（环境工程专业论文）生态滤沟处理城市路面径流的试验研究.pdf

摘要 论文题目：生态滤沟处理城市路面径流的试验研究 学科名称：环境工程 研究生：杜光斐签 指导教师：李怀恩教授 签 李家科副教授 签 名： 摘要 随着城市化进程的加快，城市路面径流污染问题r 益严重，运用工程措施对其实施 控制重要意义。本文基于l i d 技术和前人工作基础，进行了西安市路面降雨径流的监测试 验，并在西安理工大学露天试验场设计和建设了6 条不同配置方式的生态滤沟，通过试验 分析了不同基质种类、不同基质组合方式、不同植被条件、不同进水水力负荷以及不同进 水污染物浓度条件下生态滤沟对城市路面径流中污染物的净化效果，并进行了对比分析。 进而为其推广应用提供科学依据。研究初步得出以下结论： ( 1 ) 西安市路面降雨径流各污染物指标有明显的初期冲刷效应，随着降雨时f 日j 的延 续，径流污染物浓度逐渐减小。总体分析可得城市次干道道路路面径流由于其车流人流较 为密集，污染较为严重，其次依次为城市主干道、居住区道路、文教区道路。 ( 2 ) 在所选的基质中粉煤灰的净化效果较好，其对氨氮、总氮、可溶解性j 下磷酸盐、 总磷、重金属锌、重金属镉的浓度去除率可分别达到3 0 * 0 , - - 4 5 、2 5 , - - 3 0 、9 0 0 0 - 9 5 、 6 0 , - - 9 0 、8 3 一1 0 0 、3 0 0 , 6 3 。 ( 3 ) 植物的生长对于污染污染物的去除有一定辅助作用，通过比较在有植被条件下， 生态滤沟对总氮的浓度去除率可提高5 0 0 , - 3 0 ，而磷的净化效果相差不大。 ( 4 ) 随着水力负荷的增大，生态滤沟对污染物的浓度去除率会降低，氨氮和总氮的 浓度去除率在高负荷和低负荷时相差1 0 a ! 右，可溶解性币磷酸盐和总磷的浓度去除率 在高负荷和低负荷时相差可达3 0 左右；随着各进水污染物浓度的增大，c o d 、可溶解 性正磷酸盐、总磷的浓度去除率呈现先增大后减小趋势，氨氮浓度去除率呈现增大趋势， 总氮浓度去除率呈现先减小后增大的趋势。 ( 5 ) 生态滤沟对磷污染物的去除效果优于对有机物和氮污染物的去除效果，生态滤 沟对磷污染物的浓度去除率可达6 0 0 0 - 9 0 ，而对有机物和氮污染物的浓度去除率在 3 0 6 0 之间。 ( 6 ) 随着入流时阳j 的延续，生态滤沟对入流流量、入流水量、入流污染物负荷的削 减能力减弱。 ( 7 ) 通过极差分析得出对于各污染物的净化效果，外部条件( 进水水力负荷与进水 的 缝 煳 缝 西安理工大学硕士学位论文 污染物浓度) 为主要的影响因素，同时在生态滤沟自身条件中，基质种类对净化效果的影 响较大，植被条件起辅助作用。 ( 8 ) 对主要影响因素进水水力负荷、进水污染物浓度与污染物浓度去除率的关系进 行了幂指数拟合，水力负荷与浓度去除率的拟合方程相关系数均在0 9 以上，拟合效果较 好。运用s p s s 软件的时间序列模型进行了污染物浓度去除率与出水时间关系的模拟，模 型相关系数在0 5 左右，可通过延长取样时间或者增加取样密度以提高模型模拟的效果。 ( 9 ) 生态滤沟的水量削减率、污染负荷削减率均在6 0 以上，削减效果较好，同时 削减量随着生态滤沟建设面积的增大而增大。在西安市道路面积0 5 应用条件下可节省 9 7 4 4 9 万元年的污水处理建设运行费用。具有良好的环境、经济、社会效益。 关键词：水环境，生态滤沟，试验，净化效果，影响因素 本论文得到国家水体污染控制与治理科技重大专项城市主题之西安课题缺水城 市雨污水再生处理和不同途径用水的关键技术研究与工程示范( 2 0 0 8 z x 0 7 3 1 7 0 0 4 ) 城市面源控制与雨水净化与回用关键技术、以及国家水体污染控制与治理科技重大专项一 一渭河水污染防治专项技术研究与示范专题4 2 沣河n h 3 n 源解析及控制技术 集成( 2 0 0 9 z x 0 7 2 1 2 0 0 2 0 0 4 0 0 2 ) 的资助。 h a b st 1 - a c t t i t l e ：s t u d yo nt h ee f f e c t so fb i o l o g i c a lf i l t e rp u r i f y i n g u r b a nr o a dr u n o f f m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：g u g a n g f e id u s u p e r v i s o r ：p r o f h u a i e nl i a s s o c i a t ep r o f j i a - k el i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s 啪a t u 似酽凼 w i t ht h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o n ，t h eu r b 锄r o a ds u r f a c er u n e f f 。