（环境科学专业论文）雨洪管理的低影响开发策略研究及在厦门岛实施的可行性分析.pdf

开发与维护上，个别措施甚至可以节约初期建设成本，而且在投入使用后不但 具有直接的环境效果，还能间接的实现其他环境效益，如缓解污水管道负荷效 益、保护下游受纳水体效益、地下水补给效益、景观效益、地产增值效益、改 善生态环境质量效益、减缓城市热岛效应以及减少城市噪光污染等环境效益。 厦门岛的环境条件适合应用l i d 雨洪管理策略。 关键词：低影响开发；雨洪处理；环境效益； a b s t r a c t w a t e rr e s o u r c ep r o t e c t i o na tt h el o c a ll e v e li sg e t t i n gm o r ec o m p l i c a t e d ，l a r g e l yd u et ot h e r e c o g n i t i o no fn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n , o rp o l l u t e dr u n o f f , a sam a j o rp r o b l e m t h i s d i f f u s e f o r mo fp o l l u t i o ni sd e r i v e df r o mc o n t a m i n a n t sw a s h e do f ft h es u r f a c eo ft h el a n db ys t o r m w a t e r r u n o f f , a n dc a r r i e de i t h e rd i r e c t l yo ri n d i r e c t l yi n t ow a t e r w a y so rg r o u n d w a t e r s t o r m w a t e rr u n o f f w i l lb r i n gm o r ep r o b l e m sa st h ei n c r e a s eo fi m p e r v i o u ss u r f a c ea r e a l o wi m p a c td e v e l o p m e n t ( l i d ) p r o v i d e sn e we c o n o m i c a l l ya n de n v i r o n m e n t a l l ys u s t a i n a b l et o o l sf o rl o c a lo f f i c i a l s ，t h e p r i v a t es e c t o r a n do t h e r st ob e t t e ra d d r e s sn o n - p o i n tp o l l u t i o nw e tw e a t h e r f l o wr e g u l a t o r y c h a l l e n g e sf o rt h ep r o t e c t i o no fo u rr e c e i v i n gw a t e r s i n s t e a do ft h el a r g ei n v e s t m e n t si nc o m p l e x a n dc o s t l yc e n t r a l i z e dc o n v e y a n c ea n dt r e a t m e n ti n f r a s t r u c t u r e ，l i da l l o w sf o rt h ei n t e g r a t i o no f t r e a t m e n ta n dm a n a g e m e n tm e a s u r e si n t ou r b a ns i t ef e a t u r e s l i de n c o u r a g e st h em u l t i f u n c t i o n a l c o s t e f f e c t i v eu s eo ft h eu r b a ng r e e ns p a c e ，b u i l d i n g s ，l a n d s c a p i n g ，p a r k i n gl o t s ，r o a d w a y s ， s i d e w a l k s ，a n dv a r i o u so t h e rt e c h n i q u e st od e t a i n ，f i l t e r , t r e a t a n d r e d u c er u n o f f l i di s c o m p l e t e l yd