（市政工程专业论文）BMPs在苏州市住宅小区非点源污染控制中的应用研究.pdf

河海大学硕士学位论文 摘要 本论文针对苏州住宅小区非点源污染的水质特征，进行了b m p s 控制小区非 点源污染的研究。研究的主要内容包括：对小区非点源污染特征进行调查，确定 试验的用水水质；试验分析水力学特性对降雨径流湿地系统水质处理效果的影 响，筛选潜流湿地系统的构型；制定屋面径流与道路径流的处理方案并试验模拟 得出各自的水质净化效果；利用b m p s 规划桂花新村小区非点源污染的控制。在 本文研究条件下，得到以下结论： ( 1 ) 降雨径流和居民活动造成的非点源污染是苏州住宅小区非点源污染的 主要来源。其中降雨径流主要分为屋面径流和道路径流，两者污染程度不同，但 污染负荷在时间上都存在明显的初期效应，若能收集并处理前3 0 m i n 的径流，将 实现对小区降雨径流污染的有效控制。 ( 2 ) 对湿地水力学特性的试验说明：水平潜流湿地系统对径流污水的净化 能力及运行稳定性好于其它湿地形式：为达到理想处理效果降雨径流湿地系统应 保证6 h 的最小停留时间并将水力负荷控制在0 2 8 0 3 9m 3 ( m 2 d ) ；湿地系统出水 污染物浓度随进水污染物浓度的升高相应升高，但去除率相对稳定。 ( 3 ) 在利用自由表面系统模拟屋面径流处理的试验过程中，当供试水样中 t n 为4 2 3 m g l ，n h 4 + - n 为2 9 8 m g l ，t p 为0 1 3 m g l ，c o d 为5 0 m g l 时，系统对 污染物的相应去除效率为4 8 、7 4 、7 0 、3 4 。 ( 4 ) 由水平潜流湿地和自由表面湿地组合成的二阶段湿地系统对道路径流 有较好的净化效果，当供试水样中浊度为1 2 5 n t u ，t n 为1 0 1 7 m g l ，n 1 4 + n 为 5 8 1m g l ，t p 为0 8 7m g l ，c o d 为2 3 l m g l 时，系统的去除率分别达到8 0 、 7 3 、8 9 、6 4 、7 9 。 通过对苏州桂花新村小区b m p s 利用的规划分析，进一步说明b m p s 符合环境 效益、经济效益和社会效益相统一的原则，具有高效、经济、环保的特性。 关键词：苏州住宅小区非点源污染降雨径流b m p s 湿地 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l em a i n l yd i s c u s s e sb m p s sc o n t r o lt ot h eu p t o w nn o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n ，i nv i e wo ft h ew a t e rq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i co fp o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni n s u z h o ur e s i d e n t i a lu p t o w n t h em a i nc o n t e n to f t h i sr e s e a r c hi n c l u d e s ：1 ) c a r r y i n go n t h ei n v e s t i g a t i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt h eu p t o w n ， t h e nf i xo nt h ew a t e r q u a l i t yo fe x p e r i m e n tu s e d ，2 ) a n a l y z i n gh y d r a u l i c s c h a r a c t e r i s t i c si n f l u e n c et ot h ew a t e rq u a l i t yp r o c e s s i n ge f f e c to f r a i n sr u n o f f w e t l a n d s y s t e m ，s i e v i n gt h ec o n f i g u r a t i o no f u n d e r c u r r e n tw e t l a n ds y s t e m ，3 ) s e t t i n gd o w nt h e p r o c e s s i n gp l a no fh o u s ef l a tf u n o f fa n dt h ep a t hf l a n o f f ，a n dt h e no b t a i nt h ee f f e c to f t h e i rw a t e rq u a l i t yp u r i f i c a t i o nt h r o w l g ht