p o ll u t i o nb e c o m e s m o r ea n dm o r es e r i o u s l y c o n t r o l l i n gi tb ye n g i n e e r i n gm e a s u r e sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e b a s e do nt h es t u d yo fl i dt e c h n o l o g ya n dt h ep r e v i o u sw o r k ，s i xb i o l o g i c a lf i l t e r sw i t h d i f f e r e n tm e d i u m sa n dv e g e t a t i o np l a n t i n gp a t t e r n sh a v e b e e nd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e di nt h e o p e nt e s tf i e l d si nx a u t t h r o u g ht h et e s t ，w ek n o wp u r i f i c a t i o ne f f e c ti nc i t yr o a ds u r f a c e r u n o f fp o l l u t i o nb yb i o l o g i c a lf i l t e ri nd i f f e r e n tm a t r i xt y p e s ，d i f f e r e n tm a t r i xc o m b i n a t i o n s ，t h e d i f f e r e n t v e g e t a t i o nc o n d i t i o n s ，d i f f e r e n ti n l e th y d r a u l i cl o a da n dd i f f e r e n ti n l e tp o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o n ，a n dc a r r i e so nt h ec o n t r a s ta n a l y s i s a n dt op r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i sf o ri t s p o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er u n o f fp o l l u t a n ti n d e xw a st h ef i r s tf l u s he f f e c ti nx i a np a v e m e n t w i t hr a i n f a l l t i m eg o e s ，t h er u n o f f p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ng r a d u a l l yd e c r e a s e s t h r o u g ho v e r a l la n a l y s i s ，t h e p o l l u t i o no fu r b a ns e c o n d a r yt r u n kr o a di s m o r es e r i o u sb e c a u s eo ft h et r a f f i cf l o wi sm o r e i n t e n s i v e ，f o l l o w e db yu r b a nm a i nr o a d ，t h er o a d si nr e s i d e n t i a la r e a ，c u l t u r a ld i s t r i c tr o a d ( 2 ) t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to ft h ef l ya s hi sb e s ti nt h ec h o s e n m a t r i x e sa n dt h er e m o v a lr a t e so fn h 3 - n ，t n ，d p , t p ，z n ，c da r er e s p e c t i v e l y3 0 4 5 ， 2 5 3 0 ，9 0 - - , 9 5 ，6 0 - - 9 0 ，8 3 1o o 、3 6 3 ( 3 ) c o m p a r e dt ot h eb i o l o g i c a lf i l t e r sw i t h o u tv e g e t a t i o n ，t h er e m o v a lr a t eo ft nh a s b e e nr a i s e d5 , - 3 0 w h e nt h eb i o l o g i c a lf i l t e r sh a v ep l a n t sa n dt h er e m o v a lr a t eo fd