i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a lm a n a g e m e n ts t r a t e g i e s t h r o u g hl i d sn e wa d v a n c e t e c h n o l o g i c a lt o o l si ti sp o s s i b l et oh a v eb e t t e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n f o rs i g n i f i c a n t l yl e s sc o s t t h el i di d e ah a sb e e nd e v e l o p e dt om a n yo t h e ri d e a sl i k el i u d di nn e wz e a l a n d ，w s u di n a u s t r a l i a , t h es u d si nu k ，e t c i no u rs t u d y , w eh a v es e l e c t e dap e r v i o u sp a r k i n gl o t a n da n e x t e n s i v eg r e e nr o o fi nt h ec a m p u so fx i a m e nu n i v e r s i t ya st h es t u d ya r e aa n dt e s t i n gt h e i r e f f e c t i v e n e s si nx i a m e ni s l a n d f i r s t ，f l o o dc o n t r o la b i l i t y t h el i dp r a c t i c e sc a nb er e l a t i v e e f f e c t i v ei nc o n t r o l l i n gp e a k d i s c h a r g er a t e s u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h er a i n f a l li n t e n s i t y 6 0 ) w e r ef o u n df o rz i n c ( z n ) ，c o p p e r ( c u ) a n dl e a d ( p b ) ；t h ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t i o ni nt h ei n f i l t r a t i o na r eh i g h e rt h a nt h er u n o f f i ng e n e r a l ，t h i s g r a s s p a v ep a r k i n gl o th a sag o o dp o l l u t i o nc o n t r o la b i l i t y t h ew a t e rq u a l i t yo f r u n o f ff r o mg r e e n r o o fi sv e r yg o o da n dc a nh a r d l yi n f l u e n tt h ee n v i r o n m e n t t h i r d ，u s i n gl i dp r a c t i c e sa l ef e a s i b l ei nx i a m e ni s l a n d i nt e r m s o fc o s t s ，l i dt e c h n i q u e sc a n r e d u c et h e 锄o u n to fm a t e r i a l sn e e d e df o rp a v i n gr o a d sa n dd r i v e w a y sa n df o ri n s t a l l i n gc u r b s a n dg u t t e r s b u tt h en s eo fl i dt e c h n i q u e sm i g h tn o ta l w a y sr e s u l ti nl o w e rp r o j e c t sc o s t s t h e c o s t sm i g h tb eh i g h e rb e c a u s eo ft h ec o s t so fp l a n tm a t e r i a l ，s i t ep r e p a r a t i o n , s o i la m e n d m e n t s ， u n d e r d r a i n sa n dc o n n e c t i o n