h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t 4 ) u s i n gb m p st o p l a nt h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n c o n t r o lo fg u i h u an e wv i l l a g er e s i d e n t i a l u p t o w n l a s t l y , u n d e rt h er e s e a r c hc o n d i t i o no ft h i sa r t i c l e io b t a i nt h ec o n c l u s i o na s f o l l o w i n g ： f 1 ) t h en o n - p o i n ts o n r c ep o l l u t i o nw h i c hi sc a u s e db yr a i n sr u n o f fa n dh a b i t a n t a c t i v i t i e si st h em a i no r i g i no ft h en o n p o i n ts o l f f c ep o l l u t i o ni at h es u z h o ur e s i d e n t i a l u p t o w n r a i n sr u n o f fi sm a i n l yd i v i d e di n t ot h eh o u s ef l a tr u n o f ra n dt h ep a t hr u n o f f , a n dt h ep o l l u t i o ne x t e n to ft h e ma r ed i f f e r e n tf ll o t b u tt h e r ea r eo b v i o u si n i t i a lp e r i o d e f f e c t so nt h ep o l l u t i o n1 0 a dt i m ee x i s tb o t ho ft h e m i fw ec a nc o l l e c ta n dp r o c e s st h e r u n o f ro fh e a d m o s t3 0m i n u t e s w ew i l lc o n t r 0 1t h ep o l l u t i o no fr a i n sr u f l o i t i n r e s i d e n t i a lu p t o w ns u c c e s s f u l l y ( 2 ) t h ee x p e r i m e n te x p l a n a t i o nt o t h eh y d r a u l i c sc h a r a c t e r i s t i co fw e t l a n d i n c l u d e s ：1 ) t h er u n o f fs e w a g ep u r i f i c a t i o na b i l i t ya n dm o v e m e n ts t a b i l i t yo fl e v e l u n d e r c u r r e n tw e t l a n ds y s t e ma r eb e t t e rt h a ns o m eo t h e rw e t l a n df o r m s 2 1i no r d e rt o a c h i e v et 1 1 ei d e a lp r o c e s s i n ge f f e c t t h ep e r s i s t e n c et i m eo fr a i n sr u n o f fw e t l a n d s y s t e ms h o u l db eg u a r a n t e e dn ol e s st h a n l o a ds h o u l db ec o n t r o l l e dr a n g ef r o m0 2 8 6 ha n dt h eh y d r a u l i cp o w e rw a t e rp o w e r t o0 3 9m 3 ( m 2 d 1 ，3 ) t h ec o n c e n t r a t i o no f o u t w a r dp o l l u t i o nf r o mw e t l a n ds y s t e mw i l lb ei n e r e a s e dw i t hc o n c e n t r a t i o no ft h e i n w a r dp o l l u t i o n si n c r e a s i n g b u tr e m o v i n gr a t ei sr e l a t i v e l ys t a b l e ( 3 ) d u r i n gs i m u l a t i n ge x p e r i m e n to f t h eh o u s ef l a tr u n o f f sp r o c e s s i n gp r o c e d u r e t h r o u g ht h ef r e es u r f a c es y s t e m if o u n dt h a tw h e nt h et no fe x p e r i m e n tw a t e rs a m p l e i s4 ，2 3 m g l ，n h 4 + 一ni s2 9 8 m g l ，t pi s0 。