pa n dt p h a v en od i f f e r e n c e s ( 4 ) a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f t h eh y d r a u l i cl o a do fi n f l o w , t h er e m o v a lr a t eo fp o l l u t a n t s c a nb er e d u c e d t h er e m o v a lr a t e so fn h 3 - na n dt na r el0 l o w e ra n dd pa n dt pa r e3 0 l o w e rw h e ni ti si nt h eh i g hh y d r a u l i cl o a dt h a ni nt h el o wh y d r a u l i cl o a d w i t ht h ei n c r e a s e so f t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ep o ll u t a n t s ，t h er e m o v a lr a t e so fc o d ，d p t pf i r s ti n c r e a s e sa n dt h e n 西安理工大学硕士学位论文 d e c r e a s e s ，t h er e m o v a lr a t eo fn h 3 一ni n c r e a s e s ，a n dt h er e m o v a lr a t eo ft nf i r s td e c r e a s e sa n d t h e ni n c r e a s e s ( 5 ) b i o l o g i c a lf i l t e ro nt h ep h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t si sb e t t e rt h a nt h a t o ft h eo r g a n i cm a t t e ra n dn i t r o g e np o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c y , b i o l o g i c a lf i l t e rr e d u c t i o nr a t e c a l lr e a c h6 0 t o9 0 o np h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t ，b u tt h a tr e d u c t i o nr a t eo n l v r e a c h3 0 t o6 0 o n o r g a n i cm a t t e ra n dn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t ( 6 ) a st h ec o n t i n u a t i o no ft h et i m eo fi n f l o w , t h ea b i l i t yo f b i o l o g i c a lf i l t e rt or e d u c et h e i n f l o w , i n f l o wv o l u m e ，i n f l o wp o l l u t i o nl o a dd e c r e a s e d ( 7 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so fr a n g e ，w ek n o wt h a te x t e r n a lc o n d i t i o n s ( i n l e th y d r a u l i c l o a da n di n l e t p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n ) i st h em a i ni n f u e n c ef a c t o r sf o rt h ep o l l u t a n t p u r i f i c a t i o ne f f e c t a tt h es a n l et i m ei nt h ec o n d i t i o no fb i o l o g i c a lf i l t e r , t h ee f f e c to fm a t r i x t y p eo nt h ep u r i f y i n gi sl a r g e r , v e g e t a t i o nc o n d i t i o n so n l yp l a yas u p p o r t i n gr o l e ( 8 ) t h em a i nf a c t o r sw h i c hi st h ei n l e t h y d r a u l i cl o a d ，i n l e