（環(huán)境工程專業(yè)論文）生態(tài)濾溝處理城市路面徑流的試驗(yàn)研究.pdf

摘要 論文題目：生態(tài)濾溝處理城市路面徑流的試驗(yàn)研究 學(xué)科名稱：環(huán)境工程 研究生：杜光斐簽 指導(dǎo)教師：李懷恩教授 簽 李家科副教授 簽 名： 摘要 隨著城市化進(jìn)程的加快，城市路面徑流污染問題r 益嚴(yán)重，運(yùn)用工程措施對(duì)其實(shí)施 控制重要意義。本文基于l i d 技術(shù)和前人工作基礎(chǔ)，進(jìn)行了西安市路面降雨徑流的監(jiān)測(cè)試 驗(yàn)，并在西安理工大學(xué)露天試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)了6 條不同配置方式的生態(tài)濾溝，通過試驗(yàn) 分析了不同基質(zhì)種類、不同基質(zhì)組合方式、不同植被條件、不同進(jìn)水水力負(fù)荷以及不同進(jìn) 水污染物濃度條件下生態(tài)濾溝對(duì)城市路面徑流中污染物的凈化效果，并進(jìn)行了對(duì)比分析。 進(jìn)而為其推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。研究初步得出以下結(jié)論： ( 1 ) 西安市路面降雨徑流各污染物指標(biāo)有明顯的初期沖刷效應(yīng)，隨著降雨時(shí)f 日j 的延 續(xù)，徑流污染物濃度逐漸減小?？傮w分析可得城市次干道道路路面徑流由于其車流人流較 為密集，污染較為嚴(yán)重，其次依次為城市主干道、居住區(qū)道路、文教區(qū)道路。 ( 2 ) 在所選的基質(zhì)中粉煤灰的凈化效果較好，其對(duì)氨氮、總氮、可溶解性j 下磷酸鹽、 總磷、重金屬鋅、重金屬鎘的濃度去除率可分別達(dá)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 ) 植物的生長(zhǎng)對(duì)于污染污染物的去除有一定輔助作用，通過比較在有植被條件下， 生態(tài)濾溝對(duì)總氮的濃度去除率可提高5 0 0 , - 3 0 ，而磷的凈化效果相差不大。 ( 4 ) 隨著水力負(fù)荷的增大，生態(tài)濾溝對(duì)污染物的濃度去除率會(huì)降低，氨氮和總氮的 濃度去除率在高負(fù)荷和低負(fù)荷時(shí)相差1 0 a ! 右，可溶解性幣磷酸鹽和總磷的濃度去除率 在高負(fù)荷和低負(fù)荷時(shí)相差可達(dá)3 0 左右；隨著各進(jìn)水污染物濃度的增大，c o d 、可溶解 性正磷酸鹽、總磷的濃度去除率呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，氨氮濃度去除率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)， 總氮濃度去除率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。 ( 5 ) 生態(tài)濾溝對(duì)磷污染物的去除效果優(yōu)于對(duì)有機(jī)物和氮污染物的去除效果，生態(tài)濾 溝對(duì)磷污染物的濃度去除率可達(dá)6 0 0 0 - 9 0 ，而對(duì)有機(jī)物和氮污染物的濃度去除率在 3 0 6 0 之間。 ( 6 ) 隨著入流時(shí)陽j 的延續(xù)，生態(tài)濾溝對(duì)入流流量、入流水量、入流污染物負(fù)荷的削 減能力減弱。 ( 7 ) 通過極差分析得出對(duì)于各污染物的凈化效果，外部條件( 進(jìn)水水力負(fù)荷與進(jìn)水 的 縫 煳 縫 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 污染物濃度) 為主要的影響因素，同時(shí)在生態(tài)濾溝自身?xiàng)l件中，基質(zhì)種類對(duì)凈化效果的影 響較大，植被條件起輔助作用。 ( 8 ) 對(duì)主要影響因素進(jìn)水水力負(fù)荷、進(jìn)水污染物濃度與污染物濃度去除率的關(guān)系進(jìn) 行了冪指數(shù)擬合，水力負(fù)荷與濃度去除率的擬合方程相關(guān)系數(shù)均在0 9 以上，擬合效果較 好。運(yùn)用s p s s 軟件的時(shí)間序列模型進(jìn)行了污染物濃度去除率與出水時(shí)間關(guān)系的模擬，模 型相關(guān)系數(shù)在0 5 左右，可通過延長(zhǎng)取樣時(shí)間或者增加取樣密度以提高模型模擬的效果。 ( 9 ) 生態(tài)濾溝的水量削減率、污染負(fù)荷削減率均在6 0 以上，削減效果較好，同時(shí) 削減量隨著生態(tài)濾溝建設(shè)面積的增大而增大。在西安市道路面積0 5 應(yīng)用條件下可節(jié)省 9 7 4 4 9 萬元年的污水處理建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用。具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。 關(guān)鍵詞：水環(huán)境，生態(tài)濾溝，試驗(yàn)，凈化效果，影響因素 本論文得到國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)城市主題之西安課題缺水城 市雨污水再生處理和不同途徑用水的關(guān)鍵技術(shù)研究與工程示范( 2 0 0 8 z x 0 7 3 1 7 0 0 4 ) 城市面源控制與雨水凈化與回用關(guān)鍵技術(shù)、以及國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)一 一渭河水污染防治專項(xiàng)技術(shù)研究與示范專題4 2 灃河n h 3 n 源解析及控制技術(shù) 集成( 2 0 0 9 z x 0 7 2 1 2 0 0 2 0 0 4 0 0 2 ) 的資助。 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 似釅凼 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 鋤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 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 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l(xiāng)o 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 緒論 1 緒論 1 1 研究背景與意義 水資源在自然資源中的地位既重要又特殊，它制約著人類的生存和可持續(xù)發(fā)展。目前 世界人1 3 持續(xù)膨脹，缺水問題對(duì)全球構(gòu)成的威脅同益加劇，而在我國(guó)尤為突出。我國(guó)水資 源嚴(yán)重貧乏，人均水資源占有量?jī)H為2 4 0 0 - - - 2 5 0 0m 3 a ，為世界平均水平的四分之一1 。在 以城市為中心的地區(qū)水資源的緊張狀況更為嚴(yán)重，在全國(guó)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 座嚴(yán)重缺水，致使工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活都受到嚴(yán)重影響t 2 1 。 同時(shí)，我國(guó)還面臨嚴(yán)重的水環(huán)境污染問題，從“十一五”開始，我國(guó)投入巨資用于以“三 河三湖 為重點(diǎn)的水污染防治，但目前水污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻。水體的污染源主要有兩大類： 即點(diǎn)源污染( p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) 和非點(diǎn)源污染( n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) 。近年來， 我國(guó)開展了關(guān)于滇池、太湖和淮河等流域污染問題的調(diào)查，結(jié)果表明，非點(diǎn)源( 面源) 污 染在其中起著十分重要的作用，其中關(guān)于滇池富營(yíng)養(yǎng)化問題研究的結(jié)果顯示工業(yè)廢水污 染、城市污水污染和非點(diǎn)源污染三者的分擔(dān)率分別為9 、2 4 和6 7 t 3 1 。水資源嚴(yán)重短 缺和水環(huán)境逐步惡化制約著我國(guó)城市的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步。 面對(duì)比石油危機(jī)更可怕的淡水危機(jī)，一方面，我們需積極應(yīng)對(duì)水污染問題，在點(diǎn)源方 面嚴(yán)格限制，加強(qiáng)管理，在非點(diǎn)源方面深入研究，探尋防治措施。