1 3 m g t l ，a n dc o di s5 0 m g l ，t h e c o r r e s p o n d i n gr e m o v i n gr a t ew i l lb e4 8 ，7 4 ，7 0 ，3 4 ( 4 ) t h et w os t a g e sw e t l a n d ss y s t e mw h i c ha r ec o n s i s t e db yl e v e lu n d e r c u r r e n t w e t l a n da n df r e es u r f a c ew e t l a n ds y s t e mh a st h eb e t t e rp u r i f i c a t i o ne f f e c tt ot h ep a t h n m o f f , w h e nt h et u r b i d i t yo fe x p e r i m e n tw a t e rs a m p l ei s1 2 5 n t u ，t ni s1 0 1 7 m g l ， n h 4 + ni s5 8 1 m g l ，t pi s0 8 7m g l ，a n dc o di s2 3lm e _ l ，t h es y s t e mr e m o v i n g r a t ew i l lb e8 0 7 3 8 9 ，6 4 ，7 9 t h r o u g ht h ep l a n n i n ga n a l y s i st ot h eb m p su s eo fs u z h o uo u i h u an e wv i l l a g e r e s i d e n t i a lu p t o w n i th a sf u r t h e re x p l a i n e dt h a tb m p sc o n f o r m st ot h ep r i n c i p l e w h i c ht h ee n v i r o n m e n tb e n e f i t t h ee c o n o m i ce f f i c i e n c ya n dt h es o c i a le m c i e n c y s h o u l db eu n i f i e d ，a n di th a sh i g h l ye f f e c t i v e ，e c o n o m i c a l ，t h ee n v i r o n m e n t a l i i 河海大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d s ：t h es u z h o ur e s i d e n t i a lu p t o w n n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n r a i n sr u n o f fb m p sw e t l a n d 1 1 1 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) ：超复 年。月3 。日 学位论文使用授权说明 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) ： 趋妻 加厂年3 月媚 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 , 1 1 背景 水资源危机目前已经成为世界上一个十分尖锐的社会问题，水资源危机不仅 表现在水量的不足，更反映在水质的恶化。国内外研究显示，随着点源污染的有 效管理控制，非点源污染已经成为造成地表水环境污染的重要原因之- - 1 1 ，如何 科学地认识并有效控制非点源污染已经成为一个紧迫的研究课题。 从世界范围来看2 4 】，2 0 世纪9 0 年代，全球3 0 5 0 的地表水受到非点源污 染的影响。在美国，6 0 的水环境污染起源于非点源，奥地利北部地区，据计算 进入水环境的来自非点源的氮量远比点源大，丹麦2 7 0 条河流9 4 的氮负荷，5 2 的磷负荷是由非点源引起的，荷兰农业非点源提供的总磷、总氮分别占水环境污 染总数的6 0 和4 0 6 0 。