st om u n i c i p a ls t o r m w a t e rs y s t e m s ，a n di n c r e a s e dp r o j e c tm a n a g e m e n t b u tt h eb e n e f i to fu s i n gl i dt e c h n i q u e sc a nb e ：r e d u c t i o n si np o l l u t a n t s ，p r o t e c t i o no f d o w n s t r e a m w a t e rr e s o u r c e s ，g r o u n dw a t e rr e c h a r g e ，r e d u c t i o n si np o l l u t a n tt r e a t m e n tc o s t s ，r e d u c t i o n si nt h e f r e q u e n c ya n ds e v e r i t yo fc s o s ，a n dh a b i t a ti m p r o v e m e n t s ，i n c r e a s e si n r e a le s t a t ev a l u e ， i n c r e a s e dp a r c e ll o ty i e l d ，i n c r e a s e da e s t h e t i cv a l u e ，a n di m p r o v e m e n to fq u a l i t yo fl i f eb y p r o v i d i n go p e ns p a c ef o rr e c r e a t i o n t h ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o no f x i a m e ni s l a n di ss u i t a b l ef o r u s i n gt h el i ds t o r m w a t e rm a n a g e m e n ts t r a t e g i e s k e yw o r d s ：l o wi m p a c td e v e l o p m e n t ；s t o r m w a t e rc o n t r o l ；e n v i r o n m e n t a le f f e c t i v e n e s s 表索引 表2 1 生物滞留技术对各污染物处理率( ) - 2 1 表2 2 绿色屋顶类型3 2 表2 3 不同气候地区的绿色屋顶对降雨的滞留率3 5 表2 4 植草沟对径流污染物的去处效率3 8 表4 1 厦门大学国际学术交流中心配建露天停车场概况4 6 表4 2 绿色屋顶实验点概况4 8 表4 3i c p m s 质谱分析仪检测相关参数5 4 表5 1 研究期间6 次降雨事件基本资料5 6 表5 2 对露天透水停车场6 场降雨事件地表径流观测资料5 6 表5 3 露天停车场6 次降雨事件各项水样污染物含6 0 表5 4 透水区对n h 4 n 的去除率6 2 表5 5 透水区对n 0 3 - n 的去除率6 2 表5 6 透水区对溶解态c u 的去除率惭) 6 3 表5 7 透水区对溶解态p b 的去除率( ) 6 3 表5 8 透水区对溶解态z n 的去除率( ) 6 4 表5 9 污水综合排放标准6 6 表5 1 0 地表水环境质量标准基本项目标准限值6 6 表5 1 l 海水水质标准基本项目标准限值6 7 表5 1 2 绿色屋顶灌溉量记录分析6 8 表5 1 3 使用期不同的两处绿色屋顶对雨水滞留时间与同场降雨量及降雨强度6 9 表5 1 4 绿色屋顶研究期间7 次降雨事件基本资料7 0 表5 1 5 绿色屋顶渗透水流出情况监测记录7 0 表5 1 6 绿色屋顶渗透水污染物含量7 3 表6 1 从厦门大学事务管理处调查的基础数据7 6 表6 2 植草砖铺设其他费用7 7 表6 3 厦门大学国际学术交流中心配建停车场建设成本7 7 表6 4 普通混凝土修建同等面积停车场成本7 8 表6 5 绿色屋顶修建成本7 9 表6 6 厦门本岛土地利用规划指标一览表8 0 表6 7 厦门岛停车设施统计表8 2 表6 8 厦门岛可修建l i d 区域面积8 3 表6 9 采用l i d 措施每年可储存雨水总量8 4 表6 1 0 植草砖停车场污染物去除量8 5 v 图索引 图2 1 城市化导致地表降雨的水文变化6 图2 2 生物滞留区实例图1 6 图2 3 设计区览图1 7 图2 4 生物滞留区设计剖面图1 7 图2 5 生物滞留区雨水处理平均效果( 根据表2 1 数据分析整理) 2 0 图2 6 透水路面实例2 4 图2 7p p s 铺装基本结构图2 4 图2 8 三种不同的混凝土砖2 5 图2 9g r a s s p a v e 和g r a v e l p a v e 2 6 图2 1 0p e r v i o u sa l p h a l t 结构与实例图。