另一方面，面對(duì)淡水資 源的匱乏，“丌源節(jié)流”是我們目前的首要任務(wù)。雨水是目前最根本、最直接、最經(jīng)濟(jì)的 淡水資源，二十世紀(jì)八十年代初，國(guó)際雨水收集系統(tǒng)協(xié)會(huì)( 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，并且達(dá)成共識(shí)雨水利用將成為解決二十一世紀(jì)水 資源的重要途徑。城市雨水收集利用就是把通過一定的設(shè)施將雨水收集起來，經(jīng)適當(dāng)處理 后進(jìn)行回用或回灌地下補(bǔ)充地下水，達(dá)到丌源節(jié)流，緩解城市水資源短缺之目的1 4 , 5 1 0 生態(tài)濾溝作為雨水處理設(shè)施的一種，是近年來基于垂直流人工濕地原理提出的新型處 理技術(shù) 6 1 是將城市非點(diǎn)源污染控制與城市雨水利用有機(jī)結(jié)合的生態(tài)雨水處理措施。本 論文的丌展，不僅對(duì)全面認(rèn)識(shí)生態(tài)濾溝并為其設(shè)計(jì)運(yùn)行提供技術(shù)參考具有重要的科學(xué)意 義，而且對(duì)控制城市降雨徑流污染以及緩解城市水資源問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)， 考慮到我國(guó)城市化進(jìn)程的加快、城市水資源問題的加劇以及城市非點(diǎn)源污染的普遍性和我 國(guó)在城市非點(diǎn)源污染控制方面開展的研究較少，本論文的研究方法與結(jié)果也可供其它類似 城市借鑒。 1 1 1 城市非點(diǎn)源污染及其l i d 技術(shù)防治 城市非點(diǎn)源污染問題是隨著城市快速發(fā)展而出現(xiàn)的新問題1 7 , 8 19 主要指城市地面( 主 要包括商業(yè)區(qū)地面、居住區(qū)地面、交通區(qū)地面、工業(yè)區(qū)地面等) 的一系列污染物在降雨并 形成地表徑流的過程中被沖刷和匯集，最終排入水體而造成的非點(diǎn)源污染，它是城市水環(huán) 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 境污染的重要組成部分1 9 1 。城市非點(diǎn)源污染隨著降雨的發(fā)生而形成，同時(shí)污染物隨著徑 流的形成而發(fā)生遷移。因此城市降雨徑流污染是城市非點(diǎn)源污染的主要形式。它具有 晴天累積、雨天排放、隨機(jī)性強(qiáng)、突發(fā)性強(qiáng)、污染徑流量大的特點(diǎn)，在降雨歷時(shí)中雨水水 量與污染物濃度變化具有明顯的峰值，因此，對(duì)處理設(shè)施的沖擊負(fù)荷比較大。暴雨徑流的 主要污染源為：汽車產(chǎn)生的污染物、屋面建筑材料、建筑工地及路面垃圾、城區(qū)雨水口的 垃圾和污水，大氣干濕沉降等川1 。隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快，不可滲透 地表的面積比例逐漸增多，由降雨徑流產(chǎn)生的城鎮(zhèn)面源污染已成為城市水環(huán)境惡化的重要 原因之一，是僅次于農(nóng)業(yè)面源污染的第二大面源污染源1 2 1 , 對(duì)其的治理與防治也同漸被 重視起來。 由新西蘭科學(xué)家提出的l i d ( l o wi m p a c td e v e l o p m e n 卜低影響開發(fā)) 技術(shù)是將城 市地表徑流污染控制與雨水利用有機(jī)結(jié)合的有效工程措施 1 3 l p 其主要是在源頭采用各種 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) 措施將雨水就地消納，盡可 能達(dá)到不產(chǎn)生徑流的效果1 4 1 0l i d 技術(shù)既適用于新城開發(fā)，也適用于舊城改造。根據(jù)目 前的統(tǒng)計(jì)資料，l i d 技術(shù)可以削減3 0 9 9 的暴雨徑流水量，同時(shí)延遲5 2 0m i n 暴雨徑 流峰值的到來，繼而緩解市政排水管網(wǎng)的排洪壓力；l i d 還能夠?qū)⒂晁畯搅髦械牡?、磷?油脂、重金屬等污染物有效去除，并且有調(diào)節(jié)雨水p h 值的效果，在源位置預(yù)先使用l i d 技術(shù)可以為雨水回用節(jié)約成本，為河湖地下水提供補(bǔ)給，為改善城市生態(tài)環(huán)境做貢獻(xiàn)。1 1 5 1 。 