（环境工程专业论文）小区面源污染bmps系统的构建及其关键技术研究.pdf

摘要 摘要 城市降雨径流是仅次于农业面污染源的第二大面污染源，也是居民住宅小区 面源污染的主要来源。根据住宅小区降雨径流面源污染的特征，结合小区的规划， 构建了合适的面源污染最佳管理措施( b m p s ) 系统，即“雨水排水沟浅层 填料生态净化床”工程性b m p s 与非工程性管理措施相结合的系统；并通过试验 研究了b m p s 系统中浅层填料生态床对径流污染的处理效果。 试验研究的主要内容包括：污染物在系统中的衰减规律；最佳停留时间和最 小填料厚度地确定；复氧措施( 通气管) 对系统处理效果的影响。主要结论如下： ( 1 ) 住宅小区降雨径流面源污染的控制是通过影响循环中的某一个或者各 个环节而使面源污染及其危害减少到最低，必须从技术、制度、管理三者统一的 总体构想出发，以技术创新为动力，以制度和管理为保障，以体现节约资源、减 少污染、与周围生态环境相融共生为原则，创造健康舒适的居住环境。 ( 2 ) 住宅小区降雨径流污染特征的分析，说明屋面径流污染程度相对较小， 道路径流污染在住宅小区面源污染中占主导地位，并且对前3 0 m i n 的初期降雨径 流进行处理可大大减少径流污染对受纳水体的影响。在此基础上，构建了住宅小 区面源污染b m p s 系统，并以道路径流污染为具体对象进行研究，构建了具体的 “雨水排水沟浅层填料生态净化床”工程性b m p s 系统，系统中生态床的填 料选用吸附性能较强的沸石和蛭石，以1 ：1 的比例完全均匀混合。 ( 3 ) 浅层填料床处理小区降雨径流面源污染的试验研究证明：在试验提供 的参数选择中，停留时间5 h 、填料厚度1 8 c m 、有复氧措施时，所测污染物的去 除效果显著，去除率很快趋于稳定，并以去除率上升的趋势平稳发展。对雨水的 整体去除效果较好，出水中污染物浓度满足景观回用水、排放河流等控制指标。 ( 4 ) 床体填料间不同部位的污染物和溶解氧的平均浓度沿纵向和垂向均递 减，沿垂向递减速率较快。实际工程中，可根据此规律对床体的构造和运行参数 进行适当的改变和调整，提高处理效果。 关键词：面源污染降雨径流b m p s 浅层填料净化床 a b s t r a c t u r b a i lr a i n f a l l - m n o f rp o l l u t i o ni st h es e c o n dl a r g e rn o n p o i n ts o u r c e ( n p s ) w h i c hi sa r e ra 舒c u l t l l r a ls o u r c e s ，a n da l s oi st h em a j ns o u r c e so fp o l l u t i o ni n r e s i d e n t i a ld i s t r i c t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fn p sp o l l u t i o n 舶mr e s i d e n t i a l a r e ar a i n f a l lm n o f fa 1 1 dt h ep l a l lo ft h ed i s t r i c t ，t h e 印p r o p r i a t eb e s tm a n a g e m e n t p r a c t i c e s ( b m p s ) s y s t e mw a sm a d eu p ，n 锄e l yt h e “r a i ng u t t e r - s h a l l o wf i l le c o l o g i c a l p 谢f i c a t i o n b e d ” s y s t e m ，h i c h i n c l u e d e n g i n e e 血g b m p sm e a s u r e sa n d n o n e n g i n e e r i n gc o m b i n e dm a n a g e m e n tm e a s u r e s t l l ee 虢c to fm n o 行p o l l u t i o n 矗o m t h es y s t e mw a sc o n f i 肌e db yt h ee x p e r i m e n t t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e d ：t h em l eo ft h ec o n l 魏m i n 踟1 tc o n c e n 昀t i o nc h a l l g e s a l o n gt h ew a yi nt h es y s t e m ；t h eb e s th y d r a u l i cr e s i d e n c et i m e ( h i ) ，f i l l e rt h i c k n e s s a j l dt h ee f f e c to fr e o x y g e n a t i o nm e a