（市政工程专业论文）雨水生物滞留技术设计方法与应用研究.pdf

摘要 摘要 随着人为活动的增多，城市化进程加快，除洪涝灾害外，径流污染水体、生态环境被破 坏、地下水位降低等雨水问题也日益增多。尤其在北京地区，面源污染可成为水环境第二大 污染源。因此，研究和发展一种高效经济、维护管理简单、美观实用且公众接受度高的径流 生态处置措施尤为重要。 本文主要阐述了生物滞留设施的起源、发展状况、功能、净化机理、适用范围和维护管 理等基本理论，针对体积、洪峰和污染物削减等要求提出了多目标规模设计方法和相应的效 果评价方法，并将其应用于北京地区。同时，在北京某办公大楼附近建造雨水花园，对其进 行截污效果的试验研究主要研究内容和结论如下： ( 1 ) 对多种典型生态处置措施的适用性进行了综合比选；在对雨水生物滞留设施的基本理 论与发展应用总结的基础上，针对其存在的突出问题提出了改进建议。 ( 2 ) 总结比较了目前应用较为广泛的几种关于生物滞留规模的设计方法，在此基础上针对 体积消减目标提出了基于完全水量平衡的规模设计方法；针对洪峰削减目标提出了峰滞时间 参数修正法。进而提出了多目标生物滞留设施的设计程序与评估方法。 ( 3 ) 通过完全水量平衡体积削减法得出：当种植土和填料层深度等关键参数一定时，不同 设计重现期设施面积与径流系数的量化关系，为设计生物滞留设施提供捷径。同时根据北京 2 0 年降雨资料，采用日降雨量法对该方法的年径流体积削减能力进行评估得出，降雨重现 期为o 1 2 o 5 0 年时，设施年径流体积削减率与渗透系数呈线性关系，并拟合出二者之间的 表达式将其应用于北京地区，典型种植土渗透系数为5 x1 0 4 m s 时，设施的年径流体积削 减率为5 2 3 - 8 7 5 。 ( 4 ) 以部分水量平衡洪峰削减法( 峰滞时间参数修正法) 分析得出，生物滞留设施对峰流 量消减能力有限。计算不同重现期下，将开发后不同径流系数削减至开发前目标值设施所需 要的表面积。并以面积比率等于1 0 为界，分析设施对开发后径流系数削减能力。同时对 设施的削峰能力进行评估，得出仅当设计重现期为0 3 3 1 o 年( 5 6 7 9 3 1 m m ) 时，设施对 降雨重现期为1 o 和2 0 年的削峰率方能达到5 0 以上。因此，如对削峰没有特殊要求，设 施规模一般以体积为目标进行设计。 ( 5 ) 试验分析表明：雨水花园对c o d 、t s s 、色度、浊度及p b 、z n 、c u 、f e 等重金属有 明显的净化效果，对t n 有一定的去除效果，对t p 、p 0 4 - p 和n 0 3 - n 的去除效果较差。 关键词：雨水、生物滞留、雨水花园、生态措施、设计方法 摘要 a b s t r a c t w i t hp e o p l e sa c t i v i t yi n c r e a s e ，t h eu r b a n i z e dd e v e l o p m e n ts p e e d e su p ，a n db e s i d e st h e f l o o d i n gd i s a s t e r , t h ep r o b l e m so fr u n o f fp o l l u t i o n ，d e s t r o y e de c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，l o w e r g r o u n dw a t e ra n d8 0o na 他a l s oi n c r e a s i n gd a yb yd a y t h en o n - p o i n ts o u l o ep o l l u t i o nm a y b e c o m et h ew a t e re n v i r o n m e n t ss e c o n dp o l l u t i o n8 0 u r c e ，i nb e i j i n ga r e a t h e r e f o r e , s t u d i e sa n d d e v e l o p sah i g l l l ye f f e c t i v e ，e c o n o m y , s i m p l em a i n t e n a n c e ，a r t i s t i ca n dh i g hp u b l i ca c c e p t a n c e r u n o f ft r e a t m e n tm e a s u r es e e m se s p e c i a l l yi m p o r t a n t m p a p e rm a i n l ye l a b o r a t e dt h eb i o r e t e n t i o n so r i g i n ，e v o l u t i o n ，f u n c t i o n , p u r i f i c a t i o n m e c h a n i s m ，a p p l i c a t i o n ，a n dm a i n t e n a n c e ，p