在我国，黄浦江上游、安徽太湖、上海淀山湖、江 苏太湖上游地区等，也存在着严重的非点源污染，已极大地影响了这些地区的水 资源利用【6 1 。 发达国家2 0 世纪6 0 年代开始关注非点源污染，7 0 年代中后期非点源污染的问 题受到普遍的关注和重视，1 9 9 3 年起美国环保署及各州先后制定了各种最佳管理 措施并通过颁布法令来控制非点源污染【7 1 。国内目前点源污染逐渐受到控制，相 对的非点源污染仍未引起应有的重视，尤其是农业区、工业区、休憩区、住宅区、 校园、施工工地等非点源污染皆直接排入自然水体，对水质造成莫大冲击，所以 最佳管理措施的推广更加急迫。然而最佳管理措施种类甚多，国内非点源研究范 围较窄，管理实践进展缓慢，完成的非点源污染最佳管理措施( b m p s ) 实例并 不多见，更无相关规范可供参阅。 因此，将国外非点源污染最佳管理措施中的成功经验引用到我国非点源污染 研究中，建立适应我国非点源污染问题的最佳管理措施，进而可为我国非点源污 染最佳管理措施的实施提供理论依据。 1 1 2 课题的提出 影响苏州古城区水环境的污染源主要是点源污染( 包括工业污染源和生活污 染源) 及城市非点源污染。目前，苏州城区的工业污染源与大部分的生活污染源 河海大学硕士学位论文 直接输送至城市污水处理厂进行处理，点源污染已经得到了有效的控制，非点源 污染成为制约苏州城区水环境改善的关键因素，其中住宅小区楼宇密集，人口密 度大，非点源污染不容忽视。本论文的研究就是基于苏州水环境质量改善与综合 示范项目，探求有效控制苏州城市住宅小区非点源污染的b m p s 。 结合对非点源污染主要控制措施的选择，研究将以降雨径流湿地系统作为结 构性b m p s 的研究重点，同时以非技术性的管理措施指导和配合技术性措施共同发 挥作用，通过湿地系统、草沟、非技术措施等b m p s 的配合使用，有效降低住宅小 区非点源污染负荷，从而达到改善苏州水环境的目的。 1 2 国内外非点源污染研究现状 非点源污染是指在降雨径流( 包括灌溉) 的淋溶和冲刷作用下，大气中、地面 和土壤中的污染物进入江河、湖泊水库和海洋等水体而造成的水污染，这种污染 也称为非点源污染，是普遍存在的。严格说来，除了集中点源( 如工业废水、城 镇生活污水) 外，其它各种污染源造成的水污染均属于非点源污染( n o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o n ) 。其中，降雨径流携带污染物进入水环境是最主要的非点源 污染，灌区渗漏和回归水携带农药、化肥进入地下水和河流也是一种常见的非点 源污染。几十年来，国内外在非点源污染的模拟预测和控制管理方面进行了大量 的研究和实践，取得了长足的进展。 1 2 1 国外研究现状 国外从上世纪7 0 年代初开始系统地研究非点源污染问题。1 9 7 2 年，美国开始 实施水清洁法p l 9 2 5 0 0 。当时，首次认识到点源污染的控制并不能解决美国的所 有水质问题，该法2 0 8 节提出了对非点源污染进行控制的要求”1 。为此，美国开 始对非点源污染问题进行广泛研究，至今已有3 0 年的历史。美国在水污染控制方 面的立法和较为充足的经费投入极大地促进了非点源污染研究和控制工作的开 展”1 。2 0 多年来，在对1 9 7 2 年水清洁法进行多次修正的基础上，美国1 9 9 9 年又制 定了新的“水清洁行动计划一恢复和保护美国的水体”，其重点是非点源污染的 控制和管理。1 。 美国研究非点源污染的著名学者n o v o t n y 教授指出“”：非点源污染是一个有 待解决的世界性难题。目前，非点源污染问题已经引起许多国家的重视。美国是 河海大学硕士学位论文 开展研究与控制最多的国家；加拿大、英国、澳大利亚、德国等也做了很多工作 1 1 - 1 6 。此外，日本、瑞典、匈牙利、荷兰、爱沙尼弧、土耳其等很多国家也已开 始引起重视“7 “。同时，非点源污染研究也得到了国际学术界的重视，如有关研 究成果已经在国际最权威酐j n a t u r e “”和s c i e n c e 啪1 上发表。 c a r p e n t e r 等( 1 9 9 8 ) 指出。“：由于n 、p 的过量富集，在美国，河流、湖泊( 水 库) 、河口、海岸带等地表水体的富营养化已经成为一种广泛存在的问题，而来 自农业和城市( 包括工业) 的非点源污染是水生态系统n 、p 的主要来源。过量的 营养物输入水生态系统，会产生很多问题，如有害藻类大量繁殖( 水华) 、溶解 氧下降、鱼类死亡、生物多样性降低等。因此，营养物富集将显著降低水生态系 统的功能和严重影响水体的饮用、工农业、娱乐等用途。 ( 1 ) 非点源污染负荷定量化 为了更好地认识和解决非点源污染问题，特别是定量研究非点源污染负荷量 及其比重、以及预测不同控制措施的效果，几十年来，流域非点源污染负荷预测 方法与模型一直是人们研究的重点。在污染负荷定量化方面，上世纪7 0 年代提 出了一些较为复杂的模型，如著名的s i f m m 、s t o r m 、a r m 模型等：随后，国外又 相继提出了一些比较实用的方法和模型( 如流域负荷函数、单位线和响应函数模 型、c r e a m s 、a n s w e r s 、a g n p s 等) ，并重视g i s 、r s 等现代技术在非点源污染 模拟和预测中的应用。