s u r e s ( t u b e ) i nt h es y s t e m ( 1 ) c o n n - o u i n gp o u u t i o ni nr e s i d e n t i a ld i s t r i c t 、) i ，习i sb yi m p a c t i n go n eo ra l l a s p e c t si nt h ec y c l et or e d u c en p s a i l dt h eh 锄t oam i n i m u m w em u s ts t a i r t 抒o mt h e o v e r a l lc o n c e p to ft h et e c h n i c a l ，i n s t i t u t i o n ，m a n a g e m e n t b a s e do nd r i v i n gf o r c eo f t e c l u l o l o g i c a l i i l i l o v a t i o n ，a s s u r a l l c eo ft h ei n s t i t u t i o na n dm a i l a g e m e n t t l l ep r i n c i p l e i s r e n e c t i n gt h ec o n s e r v a t i o n o fr e s o u r c e s ，r e d u c i n gp o l l u t i o na n dc o m b i n i n g s y m b i o t i cm ee c o l o g i c a le n v i r o l l i i l e ma r o u n d ，i no r d e rt oc r e a t i n gah e a l t h ya 1 1 d c o m f o n a b l el i v i n ge n v i r o m e n t ( 2 ) t h er o o fm 1 1 0 f rp o l l u t i o nw a sr e l a t i v e l ys m a l l 柚dr o a dm n o f fp 0 1 l u t i o nw a s i nd o m i n a n ti nr e s i d e n t i a ld i s t r i c tn p st l l a tw e r en o t i n gb ya 1 1 a l y s i n gt h ep o l l u t i o n c h a r a c t e r i s t i c si nr e s i d e n t i a ld i s t r i c t 1 l e a t m e n tt h ei n i t i a l3 0m i ne a r l yr a i nc o u l d 铲e a t l yr e d u c e 舳o f rp o l l u t i o ni n n u e n c eo nt h er e c e i v i n gw a t e r o nt h eb a s i s ，a r e s i d e n t i a la r e an p sb m p ss y s t e mw a sc o n s t m c t e d ，a i l dt o o kt h er o a dm n o f r p o l l u t i o na st h et a r g e tt or e s e a r c h ，c o n s t n l c i n gt h ec o n c r e t e “r a i ng 眦e r - s h a l l o wf i u e c o l o g i c a lp u r i f i c a t i o nb e d s e n g i n e e r i n gb m p ss y s t e m e c o _ b e df i l l e rw a sz e 0 1 i t ea i l d v e n 】面c u l i t ew h i c hh a ds t 】o n ga d s o 印t i o np r o p e r t i e s 甜l dc o m p l e t e l ym i x e di nn l er a t i o o f l ：1 ( 3 ) s t u d yo ft l l e s h a l l o wp a c k e db e d 臼e a 缸n e n ti nr e s i d e n t i a ld i s t r i c tn p s 河海大学硕士学位论文 s h o 、v e dt h a t ：u n d e rt h ep r o v i d e dp 猢e t e r so ft h et e s t ，t h er e m o v a lo fp o l l u t a n t sw a s s i g n i f i c a m ，r e m o v e m e n tw a ss t a b i l i