r o p o s e dt h ed e s i g nm e t h o d sa n dt h ec o r r e s p o n d i n g a s s e s s m e n tm e t h o da i m e da tt h ev o l u m ec o n t o r l ，f l o o dp e a ka n dp o l l u t i o nr e d u c t i o nf o rt h e m u l t i - p u r p o s eb i o r e t e n t i o n ，t h e na p p l i e di t i n b e i j h a ga r e a m e a n w h i l e ，ar a i ng a r d e nw a s c o n s t r u c t e dn e a r b yo n eo fb 询i n g so f f i c eb l o c k ，a n di t sp u r i f i c a t i o ne f f e c tw a sa n a l y z e d n e m a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n s 黜a sf o l l o w s ： ( 1 ) s e v e r a lk i n d so ft y p i c a le c o l o g yt r e a t m e n tm e a s u r e sw e r ec o m p a r e da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fb e i j i n ga r o a a n dt h ei m p r o v i n ga d v i s e sa i m e dt ot h ee x i s t e n tp r o b l e m sw e r e p r o v i d e db a s e do nt h eb i o r e t e n f i o n sb a s i ct h e o r ya n da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ( 2 ) s e v e r a lm o s tw i d e s p r e a db i o r e t e n t i o nd e s i g nm e t h o d sa b r o a dw e r es u m m a r i z e da n dc o m p a r e d , t h e nt h ec o m p l e t ew a t e rb a l a n c ed e s i g nm e t h o da n dp e a kr e t e n t i o np a r a m e t e ra m e n d m e n tm e t h o d w e r ep r o p o s e da i m e da tt h eo b j e c t so fv o l u m ea n df l o o dp e a kr e d u c t i o n m e a n w h i l et h ed e s i g n p r o c e s sa n de f f e c ta s s e s s m e n tm e t h o do f m u t i - p u r p o s eb i o r e t e n t i o nw o r ep r o v i d e d ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nm e t h o db a s e do nc o m p l e t ew a t e rb a l a n c ep r i n c i p l ef o rc o n t o lv o l u m e , i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a t ：t h eq u a n t i f i c a t i o nr e l a t i o n sb e t w e e nb i o r e t e n t i o na 玎；弱a n dr u n o f f c o g 伍c i e n tw e r ep r o v i d e dw h e nt h er e t u r np e r i o d sa r ed i f f e r e n ta n dt h ed e p 也o fp l a n t e rs o i la n d t h ef i l l i n gm a t e r i a li sc e r t a i n ，w h i c hp r o v i d e sas h o r t c u tt ot h eb i o r e t e n t i o nd e s i g n m e a n w h i l e , w h e nt h er a i n f a l lr