城市雨水花园对雨水径流中污染物去除效果的研究可编辑.docx

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城市雨水花园对雨水径流中污染物去除效果的研究可编辑

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本人所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知,

除特别加以标注的地方外,论文中不包含其他人的研究成果。

与我一同工作的同志对本

文的研究工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。

本论文及其相关资料若有不实之处,由本人承担一切相关责任。

论文作者签名:

璺盈

刀弓年月/日

学位论文使用授权

本人作为学位论文作者了解并愿意遵守学校有关保留、使用学位论文的规定,即:

在导师指导下创作完成的学位论文的知识产权归西安理工大学所有,本人今后在使用

或发表该论文涉及的研究内容时,会注明西安理工大学。

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《西安理工大学学位论文技术保密申请表》。

保密的学位论文在解密后,适用本授权。

论文作者签名:

如年彳月日

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刍玺导师签名:

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论文题目:

城市雨水花园对雨水径流中污染物去除效果的研究

学科名称:

环境工程

研究生:

田露

作者签名:

:

卫盈

指导教师:

贾忠华教授

导师签名:

≮地垒

罗纨教授

导师签名:

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摘要

城市化改变了下垫面条件,对雨水径流的水文过程及水质都带来了不同程度的负面影

响。

为了在城市景观格局的限制下,尽量地减小这些负面影响,世界各国都在积极探寻城

市雨水处理的有效途径。

本论文通过监测试验与实验室化学分析,从污染物浓度和总量削

减两个方面研究了雨水花园这一新型雨水处理系统对屋面雨水径流的处理效果,取得成果

如下:

、从至年对场降雨过程的监测结果表明,屋面雨水径流中总磷、硝氮

以及总悬浮物随降雨过程变化很大,其中降雨初期径流中,上述种污染物浓度较高:

总

氮和氨氮的平均浓度基本都超过了地表水环境质量类水体标准,最大浓度是《地表水

环境质量标准》类水标准的倍左右:

降雨后期总磷、硝氮的平均浓度在《地表水环境

质量标准》中类水体标准之内,而总固体悬浮颗粒物的平均浓度在《地表水资源环境

质量标准》中类水体标准之内。

、雨水花园对不同污染物的去除效果差别很大,其中对氨氮的去除效果最好,浓度

平均去除率均达到%以上,质量去除率均达到%以上;对总固体悬浮颗粒物的浓度

平均去除率可以达到%以上,质量去除率均达到%一%。

、雨水花园对总氮的质量去除率均达到%以上,但浓度去除率波动较大,年

的监测结果表明,浓度平均去除率均达到%以上;年所监测的浓度平均去除率均

为负值,对总磷的浓度去除率不稳定,平均浓度去除率仅在%左右,但质量去除率均

达到了%以上。

以上结果与雨水径流中污染物浓度变化特征有着密切的关系。

、由于雨水花园缺乏厌氧环境,对的去除效果不佳。

因此,建议针对污染

物的不同特性设计雨水花园尺寸和选择适宜的填料。

雨水花园易于建设和维护,运行成本低廉。

因地制宜地建设雨水花园,可以在很大程

度解决城市化过程中带来的环境问题。

本论文研究成果可为雨水花园处理城市雨水径流技

术的推广和应用提供理论依据与技术参考。

西安理工大学硕士学位论文

关键词:

城市雨洪;非点源污染;雨水花园;填料;水质;污染物去除仃

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目录

目录

绪论?

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.研究背景及意义?

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..研究背景?

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..研究意义?

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.研究现状?

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..城市化过程对雨水径流水文及水质的负面影响?

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..国内外城市雨水利用技术的发展历程?

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..国内外城市雨水花园技术的发展历程..?

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..雨水花园技术对污染物的去除机理.?

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.研究目的及内容?

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试验设计及观测方案?

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.试验布置?

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..采样点概况?

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..试验装置布置...?

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..试验填料的选择?

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..试验植物的选择?

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.试验方法?

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..水质的监测?

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..水量的监测?

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..试验监测时问?

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屋面雨水径流的水质?

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.降雨特征?

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.屋面降雨径流的水质?

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.屋面降雨径流污染物随时问的变化规律?

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.小结.?

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.雨水花园对、磷类污染物的去除效果

.雨水花园对的去除效果分析?

.....雨水花园对单次降雨过程中浓度的削减能力分析...雨水花园对的浓度去除率

..雨水花园质量的去除效果分析.?