z e dq u i c k l ya n dr i s i n gs t e a d i l y i nt h ec o n d i t i o n o f5h o u rh i u ：18c e n t i m e t e rf i l l e r ，r e o x y g e n a t i o nm e a s u r e s t h eo v e r a l lr a i n w a t e r r e m o v a le f n c i e n c y 、a sb e t t e r t h ew a t e rp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nm e tt h el a i l d s c a p e ， r i v e r sa n do t h e re m i s s i o n sc o n t i o li n d i c a t o r s ( 4 ) 7 i h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t sa n dd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) o f d i 虢r e n tp a j t si nb e d 舢e r l a y e rw e r ed e c r e a s e da l o n gt h ev e r t i c a la n dl o n g i t u d i n a l ， b u ti td e c r e a s e df a s t e ra l o n gt h ev e n i c a l i na c t u a lp r o j e c t s ，a c c o r d i n gt ot h el a w ，t h e b e dc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o np a r a m e t e r sc o u l db ec h a n g e da n da d j u s t e d ，i no r d e rt o i m p r o v et h et r e a t n l e n te f r e c t rw o r d s ：n o n _ p o ns o u r c ep o l h i t i o n ；r a i 甜lr u n o 噩b e s tm a l l a g e m e n tp r a c t i c e s ； s h a l l o wp a c k e dp 证丘c 撕o nb e d l i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 2 0 0 8 年6 月4 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 8 年6 月4 日 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 随着点源污染控制能力的提高，面源污染的重要性也逐渐受到了人们的关 注。面源污染与点源污染相对应，是指地面的各种污染物质如城市垃圾、农田中 的化肥、农药、重金属及其他有毒、有害物质以及大气悬浮物随降雨产生的地表 径流或经土壤、地下水系统淋滤、循环进入地表水体造成的污染，其特点是通过 不确定的途径在不确定的时间排放不确定的量【l2 1 。 在面源污染中，城市降雨径流是仅次于农业面污染源的第二大面污染源。由 于人类的活动造成植被减少或破坏，城市硬化面积的增加，导致雨水流失量增加 和水循环系统的平衡遭到破坏，并引发了一系列环境与生态问题。城市降雨径流 包含许多污染物质，有固态废物碎屑、化学药品、空气沉降和车辆排放物等，其 危害是相当大的。暴雨径流冲刷地面，挟带了大量的工业生产污染物、生活废弃 物，其中甚至包含了多种有害有毒物质进入河道污染地面水，对地面水污染的负 荷量有时竞超过了工业废水排放量，对河道及周围的生产及生活饮用水源危害甚 大。 由此可见，从根本上改善城市周围受纳水体的水质，除对工业废水、生活污 水处理外，还必须对形成面源污染的城市径流进行控制和处理。径流面源污染最 佳管理措施( b m p s ) 的推广急不可待。 控制和处理降雨径流，利用雨水的好处之一是可以部分或全部关闭受到面源 污染的水井或集水廊道，大大减少污水处理设施及供水管网的投资。城市降雨径 流的收集和利用系统主要是在居民生活小区构筑物中，根据生态学、工程学、经 济学原理进行设计，依赖水生植物系统或土壤的自然净化作用，将雨水利用与景 观设计相结合，从而实现环境、经济、社会效益的和谐统一。从区域尺度上讲， 居民住宅小区雨水利用是增加雨水就地资源化，减少雨水异地资源化的最佳方 法。 1 1 2 研究意义 面源污染最佳管理措施( b m p s ) 种类甚多，但是国内面源研究范围较窄， 河海大学硕士学位论文 管理实践进展缓慢，基本上仍处于探索与研究阶段，完成的面源污染b m p s 实例 并不多见，更无相关规范可供参阅。 