在研究思路上，特别强调流域系统的整体观点。在研究对 象上，大都把营养物作为模拟和预测的重点。 在非点源污染负荷定量化方面，综合国际上近几年的主要研究成果，可以归 纳出目前的研究现状与发展趋势如下： 1 ) 非点源污染负荷定量化方法与模型的主要发展趋势为：综合化，即考虑 流域整体管理的需要，突出人类活动、土地利用变化的影响；耦合化，与流域内 的主要生态系统、社会经济系统等相联系；实用化，以大、中型流域为物件；现 代化，与g i s 、r s 、g p s 等现代技术紧密结合。 2 ) 模型开发十分重视对非点源污染控制管理措施的定量评价。美国2 0 世纪 7 0 年代开发的a r m 模型，最根本目的就是建立一种评价控制农业土地上土壤、农 药、营养物和其它非点源污染物流失的各种管理措施的有效性。后来的a g n p s 模 型、a n s w e r s 模型等都具有类似的功能。 河海大学硕士学位论文 3 ) 各类方法与模型都在发展。例如：输出系数法( 单位面积负荷法) ：早 期的输出系数不细分各类农业用地( 不同作物类型等) ，假定各种土地利用类型 的污染物输出量与该类土地的面积呈线性关系等。针对这些不足，近年来许多学 者从不同的角度出发进行了改进与发展，提出了考虑流域内的人口和牲畜因素、 考虑营养物来源与受纳水体之间的距离等多种改进的输出系数模型“3 。“”1 。统计 途径：从通常的水质水量相关，发展到在成因分析的基础上，利用统计技术、 人工神经网络( a n n ) 等研究流域内土地利用变化与人类活动对河流水质的影响 。”。概念性模型：由早期的偏重机理的仅适应于小流域的模型，发展到开发具 有机理概念的大中型流域预测模型“2 。“”1 。以g i s 技术为基础的分布式模型得到 重视。同时，注重原有模型的应用与完善，其中，a g n p s 模型比较突出“。 4 ) 非点源污染对地下水的影响预测与评价成为近年来的研究热点之一。”。 ( 2 ) 非点源污染的控制与管理 在非点源污染控制与管理方面，美国在2 0 世纪7 0 年代末就提出了“最佳管理 措施”( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ，简称b m p s ) 概念。近年来，更加重视流域 非点源污染的控制措施及其效果研究，提出了很多具体的控制措旌，如优化土地 利用结构、设置植被过滤带、建设和保护湿地等。主要的研究进展包括”川： 1 ) 从早期针对农业非点源污染的b m p s ，拓宽到适合各类非点源污染的b m p s 。 2 ) 结合模型的应用，重视优化技术在非点源污染控制与管理中的应用，更 好地协调非点源污染控制与经济发展之间的关系，使可持续发展战略落到实处。 3 ) 将非点源污染防治与流域水资源保护、流域生态环境保护、以及流域的 社会经济发展等有机结合，重视以流域为单元的整体管理。 4 ) 从非点污染源、迁移过程、受纳水体等环节入手，研究并提出了很多不 同类型的非点源污染控制措施与对策，包括利用生态系统功能控制非点源污染的 各类生态工程措施。 1 2 2 国内研究现状 我国从2 0 世纪8 0 年代以来，逐渐认识到非点源污染的危害，在城市径流污染 和农田非点源污染等方面开展了一些研究工作。如有关单位在天津于桥水库、四 川沱江、云南滇池、苏州市、太湖、巢湖、西安市黑河引水工程、中线南水北调 环保项目等开展的监测与分析研究工作。“1 ，污染负荷预测主要采用相关分析 河海大学硕士学位论文 法。近几年，在国家科技部与云南省的支持下，有关单位对滇池流域的非点源污 染的防治问题进行了较为系统的研究。 ( i ) 非点源污染负荷定量化研究 在非点源污染负荷定量化方面，国内开展的有代表性的工作可以大体按照时 间先后归纳如下： i ) 1 9 8 3 年天津引滦入津工程环境影响评价中首次监测了3 场暴雨洪水的水质 水量同步过程数据，并建立了水质与水量关系。 2 ) “六五”攻关专案：在四川沱江设立小区进行监测，并进行了小区模拟； 在苏州水网城市非点源污染监测，建立了单位线类模型。 3 ) “七五”攻关专案：云南滇池流域、巢湖、太湖的非点源污染研究，在 监测的基础上，建立了统计类负荷模型，提出了初步控制措施与对策。 4 ) 流域非点源污染模型研究：我国在流域非点源污染模型建立方面开展的 研究较少，特别是考虑非点源污染物在流域中迁移转化过程的模型更少。西安理 工大学李怀恩等把流域概化为河网系统，建立了一套具有机理基础的流域非点源 污染数学模型，包括流域产流模型、汇流模型、产污模型及非点源污染物迁移模 型，应用表明该模型具有较好地实用性”1 。”。3 ”。 5 ) 近1 0 年来，在大型城市地表饮用水源保护研究工作中，把非点源污染的 类比预测与控制管理作为重要内容，推动了我国非点源污染的研究和控制，如西 安、天津、北京等城市开展的工作。其中，西安市黑河引水工程水源保护研究 课题紧密结合黑河引水工程的实际，选择了3 个典型流域进行降雨径流污染监测 和代表性土壤总磷、总氮的测定，在此基础上，创建了3 种新方法( 平均浓度法 ”、土地利用关系法和污染负荷泥沙关系法“”) 。 