，径流减少量的计算方法是流入量减去流出量除以流入量。峰值流量减少量是峰值流出流量相对于流入峰值流量的百分比降低。峰值流量减少是通过斜坡设计或植被绿化来降低流速，或临时存储径流来实现的，其计算方法为将峰值进水流量减去峰值出水流量除以峰值进水流量。
结果与讨论
从距离路边绿化6英尺，地下12到18英寸的研究地点采样了一直径2frac14;英寸times;6英寸长的土壤芯。用手摇螺旋劈勺除去土壤样本。在土壤芯上进行筛分分析以确定粒度分析。粒度分析的结果与中等渗透率的B型土壤一致。
由2014年5月1日至2014年11月27日之间发生的16次暴风雨事件中各采样位置的平均浓度，计算出了每个关注成分的平均值。每次暴风雨的峰值流量和总流量在这16场监视事件后被平均，其结果列于表2与表3 。除TSS外，洛顿路径流成分浓度与先前的研究中的浓度相同（1-15,18,19）
2014年春，由于盐和道路骨料的大量使用，再加上安装的片流收集器对土壤造成的干扰，导致研究初期暴风雨期间TSS浓度大大升高。洛顿路径流和路边绿化污水的成分浓度有助于表现水质和理解路边绿化的作用原理。但是单独的某个成分浓度并不能解释径流的浸入，因此也不能准确地代表路边绿化的除污性能。
为了对路边绿化的减轻成分迁移方面的潜力作出典型的解释，针对每个关注成分都计算了成分质量负荷。组成质量载荷是道路径流渗透的结果，其结果是流量的减少影响了接收流。 根据组成质量负荷计算出的水力缓解和平均质量减少百分比结果如图6所示。发现驴鞭之辈的水力和水质缓解性能与用于线性运输的LID系统相当（3、4、6、7、9-11、13-15）。 在德克萨斯州的沼泽植被研究中，对总氮的去除效率为35％，对总磷的去除效率为37％（5）。 表4中提供了来自三项研究的生物滤池的性能，以与本研究中评估的植被路旁带的性能进行比较（1、10、12）。 然而在这些研究中，浓度降低效率被用作性能指标；降低质量负荷的效率也在此次研究中使用。
与受管理的绿化带相比，无管理的路边绿化带的茂密生长能够实现更高的峰值流量减少和总流量减少。无管理和受管理的绿化带的平均峰值流量减少百分比分别为89.5%和76.3%，为接收流提供 水力保护，从而降低了水流达到侵蚀速度的频率。无管理的绿化带总流量减少了87.3%，受管理的绿化带总流量减少了80.7%。较高程度的径流浸入阻止了关注成分向接收水域的迁移，并达成了中到高程度的污染物负荷减轻。实现对相关成分的更高除去效率，无管理绿化带是一种持续有效的方法。无管理的绿化带的去除效率提高主要是由于其较高的渗入率，这是由于流阻增加和可能的土壤根部区域中优先流动区域增加。
表5给出了总降雨量和降雨强度的测量结果。图7显示了每次暴雨造成的径流量和路边绿化总流出流量。比起夏末和秋季，路边绿化在早春月份（植被仍处于休眠状态），表现出了更低的渗入。尽管该年大部分时间路边绿化的流出流量相比洛顿路来说大幅减少，但早春月份显示出绿化带所产生的雨水径流增加了。这被怀疑是由于洛顿路的集水区和路边绿化带的共同作用结果，相比起仅有洛顿路的集水区，它提供了更大的表面积。
一年中当植被处于休眠状态时，土壤可能会被冻结，可能会由于融雪而变得饱和，此时路边绿化的表面区域则是起低渗透性表面的作用。这些状况或部分或全部都对产生额外的径流量有作用。在夏秋两季，植被似乎增加了土壤的渗透性（19），不仅使雨水渗入绿化带，也让洛顿路径流渗入。
进行了符号测试分析，以确定洛顿路径流、受管理的绿化带流出水、无管理的绿化带流出水是否在统计上有较高的污染物质量负荷。该符号测试分析结果汇总在表6。符号测试结果表明，与受管理和无管理的路边绿化带相比，洛顿路径流质量负荷中每个关注成分和水力参数都更高。受管理的绿化带在以下四个成分上较高：总氮含量，磷酸盐总量，铜和锌，峰值流量。
结论
路边绿化在本项研究中被发现可与用于线性运输的LID系统相提并论（3-7,9-11,13-15）。符号测试结果表明，相比受管理和无管理的路边绿化带，洛顿路径流中各成分的质量负荷在统计上更高。此外，符号测试还显示，与洛顿路径流相比，受管理和无管理的绿化带的峰值流速和总流量都显著降低。受管理和无管理的绿化带其总流量分别平均减少了80.7％和87.3％，这被认为是对成分质量迁移的最主要影响，因为渗入减少了成分迁移和影响接收流。
该项研究结果表明，使用路边绿化可从统计学角度上大大减少成分迁移，减少道路径流对接收流的影响。还发现路边绿化需要极少的维护来保持最佳性能。此外还发现，受管理的绿化带相比无管理的效果较差，其原因是流动摩擦的减少，渗入路径的优先，固体的过滤和沉降效应
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