1 1 2 城市雨水利用及其必要性 雨水屬于輕微污染水，其所含有機(jī)物質(zhì)較少，溶解氧含量較高，鈣含量偏低，總硬度 較小，收集回用只需經(jīng)過簡(jiǎn)單處理。我國(guó)是雨水資源比較豐富的國(guó)家，年降水量為6 1 9 0 億m 3 ，但是由于雨水匯集、調(diào)蓄設(shè)施不夠完善，因此時(shí)常發(fā)生雨季洪澇泛濫和旱季嚴(yán)重 缺水的現(xiàn)象，雨水資源得不到有效利用。雨水資源降落下來通過陸地蒸發(fā)和植物蒸騰 會(huì)消耗掉約5 6 ，另外4 4 f l p 轉(zhuǎn)化為地表徑流( 二次水資源) ，蒸發(fā)和蒸騰消耗的水遠(yuǎn)高 于二次、三次水資源( 地下水) 的比例。而我國(guó)雨水資源利用力度不夠，最終利用量?jī)H為 一次水資源量的7 5 ，二次水資源量的1 8 ，三次水資源量的5 6 2 5 。這些數(shù)字表明， 為更充分地開發(fā)利用雨水資源，要充分提高二次、三次水資源利用率，同時(shí)更要大力提高 一次水資源的回收和利用率t 7 1 。 城市雨水利用主要包括土壤入滲和集蓄回用兩方面內(nèi)容舳，通過一定的雨水利用措 施，一方面可以及時(shí)補(bǔ)充地下水，增強(qiáng)自然水分循環(huán)：另一方面可以減少雨水資源大量流 失，使城市雨洪災(zāi)害得到緩解，同時(shí)令城市排水管網(wǎng)負(fù)荷得到降低，并節(jié)約雨水管道投資； 進(jìn)行雨水回用同時(shí)還能夠達(dá)到節(jié)約自來水、緩解城市用水壓力的目的川。因此，近年來 城市雨水利用越來越受到人們的重視。 a 土壤入滲 土壤入滲通常包括多孔瀝青及混凝土地面、草皮磚、地下滲透管、滲透渠和滲透池、 2 1 緒論 植被淺溝、下凹式綠地等幾種工程措施。其特點(diǎn)如表l - l 所示。 表卜1 十壤入滲類型及特點(diǎn) 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 我們通常所說的集蓄回用為屋面雨水集蓄回用系統(tǒng)。包括雨水收集區(qū)、雨水輸送系統(tǒng)、 雨水凈化系統(tǒng)( 過濾、沉淀) 和雨水儲(chǔ)存系統(tǒng)( 水箱、水池) 以及回用水配水系統(tǒng)等幾部 分t 2 3 1 。屋頂雨水花園由植被層、基質(zhì)、過濾膜、蓄排水盤、保濕毯、隔根膜構(gòu)成，在國(guó) 內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛，在植物選擇時(shí)需因地制宜，選取本地生的耐旱植物1 2 4 1 , 而基質(zhì)則需 選取低密度、高空隙率、耐沖刷、易于植物生長(zhǎng)的天然或人工材料，厚度一般為7m m 9 m m 。k 2 5 1 。 1 1 3 問題的提出、科學(xué)意義及市場(chǎng)應(yīng)用前景 a 問題的提出 城市非點(diǎn)源污染控制與城市雨水收集利用二者并不是獨(dú)立的兩個(gè)個(gè)體，發(fā)達(dá)國(guó)家將其 二者緊密結(jié)合，已經(jīng)做出了一些成果。在上世8 e j 十年代木德國(guó)提出的水污染控制的三大 課題已將雨水管理與利用列入其中。同時(shí)美國(guó)和許多歐洲國(guó)家也在逐步認(rèn)識(shí)到雨水對(duì)城市 的重要性，單純解決其排放問題已不能滿足城市發(fā)展的需要。在亞洲，同本率先將“雨水 流出抑制型下水道”這一工程措施提出來，同時(shí)加強(qiáng)各種滲透設(shè)施的建設(shè)，對(duì)雨水進(jìn)行截 留、收集、再利用，還通過工程示范和科研研究進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，另外，該項(xiàng)目也得到了政 府在政策和資金上的支持，并且納入了“國(guó)家下水道推進(jìn)計(jì)劃”1 2 6 1 。 生態(tài)濾溝采用磚砌結(jié)構(gòu)，由城市道路綠化植物和填料基質(zhì)組成，適用于城市主次干道 或城市小區(qū)道路的中問或兩側(cè)，路面徑流相應(yīng)地從其雙側(cè)或單側(cè)自然匯入，結(jié)構(gòu)緊湊，占 地面積小，平面布置圖如圖1 1 。其溝形狹長(zhǎng)，兩端不封閉。在生態(tài)濾溝的兩端設(shè)置有通 氣廊道，并在底部設(shè)置通氣集水槽，二者構(gòu)成單元生態(tài)濾溝的“u 形通氣廊道，另外， 在溝槽填料中穿插通氣管，從而有效改善溝槽填料內(nèi)部的氧氣分和狀態(tài)，保證出水水質(zhì)， 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 單個(gè)生態(tài)濾溝典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 2 。