tp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n a n d c o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t si sf i t t e dw i t ht h e t h e o r e t i c a lp o w e rf u n c t i o n ，t h e e q u a t i o no f c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti sa l li n0 9a b o v eb e t w e e nh y d r a u l i cl o a da n dc o n c e n t r a t i o nr e d u c t i o n r a t e ，t h er e s u l ti sg o o d t h er e l a t i o no fp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nr e d u c t i o nr a t ea n di n l e tt i m ei s d o n et h r o u g hu s i n gt i m es e r i e sm o d e lo fs p s s ，t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fm o d e li si na b o u t 0 5 ，b u tc a ni m p r o v et h em o d e ls i m u l a t i o nr e s u l t sb ye x t e n d i n gt h es a m p l i n gt i m eo ri n c r e a s et h e s a m p l i n gd e n s i t y ( 9 ) t h ew a t e rc u tr a t eo fb i o l o g i c a lf i l t e ra n dp o l l u t i o nl o a dr e d u c t i o nr a t e sa r ea b o v e 6 0 ，t h er e s u l to fc u t t i n ge f f e c ti sg o o d ，a tt h es a m et i m er e d u c t i o ni n c r e a s e da l o n gw i t ht h e i n c r e a s e i n gc o n s t r u c t i o na r e 凄lo fb i o l o g i c a lf i l t e r i tc a ns a v e9 ，7 4 4 ，9 0 0y u a n y e a ro fs e w a g e t r e a t m e n tc o n s t r u c t i o ni no 5 a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so fr o a da r e a si nx i a n ，i ta l s oh a sa g o o d e n v i r o n m e n t a l ，e c o n o m i c ，a n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n t ；b i o l o g i c a lf i l t e r ；e x p e r i m e n t ；p u r i f i c a t i o ne f f e c t ；i n f l u e n c e f a c t o r s 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景与意义 水资源在自然资源中的地位既重要又特殊，它制约着人类的生存和可持续发展。目前 世界人1 3 持续膨胀，缺水问题对全球构成的威胁同益加剧，而在我国尤为突出。我国水资 源严重贫乏，人均水资源占有量仅为2 4 0 0 - - - 2 5 0 0m 3 a ，为世界平均水平的四分之一1 。在 以城市为中心的地区水资源的紧张状况更为严重，在全国6 0 0 多座城市中，有二分之一以 上的城市缺水，其中1 0 8 座严重缺水，致使工农业生产和居民生活都受到严重影响t 2 1 。 同时，我国还面临严重的水环境污染问题，从“十一五”开始，我国投入巨资用于以“三 河三湖 为重点的水污染防治，但目前水污染形势依然严峻。水体的污染源主要有两大类： 即点源污染( p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) 和非点源污染( n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) 。近年来， 我国开展了关于滇池、太湖和淮河等流域污染问题的调查，结果表明，非点源( 面源) 污 染在其中起着十分重要的作用，其中关于滇池富营养化问题研究的结果显示工业废水污 染、城市污水污染和非点源污染三者的分担率分别为9 、2 4 和6 7 t 3 1 。