2 7 图2 1 l 透水混凝土结构及实例图2 8 图2 1 2 绿色屋顶基本结构图3l 图2 1 3 绿色屋顶示范图3 3 图2 1 4 传统屋顶与绿色屋顶径流雨水滞留量3 3 图2 1 5 绿色屋顶介质厚度、屋顶倾斜度与降雨滞留率对应图3 6 图2 一1 6 绿色屋顶不同降雨量情况下降雨滞留率( 根据表2 3 分析整理) 3 6 图3 1 研究技术路线图4 2 图4 1 厦门气象站温度变化( 1 9 5 l - - 2 1 0 0 年) 4 5 图4 2 厦门气象站降水变化( 1 9 5 1 - - 2 1 0 0 年) 4 5 图4 3 厦门岛的城市化发展4 6 图4 4 厦门大学国际学术交流中心配建露天停车场及车道实景图4 7 图4 5 露天透水停车场垫层材质4 7 图4 6 绿色屋顶研究区域4 9 图4 7b l 区排水管实景图4 9 图4 8b 2 区排水管实景图5 0 图4 9 实验区平面示意图5l 图4 1 0 采集渗透水的a i 、a 2 点实景图5l 图4 1 1 实验器材设置效果图5 2 图5 1 径流水样p h 值变化5 9 图5 2 停车场各取样点n h 4 - n 浓度对比。6 l 图5 3 停车场各取样点n 0 3 - n 浓度对比( m g l 。1 ) 6l 图5 4 各降雨事件中车道径流中溶解态重金属含量6 4 图5 5 各降雨事件中透水区地表径流溶解态重金属含量6 5 图5 6 各降雨事件中透水区渗透水溶解态重金属含量6 5 图5 7b 1 区延迟雨洪径流出现时间与降雨量、降雨强度关系6 9 图5 8b 2 区延迟雨洪径流出现时间与降雨量、降雨强度关系7 l v i 图5 9b l 区雨洪滞留率与降雨量、降雨强度关系7 2 图5 1 0b 2 区雨洪滞留率与降雨量、降雨强度关系。7 2 图5 1 lb l 、b 2 区渗透水样n h 4 n 浓度与降雨背景值7 4 图5 1 2b l 、b 2 区渗透水样n 0 3 - n 浓度与降雨背景值7 4 图6 1 厦门市机动车历年增长情况图8 l 图6 2 厦门市汽车拥有率与经济发展关系8 2 i 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文 中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学术活 动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) f - n a ( 签名) 刊侪翻 2 枷罗年多月吕日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法 等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位 论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书馆及 其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、 硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇 编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦f - j ；k 学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：写刊f 车韵 2 咖7 年多月倍日 第一章绪论 1 绪论 城市是一个国家、一个地区政治、经济、文化、科技、交通的中心，也是人 类活动集中区域，属于高强度人类活动区。城市化是区域社会经济发展到一定阶 段的必然产物，但是城市化在给人类带来巨大效益的同时，也带来了诸多问题。 由于城市规模的不断扩张，造成土地利用的迅速变化，全球4 0 的地表在过去的 1 0 0 年里已发生了改变，城市的扩展占用了大量的良田，导致耕地面积锐减，森 林资源退化，使得原来的以植被为主的自然景观逐渐被众多的人工建筑物所取代， 形成了“水泥森林”。据预测，发展中国家的城市化水平在2 0 3 0 年将会达n 8 3 f 1 1 1 2 1 。 农田、草地、森林被街道、公路、建筑等不透水面所替代，而这导致了降雨径流 的增强，减少了地下水补给，加大了水渠和河道的侵蚀【3 - 6 1 ，同时改变了城市热 辐射平衡，进一步增强城市热岛效应。不透水层面积已成为标志城市化程度的一 个重要特征1 7 1 。 地表径流量伴随不透水面积的增加而增强，且随着对点源污染的控制，地表 降雨径流已逐渐成为重要的面源污染。