由單個(gè)的生態(tài)濾溝相瓦連接組合，即構(gòu)成生態(tài)濾 溝雨水集蓄利用裝置，生態(tài)濾溝組合應(yīng)用示意圖如圖1 3 。經(jīng)處理后的水一部分可集蓄起 來可用于城市道路綠化或城市景觀用水等，而多余的水可通過溢流進(jìn)入城市排水管網(wǎng)排 走，生態(tài)濾溝處理流程示意圖如圖1 4 。 j 重路 a 了丌j _ ll i l 群ll 漸l l i 下。孑l l 了可丌端下礦 馗跺 ( a ) 圖i 1 生態(tài)濾溝平面布置圖 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 ) 平面圖 ( a ) t o pv i e w 8 a j 1 2 ( b ) a a 削面圖 ( b ) a - ap l a n a rg r a p h ( c ) 1 3 b 剖面圖 ( c ) b - bp l a n a rg r a p h 1 一生態(tài)濾溝溝底、2 種植十層、3 一特殊材質(zhì)基質(zhì)層、仁礫f i 層、5 一鵝卵彳i 層、仁混凝十箅子、7 一 通氣集水槽、卜通氣井、9 - 通氣管、l 旺綠化灌小、l l 一草本植物、1 2 一出水管、1 3 一十i ：布、l 仁 金屬濾網(wǎng)、1 5 一擋板 幽1 2 生態(tài)濾溝結(jié)構(gòu)示意圖 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 圖1 3 生態(tài)濾溝細(xì)合戍川示意i 劉 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 生態(tài)濾溝一，p 雨水集蓄池 城市市政與城市景 一觀用水等的用 溢流 一 城市排水管網(wǎng) 圖1 4 生態(tài)濾溝處理流稃示意圖 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 科學(xué)意義及市場(chǎng)應(yīng)用前景 1 緒論 到目前為止，我國(guó)也已經(jīng)逐步開始重視城市非點(diǎn)源污染帶來的危害以及雨水利用的重 要性，并通過一定的措施來控制城市非點(diǎn)源污染和實(shí)現(xiàn)雨水利用。 雖然非點(diǎn)源污染治理的方法很多，但是生態(tài)治理技術(shù)仍是解決非點(diǎn)源污染問題的根本 途徑之一，其主要是通過控制生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡和物質(zhì)流動(dòng)來阻止污染物的流失，從而 實(shí)現(xiàn)去除目的。通過土地、植被和水體的凈化能力的充分利用來實(shí)現(xiàn)氮、磷和泥沙等物質(zhì) 的去除是一種有效而實(shí)用的非點(diǎn)源污染控制技術(shù)，其具有運(yùn)行費(fèi)用低、多方受益、適用范 圍廣等特點(diǎn)。 有研究發(fā)現(xiàn)，在道路兩側(cè)、低于地面高程的位置建設(shè)滲透性綠地或者種植植被的自然 排水淺溝是一種十分有效、且利于實(shí)現(xiàn)的路面雨水收集系統(tǒng)。雨水依靠重力作用自然匯入 其中并排走，在流動(dòng)過程中水中的污染物顆粒被表層植被攔截，雨水水質(zhì)沿途得到凈化 t 2 7 1 0 我國(guó)城市道路路面寬，并且在建設(shè)時(shí)設(shè)有散水坡度和導(dǎo)水渠道，對(duì)于建設(shè)路面雨水 收集系統(tǒng)十分有利，同時(shí)沿道路鋪設(shè)的下水管道也有助于收集系統(tǒng)的聯(lián)合坨& 2 9 1 ，由此可 見，在我國(guó)大力推廣雨水集蓄工程可行性強(qiáng)。我國(guó)西北地區(qū)作為水問題突出的典型區(qū)域， 雨水的集蓄利用工程的建設(shè)對(duì)于緩解西北地區(qū)城市水資源短缺具有重要意義。本項(xiàng)目擬結(jié) 合西安市開展研究，一方面西安市是一個(gè)水資源極為短缺的城市，同時(shí)，水污染嚴(yán)重、水 環(huán)境惡化、降雨期間街洪現(xiàn)象嚴(yán)重，地面沉降也極為普遍；另一方面西安城區(qū)的雨水資源 大有潛力可挖，城市公共面積大，排水系統(tǒng)完善，雨水回灌條件好1 3 0 1 , 因此將城市雨水 集蓄利用技術(shù)廣為推廣前景可觀。 