e t u r np e r i o di so 1 2t o0 5 0 t h er e l a t i o n sa n dt h ec o r r e s p o n d i n ge x p r e s s i o n s w e r eo b t a i n e db yt h ed a yr a i n f a l lm e t h o dw h i c hu s e dt oe v a l u a t et h ea n n u a lr u n o f fv o l u m e r e d u c t i o na c c o r d i n gt o2 0y e a r sa n n u a lr a i n f a l ld a t ao fb e i j i n g a n da p p l i e di ti nb e i j i n ga a ， w h i c ht h ei n f i l t r a t i o nc o e f f i c i e n to fm o s tt y p es o i li s5 xl o m s ，c a l c u l a t e dt h ea n n u a lr u n o f f v o l u m er e d u c t i o nr a t i oi s5 2 3 8 7 5 。 ( 4 ) t h ep a r tw a t e rb a l a n c ep e a kf l o wr e d u c t i o nm e t h o d ( p e a kr e t e n t i o nt i m ep a r a m e t e ra m e n d m e n t m e t h o d ) w a sa n a l y z e dw h i c hs h o w e dt h a t ：b i o r e t e n t i o nf a c i l i t i e sh a v el i m i t e da b i l i t yt or e d u c e p e a kf l o w u n d e rd i f f e r e n tr e t u r np e r i o d s t h es u r f a c ea 陀ar e d u c ed i f f e r e n tr u n o f fc o e f f i c i e n tt o t a r g e tc o e f f i c i e n tw a sc a l c u l a t e d m e a n w h i l e ，u s et h ea r e ar a t i oe q u a lt o10 a sb o u n d a r y , a n a l y z e dt h er u n o f fc o e f f i c i e n tr e d u c t i o nc a p a c i t yb ya s s e s s e dt h ep e a kr u n o f fr e d u c t i o nc a p a c i t y o ft h ef a c i l i t i e s t h er e s u l ta l s os h o w e dt h a t ：m o r et h a n5 0 p e a kf l o wr e d u c t i o nc o u l db e o b t a i n e du n d e rt h er e t u r np e r i o d sa r el aa n d2 a ，o n l yw h e nt h ed e s i g nr e t u r np e r i o db e t w e e n 0 3 弘1 o a t h e r e f o r e ，i ft h e r ea r en os p e c i a lr e q u i r e m e n t sf o rp e a kf l o wr e d u c t i o n ，t h ed e s i g no f f a c i l i t i e s s c a l ei sg e n e r a lb a s e do nv o l u m e ( 5 ) t h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i si n d i c a t e d ：t h er a i ng a r d e nh a st h eo b v i o u sp u r i f i c a t i o ne f f e c tt ot h e p o l l u t i o nt a r g e t so fc o d ，t s s ，c h r o m a t i c i t y , t u r b i d i t y , p b ，z n ，c u ，f ea n d8 0o n ，h a sc e r t a i n r e m o v a le f f e c tt ot n ，a n dh a st h eb a dr e m o v a le f f e c tt