1 9 9 0 年美国关于水体污染的调查表明，约 3 0 的水体超标是由面源污染所造成的【8 】。其原因是，城镇地区暴雨径流将地面 上的有毒污染物带入水体，这些有毒污染物种类多，数量大；广大的农业耕作区， 雨洪会冲刷泥沙以及化肥、农药和各类饲养场的废物，这些物质都将进入水体。 据美国国家水质委员会2 0 世纪8 0 年代初估算，美国来自点源和面源的悬浮物总量 为3 4 8 x 1 0 3t d ，其中面源总量为3 1 9 x 1 0 3t d ，占9 2 ；氮负荷总量为7 8 6 x 1 0 3t d ， 其中面源总量为6 2 3 x 1 0 3t d ，占7 9 ；磷负荷总量为8 0 x 1 0 3t d ，其中有4 2 5 x 1 0 3 们来自面源，占5 3 ；大肠杆菌数目的9 8 以上来自面源。面源污染所占比例随 着对点源污染的控制而在不断增大。目前，在西方发达国家，面源污染已成为主 要的水环境污染问题【9 l 。 不断发展的城市化对自然系统不可持续的利用不仅给自然界带来长期而缓 慢的危害，也会给社会人员带来突发大强度灾害，如城市水文中面临的由于强降 雨等过程带来的城市地表径流强烈波动问题【1 0 l 。而气候变化会加强这种波动， 并且这种城市洪涝问题面临着不断加剧的风险1 1 】【1 2 1 。对降雨过程中的强降雨径 流以及如何增加雨水截流量的问题，可通过建设能暂时存储雨水的截流塘或截流 池等设施来解决，也可建设绿地从而使雨水渗滤和蒸发。但是这意味着需要重新 雨洪管理的低影响开发策略研究及在厦门岛实施的可行性分析 设计城市水文系统，以恢复其所具有的自然功能。绿地的增加使得城市更富有绿 色生机，但是大量的不透水面以及高昂的土地价格让城市绿地建设费用不菲甚至 无法实现。 2 0 世纪7 0 年代以前，国外城市雨水处理在“快速、高效的工程排水”原则下， 着眼于将雨水从城市范围内快速排除，扩大雨水管道和城市河道横断面、减少糙 率或开发分洪渠道等被认为是解决雨洪问题的最有效方法【”】。但随后的社会发 展，原有城市排水系统的弊端日益暴露，反映出原有雨水处置理念与快速城市化 进程的不相适应，因此从2 0 世纪7 0 年代以来，国际雨水资源管理的理念发生了显 著变化，雨水蓄渗、缓排、利用等已成为雨水管理的重要内容。很多国家致力于 雨水利用技术的研究和开发，使用法律、经济、技术等多种手段，从水量和水质 两个角度，通过多种工程以及非工程措施实行“生态排水”，使降水尽可能地进 入自然水循环，尽量减少进入城市排水系统的雨水量，促进雨水的资源化利用， 减轻城市洪涝灾害、降低城市污水处理负荷和建设费用，维护城市水循环的生态 平衡。 中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为2 8 0 0 0 x 1 0 8m 3 ，占全球水 资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 2 0 0m 3 ， 仅为世界平均水平的1 4 、美国的1 5 ，在世界上名y f j l 2 1 位，是全球1 3 个人均水资 源最贫乏的国家之一【1 4 】。扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水 资源后，中国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为l 1 0 0 0 x 1 0 8 i n 3 左右，人均可 利用水资源量约为9 0 0m 3 ，并且分布极不均衡。到2 0 世纪末，我国6 0 0 多个建制 市中，有2 3 ( 约4 0 0 个) 城市缺水，其中严重缺水的城市多达1 5 0 个，全国城市 缺水总量为6 0 x 1 0 8m 3 。据监测，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状 和面状污染，且有逐年加重的趋势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功 能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，水资源的压力时刻威胁着城市的可持续发 展，威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。 我国现代城市雨水利用的研究与应用开始于2 0 世纪8 0 年代，发展于9 0 年代。 北京、上海、大连、哈尔滨、西安等许多城市相继开展雨水收集利用研究，尤其 是北京雨水集蓄利用技术发展步伐较快。2 0 0 3 年4 月起施行关于加强建设工程 用地内雨水资源利用的暂行规定，要求凡在本市行政区域内，新建、改建、扩 2 第一章绪论 建工程均应进行雨水利用工程设计和建设，雨水利用工程应与主体建设工程同时 设计、同时施工、同时投入使用。 