水资源严重短 缺和水环境逐步恶化制约着我国城市的发展和社会的进步。 面对比石油危机更可怕的淡水危机，一方面，我们需积极应对水污染问题，在点源方 面严格限制，加强管理，在非点源方面深入研究，探寻防治措施。另一方面，面对淡水资 源的匮乏，“丌源节流”是我们目前的首要任务。雨水是目前最根本、最直接、最经济的 淡水资源，二十世纪八十年代初，国际雨水收集系统协会( i r c s a ，i n t e m a t i o n a lr a i n w a t e r c a t c h m e n ts y s t e ma s s o c i a t i o n ) 成立，并且达成共识雨水利用将成为解决二十一世纪水 资源的重要途径。城市雨水收集利用就是把通过一定的设施将雨水收集起来，经适当处理 后进行回用或回灌地下补充地下水，达到丌源节流，缓解城市水资源短缺之目的1 4 , 5 1 0 生态滤沟作为雨水处理设施的一种，是近年来基于垂直流人工湿地原理提出的新型处 理技术 6 1 是将城市非点源污染控制与城市雨水利用有机结合的生态雨水处理措施。本 论文的丌展，不仅对全面认识生态滤沟并为其设计运行提供技术参考具有重要的科学意 义，而且对控制城市降雨径流污染以及缓解城市水资源问题具有重要的现实意义。同时， 考虑到我国城市化进程的加快、城市水资源问题的加剧以及城市非点源污染的普遍性和我 国在城市非点源污染控制方面开展的研究较少，本论文的研究方法与结果也可供其它类似 城市借鉴。 1 1 1 城市非点源污染及其l i d 技术防治 城市非点源污染问题是随着城市快速发展而出现的新问题1 7 , 8 19 主要指城市地面( 主 要包括商业区地面、居住区地面、交通区地面、工业区地面等) 的一系列污染物在降雨并 形成地表径流的过程中被冲刷和汇集，最终排入水体而造成的非点源污染，它是城市水环 西安理工大学硕士学位论文 境污染的重要组成部分1 9 1 。城市非点源污染随着降雨的发生而形成，同时污染物随着径 流的形成而发生迁移。因此城市降雨径流污染是城市非点源污染的主要形式。它具有 晴天累积、雨天排放、随机性强、突发性强、污染径流量大的特点，在降雨历时中雨水水 量与污染物浓度变化具有明显的峰值，因此，对处理设施的冲击负荷比较大。暴雨径流的 主要污染源为：汽车产生的污染物、屋面建筑材料、建筑工地及路面垃圾、城区雨水口的 垃圾和污水，大气干湿沉降等川1 。随着我国社会的发展、城市化进程的加快，不可渗透 地表的面积比例逐渐增多，由降雨径流产生的城镇面源污染已成为城市水环境恶化的重要 原因之一，是仅次于农业面源污染的第二大面源污染源1 2 1 , 对其的治理与防治也同渐被 重视起来。 由新西兰科学家提出的l i d ( l o wi m p a c td e v e l o p m e n 卜低影响开发) 技术是将城 市地表径流污染控制与雨水利用有机结合的有效工程措施 1 3 l p 其主要是在源头采用各种 分散式b m p ( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c r 最佳管理措施) 措施将雨水就地消纳，尽可 能达到不产生径流的效果1 4 1 0l i d 技术既适用于新城开发，也适用于旧城改造。根据目 前的统计资料，l i d 技术可以削减3 0 9 9 的暴雨径流水量，同时延迟5 2 0m i n 暴雨径 流峰值的到来，继而缓解市政排水管网的排洪压力；l i d 还能够将雨水径流中的氮、磷、 油脂、重金属等污染物有效去除，并且有调节雨水p h 值的效果，在源位置预先使用l i d 技术可以为雨水回用节约成本，为河湖地下水提供补给，为改善城市生态环境做贡献。1 1 5 1 。 1 1 2 城市雨水利用及其必要性 雨水属于轻微污染水，其所含有机物质较少，溶解氧含量较高，钙含量偏低，总硬度 较小，收集回用只需经过简单处理。我国是雨水资源比较丰富的国家，年降水量为6 1 9 0 亿m 3 ，但是由于雨水汇集、调蓄设施不够完善，因此时常发生雨季洪涝泛滥和旱季严重 缺水的现象，雨水资源得不到有效利用。雨水资源降落下来通过陆地蒸发和植物蒸腾 会消耗掉约5 6 ，另外4 4 f l p 转化为地表径流( 二次水资源) ，蒸发和蒸腾消耗的水远高 于二次、三次水资源( 地下水) 的比例。而我国雨水资源利用力度不够，最终利用量仅为 一次水资源量的7 5 ，二次水资源量的1 8 ，三次水资源量的5 6 2 5 。这些数字表明， 为更充分地开发利用雨水资源，要充分提高二次、三次水资源利用率，同时更要大力提高 一次水资源的回收和利用率t 7 1 。 城市雨水利用主要包括土壤入渗和集蓄回用两方面内容舳，通过一定的雨水利用措 施，一方面可以及时补充地下水，增强自然水分循环：另一方面可以减少雨水资源大量流 失，使城市雨洪灾害得到缓解，同时令城市排水管网负荷得到降低，并节约雨水管道投资； 进行雨水回用同时还能够达到节约自来水、缓解城市用水压力的目的川。因此，近年来 城市雨水利用越来越受到人们的重视。 a 土壤入渗 土壤入渗通常包括多孔沥青及混凝土地面、草皮砖、地下渗透管、渗透渠和渗透池、 2 1 绪论 植被浅沟、下凹式绿地等几种工程措施。