ot p , p 0 4 - p , n 0 3 - n k e y w o r d s ：r a i n w a t e r ；b i o r e t e n t i o n ；r a i n g a r d e n ；b i o l o g i c a lm e a s u r e s ；d e s i g nm e t h o d 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：i ，司璐识 日期：哆年莎月y y 日 第章绪论 1 1 城市化引发的雨水问题 第一章绪论 齄着 为活动的增多和城市化的快速发展，不透水面积增加，雨水引发的一系列问题运 渐凸显n 洪涝灾害是几千年来一直存在并积极防治的问题，但现争的雨水问题不仅仅是水苗 控制，水污染、生态系统的破坏等也是雨水事业需要解决的重要问题，具体有虬i - j l 个方面； ( 1 ) 对区域水文循环的影响 城市化进程改变了原有的水文循环，绿地、农田、森林等逐渐被不透水面积替代，增大 了稃流体积，增加了暴雨频率，原区域的水文平衡发生了很大改变( 如幽ii - 1 所示) i l l 。 能拦截吸收雨水的人片森林被砍伐，能暂时滞留并贮存部分雨水的洼地被填成不透水地面， 火击了这些天然的滞留场所，雨水快速形成地表径流进而导致可怕的洪水，径流系数比开发 前大大增加。若将开发后各种h j 地面积折合成透水面积( 径流系数为0i s ) 和不遗水面积( 径 流系数为09 ) 阿种，则不透水面积 小与径流系数、开发前后径流体积的增量倍数关系如 图i1 - 2 所示。e b 图可见随着不透面积增加，开发后径流系数急剧增人且开发后产生的 争流体积量远人于开发前产生的径流繁。不透承面积为1 0 时，开拄后径流体积为开靛前 的i5 倍，不透水面积为1 0 0 0 o ，体积增蕈倍数为6 1 2r 。 簟溢铺溅 盔：山尘日吐 二、m ，55 曲t i ”柏 龠龠湍禽 髂船目目目自 | | | i 滞鼍熊 ：城gr 。a 皓 m ：m j 日_ 女镕$ ：”r ：，o v 、：4 $ e 幽li - i 开发前后水文平衡变化图 馏j 砩林 币泸 第一章绪论 图1 1 - 2 不透水面积与径流系数的关系 ( 2 ) 对生态环境的破坏 雨水冲刷不同的汇水面，使径流中的污染物增多，水质变差，大量的研究表明：径流中 含有大量的沉积物、高浓度的重金属如z a 、c u 、c d 和p b 及大量的n 、p 营养物。据报道， 在北京，2 0 0 6 年雨水径流c o d 排放量已占到水环境排放总量的l 3 左右l a ! 。如果径流未经 处理或处理不达标而渗入地下，将会导致土壤重金属和有毒化学物质含量过高，使土壤坏死， 还会造成地下水污染。同时，雨水径流迅速流走将减少地下水的回灌，引起的地下水位下降， 最终导致严重的生态系统破坏问题。 ( 3 ) 对河道的影响 洪峰流量的增大加剧了对河道河床的冲刷，引起河床和堤岸坍塌，河道基础结构松动， 水体中的生物多样性减少。同时也是对河道的排洪能力的一种挑战，许多河道设计是按照开 发前的径流峰值确定，开发后，原河道排水能力已经不能满足要求，容易造成溢流，危及周 边财产和人身安全。 ( 4 ) 对处理构筑物的影响 随着径流量的增多，逐渐加大了处理设施的规模，增加了下游河道的负担，导致洪涝灾 害风险增大，同时也增加了国家和政府的经济负担。 由此可见，人为活动是造成这些问题的根本原因，但也是人类发展的必然结果，应该想 办法对其进行改善、缓解甚至解决。世界许多发达国家正在研究并利用各种以植被浅沟、植 被过滤带、生物滞留设施、渗渠、渗透塘、小型暴雨湿地和塘等生态处置措施为主的暴雨管 理体系，希望能改变这种趋势，经过近2 0 年的研究和实践努力，取得了良好的效果。 2 第一章绪论 1 2 国外暴雨管理体系现状 1 2 1 暴雨管理体系 在暴雨管理领域中，国外尤其是美国、德国、英国、日本等发达国家一直处于领先地位， 几十年前便开始关注并研究雨水处置问题，有比较完善的暴雨管理体系，经历一系列雨水体 制改革后，最终都形成一种顺应自然的可持续发展管理体系。下面介绍目前国际比较流行的 暴雨管理体系。 ( 1 ) l i d ( l o wi m p a c td e v e l o p m e n t ) 低影响开发( l d ) 是2 0 世纪9 0 年代中期由美国马里兰州提出的一种新型的暴雨管理 方法，与传统暴雨管理方法不同，它是一种典型的以源头分散式管理为主，包括场地开发设 计的管理体系。 l i d 主要提倡模拟自然条件，通过在源头利用一些微型分散式生态处理技术使得区域开 发后的水文特性( 回灌地下水、渗透、径流排放体积和频率等) 与开发前一致，进而保证将 土地开发对生态环境造成的影响减到最小。主要目标有：保护水质、减少径流量、缩短径流 集聚时间、消减洪峰、补充地下水、减小土地扰乱等，最终目标仍是修复由于土地开发对生 态系统造成的破坏，尽可能将其恢复到以前的水平，进而达到减少降雨频率、保护水体和补 充河流基流的目的1 1 , 6 4 1 。 ( 2 ) s u d s ( s u s t a i n a b l ed r a i n a g es ) s t e m ) 可持续排放系统( s u d s ) 2 0 世纪后期发源于英国。