生態(tài)濾溝作為一項(xiàng)將城市非點(diǎn)源污染控制與雨水集蓄利用相結(jié)合的措施，其研究尚處 于起步階段。本論文通過中試試驗(yàn)，研究生態(tài)濾溝對(duì)城市路面徑流中非點(diǎn)源污染物的凈化 過程，探索基質(zhì)種類和組合方式、入流水流及污染物特性以及植被條件等耦合因素對(duì)生態(tài) 濾溝凈化效果的影響，為生態(tài)濾溝這一新型措施在我國(guó)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和理論支 撐，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益、景觀效益和經(jīng)濟(jì)效益的有機(jī)統(tǒng)一。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及存在的問題 1 2 1 城市非點(diǎn)源污染及其l i d 防治技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展 對(duì)于城市非點(diǎn)源污染的研究主要集中在模型研究和污染控制研究?jī)煞矫?。前者起始?2 0 世紀(jì)7 0 年代，早期主要是降水徑流污染特征、影響因子、單場(chǎng)暴雨以及長(zhǎng)期平均污染 負(fù)荷輸出等方面的研究，比較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 ) 以及儲(chǔ)存、處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 世紀(jì)8 0 年代，美國(guó)農(nóng)業(yè)部研究所以美國(guó)農(nóng)業(yè)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 ) 丌發(fā)的s c s 水文模型為基礎(chǔ)，開發(fā)了化學(xué)污染物徑 流負(fù)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 ) ，它充分考慮了污染物在土壤中的物理、化學(xué)形態(tài)和分伽狀況，為進(jìn)一步研究城 5 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 市徑流污染模型提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn) 3 1 1 02 0 世紀(jì)9 0 年代后，在對(duì)過去創(chuàng)建的模型進(jìn)行總 結(jié)的基礎(chǔ)上，不斷地完善已構(gòu)建的模型，并推陳出新 3 2 0 同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)和3 s 技術(shù)的飛 速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，開發(fā)了一些功能強(qiáng)大、基于流域尺度的超大型模型，其普遍具有空間 數(shù)據(jù)信息處理、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)學(xué)計(jì)算、可數(shù)化表達(dá)等功能，如由美國(guó)國(guó)家環(huán)保局開發(fā)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 ) 和美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng) 業(yè)研究所開發(fā)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，這些模型均為城市非點(diǎn)源污 染定量化研究提供了極大的方便t 1 0 1 。 在控制方面，美國(guó)環(huán)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兩個(gè)方面 3 3 1 0 工程措施就是通過工程 建設(shè)來修建一定的設(shè)施來削減暴雨徑流的排放，具體設(shè)施如蓄水池、沉淀池、滲漏坑、多 孔路面和凈化污水的建筑物等。工程措施以外的可歸納為非工程措施，主要是通過管理方 面的加強(qiáng)和改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。