6 ) 在城市非点源污染方面也开展了一些研究，如北京、南京、上海等。 7 ) 污染负荷估算模型改进。蔡明等通过考虑降雨因素影响和污染物在迁移 过程中的损失，对j o h n e s 的输出系数法进行改进，并应用于渭河流域总氮负荷 量的估算“。 8 ) 目前，非点源污染问题正日益得到重视，有越来越多的单位和人员投入 这方面的研究。其中，云南滇池流域非点源污染防治和武汉城市水环境综合整治 这两个项目具有代表性。 河海大学硕士学位论文 ( 2 ) 非点源污染控制管理 在非点源污染控制管理方面，总的来说，国内开展的研究不多，这些研究集 中于以下几方面： 1 ) 合湖泊富营养化防治与大型城市地表饮用水源的保护等进行了一些研究， 如：云南滇池( 前置库、种植水葫芦等) ；安徽巢湖( 多水塘系统等) ； 城市地表饮用水源保护( 植被过滤带、人口迁移、土地利用结构调整、保护区划 分等多种措施) 。 2 ) 湿地、人工湿地对非点源污染控制机理、效应和应用实例研究“3 1 “。王 晓珥等人运用种植菩提子和美人蕉的下行、上行流人工湿地系统处理西湖非点源 污染源，研究湿地系统中植物的生长和湿地对污水的净化效果。刘文祥等人利用 植物池及草滤带组成的湿地系统对非点源污染物进行吸附来控制农业径流中非 点源污染。 3 ) 森林生态系统、林带、缓冲带、草地对非点源污染控制的机理、效应和 实例的研究“6 。4 。 4 ) 农药、化肥的合理使用研究。主要包括化肥和农药的使用量、使用方式 以及使用季节、肥料的种类、无毒肥的替代等“。 5 ) 合理的农田耕作方式和农田灌溉方法，设计适宜的农田景观控制非点源 污染物扩散途径。“。 总的来讲，在2 0 0 0 年底大陆完成“一控双达标”任务后，随着城市污水处 理率的提高，我国的点源污染将逐步得到控制；但同时，非点源污染的影响将日 益突出。与国外先进水平相比较，我国无论在非点源污染研究的深广度上，还是 在控制管理的实践上，都存在巨大差距。因此，迫切需要加强非点源污染研究， 加大非点源污染控制管理的力度。 1 3 研究目的 本研究对苏州住宅小区非点源污染进行实地调查，掌握污染的来源和水质特 点。并以此为基础，重点研究降雨径流湿地系统对小区降雨径流污染的控制。试 验确定：水力停留时间、水力负荷及系统内水流形式等重要的水力特征参数，并 根据屋面径流和道路径流不同的水质特点，制定相应的处理流程，试验分析各自 的水质净化效果，作为日后苏州住宅小区b m p s 设计的参考。 6 河海大学硕士学位论文 1 4 研究内容 住宅小区非点源污染的重要污染来源便是降雨产生的屋面径流和道路径流， 而湿地处理径流污水的效果与湿地床构型及包括污水停留时间、水力负荷、有机 污染负荷在内的水力学特性关系密切，本论文就此作了如下研究： ( 1 ) 对苏州城市住宅区非点源污染特征进行调查，了解屋面径流和道路径 流的冲刷规律以及确定试验的进水水质。 ( 2 ) 试验分析水力学特性对降雨径流湿地系统水质处理效果的影响，筛选 潜流湿地系统的构型，并得出水力停留时间、水力负荷、系统内水流方式等影响 处理效果的重要水力特征参数。 ( 3 ) 针对屋面径流和道路径流不同水质特点，将潜流式湿地和自由表面湿 地进行组合设计，并试验模拟得出各自的水质净化效果，并分析合理性。 ( 4 ) 通过对苏州桂花新村小区b m p s 利用的规划分析，以多种非技术性的管 理措施指导和配合技术性措施( 降雨径流湿地系统、草沟) 共同发挥作用，分析 利用b m p s 控制住宅小区非点源污染可能产生的环境、经济及社会效益。 1 5 研究技术路线 本研究的技术路线如图1 1 所示： 河海大学硕士学位论文 图1 1 技术路线 8 河海大学硕士学位论文 第二章最佳管理措施( b s ) 概况 最佳管理措施( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ，简称b m p s ) 是选取快捷、经济 和高效的方法，从而预防和降低非点源污染使之达到国家和地区所规定的水质标 准 5 2 】。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。 集水区的非点源污染是造成地面水体水质恶化的主要原因，为减少非点源污 染所造成的冲击，b m p s 的规划与实施，就显得相当重要。对非点源控制，最好 是在污染物产生地就加以减少或消除，也就是所谓的“源头控制”( s o u r c ec o n t r 0 1 ) 的策略，例如通过施工规划与管理设施，以及污染行为的防止等手段来减少污染 产生。此种方法己经被证明为最为经济且可行性高，目前欧美先进国家皆推广此 种策略控制非点源污染。这种控制策略都属于最佳管理措施( b m p s ) 的内容， 任何去除、消减、防止或控制非点源污染的行动、技术、设备计划或操作方法， 统称为最佳管理措施( b m p s ) 。