其特点如表l - l 所示。 表卜1 十壤入渗类型及特点 t a b l e l 1t y p ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l _ 塑t r a t i o n b 集蓄回用 我们通常所说的集蓄回用为屋面雨水集蓄回用系统。包括雨水收集区、雨水输送系统、 雨水净化系统( 过滤、沉淀) 和雨水储存系统( 水箱、水池) 以及回用水配水系统等几部 分t 2 3 1 。屋顶雨水花园由植被层、基质、过滤膜、蓄排水盘、保湿毯、隔根膜构成，在国 内外应用比较广泛，在植物选择时需因地制宜，选取本地生的耐旱植物1 2 4 1 , 而基质则需 选取低密度、高空隙率、耐冲刷、易于植物生长的天然或人工材料，厚度一般为7m m 9 m m 。k 2 5 1 。 1 1 3 问题的提出、科学意义及市场应用前景 a 问题的提出 城市非点源污染控制与城市雨水收集利用二者并不是独立的两个个体，发达国家将其 二者紧密结合，已经做出了一些成果。在上世8 e j 十年代木德国提出的水污染控制的三大 课题已将雨水管理与利用列入其中。同时美国和许多欧洲国家也在逐步认识到雨水对城市 的重要性，单纯解决其排放问题已不能满足城市发展的需要。在亚洲，同本率先将“雨水 流出抑制型下水道”这一工程措施提出来，同时加强各种渗透设施的建设，对雨水进行截 留、收集、再利用，还通过工程示范和科研研究进行技术优化，另外，该项目也得到了政 府在政策和资金上的支持，并且纳入了“国家下水道推进计划”1 2 6 1 。 生态滤沟采用砖砌结构，由城市道路绿化植物和填料基质组成，适用于城市主次干道 或城市小区道路的中问或两侧，路面径流相应地从其双侧或单侧自然汇入，结构紧凑，占 地面积小，平面布置图如图1 1 。其沟形狭长，两端不封闭。在生态滤沟的两端设置有通 气廊道，并在底部设置通气集水槽，二者构成单元生态滤沟的“u 形通气廊道，另外， 在沟槽填料中穿插通气管，从而有效改善沟槽填料内部的氧气分和状态，保证出水水质， 西安理工大学硕士学位论文 单个生态滤沟典型结构示意图如图1 2 。由单个的生态滤沟相瓦连接组合，即构成生态滤 沟雨水集蓄利用装置，生态滤沟组合应用示意图如图1 3 。经处理后的水一部分可集蓄起 来可用于城市道路绿化或城市景观用水等，而多余的水可通过溢流进入城市排水管网排 走，生态滤沟处理流程示意图如图1 4 。 j 重路 a 了丌j _ ll i l 群ll 渐l l i 下。孑l l 了可丌端下矿 馗跺 ( a ) 图i 1 生态滤沟平面布置图 f i g 1 - ip l a n ea r r a n g e m e n tc h a r to fb i o l o g i c a lf i l t e r 1 3 j ( a ) 平面图 ( a ) t o pv i e w 8 a j 1 2 ( b ) a a 削面图 ( b ) a - ap l a n a rg r a p h ( c ) 1 3 b 剖面图 ( c ) b - bp l a n a rg r a p h 1 一生态滤沟沟底、2 种植十层、3 一特殊材质基质层、仁砾f i 层、5 一鹅卵彳i 层、仁混凝十箅子、7 一 通气集水槽、卜通气井、9 - 通气管、l 旺绿化灌小、l l 一草本植物、1 2 一出水管、1 3 一十i ：布、l 仁 金属滤网、1 5 一挡板 幽1 2 生态滤沟结构示意图 4 f i g 1 2s t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o l o g i c a lf i l t e r 图1 3 生态滤沟细合戍川示意i 刘 f i g 1 - 3c o m b i n e da p p l i c a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o l o g i c a lf i l t e r 路面雨水斗 生态滤沟一，p 雨水集蓄池 城市市政与城市景 一观用水等的用 溢流 一 城市排水管网 图1 4 生态滤沟处理流稃示意图 f i g 1 - 4t r e a t m e n tp r o c e s ss c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o l o g i c a lf i l t e r 科学意义及市场应用前景 1 绪论 到目前为止，我国也已经逐步开始重视城市非点源污染带来的危害以及雨水利用的重 要性，并通过一定的措施来控制城市非点源污染和实现雨水利用。 虽然非点源污染治理的方法很多，但是生态治理技术仍是解决非点源污染问题的根本 途径之一，其主要是通过控制生态系统的物质平衡和物质流动来阻止污染物的流失，从而 实现去除目的。通过土地、植被和水体的净化能力的充分利用来实现氮、磷和泥沙等物质 的去除是一种有效而实用的非点源污染控制技术，其具有运行费用低、多方受益、适用范 围广等特点。 有研究发现，在道路两侧、低于地面高程的位置建设渗透性绿地或者种植植被的自然 排水浅沟是一种十分有效、且利于实现的路面雨水收集系统。