s l d s 在设计中要求综合考虑土地 利用、水质、水量、水资源保护、景观环境，生物多样性、社会经济因素等多方面问题，主 要宗旨即为了国家的可持续发展，因此被称为可持续排放体系。该体系主要包括预防控制( 有 效的场地设计和街道清扫等预防措施) 、源头控制( 主要针对单体建筑物) 、定点控制( 使用 渗透塘等处置屋顶、停车场等小区域径流) 和区域控制( 主要针对由多个定点区域组成的大 区域径流，典型措施包括暴雨湿地和暴雨塘) 。可见，与l i d 不同，它既包括分散式源头措 施又包括末端处置措施。与传统的排放方式相比，它的优势有：( 1 ) 控制流量，缓解城市化 引发的洪涝灾害；( 2 ) 改善径流水质；( 3 ) 改善城市景观及生态环境；( 4 ) 增加地下水下渗 量；( 5 ) 缓解经济发展与环境保护的冲突1 1 。 ( 3 ) w s u d ( w a t e rs e n s i t i v eu r b a nd r a i n a g e ) 水敏感城市排放系统( w s u d ) 的目标是通过利用处置技术创造一个功能性较强的水文 景观以维持或模仿开发前的水循环。w s u d 是各种最佳规划措施( b p p 卜- b 锱tp l a i m i n g p r a c t i c e s ) 和最佳管理实践措施( b m p 卜- b 豁tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 的结合，用于可持 续城市水循环管理。该体系与其它暴雨管理体系不同，并不是专门针对雨水，而是一个更宽 泛的理论，包含整个水循环系统( 给水、污水等) ，但其中的暴雨管理方法是使用最为普遍 的工具。w s u d 对于暴雨管理的关键原则包括：1 ) 保护自然生态系统；2 ) 通过改善因城市 3 第一章绪论 开发而引起的暴雨径流水质来保护水体水质；3 ) 将径流处置措施融入景观中，最终实现其 水质处理、野生植物栖息地、公共娱乐空间和增强视觉效果等多功能目标；4 ) 通过减小不 透水面积并利用在线式暂时贮存设施减小开发后的洪峰流量；5 ) 从景观、娱乐及生态等多 种角度增加措施的长远价值进而达到减小建造费用的目的：6 ) 充分利用处置后的径流雨水 来减轻饮用水的负担1 m 4 i 。 总体上看，多数国家暴雨管理体系发展主要有两点共性： 1 ) 暴雨体系一般经历传统排水管理体系和生态排水管理体系两个过程，传统排水是以管道 为主的排水方式，生态排水则主要以生态措施为主。 2 ) 暴雨体系改革最终以相同的理念达到一个统一目标：以生态处置技术为主，最大程度模 仿自然、恢复自然为目的，最终实现整个环境、社会的可持续发展。 1 2 2 美国暴雨管理体系 以美国为例，重点介绍其暴雨管理体系发展历程。到2 0 世纪9 0 年代中期美国已经历了 四次暴雨管理体制变革，主要分为以下几个阶段，如图1 2 1 所示： 图1 2 1国外暴雨管理体系发展阶段 传统排水体系主要以管道为主，径流雨水通过管道系统收集后未经处理直接排入下游水 体，对水体造成严重污染。调蓄排水采用管道输送和暴雨塘等末端处理措施结合的方式，径 流雨水通过管道收集进入暴雨塘滞留、处理后进入下游水体。渗透排水不同于调蓄排水，它 是在调蓄排水基础上增加渗透塘等渗透设施，使径流雨水最终下渗，回灌地下水。 l i d 主要是在源头采用各种分散式措施，将雨水就地消纳，尽可能达到不产生径流的效 果。不能消纳的径流再进入暴雨塘或渗透塘中迸一步处理和消纳。它与前三种排水体系的区 别及先进性在于： ( 1 ) 设计理念 前两个阶段系强调以排为主，将雨水收集直接排入水体或经过暴雨塘调蓄后最终进入下 游水体；第三阶段以径流雨水渗入地下为原则，但仍是一种以渗透为主的末端处理方式； l i d 则是一种利用分散式措施，尽量让雨水在源头进行消纳和处理的暴雨管理体系，是一种 典型的源头处理方式。 ( 2 ) 生态修复能力 前两个阶段排水对生态修复几乎没有帮助；第三阶段以渗透为主，能够有效地补充地下 4 第一章绪论 水，对生态修复有一定的帮助；l i d 提倡模拟自然，最终目标是通过在源头利用一些微型分 散式生态处理技术使区域开发前后的水文特性一致，对由于土地开发造成的生态破坏有很大 的修复能力。 ( 3 ) 核心措施 第一个阶段混凝土管道设施为主，投资费用最大。第二、三阶段主要采用塘、湿地等 b m p ( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e ，即最佳管理实践) 措施作为主要生态措施，占地面积大， 投资费用高，灵活性较差；l i d 主要采用雨水花园、渗透地面、渗透铺装等小规模分散式处 理措施，占地面积小，投资费用低，有较强的灵活性。 1 3 国内暴雨管理研究现状与存在的问题 我国对雨水问题关注较晚，雨水事业发展比较落后，仍沿用传统以排为主的管道排水系 统，基本没有专门的暴雨管理体系，并且对排水体制和管道系统的研究十分薄弱。