b m p s 包括非结构性( n o n s t r u c t u r a l ) 及结构性 ( s t r u c t u r a l ) 两种 5 3 - 5 5 ：结构性b m p s 是指建造某些非点源污染的设施，如草沟、 人工湿地等；非结构性b m p s 是指一些管理上的如土地管理规划、宣传教育及对 路面的清扫等措施。 集水区内非点源污染对水质的冲击很大，而污染负荷往往在暴雨初期冲刷 ( f i r s tf l u s h ) 被突显出来，当大量污染物被暴雨径流带入承受水体时，藻化小 水质富营养化便不可避免，使得水中生物缺氧死亡、小区水环境恶化等。因此为 了改善苏州的水环境，必须建造b m p s 做进一步的有效管理和控制。目前美国所 制定的控制策略，大多数以径流开始后前1 3 c m 的径流体积作为控制的重点，释 放时间至少3 0 8 , 时1 s 3 , 5 6 1 。主要目的是增加雨水停留时间，因而提高污染物的去处 效率。 2 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 9 河海大学硕士学位论文 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 5 5 , 5 7 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 l m 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。 2 2 常用结构性b m p s 介绍 由于结构性b m p s 很多，在此仅对生物滞留槽、草沟、缓冲草带、入渗沟及 湿地五种常用b m p s 做逐一介绍。 2 2 1 生物滞留池及生物滤池 生物滞留池( b i o r e t e n t i o n ) ，又称“雨水花园( r a i ng a r d e n ) ”，最早是在上 世纪9 0 年代由美国马里兰州乔治王子郡开发来取代传统的b m p s 【5 8 】。生物滞留池 一般由预处理草沟( 有时可以不要) 、植物种植区、浅层存水区、覆盖层、种植 土壤层、沙滤层、砂砾垫层、排水系统和溢流装置等组成。生物滞留池综合了目 前大多数的污染去除技术：包括存水区的固体沉淀作用、土壤层和沙滤层的物理 过滤作用、植物吸附和离子交换作用及微生物修复作用等。同时它也可作为城市 景观设施。由于功能的多样性，生物滞留池已经成为城市非点源污染低负荷设计 ( l o wi m p a c td e s i g n ) 技术中非常重要的b m p s 之一【59 1 。 应用范围：生物滞留池可以应用于新开发区、现存开发区及高度开发区( 可 渗透面积大约为1 0 2 0 ) 。生物滞留池主要应用于购物中心、停车场、学校、 公共办公区等，同时也可以应用于一些可渗透性地区，如高尔夫球场等。一个典 型的生物滞留池的尺寸为1 2 5 1 5 m ，其处理的集水区面积一般不能大于 o 5 h a 6 0 - 6 h 。根据模拟的结果，一个典型的生物滞留池在美国华盛顿地区一年可 以处理的地表径流量约为3 5 0 0 4 0 0 0 m 3 。 污染物去除效果：美国马里兰州乔治王子郡的现场监测显示，地表径流经设 计良好的生物滞留池处理后不仅能够达到美国的雨水排放标准，同时于其他 b m p s 比较效果也是最好。表2 1 列出了一些实地监测的污染物去除率。同时，弗 吉尼亚大学对生物滞留池监测的结果显示【6 2 1 ，一新建的生物滞留池可以去除8 6 1 0 河海大学硕士学位论文 t s s ，9 0 t p ，9 7 c o d 和6 7 的油脂。 表2 1 生物滞留池污染物去除效果统计 ( ) c up bz npt k n n h 4 + - nn 0 3 - n t n 上层 9 0 9 38 703 75 4 9 7 2 9 中层 9 3 9 99 87 36 08 6一1 9 4o 下层 9 3 9 9 9 98 16 87 92 34 3 生物滞留池设计应考虑因素： ( 1 ) 预处理系统的选择； ( 2 ) 存水区深度： ( 3 ) 覆盖层材料的选取； ( 4 ) 种植植物的选取； ( 5 ) 土壤层、沙层和砾石层设计； ( 6 ) 溢流设施的设计。 生物滤池( b i o b o x ) 与生物滞留池基本相似，其不同之处主要在以下两点： ( 1 ) 生物滤池一般比生物滞留池小很多，其滞留作用很小。 ( 2 ) 生物滤池一般建造在地下，不占据表面积，但是不具备景观作用。 2 2 2 草沟及渗透性b m p s 草沟( g r a s s e ds w a l e ) 本质上是一排水水工构造物1 6 3 - 6 4 l 。就最佳管理措施 ( b m p s ) 而言，草沟可视作一终端处理单元，或作为其他b m p s 的预处理单元， 故草沟的设计须检核下列事项： ( 1 ) 排水量是否达到设计要求； ( 2 ) 设计流速是否小于允许流速( 1 5 m s ) ： ( 3 ) 污染物去除效果是否达到预期目标。 