本论文将国外面源污染最佳管理措施中的成功经验引用到我国面源污染研 究中，建立适应我国面源污染问题的最佳管理措施。通过对面源污染主要控制措 施的选择，以浅层径流填料床处理系统作为住宅小区降雨径流面源污染工程性 b m p s 的研究重点，同时以非工程性的管理措施指导和配合工程性措施共同发挥 作用，有效降低居民生活小区面源污染负荷，从而达到改善城市水环境的目的。 1 2 国内外面源污染研究现状及趋势 1 2 1 研究现状 城市降雨径流污染作为一种很重要的面源污染，在发达国家对其研究已将近 3 0 年。在整个研究的过程中，主要内容包括三个方面：模型研究、初始冲刷的 研究以及径流污染的治理与控制研究。 早期的研究集中以土地利用对河流水质产生影响的认识为基础，对降雨径流 污染特征、影响因子、单场暴雨和长期平均负荷输出等方面进行了研究，其具体 研究方法是建立统计模型，进而建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统 计关系。著名模型有s w m m ( 城市水管理模型) f 3 】、s t o i 瑚( 城市地表径流数 学模型) 【4 】等。到2 0 世纪8 0 年代，美国农业部研究所开发的c i 砸w ( 化学污染 物径流负荷和流失模型) 【5 1 ，采用了美国农业部水土保持局开发的s c s 水文模型 来计算暴雨径流【6 】，充分考虑了污染物在土壤中的物理、化学形态和分布状况， 为城市径流污染模型的发展提供了很好的经验。同时面源污染模型加强3 s ( g i s 、 g p s 、r s ) 技术在其定量负荷计算、管理和规划中的应用研列1 7 1 。进入到2 0 世 纪9 0 年代以后，在对过去城市径流面源污染模型多年应用经验进行总结的基础 上，不断地完善和提高已建立的模型，推出新的模型8 1 。同时，与面源污染负荷 估算相关的流域开发方向、面源污染管理模型和风险评价成为本时期应用模型研 究的最新突破点。随着计算机技术飞速发展和3 s 技术及g r a s s 、g i s 、a r c i n f o 等技术的应用，为城市面源污染的研究提供了很大的方便。很多功能强大的流域 模型被开发出来，这些模型不再是单纯的数学运算程序，而是具有空问信息处理、 数据库技术、数学计算、可视化表达等功能的大型专业软件。 初始冲刷( f i r s tf l u s h ) 是指当降雨开始后最先产生的径流，其污染物的含 2 第一章绪论 量是整个产流过程中最高的【9 】。初始冲刷发生时，会有大量的污染物随着径流排 放到受纳水体中。初始径流中污染物的含量受到以下参数的影响：汇流面积、降 雨强度、不透水区面积以及距上一次降雨时间间隔。根据曲线相对于对角线( 与 水平面成4 5 度角) 的偏差比例来估算其强度【l 们。由于研究的复杂性，对于初始 冲刷在定义上仍存有分歧1 卜13 1 。d e l e t i c 的研究中14 1 ，把初始冲刷产生的标准由 降雨时间中占整个产流2 0 的最先产生径流的总污染物负荷( f f 2 0 ) 来确定。 因此可以用累计曲线来表示待测水质指标w q c ( w a l e rq u a l i t yc h a r a c t e r ) 。l e e 等研究表明初始冲刷可以用一种数据分析方法来计算。通过这种方法研究表明汇 流区域面积越小，其初始冲刷现象就会越明显。同时在暴雨过程中不同功能区污 染物单位负荷量的大小顺序如下：高密度的居民区 低密度的居民区 工业区 未 开发的区域【1 3 j 。 理论研究与管理控制实践的接轨是必然趋势。以美国为例，这种接轨就体现 在三个方面：政策层面上，美国国会结合研究进展，积极立法，研究的热点问题 是在总量控制的背景之下合理实施点源一面源的排污权交易，用市场手段减少总 污染的发生；经济层面上，学术界以量化面源污染为基础，结合微观经济学方法 展开费用效益分析，进行环境一经济效益的综合量化评估，从而获取实现城市面 源污染治理的社会总效益最优的方案；技术层面上，主要是完善城市雨污水管道 系统，建雨水调节池进行降雨径流的地上或地下存储和利用，采用人工湿地处理 以及水体生态修复工程等。1 9 7 2 年联邦水污染控制法首次明确提出了控制面源 污染的“暴雨径流最佳管理措施”( b m p s ) ，并随着研究不断得到完善，它因高效、 经济、符合生态学原则，同益受到重视，并得到了广泛运用。 我国城市面源污染的研究始于8 0 年代北京市降雨径流污染状况研究，之后 相继在南京、杭州、苏州、长沙、成都、西安等城市丌展了类似的研究。主要报 道有：1 9 8 2 年夏青【1 5 1 叼对北京市城市降雨径流污染状况的研究，测试了北京市 街道地表沉积物的累积量及沉积物中污染物成分含量，评价了北京市城市降雨径 流污染状况；1 9 9 0 年刘曼蓉等人【2 0 】对南京市城北地区暴雨径流污染的研究，主 要测试了雨水中污染物浓度，预测了排污负荷；1 9 9 9 年赵剑划2 1 】对西安市城市 道路路面径流水质特征和排污规律进行了研究；1 9 9 9 2 0 0 1 年车武等人1 2 2 j 对北 京市城市道路和建筑屋面径流水质以及影响因素进行了测试研究，并估算了污染 3 河海大学硕士学位论文 量。