国内的教 科书、设计资料及雨水径流污染控制等问题的城市排水系统和设施的科学规划、设计与建设， 及相关的技术、法规与管理等领域，与发达国家相比已有近2 0 年的差距，使得国内作为百 年大计的城市排水系统，目前仍是一种脆弱且不符合可持续发展要求的体系。该体制存在较 大的弊端：雨水资源大量流失，地下水位和地面下沉，加重了河道的排水压力，导致洪涝灾 害的发生；尽管合流制逐渐改建为分流制，但耗资巨大，耗时长，还有污染隐患，不能解决 根本问题，同时，严重的雨污水管混接抵消了分流的作用，污染依旧，效益降低。可见，雨 水问题和落后的排水体制构成了我国城市有效实施水污染控制和水生态环境保护战略的制 约因素。我国城市排水系统的规划设计如果还只停留在如何尽快地将城市雨水直接排放和简 单地依赖“雨污分流”等传统观念上，将不能满足现代城市发展和生态环境保护的要求。同时， 对于雨水径流处置措施的研究和应用也甚少，真正意义上的雨水生态措施更少，仅在高速公 路或水敏感路段附近建设一些简易的蒸发池和农村干旱地区建造一些以沉淀为水池、水窖、 水塘和水坝等i l 7 1 ，水质净化效果差。还有大量分流制中的径流雨水与合流制中的雨污溢 流水，仍未经任何处理直接排入下游河道，不仅对水体造成严重污染。 目前，人们开始认识到这些问题，很多学者对排水体制开始深入研究，提出：应与城市 雨水资源的利用相结合，与城市径流污染控制相结合，与削弱城市径流和水涝相结合，与城 市的生态环境保护相结合，建设一种可持续性生态型的新型暴雨管理体制1 7 1 。同时，学者们 也意识到径流处置措施尤其是生态措施的重要性，正在逐步使用稳定塘等生态措施对径流雨 水进行处理。如：任伟于2 0 0 5 年在其硕士论文中研究了稳定塘处理高级公路路面雨水污染 物的方法；黄少雄等人在2 0 0 6 年对采用人工湿地进行高速公路路面径流处理的方法进行了 探讨；衷平等人在2 0 0 7 年针对广东渝湛高速公路利用人工湿地对路( 桥) 面径流处理的效 果进行了试验研究。除了研究报告，还有少量的实践工程，如：渝湛( 重庆湛江) 高速公 路在广东雷州跨越青年运河时，为保护水源的安全，收集的径流经稳定塘处理后排入水体； 5 第一章绪论 国内部分公路有的全线采用沉淀池等简易处理方式，如山西大运路和湖北十漫路等，但是这 与周边的生态景观的协调性会产生很大的冲突。但是这些研究都较为零碎，不成系统l l s z a l 。 我国可以吸取前人教训，充分借鉴国外成果，少走弯路，跳过一些不成熟的发展阶段， 直接利用国外先进思想和设计方法对雨水径流进行科学处置与管理。鉴于现在雨水事业发展 范围较小，还处于初级阶段，仅政府、部分专家们和少量公众大力支持，大部分公众对雨水 知识相当匮乏，想立即形成一套完善的暴雨体系十分困难。但是可以先研究发展一种或多种 高效、成熟、合适且公众接受度较高的生态径流处置措施，既能起到示范作用，同时也能唤 起各界专家和公众的高度重视，雨水事业慢慢壮大，最终达到完善我国暴雨管理体系的目的。 1 4 研究的主要内容及目的 1 4 1 研究内容及方法 针对雨水问题，我国亟待一种较为健全和先进的暴雨管理体系，而生态措施作为支撑该 体系的重要骨架，有着经济、高效和环境友好等特点，符合可持续发展的需求。本论文主要 分为两大部分，第一部分介绍国外先进且较为成熟的暴雨管理体系，主要侧重于生态措施的 比选，第二部分为生物滞留技术的设计应用及试验研究，具体研究内容及方法如下： ( 1 ) 对目前国外常用的几种典型生态措施( 暴雨湿地、暴雨塘、渗透塘、植被浅沟、植被 过滤带、生物滞留等) 的基本原理和设计应用进行描述，从水质、水量目标、场地与适用范 围、经济性和公众接受度等多角度对国外雨水生态处置措施进行比选，确定生物滞留设施为 北京地区径流处置措施的最佳选择。 ( 2 ) 对生物滞留设施的起源、发展历程及国内外研究现状进行介绍，对该技术设计和应用 的基本理论进行阐述。、 ( 3 ) 总结国外的设计方法，研究和分析三种分别以体积、洪峰及污染物削减为目标的规模 设计方法及效果评估方法，并根据这三种方法的特点和适用条件将其应用于北京典型的新建 区和改建区，为今后的设计和应用提供参考。 ( 4 ) 通过试验，研究径流污染物在雨水花园中的去除规律，分析该措施对径流水质的去除 效果以验证生物滞留技术在北京地区推广使用的可行性。 1 4 2 目的与意义 前已述及，由于人为活动和我国落后的暴雨管理体系导致了一系列严重的雨水问题，亟 待一种先进完善的暴雨管理体系，而生态措施作为该体系的支撑结构和示范措施，有着重大 的战略性意义。 本课题的目的在于借鉴国外成果，率先研究和发展一种经济高效、施工简便且公众易于 接受的径流处置措施( 生物滞留设施) ，引起专家、学者尤其是公众对雨水问题的高度重视 6 第一章绪论 和关注，增强人们的雨水知识，协助政府有效实施各种雨水政策，最终发展一套适合北京乃 至全国地区的暴雨管理体系。 本课题的意义在于比选出了适合北京地区的雨水生态处置措施，对生物滞留技术起源、 发展及国内外研究现状等，进行了较为细致、深入的研究和分析，为指导该技术在我国的发 展提供参考。详细阐述了对设施的工作机理、系统组成等基本理论，并深刻剖析了规模的设 计和效果评价，为今后的设计和应用提供了有效的借鉴和参考，为解决我国河道及水源保护 区径流污染控制与治理提供技术支持。