草沟适用条件及注意事项： ( 1 ) 适用于小坡度( 1 5 以下) 小面积( 2 0 h a 以下) ； ( 2 ) 日照不足以供应草类正常生长或者砂砾地及含石量较多的土地不适用； ( 3 ) 不适用于浅水和长时间维持在潮湿状况的土地，这对其内种植的植物 生长不利，而且长时间水饱和的土壤也不利污染物去除： ( 4 ) 草沟采用浅宽的抛物线断面。经常有流水、坡度较大、沟底易冲蚀或 植物生长及维护困难地区，可用混凝土或石块铺设于草沟中央部分，配合种植物 河海大学硕士学位论文 成为复式断向； ( 5 ) 草沟草种建议采用本地植物； ( 6 ) 草沟的糙度系数应根据种植物的生长状况及草的种类而定：草沟按估算 的径流大小及沟底坡度，决定断面大小。 草沟去除率估算： 草带长度与坡度对总悬浮物、正态磷和n h 4 + n 的去除率可参照下列公式【6 5 】： 正态磷： r r=e-1215q(2-1) n i - h + - n ： r ：e “5 9 a( 2 2 ) o 硝酸盐氮： r 一：e 一1 础a ( 2 - 3 ) b o d ： r 一：e - 1 4 2 j 7 罢( 2 - 4 ) t s s ： r ：e ”嗜( 2 5 ) 式( 2 1 ) 至( ( 2 5 ) 中： 量，( 草沟长度湿周) 。 2 2 3 缓冲草带 缓冲草带( b u 疵rs t r i p ) 6 3 , 6 6 1 主要是用来作为一种缓冲区或过滤带，使径流流 经草带时，能降低流速，以减缓 对水体的直接冲击，如图2 1 。 草带的功效在洪水平原、湿地附 近、河岸以及缓坡特别显著。过 滤带为在边坡的一种永久植生、 呈现带状的农业措施，径流则以 薄膜流的方式流过过滤带，可减 缓对水体的直接冲击。过滤带的 1 2 图2 1 缓冲草带 河海大学硕士学位论文 目的为： ( 1 ) 将泥砂与径流分离； ( 2 ) 缓冲控制冲蚀； ( 3 ) 保护邻近水体； ( 4 ) 提供各种生物栖息地。 在缓冲草带中，植物以土生或者适合于本地生长的草本为主，设计的主要考 虑是需要使径流变为片流( s h e e tf l o w ) 的形式流过草带，速度需要很缓慢从而增加 其接触时间，其坡度一般需要小于5 ，长度应大于2 0 米【6 7 1 。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 m ) 以减低流速。上游的径流入口通常设 有水平水池f l e v e ls p r e a d e o ，水满时会溢流过水池，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。 缓冲草带的设计资料不多，一般采用b u f f e rs t r i p 设计曲线( w o n ga n d m c c u e n ) 【5 6 6 0 , 6 8 ，其所用的资料均来自于实验室中悬浮固体试验所得。例如对t s s 去除率达到9 5 的草带，在坡度为2 的情况下，草带的长度为6 0 米左右。 2 2 4 入渗沟 若开发地区的土壤入渗率较高且地下水位与地表间有足够深度，则入渗沟 ( i n f i l t r a t i o nt r e n c h ) 6 9 1 可被考虑做为减少地表径流及改善水质的最佳非点源污染 控制措施。入渗沟对于溶解性与颗粒性的污染物均有良好的去除率。由于入渗沟 系利用地表下的空间贮存地表径流，故一般均使用于集水面积不超过2 h a 的地区。 入渗沟的设计准则： ( 1 ) 入渗沟所需收集的径流体积为1 3 厘米的地表径流量。 ( 2 ) 为防止入渗沟被阻塞，应于入渗沟上游地表设置植草缓冲带，以阻滞 淤积物。滞留水量应滞留至少2 4 d , 时，且应于7 2 d , 时内完全排除，使有足够的空 间以各下一场暴丽的径流贮存。为有效降低设计暴雨事件的尖峰出流量，入渗沟 可与滞留池配合使用。 2 2 5 人工湿地 人工湿地在国内外研究较多，在此将前人取得研究成果作详细叙述。 河海大学硕士学位论文 ( 1 ) 人工湿地构造 大多数自然和人工湿地由五部分组 成：1 ) 具有各种透水性的基质，如土壤、 砂、砾石：2 ) 适于在饱和水和厌氧基质 中生长的植物，如芦苇：3 ) 水体( 在基 质表面下或上流动的水) ；4 ) 好氧或厌 氧微生物种群；5 ) 无脊椎或脊椎动物。 湿地系统正是在这种有一定长宽比 和底面坡度的洼地中由土壤和填料( 如 砾石等) 混合组成填料床，废水在床体 的填料缝隙中流动或床体表面流动，并 在床体表面种植具有性能好、成活率高、 抗水性强、生命周期长、美观及具有经 济价值的水生植物( 如芦苇、蒲草等) 形成一个独特的动植物生态系统，对废 水进行处理【7 ”。 2 人工湿地分类 ( f 由表面流湿地 、漶鳖。j 潜流湿地 垂赢流湿地 图2 23 种人工湿地系统 人工湿地根据湿地中主要植物形式可以分为：浮生植物系统、挺水植物系统 和沉水植物系统。沉水植物系统还处于试验室阶段，其主要应用领域在于初级处 理和二级处理后的深度处理。浮生植物系统主要用于n 、p 去除和提高传统稳定 塘效率。目前一般所指人工湿地都是指挺水植物系统。挺水植物系统根据水流的 形式可建成自由表面流系统人工湿地( s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e