雨水依靠重力作用自然汇入 其中并排走，在流动过程中水中的污染物颗粒被表层植被拦截，雨水水质沿途得到净化 t 2 7 1 0 我国城市道路路面宽，并且在建设时设有散水坡度和导水渠道，对于建设路面雨水 收集系统十分有利，同时沿道路铺设的下水管道也有助于收集系统的联合坨& 2 9 1 ，由此可 见，在我国大力推广雨水集蓄工程可行性强。我国西北地区作为水问题突出的典型区域， 雨水的集蓄利用工程的建设对于缓解西北地区城市水资源短缺具有重要意义。本项目拟结 合西安市开展研究，一方面西安市是一个水资源极为短缺的城市，同时，水污染严重、水 环境恶化、降雨期间街洪现象严重，地面沉降也极为普遍；另一方面西安城区的雨水资源 大有潜力可挖，城市公共面积大，排水系统完善，雨水回灌条件好1 3 0 1 , 因此将城市雨水 集蓄利用技术广为推广前景可观。 生态滤沟作为一项将城市非点源污染控制与雨水集蓄利用相结合的措施，其研究尚处 于起步阶段。本论文通过中试试验，研究生态滤沟对城市路面径流中非点源污染物的净化 过程，探索基质种类和组合方式、入流水流及污染物特性以及植被条件等耦合因素对生态 滤沟净化效果的影响，为生态滤沟这一新型措施在我国的推广应用提供科学依据和理论支 撑，以实现环境效益、景观效益和经济效益的有机统一。 1 2 国内外研究进展及存在的问题 1 2 1 城市非点源污染及其l i d 防治技术国内外研究进展 对于城市非点源污染的研究主要集中在模型研究和污染控制研究两方面。前者起始于 2 0 世纪7 0 年代，早期主要是降水径流污染特征、影响因子、单场暴雨以及长期平均污染 负荷输出等方面的研究，比较著名的模型有城市水管理模型( s w m m ，s t o r mw a t e r m a n a g e m e n tm o d e l ) 以及储存、处理和地面漫流模型模型( s t o r m ，s t o r a g et r e a t m e n t o v e r f l o wr u n o f fm o d e l ) 。到2 0 世纪8 0 年代，美国农业部研究所以美国农业部水土保持 局( s o i lc o n s e r v a t i o ns e r v i c e ，s c s ) 丌发的s c s 水文模型为基础，开发了化学污染物径 流负荷和流失模型( c r e a m ，c h e m i c a l sr u n o f l fa n de r o s i o nf r o ma g r i c u l t u r em a n a g e m e n t s y s t e m ) ，它充分考虑了污染物在土壤中的物理、化学形态和分伽状况，为进一步研究城 5 西安理工大学硕士学位论文 市径流污染模型提供了宝贵的经验 3 1 1 02 0 世纪9 0 年代后，在对过去创建的模型进行总 结的基础上，不断地完善已构建的模型，并推陈出新 3 2 0 同时随着计算机和3 s 技术的飞 速发展和广泛应用，开发了一些功能强大、基于流域尺度的超大型模型，其普遍具有空间 数据信息处理、数据库技术、数学计算、可数化表达等功能，如由美国国家环保局开发的 b a s i n s ( b e t t e ra s s e s s m e n ts c i e n c ei n t e g r a t i n g p o i n t & n o n p o i n ts o u r c e s ) 和美国农业部农 业研究所开发的a g n p s ( a g r i c u l t u r en o n p o i n ts o u r c e ) 等，这些模型均为城市非点源污 染定量化研究提供了极大的方便t 1 0 1 。 在控制方面，美国环保局提出的“最佳管理措施”b m p s ( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 最具有代表性。其主要包括工程性和非工程性措施两个方面 3 3 1 0 工程措施就是通过工程 建设来修建一定的设施来削减暴雨径流的排放，具体设施如蓄水池、沉淀池、渗漏坑、多 孔路面和净化污水的建筑物等。工程措施以外的可归纳为非工程措施，主要是通过管理方 面的加强和改进来实现。具体措施例如推行分流制区域水处理，增大绿化面积建设，提高 街道清扫频率，及时清理污水管道混接处，加强管理施工现场，对于城市绿地肥料、农药 的使用加强控制等。同时，加强宣传教育，提高公众环保意识也是必要的。 我国的城市非点源污染研究始于2 0 世纪8 0 年代初北京市地表径流污染研究1 3 4 1 , 随 后在上海、杭州、苏州、南京、成都等城市也发展起来 3 2 1 0 也是由模型计算研究3 5 1 发 展到工程实践，如武汉汉阳地区的城市面源污染控制技术与工程示范的实践3 1 和苏州地 区的生态集雨沟、植被护坡、草沟和植被过滤带等t 3 6 1 。 