同时，在北京某办公大楼附近建造了第一个真正意义 上的生物滞留设施( 雨水花园) ，预示着该技术在我国的推广使用，也填补了国内对于该技 术设计和应用一个空白，为我国雨水事业的发展和暴雨管理体系日益完善迈出了一大步。 7 第二章典型雨水生态技术的设计应用与比选 第二章典型雨水生态技术的设计应用与比选 2 1 国外典型生态措施设计及应用 2 0 世纪3 0 - 4 0 年代，暴雨处置措施开始在美国广泛使用，但主要是利用大面积的贮存 池来控制洪涝灾害。8 0 - - 9 0 年代，许多小型湿塘开始建造，主要用于去除沉淀物和p 。直到 1 9 8 0 年晚期，工程师们开始尝试新的措施，即创新的b m p 措施，如暴雨湿地、渗渠、渗透 塘、植被浅沟、植被过滤带和砂滤等开始被广泛应用，并成为研究重点1 2 1 i 。经过多年实践 证明，这些措施在处置雨水方面有很大的成效，它们均有以下特点： ( 1 ) 模仿自然，利用植被、土壤及微生物通过物理、化学和生物过程去除径流中的污染物， 同时达到水量和洪峰控制目标； ( 2 ) 经济实用，景观效果好，维护管理简单。 目前各国推广且设计比较成熟的生态措施主要包括：植被过滤带、植被浅沟、生物滞留 系统、暴雨塘、暴雨湿地和渗透塘。下面将分别对其功能和净化机理、建造结构、设计方法 和维护管理进行阐述。 2 1 1 植被过滤带 植被过滤带上覆盖植被( 主要是草) ，一般汇流面水平布置，建造于较为平坦的区域， 用于接收上游汇流面形成的大面积分散式片流，可用于处理道路、高速公路、屋面和停车场 等小流域的径流1 1 0 1 劲。 根据其做法和功能的差异，植被过滤带包括许多种，如：草滤带( g r a s sf i l t e rs t r i p s ) 、 缓冲带( b u f f e rs t r i p s ) 、水滨植被缓冲带( r i p a r i a nv e g e t a t i o nb u f f e rs t r i p s ) 和人工过滤带 ( c o n s t r u c t e df i l t e rs t r i p s ) 等。从广义的角度来说，植被过滤带可分为天然过滤带的和人工 过滤带。水滨植被缓冲带也包括人工和天然的，一般沿着河流或渠道，与径流的流向呈垂直。 ( 1 ) 净化机理和功能 污染物主要通过过滤带中植被的拦截和过滤、土壤的渗透和吸附作用被去除2 射。其主 要功能如下： 1 ) 可以有效地拦截和减少悬浮固体颗粒和有机污染物； 2 ) 植被能保护土壤在大暴雨时不被冲刷，减少水土流失： 3 ) 可作为雨水后续处理的预处理措施，与其它径流污染控制措施( 渗透设施、生物滞留设 施等) 联合使用，减少其它措施的维护费用，延长寿命并提高整个系统的去除能力； 4 ) 能保持海滨区域的水文特性，减少河道侵蚀。 5 ) 易于与不透水区域或其它处置措施自然连接，有较好的景观效果。 8 第= 章典型雨水生态技术的话汁府闱比进 ( 2 ) 设计建造 植被过滤带主耍用丁处置小流域较频繁的暴雨事件，设计降雨鼙为一年一遇3 0 r a i n 降雨 量叫，其设计闪素土要有：降雨强度、汇流面积、土壤、掺透速率、地形、地f 水位深度、 植被、沉淀颗粒物特性等。 i ) 忙流面积 汇流面积不应人】：2 h a ，宽度不超过5 0 m 。水平分流装置( 如砾石渠等) 可埘r 减少集 中释流。埘。 2 ) 设计与建造 过滤带的最小宽度为6 肼，7 1 5 m 为最优，长宽比为1 ：6 ，横向坡度为2 0 p 6 ，纵向坡 度为1 o ，水深一般不超过5 0 r a m ，如此可实现较好的水质处理效果。幽2i - i 、2i 2 为 植被过滤带平面和剖面示意圈。可在过滤带的束端设置挡墒，最大高度不人to3 m ，材料 由砂子、砾钉和砂十构成，以促进植物( 草) 的生k ，同时还戍保证足够的宽度防止侵蚀和 冲刷。图2i - 3j , s f 轩场和公路中缓冲带的麻片j 实目，主要减少峰值排放和亓| 灌地f 水5 i 。 i 髓 薯簋等苎矗 芏i2i - 1 植被过滤带平面圈 幽2i 2 植被过滤带剖面示意目 圈2 i - 3 植被过滤带实最幽 第二章典型雨水生态技术的设计应用与比选 3 ) 土壤和植物 土壤的渗透速率不应小于2 xl o - 6 m s ( 砂土) ，其中含有机物如泥炭、树叶树皮等能够改 善去除效率。植物不应太软或过于矮小，否则会使大部分径流从植物项上以较高的流速流过， 起不到拦截作用。为保证足够的停留时间，最大的流速应不超过0 3 m s ；为保证土壤不被侵 蚀最大的流速应不超过1 5 m s 。在设计时，应根据曼宁公式对其流速进行校核，如式( 2 1 1 ) 所示： 胙私6 ( 2 1 1 ) 式中：弘爿速，m s ； 足一水力半径，聊； 孓_ 纵断面坡度，垂直高度水平宽度： 伊罐l 糙系数。 4 ) 其它因素 缓冲带须设置在最高地下水位以上0 6 m ，地下水位较高时应该做防渗。还应该设置标 识，让公众了解并认识到这项径流处置措施的作用等，且在将来的开发中尽量不对其进行开 发或改变( 在其它生态措施中也有同样的要求) 。 ( 3 ) 维护管理 检查和维护对于过滤带的效果和使用寿命是至关重要的，具体的维护要求如表2 1 1 所 示： 表2 1 1 植被过滤带的运行和维护要求 维护项目 注意事项 检查周期 废物和垃圾的去除每月( 根据具体要求) 每月( 在生长季节) 或根据具体 割草，以保证草一定的高度达到设计要求 定期维护要求 每月( 初始，以后按照具体要求 管理并清除杂草 进行) 检查植物的生长情况，看是否缺少阳光或营养等每年 不定期维护 在被破坏区重新种植植物，如有必要改变植物类型以便每年，或贫瘠土壤露出面积大于 于更好的生长 l o 时 重新种植或播种以修整侵蚀或其它破坏 根据要求 修整不平坦的区域使其达到设计要求根据要求 补救措施 松土以改善土壤的渗透能力和板结情况根据要求 清除分流装置、砾石堆及过滤带上的沉淀物根据要求 使用安全的措施去除或处理过滤带上的油脂和汽油等根据要求 l o 第二章典型雨水生态技术的设计应用与比选 续表2 1 - i 维护项目 注意事项检查周期 检查过滤带表面是否被侵蚀，压紧、积水、有沉淀物或 半年一次 污染物 监测 检查分流装置和过滤带表面坡度变化半年一次 观察淤泥聚集率以确定合适的清除周期半年一次 2 1 2 植被浅沟 植被浅沟是一种线性的较浅的植被( 草) 渠道兼有贮存和输送集中径流的功能。可以根 据要求设计成渗透的，它能减缓流速，使大量沉积物在其中沉淀，可有效地去除径流污染， 路边的浅沟可替代传统的管道进行径流收集和输送。在坡度较大的浅沟中还可设置内部堤岸 以促进沉淀和渗透，同时制造了一个小的滞留区1 1 2 l 。 植被浅沟与植被过滤带类似，主要区别在于浅沟接收集中径流，适宜较长距离传输，在 坡度、土质、景观等满足要求的区域可以替代雨水管，适宜建造在居住区、商业区、工业区、 道路周边和停车场等，也可以并入场地排水系统和街道排水系统。而植被过滤带主要接收上 游大面积分散式片流，适宜建造在池塘边、露天停车场、园区内不透水面积周边，使雨水径 流在缓冲带处被隔断，流量和流速均减小，一部分径流量渗入地下。 ( 1 ) 功能与净化机理 植被浅沟从表面上看就是一条凹形绿地或绿化带，易于与汇流面或其它径流处置措施结 合，自然美观。其净化机理与过滤带相同，主要通过植被和土壤的物理、化学和生物作用净 化径流雨水，能有效地减少悬浮固体颗粒和有机污染物，减缓径流速度，减少径流体积。同 时它还具有便于施工、造价低及易于维护管理等特点。 ( 2 ) 设计与建造 植被浅沟仅适用于小流量收集输送雨水，设计降雨量为一年一遇3 0 m i n 降雨量1 枷。其 断面常见形式有三角形、梯形和抛物线形，其横断面示意图见图2 1 _ 4 。 图2 1 - 4 植被浅沟横断面示意图 植被浅沟的主要设计参数有长度、断面尺寸、水力停留时间、曼宁系数等。一般底宽不 小于0 5 m ，横向边坡不应小于3 h ：i 以浅沟纵向坡度不超过4 ，当浅沟长度超过3 0 m 时可 第= 章典型阿水生寿技术的设计戍用比选 以考虑增设堤岸，以减少流速，增加入浩雨水颦。堤岸可选_ l i j 无砂混凝十、木村或砾石等材 料。当纵向坡度超过s ，还可将浅沟作成阶梯状，使纵坡平均为5 戚小t - 5 。幽21 5 为带砾石堤岸的植被浅沟实幽矧。浅沟的停留时问一般不小r9 m m ，植物高度一般为 1 0 0 1 5 0 m m ，根据十壤的类型其最人流速不能超过0 b r i g s 人流速将冲倒植被并辟低过滤 性能。当浅沟有渗透设计时，要求最高地f 水位至少l m 。 圈21 5 带砾石堤岸的植被浅沟 4 ) 维护 植被浅沟和植被过滤带在结构和建造上类似，其维护和管理町参考植被过滤带 2 1 3 生物滞留设旌 生物滞留设施是一种有效的雨水自然净化与处置技术，一般建在地势较低的区域，通过 天然十壤或更换人卜l 和种植植物净化、消纳小面积亍 流的初期雨水。它具有建造费用低 i 基行管理简单，自然美观易与景观结台等优点而被欧、美、澳等许多国家推崇采h j 。 生物滞留设施土体单元，自上而f 依执是：蓄水层、树皮覆盖层、植物、种植 和填料 层、砾石层。当有同用要求或耍排入水体时还可以在砾石层中埋置集水穿孔管，可在填料层 _ j 砾打层之间铺设一层砂层或细砾石，防j l 颗粒物堵塞穿孔收集符。图21 6 为雨水花同的 典型结构示意圈，图2l - 7 为生物滞留设施实景图i 脚，它可以做成雨水花闻、滞留带、 滞留花坛和树池等，具体设计、建造及戍等见第三、四、五章。 o 一，1 = 7 f 图2l 一6 典型雨水花州结构示意 第z - 章典型雨水生态技术的设计应坩与选 l ：二垒：垦蹩墨 ( a ) 雨水花园b ) 滞留带 2 1 4 暴雨塘 c ) 滞南花坛 i d ) 树池 j 鳘| 2i - 7 生物滞留设施实景圈 暴雨塘一般建造干低洼地带，主要通过物理沉淀和生物降解去除径流中的污染物，是一 种集自4 峰减量、滞留净化于一体的经跻美观的径流处置措施。其分类方式有很多，目前丰要 有以下几种： 根据塘的功能和使l 甘目的，可分为调蓄塘和滞留塘。调蓄塘x 包括干塘和延时干塘， 滞留塘土要包括漫塘、延时湿塘、微雄_ 延时湿塘和多单元邂塘。下面按该分类方式进行详述。 根据塘中有无水，可分为干塘、延时滞留塘和湿塘。 根据塘的建造位置，可分为在线塘和离线塘。调营塘一般为离线式，滞留塘一般为在 线式。 ( 1 ) 功能和净化机理 暴雨塘在削减径流体积、控制径