模型研究方面，起初仅局限于对污染负荷定量计算统计模型的研究。到2 0 世纪9 0 年代以后，计算模型的研究得到相当大的发展，分雨强计算城区径流污 染负荷为城市径流污染负荷定量计算提供了新的研究方法【2 3 】；3 s 技术的应用推 动了面源污染的量化工作，提高了城市降雨径流污染负荷模型的精度。其中污染 负荷定量计算模型研究的方向增至三个方面：径流量与污染负荷相关性分析2 4 1 、 水量单位线和污染物负荷的研究以及地表物质累积规律【2 5 1 。 在城市降雨径流污染的管理和控制研究方面，国内基本上是一片空白，目前 也尚未建立与降雨径流控制配套的技术和法规体系。 总的来说，我国对城市面源污染尚未给予足够的重视，导致目前参与研究的 人员很少，且研究存在阶段性和孤立性，还未形成体系，更未延伸到管理政策的 研究。 1 2 2 国外面源污染控制模式的特征 国外城市面源污染控制模式主要从两方面考虑，即在源头上采取非工程措施 ( 也称之为管理措施) 、在径流迁移的途径或汇流的末端采取集中处理的工程性 措施。其具体过程是：非工程措施的目的是减少源头上污染物和径流的产生，主 要通过政府和市民的共同努力来完成。工程性措施是由城市各汇水面汇集的降雨 径流，通过管道或植草渠道进入在沿管道和渠道的特定地点设置的一定数量的雨 水调节池、渗滤池或渗井等，用于处理或调蓄部分汇集的径流，经调节池处理后 的径流，或进入渗滤系统回灌地下水，或就地作为中水利用，或在雨后缓缓进入 管道和后续处理设施。需要得到进一步处理的径流一般进入汇流末端设计的湿地 系统。通过这一系列工程措施后污染物得到基本控制，径流流量峰值得到大大削 减。 显然，除了非工程( 管理) 措施用于在源头减少污染物和径流的产生外，工 程措施在国外控制城市降雨径流污染的过程中是起着决定性作用的，尤其是沿管 线设置雨水调节池得到了最广泛的应用。发达国家目前研究和实施的城市面源污 染工程控制措施大部分是上述措施及其改进形式，如德国在9 0 年代己基本实现 对城市降雨径流的污染控制，最典型的措施是修建大量的雨水池截流处理合流制 和分流制污染的雨水；英国小城镇广泛利用湿地系统处理降雨径流污染；法国使 用高密度沉淀池处理收集的道路降雨径流；日本积极推行雨水的贮存处理和渗透 4 第一章绪论 设施，在市民家庭中推广雨水储存罐，同时拟建造大深度的地下河道，把雨水有 计划的贮存起来，经处理后作为中水道水源。其控制思路基本上一致，即采取径 流迁移途径和汇流末端组合措施相结合的集中控制。 显然，国外控制城市面源污染的模式是一种倾向于集中后采用工程性措施的 控制体系。其主要优点有：迁移途径和汇流末端的工程性措施处理效率一般比 较高，设计合理能非常有效的去除大部分污染物质：迁移途径控制措施的采用， 可以同时达到削减径流洪峰流量和去除污染物的目的；由于降雨量年际分配均 匀，调节池等措施能充分发挥作用，包括滞蓄径流、去除污染物、中水利用等； 措施集中，便于管理；利用渗透设施实现雨水回灌，可涵养和补充地下水等。 1 2 3 国外面源污染控制模式应用于我国时存在的缺陷 我国对待城市面源污染的问题基本上还停留在老的观念，对污染的控制偏向 于靠“雨污分流”和截流部分雨水进入污水处理厂来解决问题，一般雨水管道的设 计指导思想也只是以及时、迅速地排除降雨形成的地面径流，减少洪灾为目的， 结果造成水资源流失、环境不断恶化、政府负担加重，因此，有必要吸收国外的 先进经验和技术。但是由于国内与国外在很多方面存在差异，如我国城市地形复 杂、土地紧缺、生态系统破坏严重、排水体制落后、经济滞后、径流水质差、降 雨时间集中等，国外降雨径流污染控制模式并不能很好的适应于我国城市的发 展，存在很多缺陷和需要改进的地方。主要表现在： ( 1 ) 我国目前存在严重的点源污染，政府和公众的注意力都集中在工业废 水和生活污水上，对城市面源污染认识和控制研究基本处于空白，同时我国大部 分城市经济条件比较落后，因此，政府在降雨径流污染控制方面的投资少，造价 昂贵和管理费用高的一些集中式工程性处理措施并不能得到广泛的使用；我国城 市降雨径流水质较国外差，势必影响这些措施的稳定性和去除效果。何况城市面 源污染控制研究整体水平并不高，集中式工程性处理措施在去除污染物机理和有 效性方面还有待论证和提高，如人工湿地在贮存面源污染物的同时，本身的生态 效益也在降低，受进水不稳定的影响，其出水常常浊度比较高，悬浮物含量大， 而在发达国家人工湿地的出水部分直接排入了受纳水体【2 引。渗滤池在暴雨过程中 截污效果的下降也说明，人们在利用低洼地、沼泽地截污时带有一定的黑匣子效 应，缺乏对它们截污机理的深刻认识和设计标准的明确规定。渗透地面、渗透池 河海大学硕士学位论文 一般都存在堵塞现象，使用l 3 年后会被堵塞，且除冰剂的使用更会加速其堵 塞过程。 ( 2 ) 面源污染物在雨水径流的汇流过程中，将产生溶解和扩散过程，污染 物活性被激活，污染得以扩散，使城市地表在暴雨之后受到普遍性的污染，大量 分散污染物在短时间内被径流携带入城市水体，严重影响城市水体水质改善和生 态环境。而集中后采用工程措施并不能控制面源污染物的这种扩散污染，而且由 于径流流量的冲击性强，势必需要建筑足够体积和容量的工程处理设施，这些设 施占地面积大，降雨稀少季节闲置，利用率低。 ( 3 ) 我国传统的雨水排放系统都是以尽快汇集与排除地面径流为目标，这 就加剧了雨水向城市各条河道的汇集，使河道洪峰流量迅速形成，对低洼地带造 成了很大的压力。近年来，我国的城市水涝灾害频发，呈现出“城市越大，给排 水设施越完备，水涝灾害愈严重 的怪现象。同时大量的径流汇入污水管道，增 大了管道的输送负荷，超过管道输送能力的雨污混合水溢流散布在城市区域或直 接进入受纳水体，进入雨水管道的初期雨水径流未经过任何处理就排入了受纳水 体，结果大大影响了城市生态环境，污染了城市水体。由雨水水质与水量同时带 来的问题说明，现有的雨污水管网系统面临很大的压力，必须采取截流截污措施 进行缓解，借鉴国外的常用技术修建大量的雨水调节池，截流、处理合流制和分 流制管系的污染雨水，雨停后再排入污水处理厂或城市水体，虽然可以达到目的， 但是雨水池占地面积较大。而我国城市人口密集、土地资源非常紧张，修建地下 蓄水池代价高，技术含量高，维护困难，不符合我国经济条件，而且国外雨量年 际分配比较均匀，我国雨水大多集中在夏季，雨水蓄水池也不能得到充分有效的 利用。 ( 4 ) 我国城市的另外一个特征是地表水的严重污染和地下水的过量开采。 特别是北方城市水资源短缺，地下水过量开采，导致部分城市区域性地下水位下 降、地面大面积沉降；城市人口的大量增加和工业生产的规模化，污水量大幅度 增加，城市地表水环境受到严重污染。而同时，大量的雨水径流却经庞大的管道 系统排走，更加加剧了城市水资源危机，因此，合理、充分利用部分雨水回灌地 下水，涵养地下水源在我国城市显得尤为重要。建设渗滤池、渗井等集中渗滤设 施只能在适宜的区域使用，且建设和管理费用高，不能大规模采用，必须寻找其 6 第一章绪论 它简单、经济的渗透措施。 综上所述，国外城市面源污染的控制模式在我国应用时，并不能很好的适应 我国的城市面源污染特征和其它实际条件，存在很多缺陷，必须研究探讨出适用 于我国城市面源污染的控制模式和技术措施。 1 2 4 我国面源污染控制模式的研究趋势 国外降雨径流污染控制模式不能很好的适应我国城市的发展，我国在控制城 市面源污染时，只能是在借鉴国外控制模式的基础上，根据自身的技术水平，采 取适合我国国情的降雨径流面源污染控制技术措施。主要措施有： ( 1 ) 在源头上采取分散控制措施( 管理与工程措施并用) ，减少径流的产生、 减少污染物在城市表面的积累或就在发生地附近将污染物除去，延缓径流时间、 速度，从而可以削弱这些污染物在汇流过程中带来的扩散污染，减少管道铺设费 用，减少城市降雨带来的区域性洪涝灾害。而且污染物和径流在源头受其它因素 的影响较小，分散处理更易于净化，同时还减少了后续处理装置的污染负荷，减 少或消除了昂贵的集中式工程性处理措施的采用。 ( 2 ) 开发一些能在降雨径流汇入管道前的适用性强的污染控制技术措施， 从而减少集中式工程措施的使用，避免其处理效果不佳和处理系统的不稳定。 ( 3 ) 借助于截污、滞留和蓄水途径，削弱部分径流，减少径流的汇集，减 轻管网系统的输送压力、雨污混合水的溢流和雨水管道的初期径流污染，从而避 免修建大量雨水调节池但有效利用率不高、管道因污染物腐蚀而缩短使用周期等 造成的资源浪费。 ( 4 ) 加强就地截流、促渗等措施，合理地将雨水分散渗透，一方面补给城 市地下水，涵养地下水源，另一方面降低城市地表水环境因降雨径流遭受的严重 污染。 1 3 最佳管理措施( b m p s ) 概况及选择 美国在2 0 世纪7 0 年代末提出了“最佳管理措施( b e s tm a i l a g e m e n tp r a c t i c e s ， b m p s ) ”。最佳管理措施是选取快捷、经济和高效的方法，从而预防和降低面源 污染使之达到国家和地区所规定的水质标准【2 7 1 。美国环保局( u s e p a ) 将其定 义为“任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非 工程措施的操作和维护程序 f 2 8 】。 7 河海大学硕士学位论文 能够削减或控制面源污染的一切工程与非工程性措施，是一系列b m p s 的组 合【2 9 1 。非工程性b m p s 是指建立在法律法规、政策、程序与方法控制基础上的各 种管理措施，工程性b m p s 是指按照一定暴雨标准和污染物去除标准设计建造的 各种工程设施。工程性b m p s 以径流过程控制为核心，在削减或控制污染物的同 时，通过滞留与渗透作用能显著减少径流量、延长径流过程，从而削减下游河道 的洪峰流量。合适的b m p s 选取主要取决于现场条件( 土地用途、地形图、坡度、 地下水位和地质条件) 。每个b m p s 的选取都要遵循因地制宜的原则，以确保 b m p s 的完全运作和取得预期的效果。 1 3 1 洪峰水量控制 洪峰水量控制设施主要是将集水区开发后设计雨量所产生的尖峰径流量，降 低至原始的尖峰流量的水准。设计雨量的选择，通常由管理单位决定，其考虑因 素与城市排水设施设计雨量的选择大致相同。另外，当控制设施出流时，如流入 自然的渠道，则需要再控制流速，以免引起渠道的冲蚀，流速的计算通常以2 年 频率的雨量为基准3 0 1 。