控制城市非点源的l i d 技术是一种典型的“源”控制措施，l i d 技术主要包括生物 滞留系统( b i o r e t e n t i o nf a c i l i t i e s ) 、绿色屋顶( g r e e nr o o f ) 、可渗透漏路面铺装系统 ( p e a m e a b l e p o r o u sp a v e m e n ts y s t e r n ，p p s ) 等三个方面，另外还包括一些小型措施： 其特点如表1 2 所示： 6 1 绪论 表1 2l i d 主要技术及特点3 9 1 t a b l e1 2m a i nt e c h n i c a la n dc h a r a c t e r i s t i c so fl i d 以上措施在应用过程中需因地制宜，搭配使用，以实现不透水面积的减少、雨水资源 量利用的增加，从而实现城市雨洪管理的发持续性。 国内针对l i d 技术也有一些应用，例如宁波某新丌发区以江南水乡景观特色为基础， 应用了雨水径流的源控制利用措施。北京东方太阳城项目通过下凹式绿地、植被浅沟等设 施将雨水收集利用。天津东丽湖万科生态住宅区通过雨水利用方案设计，实现了每年平均 可利用水资源量9 1 0 4 m 3 ，同时也控制了雨天洪涝、美化了景观、改善了生态，并使地 产得到了增值，实现了环境效益和经济社会效益的双赢局面。深圳市光明新区丌展了城市 低影响开发雨水综合利用的实践，并且探索出适合本地区的城市阿洪利用目标、技术手段、 实施方法以及相应的政策保障措施4 。 1 2 2 雨水资源化利用国内外研究进展 雨水资源利用已有2 0 0 0 多年的历史，而近年来发展更为迅速，它的发展使人们重新 思考和认识了传统水资源的概念及其理论1 4 2 1 。2 0 世纪7 0 年代以来，许多发达国家大量 研究了城市雨水资源利用方法并将其付诸实践。美国在2 0 世纪7 0 年代初就丌展了这方面 的研究，主要研究内容包括雨水的截留、贮存、回灌、补充地表或地下水源等t 4 3 | 。德国 的雨水利用技术在国际上最为发达，先在1 9 8 9 年出台了雨水利用设施标准( d i n l 9 8 9 ) ， 后至1 9 9 2 年已出现“第二代 雨水利用技术，到2 1 世纪f j i 期“第三代”雨水利用技术及 相关的标准体系也同渐成熟4 5 1 。加拿大将阿洪治理列入区域规划之中，通过洼地的建 7 西安理工大学硕士学位论文 设减缓降雨径流量并实行了新建筑物区域零排放增量控制措施1 4 6 1 。新加坡雨水利用范围 十分广泛，在其国土面积6 3 0k m 2 之上，约有5 0 建设有大规模水资源开发利用项目， 其余5 0 也配备了雨水收集利用系统进行收集屋面和地表雨水的收集4 钉。同本早在1 9 8 0 年就开始推行雨水贮存渗透计划，随后提出“雨水流出抑制型下水道”1 ，其城市雨水利 用的主要方式包括调蓄渗透及其利用、人工或天然水体( 塘) 调蓄雨水等1 4 5 1 。 雨水利用在我国也已历史久远，早期在水源缺乏的农村地区比较集中，例如甘肃的 “1 2 1 雨水集流工程”、内蒙古的“集雨节水灌溉工程 、宁夏的“小水窖工程”、陕西的 “甘露工程 等。从利用形式上看，土壤入渗是我国应用最为广泛的雨水利用方式，由于 下凹式绿地施工管理简易、蓄渗减峰效果又十分显著，因此许多新建地区都规划采用了这 种形式，例如如北京市区1 4 9 1 奥林匹克公园1 5 0 1 上海世博园区、郑州郑东新区b 等。 同时，国内许多大城市也相继展开研究或应用，例如上海、天津、重庆、南京、武汉、成 都、哈尔滨、沈阳、西安、大连、青岛等，这些雨水利用实践都充分体现了雨水利用的巨 大发展潜力( 4 5 1 。 1 2 3 生物沟技术国内外研究进展 生物沟( b i o s w a l e s ) ( 即生物过滤系统、生物截留系统、生物滤器、生物过滤洼地等) 暴雨径流处理系统主要包括丌挖沟渠、填充基质和植物三部分，主要包含细长的沟渠、滞 留池塘两种类型，一般有水平流向和垂直流向2 种形式。常见的种类包括植草沟、浅草沟、 植被浅沟g p 水沟等。 a 污染物去除 研究证实，生物沟对水质改善效果显著。王书敏等5 2 1 对国内外生物沟处理能力方面 的研究进行了归纳，同时比较了近几年的部分研究成果，如表1 3 所示。从表中看出，生 物沟对于t s s 、重金属、总磷的净化效果更为稳定高效，而对营养盐的净化波动性较大， 其中总氮和硝酸盐表现最为明显。周开壹等5 3 1 进行了多孔混凝土的植草沟( g p 水沟) 降污能力研究，在气温2 9 ，坡度l ，平均流速0 1 8 m s ，植草平均长度8 c m 的条件下， 水流在g p 水沟中流经5 0 m 的长度后，污水中各污染物的去除率为：s s8 2 ，t p6 4 ， p b9 8 ；n h 3 n5 4 ；z n9 7 。 1 绪论 研究指出淤堵问题是生物沟在运行过程中较为常见的问题，为了降低其发生的频率， s l r l w a r d e z e 等5 8 1 建议采用连续稳定的运行方式，然而这种方式在实际情况中很难实现， 主要原因是降雨的发生通常比较突发也不均匀k 5 2 1 0 同时为提高总氮净化效果，可以通过 在生物沟系统中设置淹没区并投加碳源的方法实现，实践证明上述方法可以有效提高氮的 去除率，甚至可达9 0 以上k 5 9 1 。 b 设计参数 生物沟的构造及设计参数直接关系到其运行效果，b u r k h a r d 等对生物沟的设计标准 进行了总结，如表1 4 所示咖1 ，但是该标准在各种情况下差异较大，同时数据是在实验 条件下获耿的，缺乏实际应用研究的支撑；刘燕等详细说明了水