具體措施例如推行分流制區(qū)域水處理，增大綠化面積建設(shè)，提高 街道清掃頻率，及時(shí)清理污水管道混接處，加強(qiáng)管理施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)于城市綠地肥料、農(nóng)藥 的使用加強(qiáng)控制等。同時(shí)，加強(qiáng)宣傳教育，提高公眾環(huán)保意識(shí)也是必要的。 我國(guó)的城市非點(diǎn)源污染研究始于2 0 世紀(jì)8 0 年代初北京市地表徑流污染研究1 3 4 1 , 隨 后在上海、杭州、蘇州、南京、成都等城市也發(fā)展起來 3 2 1 0 也是由模型計(jì)算研究3 5 1 發(fā) 展到工程實(shí)踐，如武漢漢陽地區(qū)的城市面源污染控制技術(shù)與工程示范的實(shí)踐3 1 和蘇州地 區(qū)的生態(tài)集雨溝、植被護(hù)坡、草溝和植被過濾帶等t 3 6 1 。 控制城市非點(diǎn)源的l i d 技術(shù)是一種典型的“源”控制措施，l i d 技術(shù)主要包括生物 滯留系統(tǒng)( b i o r e t e n t i o nf a c i l i t i e s ) 、綠色屋頂( g r e e nr o o f ) 、可滲透漏路面鋪裝系統(tǒng) ( 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 ) 等三個(gè)方面，另外還包括一些小型措施： 其特點(diǎn)如表1 2 所示： 6 1 緒論 表1 2l i d 主要技術(shù)及特點(diǎn)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 以上措施在應(yīng)用過程中需因地制宜，搭配使用，以實(shí)現(xiàn)不透水面積的減少、雨水資源 量利用的增加，從而實(shí)現(xiàn)城市雨洪管理的發(fā)持續(xù)性。 國(guó)內(nèi)針對(duì)l i d 技術(shù)也有一些應(yīng)用，例如寧波某新丌發(fā)區(qū)以江南水鄉(xiāng)景觀特色為基礎(chǔ)， 應(yīng)用了雨水徑流的源控制利用措施。北京東方太陽城項(xiàng)目通過下凹式綠地、植被淺溝等設(shè) 施將雨水收集利用。天津東麗湖萬科生態(tài)住宅區(qū)通過雨水利用方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了每年平均 可利用水資源量9 1 0 4 m 3 ，同時(shí)也控制了雨天洪澇、美化了景觀、改善了生態(tài)，并使地 產(chǎn)得到了增值，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益的雙贏局面。深圳市光明新區(qū)丌展了城市 低影響開發(fā)雨水綜合利用的實(shí)踐，并且探索出適合本地區(qū)的城市阿洪利用目標(biāo)、技術(shù)手段、 實(shí)施方法以及相應(yīng)的政策保障措施4 。 1 2 2 雨水資源化利用國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展 雨水資源利用已有2 0 0 0 多年的歷史，而近年來發(fā)展更為迅速，它的發(fā)展使人們重新 思考和認(rèn)識(shí)了傳統(tǒng)水資源的概念及其理論1 4 2 1 。2 0 世紀(jì)7 0 年代以來，許多發(fā)達(dá)國(guó)家大量 研究了城市雨水資源利用方法并將其付諸實(shí)踐。美國(guó)在2 0 世紀(jì)7 0 年代初就丌展了這方面 的研究，主要研究?jī)?nèi)容包括雨水的截留、貯存、回灌、補(bǔ)充地表或地下水源等t 4 3 | 。德國(guó) 的雨水利用技術(shù)在國(guó)際上最為發(fā)達(dá)，先在1 9 8 9 年出臺(tái)了雨水利用設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)( d i n l 9 8 9 ) ， 后至1 9 9 2 年已出現(xiàn)“第二代 雨水利用技術(shù)，到2 1 世紀(jì)f j i 期“第三代”雨水利用技術(shù)及 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系也同漸成熟4 5 1 。加拿大將阿洪治理列入?yún)^(qū)域規(guī)劃之中，通過洼地的建 7 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 設(shè)減緩降雨徑流量并實(shí)行了新建筑物區(qū)域零排放增量控制措施1 4 6 1 。