在人口较密集的社区设计如滞留池等设施，尚需设计溢流 道，此时则常以1 0 年的频率等设计为标准。 计算控制设施的容积有很多种方法，一般为先初步用较简易的方法计算，如 改良的合理法( m o d o f o e dr a t i o n a lm e t h o d ) 计算暴雨引起的流量历线，然后粗 估控制容积的需求。第二步再用洪水演算( f l o o dr o u t i n g ) 的方法来验定容积是 否需要增减，再做具体的设计。 1 3 2 非工程性b m p s 非工程性b m p s 是指建立在法律法规、政策、程序与方法控制基础上的各种 管理措施。对于不同对象，可针对性地制定不同的管理措施。以源头控制为基木 策略，强调政府部门和公众的作用。政府根据法律规定制定各种行政法规与管理 制度。通过污染源管理、农业用地管理、城市上地规划管理等措施控制或减少污 染源。 1 3 3 常用工程性b m p s 介绍 工程性措施是以兴建工程设施来达到控制污染的目的，如修建雨水调节池、 植被控制( 植草渠道和植被缓冲带) 、砂滤系统、渗滤坑、人工湿地等，措施很 8 第一章绪论 多，此处仅介绍几种常用工程性b m p s 的特征及其适用范围。 1 3 3 1 雨水调节池 雨水调节池，又称雨水滞留池，是目前应用最广泛的径流污染控制措施【3 。 过去常在管道溢流口或污水处理厂附近设置水池或水塘，土地紧张的城区设置水 渠，用来暂时储存管线系统的雨污水，减少合流制溢流雨污水量，待管道流量减 少后再依靠重力或泵提升至管网系统。后来为充分发挥雨水调节池的作用，沿管 道也设置大量的调节池，用于存储、滞留和处理周围区域收集到的径流，经沉淀 处理后再慢慢排入雨水管道排放，部分缺水城市将调节池储存的雨水处理后用作 城市杂用水。 调节池一般分为干式和湿式两种。干式雨水调节池在径流控制中主要用于削 减洪峰流量，对污染物的去除只是其附带作用，粒径较小的颗粒难以充分沉淀( 而 研究已经证明，地表径流中粒径较小的颗粒污染潜力大) ，而且沉淀的污染物聚 集在滞留池的池底，在下一场降雨中，很容易被径流重新冲起并最终带入受纳水 体。与干式调节池不同，湿式调节池中一直保持一定量的水，有的还在池内放养 水生动物和植物，它容许径流以一定的速度流入后再与原来的池水混合流出，对 径流中颗粒态和溶解性的污染物均有较好的去除效果。它对颗粒态污染物的主要 去除机理是沉淀，对一些溶解性物质，诸如可溶性磷、硝酸盐和氮的去除则归功 于水池中进行的生物化学作用。从长期的总的效果来看，湿式调节池要更好一些， 所以在实际应用时，往往使用湿式调节池【3 1 1 。雨水在调节池中的停留时间和池体 容积是影响去除效率的关键因素，因此，实际应用中根据区域降雨特征、径流特 征、径流中悬浮固体的沉降速度以及流域面积来设计停留时间和池体大小。 设计合理的调节池具有较高的污染物去除率。1 9 9 6 年w u 等人1 3 2 j 对美国北 卡罗来纳州几座湿式调节池对城市降雨径流的处理效果进行了研究，结果表明， 湿式调节池对t s s 、z n 有较好的去除效率，分别达到9 3 ，4 5 和8 0 。g r e d l 3 3 j 报道了对美国威斯康星州麦迪逊市区o 9 6 l ( n 1 2 的流域采用5 6 7 0 m 2 ( 占流域面积 的o 6 ) 的湿式调节池处理系统的调查结果，表明其对悬浮固体的去除效率可 达到8 7 。而s t a j l l e y 【3 4 】对美国7 座干式调节池处理效果统计，t s s 的去除效率 变化范围为3 8 7 。 调节池由于同时满足多种功能，所以在控制城市面源污染的过程起着非常重 9 河海大学硕士学位论文 要的作用。一般用来调节和处理超过管道输送能力的径流和雨污混合水，同时也 作为其它后续处理如过滤系统、渗滤系统和湿地系统等的预处理设施，因此，在 径流迁移的途径和管网末端都得到了的应用。其主要缺点就是占地面积较大，最 适合在城市大型绿地周围、低洼地、空旷地带、边缘地带广泛使用。 图1 1 城市面源污染采用的雨水调节池图1 2 郊区面源污染采用雨水调节池 1 3 3 2 植被控制 植被控制是一种利用地表密植的植物对地表径流中的污染物进行截流的方 法，去除污染物的机理为：吸附、沉淀、过滤、共沉淀和生物吸收过程。地表的 植被不但有助于减少径流的流速，提高沉淀效率，过滤悬浮固体，提高土壤的渗 透性，而且能够减轻径流对土壤的侵蚀，常常是一种有效的径流污染控制方法。 草是植被控制中最常用的植物，经研究，它对污染物的去除效率比其它植物，如 灌木、树等高的多。 植被控制包括植草渠道和植被缓冲带两种。植草渠道即在径流输送的水渠中 密植草皮以防止土壤侵蚀并提高悬浮固体的沉降效率。植被缓冲带是过滤带理论 的应用，它是在坡度较小的带状地面密植草皮使水流发散成为面流，其坡度一般 需要小于5 ，长度应大于2 0 米，从而延缓径流和去除径流中污染物，一般设计 在河道、湖泊等水体附近。如果地形坡度较大，则可以在其下游建造小型矮坝 ( c h e c kd a i l l ) 以减低流速。上游的径流入口通常设有水平水槽( l e v e ls p r e a d e r ) ， 水满时会溢流过水槽，然后平均分布流过缓冲草带，如此可以避免形成渠道流而 降低其处理效果。 