厦门市目前城市化率6 8 1 l 【1 5 】，是一个水资源匮乏的城市，原水主要从距厦 f - 1 4 0 公里以外的漳州九龙江北溪输送，属低于人均1 0 0 0m 3 的严重缺水地区。作 为厦门市的主体，厦门岛面临的环境问题更加突出。其本岛不透水面在1 9 9 6 年至 2 0 0 2 年间以5 1 9 的速度递增n 6 1 ，2 0 0 6 年本岛不透水面达至1 j 2 7 1 9 【1 7 1 。厦门岛气 温、降雨有逐年上升趋势，暴雨日增多且越来越集中，小雨日减少，这些气象变 化为厦门雨水利用与管理更增加了困难【1 8 1 。 因此解决如何合理开发土地、有效控制管理地表径流的问题刻不容缓。 3 雨洪管理的低影响开发策略研究及在厦门岛实旅的可行性分析 2 国内外研究进展 2 1 城市地表降雨径流及城市排洪系统研究进展 2 1 1 城市地表降雨径流污染研究进展 点源及面源是地表水体污染的两大来源，其对地表水体污染的贡献率随着人 们对点源及面源的认识程度及采取相应治理措施的效果而发生变化，在点源污染 严重时，面源污染常常会被忽视。1 9 7 2 年，美国国会通过了水污染法案，规 定1 9 8 5 年达到零排放，期望从此能达到完全控制污染。花费大量资金建设许多污 水处理厂后，实际却没能达到目标。在俄亥俄河、五大湖，把所有工业废水和城 市生活污水全都处理之后，水体污染问题仍未得到解决。究其原因，发现是由于 暴雨径流把地面上的各种污染物带入了水体。于是，在美国国家环境保护局 1 9 7 7 1 9 8 1 年的科研计划中，正式提出了面源污染控制的研究课题，开始了对面 源污染的研究。其研究范围既包括广大农村地区地表雨水径流引起的水体污染， 也包括城市地表径流引起的水体污染。 不同于工业废水或城市污水点源排放所具有的排污连续、水质恒定的特点， 城市地表径流污染物的排放表现为晴天积累、雨天排放的特征，城市地表径流排 污量及径流水中污染物浓度随着降雨状况及城市地表污染物累积状况的不同出 现随机的变化，这种变化不仅表现为不同场次降雨的测定值不同，而且使得在同 一场降雨中，污染物浓度及排污速率亦随着降雨过程的变化而变化。 1 9 9 0 年美国关于水体污染的调查表明，约3 0 的水体超标是由面源污染所造 成的【引。其原因是，城镇地区暴雨径流将地面上的有毒污染物带入水体，这些有 毒污染物种类多，数量大；广大的农业耕作区，雨洪会冲刷泥沙以及化肥、农药 和各类饲养场的废物，这些物质都将进入水体。据美国国家水质委员会2 0 世纪8 0 年代初估算，美国来自点源和面源的悬浮物总量为3 4 8 x 1 0 3t d ，其中面源总量为 3 1 9 x 1 0 3t d ，占9 2 ；氮负荷总量为7 8 6 x 1 0 3t d ，其中面源总量为6 2 3 x 1 0 3t d ， 占7 9 ；磷负荷总量为8 o x l 0 3t d ，其中有4 2 5 x 1 0 3t d 来自面源，占5 3 ；大肠杆 菌数目的9 8 以上来自面源。面源污染所占比例是随着对点源污染的控制而不断 4 第二章国内外研究进展 增大。目前，在西方发达国家，面源污染已成为主要的水环境污染问题【9 j 。 在我国，滇池湖泊流域的大青河，暴雨期悬浮物浓度为平时均值的2 3 倍，亚 硝酸盐氮则高达1 6 3 倍；宝象河暴雨期最大悬浮物浓度是非暴雨期的1 0 6 倍；近年 来，我国对滇池污染、太湖污染、淮河流域污染等重大河流湖泊污染问题的调查 研究结果都表明面源污染在其中起着重要的作用，其中滇池富营养化问题的研究 结果表明工业废水、城市污水及面源的污染贡献率分别为9 、2 4 和6 7 t 1 9 】。 而在面源污染中，城市地表径流是仅次于农业面源污染的第二大面源污染源【2 0 】。 我国对城市地表径流污染研究开展较少。到目前为止，仅有一些相关报导： 1 9 8 2 年夏青对北京市城市地表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，评价了北京市城市地表径流污染状况。 1 9 9 0 年刘爱榕等人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 - 2 0 0 1 年车武等人对北京市城市建筑屋面径流 水质进行了测试研究，发现城区屋面雨水径流尤其是初期径流的污染比较严重， 主要污染物为c o d 和s s ，沥青油毡屋面初期雨水中c o d 浓度可高达上千m g l 1 。 1 9 9 6 年以来赵剑强等人对西安市城市道路路面径流水质进行测试，结果显示，城 市道路降雨初期路面径流雨水污染物浓度c o d 高达1 2 3 0 m g l - 1 ，b o d 5 高达2 0 4 m g l 一，s s 达2 2 8 8m g l ，石油类高达1 6 1m g l 1 。