新加坡雨水利用范圍 十分廣泛，在其國(guó)土面積6 3 0k m 2 之上，約有5 0 建設(shè)有大規(guī)模水資源開發(fā)利用項(xiàng)目， 其余5 0 也配備了雨水收集利用系統(tǒng)進(jìn)行收集屋面和地表雨水的收集4 釘。同本早在1 9 8 0 年就開始推行雨水貯存滲透計(jì)劃，隨后提出“雨水流出抑制型下水道”1 ，其城市雨水利 用的主要方式包括調(diào)蓄滲透及其利用、人工或天然水體( 塘) 調(diào)蓄雨水等1 4 5 1 。 雨水利用在我國(guó)也已歷史久遠(yuǎn)，早期在水源缺乏的農(nóng)村地區(qū)比較集中，例如甘肅的 “1 2 1 雨水集流工程”、內(nèi)蒙古的“集雨節(jié)水灌溉工程 、寧夏的“小水窖工程”、陜西的 “甘露工程 等。從利用形式上看，土壤入滲是我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的雨水利用方式，由于 下凹式綠地施工管理簡(jiǎn)易、蓄滲減峰效果又十分顯著，因此許多新建地區(qū)都規(guī)劃采用了這 種形式，例如如北京市區(qū)1 4 9 1 奧林匹克公園1 5 0 1 上海世博園區(qū)、鄭州鄭東新區(qū)b 等。 同時(shí)，國(guó)內(nèi)許多大城市也相繼展開研究或應(yīng)用，例如上海、天津、重慶、南京、武漢、成 都、哈爾濱、沈陽、西安、大連、青島等，這些雨水利用實(shí)踐都充分體現(xiàn)了雨水利用的巨 大發(fā)展?jié)摿? 4 5 1 。 1 2 3 生物溝技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展 生物溝( b i o s w a l e s ) ( 即生物過濾系統(tǒng)、生物截留系統(tǒng)、生物濾器、生物過濾洼地等) 暴雨徑流處理系統(tǒng)主要包括丌挖溝渠、填充基質(zhì)和植物三部分，主要包含細(xì)長(zhǎng)的溝渠、滯 留池塘兩種類型，一般有水平流向和垂直流向2 種形式。常見的種類包括植草溝、淺草溝、 植被淺溝g p 水溝等。 a 污染物去除 研究證實(shí)，生物溝對(duì)水質(zhì)改善效果顯著。王書敏等5 2 1 對(duì)國(guó)內(nèi)外生物溝處理能力方面 的研究進(jìn)行了歸納，同時(shí)比較了近幾年的部分研究成果，如表1 3 所示。從表中看出，生 物溝對(duì)于t s s 、重金屬、總磷的凈化效果更為穩(wěn)定高效，而對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的凈化波動(dòng)性較大， 其中總氮和硝酸鹽表現(xiàn)最為明顯。周開壹等5 3 1 進(jìn)行了多孔混凝土的植草溝( g p 水溝) 降污能力研究，在氣溫2 9 ，坡度l ，平均流速0 1 8 m s ，植草平均長(zhǎng)度8 c m 的條件下， 水流在g p 水溝中流經(jīng)5 0 m 的長(zhǎng)度后，污水中各污染物的去除率為：s s8 2 ，t p6 4 ， p b9 8 ；n h 3 n5 4 ；z n9 7 。 1 緒論 研究指出淤堵問題是生物溝在運(yùn)行過程中較為常見的問題，為了降低其發(fā)生的頻率， s l r l w a r d e z e 等5 8 1 建議采用連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行方式，然而這種方式在實(shí)際情況中很難實(shí)現(xiàn)， 主要原因是降雨的發(fā)生通常比較突發(fā)也不均勻k 5 2 1 0 同時(shí)為提高總氮凈化效果，可以通過 在生物溝系統(tǒng)中設(shè)置淹沒區(qū)并投加碳源的方法實(shí)現(xiàn)，實(shí)踐證明上述方法可以有效提高氮的 去除率，甚至可達(dá)9 0 以上k 5 9 1 。 b 設(shè)計(jì)參數(shù) 生物溝的構(gòu)造及設(shè)計(jì)參數(shù)直接關(guān)系到其運(yùn)行效果，b u r k h a r d 等對(duì)生物溝的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 進(jìn)行了總結(jié)，如表1 4 所示咖1 ，但是該標(biāo)準(zhǔn)在各種情況下差異較大，同時(shí)數(shù)據(jù)是在實(shí)驗(yàn) 條件下獲耿的，缺乏實(shí)際應(yīng)用研究的支撐；劉燕等詳細(xì)說明了水