b a r r c t t 等人【3 5 1 系统的研究了植草渠道对路面径流中污染物的去除效率，该 项研究表明，植草渠道对t s s 、油脂、n 0 3 - n 和重金属有较好的去除效果。其对 1 0 第一章绪论 t s s 、油脂、n 0 3 - n 、 z n 、p b 的去除率分别为5 4 、9 l 、7 4 、7 3 和8 3 。 s c h u e l e r 等人【3 6 】研究结果表明，设计及管理良好的植草渠道可去除7 0 t s s ， 3 0 t p ，2 5 t n ，5 0 9 0 的各种金属物质。l i n l e 等人f 3 6 】的研究也表明植草 渠道对油脂的去除率可达6 7 9 3 ，t s s 和v s s 至少可达到6 5 。 显然，植被控制是一种很有效的径流污染控制方法。植草渠道主要是在径流 输送的过程中将污染物从径流中分离出来，能够比较有效的去除径流中的s s 、 c o d 、重金属和油脂等污染物，因此，一般用其来实现对降雨径流的预处理，使 到达后续处理设施的径流水质获得明显的改善；植被缓冲带一般有选择性的设计 在受纳水体的岸边或附近，用于处理人工湿地的出水和周边的地表漫流。植被控 制适合于各种不同的地理环境，在设计和实施过程中具有很大的灵活性，而且耗 费也较省。 1 3 3 3 渗滤系统 尽管在整个汇水区域内都存在雨水径流的下渗，但有时需要利用较大的下渗 设施来促进渗透和去除污染物。渗滤系统是使降雨径流暂时存储起来，并渗透到 地下的一种暴雨径流管理方法，在美国许多地方都作为一种处理暴雨径流的可选 方案，可单独使用，也可与其它方法结合使用。 渗滤系统通常包括渗滤池、渗透渠、渗透管、渗井等。它主要用以去除溶解 性有机物，对污染物的去除机理主要是过滤、颗粒吸附和离子交换等。设计良好 的渗滤系统对径流中污染物有很好的去除作用，并能补充地下水资源。 当土地可得且土壤渗透性能良好时，可采用地面渗滤池。地面渗滤池有的是 季节性充水，有的则是一年四季均有水。在地面渗滤池中宜种植植物，季节性池 所种植的植物应既能抗涝又能抗旱，并视池中水位变化而定，常年存水的种植耐 水植物及浮游性植物。一般利用城市周边的低洼地作为地面渗滤池用。 地下渗滤池、渗透管、渗透渠实际上是一种利用碎石空隙来贮存雨水的地下 贮水装置。汇集的雨水通过透水性管渠进入四周的碎石层，进一步向四周土壤渗 透，碎石层具有一定的贮水调节作用。相对于地面渗透池来说，地下渗透池、渗 透管便于在生活小区设置。使用渗透设施需要地下水至少低于渗透表面1 2 m ， 土壤渗透率不小于2 1 0 巧c m s ，悬浮物含量小，否则易发生堵塞和造成地下水污染。 g o r d i n e 等人【3 7 】认为渗滤池是一种最有效的径流污染控制方法，设计合理、 河海大学硕士学位论文 维护适当的渗滤池对污染物的去除率可高达9 8 ，但它对地形、气候、地下水位、 入水水质等条件有严格的要求，易堵塞，有污染地下水的危险。所以应用时，需 要综合考虑各因素，合理选用。 从工作原理上看，多孔路面也可归纳为渗滤系统，它是为控制路面径流量和 水质而设计的一种特殊路面形式。它由多孔沥青或有空隙的混凝土修筑，能够允 许径流水通过并使水渗透并存储在其下的碎石垫层中并最终慢慢渗入土壤。实地 调查研究证明，多孔路面能够有效的去除径流水中溶解的或颗粒状的污染物质 【3 8 】。据c p a g o t t o 等人3 9 1 的研究，多孔路面最高可去除9 2 的碳氢化合物、8 5 的悬浮固体、7 8 的总p b ，可将碳氢化合物和重金属的浓度控制在法国饮用水 标准之下。多孔路面去除污染物的机理除了过滤外，还有生物吸附和生物降解作 用。多孔路面易于堵塞，据u r b a l l a s 和s t a l l r e ( 1 9 9 3 ) 【4 0 】的研究报道，多孔路面 通常在使用不当1 3 年后会被堵塞，除冰剂的应用更会加速其堵塞进程，所以， 日常的清扫工作对维护其控制径流的效果是十分必要的。在其完全堵塞之后，需 要更换新路面，花费较高，所以一般道路不常使用，通常用于坡度平缓、交通量 较小的路段、加油站、停车场、人行道等。 汇集的径流经过预处理后进入渗滤系统，对于地下水位低和土壤渗透性好的 城市区域是非常适用的，既能达到控制径流污染、削弱洪峰流量的目的，又能回 补地下水。但是渗滤池、渗井、渗透管、渗透渠等渗滤设施对进水要求高，否则 很易发生堵塞，而且建设和管理费用比较高，因此一般不能大规模使用。 1 3 3 4 湿地系统 地下水位或接近地表，或土地被一层潜水淹没，或种植水生植物的土地均称 之为湿地。湿地系统一般可以分为两大类：天然湿地和人工湿地。人工湿地是指 通过选择一定的地理位置与地形，并模拟天然湿地的结构与功能，根据人们的需 要人为设计与建造的湿地【4 1 1 。 ( 1 ) 人工湿地的组成 人工湿地是一个自适应的系统【4 2 1 ，其中水体、基质、水生植物和微生物是构 成人工湿地污水处理系统的四个基本要素。 基质 基质，又称填料，是人为设计的、由不同大小颗粒的沙粒、沙土、土壤、石 1 2 第一章绪论 块等按一定的厚度铺成的供植物生长、微生物附着