将降雨径流开始后9 0m i n 的 c o d 、b o d 5 、s s 算术平均浓度与典型生活污水的相应指标值及我国适用于点源 污染控制的污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 的相应指标值进行比较，城 市道路降雨初期路面径流雨水中的c o d 浓度是典型生活污水值的近2 倍，s s 值是 典型生活污水的6 7 倍。c o d 、b o d 5 、s s 及石油类浓度远高于污水排放标准( 1 、 2 级) 的限值。 我国的城市环境状况与西方一些发达国家相比，污染严重的多，如城市大气 污染状况、城市垃圾收集状况、汽车交通排污状况等。据报导，我国城市汽车排 放的碳氢类化合物是发达国家的1 8 2 8 倍【1 9 】。这些都是城市地表径流的主要污染 来源，所以我国的城市径流污染问题比发达国家严重得多【1 9 1 。 2 1 2 城市不透水面对地表降雨径流及环境的影响研究进展 造成城市降雨径流污染物含量增高的主要原因，来自于大量的现代城市活动， 5 雨洪管理的低影响开发策略研究及在厦门岛实施的可行性分析 其中城市不透水面积的大量增加，对地表降雨径流量有明显的影响( 图2 - 1 ) ，加 剧了城市及周边环境的污染。 图2 1 城市化导致地表降雨的水文变化 f i g 2 - 1c h a n g e si ns t o r m w a t e rh y d r o l o g ya sar e s u l to fu r b a n i z a t i o n 资料来源：u s e p a ，l o wi m p a c td e v e l o p m e n t ：al i t e r a t u r er e v i e w , 2 0 0 0 城市的发展使更多的土地利用发生变化，大量的农业区域被不透水的屋顶、 道路覆盖，这改变了整个流域的水文情势2 1 】【2 2 】。落在屋顶和便道上的降雨很快 流走，而不再以自然的方式渗入土壤。这种土地景观的变化极大的增加了地表径 流量和洪峰率【2 3 1 ，进而增加了当地洪水发生的频率和等级【2 4 1 ，增强土壤侵蚀【2 5 】 和污染物迁移【2 6 】【2 7 】，缩短沉积时间口8 1 。一项研究显示，城市发展产生了几乎近 5 0 的沉积物【2 9 1 ，主要就是因为改变了流域水文情势，这对人们财产和周围生态 环境会造成严重的经济和环境影响【3 0 】【3 l 】。 因此，在大量研究中，不透水面积比值被认为是流域生态健康的指标之一p 引。 不透水面的不断增加对流域生态产生一系列影响，包括鱼类资源数量和种类的减 少3 3 1 ，河渠形态的改变3 4 1 ，海底生物种类【3 5 1 和数量【5 1 的减少，河道基流的降低【8 】 【3 6 1 和水质的退化d 5 】【3 7 】。影响水生态健康的因素很多，例如河流生态系统以及社 会经济、土地覆盖变化等多重指标【3 7 】。但是，不透水面的总比率与城市健康有 很高的相关性( r 2 = o 9 6 ) 3 s 】。这表明不透水面对流域水生态环境的影响是个有 效的预报指标，而且易于应用。 通过不同学者的研究3 】【5 】【3 3 】【3 9 1 ，一般认为造成环境水质退化的最低不透水面 6 +l山上v正；。1山苫峦正上s 第二章国内外研究进展 积比大约为1 0 。尽管流域内不同水平的不透水面由于复杂的流域相互关系会对 环境产生不同程度的影响，但是可以肯定的是高度开发的流域其环境质量一定更 加恶劣3 3 4 0 1 。对于不透水面积比的最低水平究竟是多少，不同的文献因为测量 方法不同而会有不同的结果【4 1 1 。但是，不透水面积比和环境生态健康多指标确 定的相关性确实存在。 在许多地区，城市发展导致水质退化h 2 】【4 3 1 ，海岸带线变化【4 4 1 ，栖息地破坏【4 3 1 。 在许多城市化的海岸带地区，非点源污染增加，影响了上、下游海湾的水质。由 包括城市建筑、原生植被的消失形成的城市非点源污染会导致悬浮物增加、雨水 径流加快、河水流量不稳定等问题4 5 1 。潜在的威胁还包括高营养物负荷、水体 缺氧、对河床的侵蚀和改变、有毒物质污染、盐度的改变和细菌污染5 ”5 - 4 8 1 。 a r n o l d 和g i b b o n s 3 2 1 确认了在不透水面和水质之间，存在2 个可观测的不 透水面积比的最低值：( 1 ) 不透水面覆盖率高于1 0 ，水质开始受到影响；( 2 ) 不透水面覆盖率高于3 0 ，水道水质退化到无法支持水生生命。k l e i n 5 】测定的最 低限大约为1 5 ，s c h u e l e r t 2 6 1 测定的最低值为1 0 2 0 。最近，m o r s e 等【4 9 1 在一 篇综述里检测了不透水面比率与无脊椎动物群之间的关系，表明不透水面比率最 低限范围在5 2 5 之间，高于这个范围则生物多样性、种群密度、敏感性种类 将会减少。 人们对海岸带自然风景的偏好，导致海岸带城市以及远郊的快速扩张【5 0 1 。 美国海岸带的城市发展比非海岸带地区快3 倍5 1 1 。