生态滤沟对城市道路径流及污染调控效果研究
雨水是城市水资源的重要组成之一，然而随着中国城镇化进程加快，区域不透水面增加、雨水下渗量减少，径流量增大，其所携带的大量污染物已经成为城市水环境污染的主因。研究城市降雨径流污染控制，对解决城市水环境问题意义重大。生态滤沟作为典型的低影响开发（LID）技术之一，可将径流调节与污染控制相结合，对缺水干旱地区雨水资源化利用具有重要的现实意义。 本文首先通过静态吸附试验及朗格缪尔式吸附等温线拟合研究了生态滤沟特殊填料的吸附性能，为生态滤沟模拟装置填料的选配提供了依据。随后设计了6组30支生态滤柱小试装置及6座生态滤沟中试试验装置，通过小试及中试试验、数理统计和数学模拟，全面研究了填料类型及组合方式、填料厚度、植被条件、淹没区的深度与碳源投加量等内部因素及模拟径流水力负荷、污染负荷、模拟降雨间隔时间等外部因素对生态滤沟径流综合调控效果的影响。最后，基于水量平衡法提出了一套生态滤沟设计方法，并按此方法设计建造了一座现场试验装置，并对其调控径流及其污染的效果做了研究。 通过以上研究所获得的主要结如下： （1）在特殊填料选择方面，沸石及活性炭对氨氮、总氮、总磷吸附容量较高，活性炭及粉煤灰对COD的吸附容量较好；粉煤灰在总磷吸附方面略优于活性炭，在COD吸附方面略优于沸石；炉渣在氨氮、总磷吸附方面与活性炭及粉煤灰相差不大；从经济及环保角度而言，粉煤灰及炉渣可选优先作为生态滤沟系统的特殊填料。 （2）在径流水量削减方面，种植土层因渗透系数小，土层厚度成为制约生态滤沟的水量削减的关键因素；沙子、炉渣等填料因空隙率大对水量调控效果明显；粉煤灰填料对水量调控效果较差；植被根系可使土层相对蓬松，对水量削减具有促进作用；设置内部淹没区对水量削减率有一定的抑制作用，需结合水质净化综合考虑。试验条件下生态滤沟对径流迟滞时间可达15-25min，对径流总量削减率最高可达约为84%-91%，对径流洪峰削减率最好可达85%-93%。 （3）在污染物净化效果方面，随径流污染负荷增加，生态滤沟净化效果逐渐降低；总体上，特殊填料的引入对污染物净化效果有明显的提升作用，填料厚度增加，水质净化效果有所提高，粉煤灰对COD、TP净化效果明显；在降雨时段所处的短时间内，植被的净化效果表现不明显；外加碳源及设置内部淹没区对径流废水TN的净化有较好提升作用，但外加碳源对COD净化有不利之处。生态滤沟装置对径流中TN净化率可达10%-40%，对TP净化率可达40%-80%，对氨氮净化率可达30%-90%。 （4）多元回归分析结果显示，填料种类、填料厚度与TN去除率呈线性正相关关系，、进水流量、进水污染程度与TN去除率呈线性负相关关系；填料种类、填料厚度与TP去除率呈线性正相关关系，进水流量、进水污染程度与TP去除率呈线性负相关关系；经过逐步回归模拟得到的TN、TP去除率与各影响因素之间的标准化回归方程模拟值与实测结果较为接近，残差均较小，说明模拟值具有较高的可信度，在进行试验设计时具有一定的指导意义。 （5）运用Hydrus-1D软件模拟径流污染净化效果时，生态滤沟出流污染物中TP浓度模拟值与实测值较为接近；中高负荷时TN出流浓度模拟值与实测值较为接近，在低负荷时，整体上模拟值略低于实测值。 （6）基于水量平衡原理，提出了生态滤沟汇流比速算法，该方法考虑因素较多，涵盖80种典型工况，方法简单，便于工程技术人员掌握运用；依据此方法设计的生态滤沟于2015.05-2016.06共有效监测降雨7场次，降雨量介于2.5mm~30.4mm之间，仅有3场次降雨有出流现象；对于接近3a重现期的短时较强降雨，降雨径流量削减率可达83%，主要污染物负荷削减率均达80%以上，该装置对降雨径流量削减及主要污染物负荷削减效果均较为显著，对中小降雨径流控制效果较好，充分体现出低影响技术对道路径流综合调控效果。此外，研究结果还表明以生物滞留（生态滤沟）为主的绿色雨水基础设施建设，对西咸新区海绵城市试点区域热岛效应缓解也起到了促进作用。
水环境污染;生态滤沟;雨水径流;吸附性能
西安理工大学
博士
环境科学与工程;环境工程
李怀恩;李家科
2018
中文
X52;X506
2019-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）