t e n l e y 5 2 1 在研究了n e wj e r s e y 海岸带地区后，结果显示该海岸带地区对不透水面积非常敏感，不透水面积比最 低线范围在2 4 5 1 之间。 2 1 3 城市排洪系统研究进展 对降雨事件带来的污染问题的认识，以及伴随全球城市化引起的降水和城市 地表径流的变化，城市暴雨污水排放系统也随之经历了一系列变化。 一次降雨事件产生的地表径流污染过程可分为两个部分，即污染物在地表的 积累过程和被雨水冲刷的迁移过程。不少研究证明降雨事件中初期效应的存在。 初期效应( f i r s tf l u s he f f e c t ) 是指在径流初期与初期径流量不成比例的大部分的 污染物被冲刷进入地表水体的现象。通常认为，地表径流的初期污染负荷明显大 7 雨洪管理的低影响开发策略研究及在厦门岛实施的可行性分析 于其余时间的污染负荷5 3 1 1 5 4 1 。 在城市排水系统发展中，有两个主要问题一直是人们关注的焦点。一是城市 工业废水与生活污水的排放；二是雨水的排放。在过去，许多国家的城市是利用 同一排水系统即合流制排水系统来完成城市污水和雨水的排放。合流制系统采用 一个管系同时输送污水和地表径流雨水。以前国内外很多老城市采用直排式合流 制排水系统，这种系统对水体污染严重。现在国内外常采用的是截流式合流制排 水系统。这种排水系统是在临河岸边建造一条截污干管，同时截流干管处设置溢 流井，并设置污水厂。晴天和初雨时所有污水都排送至污水厂，经处理后排入水 体。随着雨量的增加，雨水径流也相应增加，当混合污水的流量超过截流干沟的 输水能力后，部分混合污水溢出，直接排入水体。 截流式合流制排水系统要求排水管道有足够的容量，以便在降雨时将生活污 水、工业废水和雨水一同输送；同时这种合流制系统还要求污水处理厂要有足够 的水力条件以接纳、贮存并处理这些废水。但实际上这往往很难办到，因为在降 雨量大( 如暴雨) 时，排水量可达到旱季流量( d w f ) 的1 0 0 倍，因此要建造如此 大的合流制排水系统和相应的污水处理厂，必将投入巨大的资金。正因为这一原 因，实际上运行的合流制排水系统允许在暴雨天使有部分混合污水溢流直接排入 河流中去。从控制水污染的角度看，这种做法显然不合理，因为不经处理的混合 污水会给河流带来严重的污染。 为了克服这一缺点，分流制排水系统应运而生。分流制系统有两个独立的管 系，一条管系把污水输送至处置地点；另一管系输送地面暴雨径流，即把未经处 理的径流雨水直接排入河道。但分流制也有一定的弊端，一是造价相对高；二是 城市地表水有时并不清洁，特别是初降雨时形成的地表径流，如直接排入河中， 会对河水造成很大的污染。尽管这样，新建的城市排水系统大都使用分流制。我 国排水规范中也明确指出，新建城市的排水系统要采用分流制排水体制。 在美国，6 0 年代以前人们一直推崇合流制排水系统。他们认为，周期性排入 河水中的污水可经河水的自净作用净化。直到6 0 年代末，他们才逐步认识到合流 制的弊端，转而将注意力集中到分流制系统上。当时普遍认为，分流制排水系统 不会或很少对河流造成污染，因为分流制排水系统的最大优点是：城市污水和降 水在进入河流以前都得到了处理。其缺点是造价过高。建造两套平行的排水管道 8 第二章国内外研究进展 系统，即使设计时尽可能使排流水进入就近水道，投资仍然比合流制多5 0 - - 1 0 0 。 之后的研究发现，地表水径流初期冲刷物的污染力不比未经处理的污水弱，而分 流制亦存在其他缺点。除了投资高以外，还存在污水排水沟与地面排水道的粗糙 连接的危险，高污染力的地表排流水以及合流制污水系统与分流制污水系统连接 处的溢流问题( 这些问题都同样存在于中国) ，尤其是来自工业区排流的潜在危 险。有研究表明，在同一汇水域，如果采用合流制排水系统，其溢流堰容量为 6 d w f ，则其暴雨溢流的污染物含量不会超过采用分流制排水系统。到7 0 年代， 美国开始普遍接受了贮存、处理雨水的观点。 合流制排水系统暴雨溢流的水质很不稳定，水质变化与溢流堰的设计、降雨 的持续时间、排放持续时间以及降雨时间( 如白天或是黑夜) 都有很大关系。另 外污染物的分布亦随汇水域的不同而有所不同。相邻的前后两次降雨相隔的时间 越长，暴雨径流引起的污染越严重。赫德里和金1 9 1 7 年发现，在排水系统中的水 位达到高峰以前，有9 0 的污染物就已经被带入溢流之中。有些情况下，当暴雨 污水溢流进入河流中时，河流通常处于水位猛涨阶段，从而大大地稀释了溢流水 中的污染物；但是另一方面，有时暴雨进入纳污河流时，河流还没有暴涨，更重 要的是，有时纳污河流并未受到暴雨的影响，其流量并没有增高或增高的很少， 在这种情况下，暴雨污水溢流对河流的污染将会非常严重【5 5 1 。 2 2 可持续雨洪管理策略研究进展 鉴于2 1 节中的问题，以及全球水资源的匮乏，传统的市政工程技术已经不 能适应城市发展的需要。全球各国开展了雨水利用的研究与实践，对地表径流的 管理控制措施进行了大量的研究。目前的