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.雨水花园对总磷的去除效果分析?

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..雨水花园对单次降雨过程中总磷浓度的削减能力分析?

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..雨水花园对总磷的浓度去除率西安理工大学硕士学位论文

..雨水花园对总磷质量的去除效果分析?

.小结?

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雨水花园对氮类污染物的去除效果。

雨水花园对氨氮的去除效果分析?

.

..雨水花园对单次降雨过程中氨氮浓度的削减能力分析?

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..雨水花园对氨氮的浓度去除率

..雨水花园对氨氮质量的去除效果分析?

.雨水花园对硝氮的去除效果分析?

.

..雨水花园对单次降雨过程中硝氮浓度的削减能力分析?

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..雨水花园对硝氮的浓度去除率

..雨水花园对硝氮质量的去除效果分析?

.雨水花园对总氮的去除效果分析?

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..雨水花园对单次降雨过程中总氮浓度的削减能力分析?

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..雨水花园对总氮的浓度去除率

..雨水花园对总氮质量的去除效果分析?

.小结.....?

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结论与建议?

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.结论.

.建议.

致射参考文献..

附录:

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目?

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..

绪论

绪论

.

研究背景及意义

..研究背景

水是人类及其它生命系统不可缺少的资源,目前,全球总储水量为.亿平方千米,

然而淡水资源总量只有.亿平方千米,除去冰川和冰帽,人类可利用的淡水资源总量

不足总储水量的%。

根据《中国统计年鉴,目前我国水资源总量达到.亿

立方米,由于我国人口基数大,人均水资源量仅有.亿平方米/人,同时,我国

多个城市中有多个缺水,大部分集中在北方,尤其是西北地区。

随着全球入口的增长,

城市化、工业化进程的不断加快,农业用水供需矛盾的日益突出,水资源紧缺将会成为

世纪人类发展面临的最严峻的挑战,尤其是在工业和人口集中的城市。

据统计,全球每年约有多立方千米污水排入江河湖海,污染了立方千米的

淡水,约占全球径流量的%以上。

尤其在发展中国家,污水及废水大都不经过处理直

接排入地表水体,造成全球水质同益恶化。

同时,城市扩张对整个生态系统产生了显著的

影响,所带来的环境污染、生物栖息地及生物多样性的破坏,并对其它自然资源有很多不

利的影响。

城市化进程中土地利用方式的改变,包括植被的迁移,不透水面的增加改变了

地表径流的水循环模式,使暴雨径流流量和最大洪峰流量显著增加。

目前,随着对点源污

染控制力度的提高,非点源污染对水体的污染已经成为水环境恶化的主要原因。

城市非点

源污染分布广泛,污染物构成和污染途径比较复杂,包括地表水径流、农药化肥流失及水

土流失等,其造成的“水质型缺水”,加剧了水资源短缺的危机。

随着城市水资源的同益紧

张,环境压力的同渐增大,雨水利用成为解决城市水资源紧缺的一个有效措施。

陕西省水资源总量仅有.亿立方米,人均水资源量为.亿平方米/人。

由于

西安市在西部大开发中处于枢纽位置,水资源紧缺及水污染问题严重制约我省及周边省市

经济的发展。

西安市年降雨量?

在...,降雨主要集中在一月,占全年降雨

量的%以上,降雨量较少且分布不均匀所带来的水资源短缺问题越来越引起人们的广

泛关注。

目前西安城郊地区已经发现条地裂层,对地下水的过渡抽取是造成这一现象

的主要原因,合理利用现有地下水资源并开辟其它水源是解决我省水资源问题的关键。

陕

西作为西北多暴雨地区,暴雨及其引起的洪涝灾害、泥石流、山地滑坡等地质灾害是陕西

重大自然灾害之一【,同时,暴雨径流所带来的非点源污染问题逐渐成为陕西水环境恶化

的主要问题之一。

..研究意义

雨水花园技术的研究意义

雨水花园技术作为城市雨水利用技术的具体措施之一,体现了一定的生态环境效益、

西安理工大学硕士学位论文

经济效益及社会效益。

雨水花园可以削减暴雨径流带来的洪涝灾害,减轻城市市政排水体

系的负担,把雨水作为一种资源蓄流,多余的水资源用于回补地下水,作为补充水源缓解

城市水资源缺失和分布不均匀带来的危机:

由于降雨初期%的径流中携带了整个降雨事

件污染物总量的%,因此,对降雨初期污染物的控制与处理是防止城市水环境非点源污

染的关键,而雨水花园对初期污染物有很好的去除能力,可以起到抑制城市非点源污染的

作用;雨水花园可以净化空气,吸附大气中的有害气体,如颗粒物、氮氧化物、碳氢化合

物等,同时可以减少城市噪声污染,削减城市热岛效应,为居民提供一个舒适的生活环境;

雨水花园创造的小自然生态系统可以作为生物的栖息地,从而起到保护生物多样性并美化

环境的作用。

同时,雨水花园成本低廉,易于管理和维修,可以节约市政投资费用;雨水花园带来

的景观效应可以使周边环境增值,间接创造了一定的经济效益,雨水花园可以使周边环境

降温,即从一定程度了较少了能源的消耗。

我目的社会主义现代化建设要求经济建设、政

治建设、文化建设及资源环境建设协调发展,雨水花园具有生态性、经济性的特点,不仅

可以起到保护环境的作用,还可以促进城市经济建设的持续发展,符合城市可持续发展战

略的要求。

.本论文的研究意义

本论文针对西安地区雨水资源利用中存在的问题,采用城市雨水利用技术?

?

雨水花

园处理城市暴雨径流所带来的城市非点源污染问题。

课题以校园内建设的雨水花园为例,

根据校园内屋面径流污染的现状,通过雨水花园对屋面雨水径流进行处理,不仅为我国城

市雨水利用提供一种新型的技术模式,并对该技术在西北地区的推广和运行提供优化的设

计运行参数及实践经验,同时为美化校园环境也做出了一定的贡献。

.研究现状

..城市化过程对雨水径流水文及水质的负面影响

城市化进程加快对暴雨径流的水质有很大的影响,人类活动产生的各种生物、化学、

物理类污染物在暴雨径流的冲刷下进入城市水环境,其所带来的水污染问题逐渐成为城市

非点源污染的主要因素。

城市暴雨径流即随着降雨过程形成的地表径流,具有历时短、突

发性强、随机性等特点,不仅会引起洪涝灾害、水土流失等灾害,而且还携带下垫面的各

类污染物,如陕南丹凤“.”特大暴雨、年渭河流域连续性暴雨【】等。

因此,城市雨洪

管理中对暴雨径流的研究是近年来的重点。

暴雨径流引起的非点源污染已经成为城市水污染的主要原因之一。

以北京【】为例,

年城市雨水径流排放量已占废水放总量的.%,并且雨水径流污染的

比例逐年递增,暴雨径流所带来的非点源污染已经成为湖泊水体富营养化的主要诱导因

素,并逐渐成为城市水体恶化的主要因素之一。

对暴雨径流水质的监测逐渐成为很多国

绪论

家地区环保部的重点研究对象,这些方案的监测内容包括暴雨径流对城市水环境敏感区的

影响,对目标污染物的重点监测,对污染源排放区的连续监测等。

在欧洲,水环境组织

在环境立法中有很大的分量,其主旨在于促进生态环境及经济环境的可持续发

展,旨在避免未来人类活动对水环境乃至整个生态系统的破坏。

在欧洲议会的.

//文件上,明确指出了种优先监测的污染物。

鉴于暴雨径流水质的有效监测

对城市的发展和水环境保护有着至关重要的意义。

年以来,欧媪成员国先后规定对地

表水贯彻实施全面的监测。

美国是最早开展城市雨水水质研究的国家之一,其指出了城市暴雨径流的主要

污染评价指标,包括悬浮固体颗粒物、有机物、植物营养物及重金属。

城市暴雨径流污染

物主要来源于大气沉降、土壤侵蚀、下垫面人类活动等,其中,人类活动包括农药化肥的

使用、工业生产废气废水排放及机动车尾气排放等,在城市地表径流的冲刷下,植物营养

物、悬浮颗粒物、有机污染物、重金属、油脂类及粪大肠菌等各种污染物进入受纳水体,

将严重破坏城市生态系统的平衡。

随着城市的发展,不透水建筑物及地面的显著增加将促

进污染物的累积,影响污染物的运移转化及最终的分解。

暴雨径流携带并传播各种类型的污染物,包括有机污染物和无机污染物,表.对暴

雨径流污染物进行了分类,并包括测量参数,污染物来源及其危害】。

表暴雨径流污染物的主要特性

.西安理工大学硕士学位论文

..国内外城市雨水利用技术的发展历程

近些年来,国内外都在积极开展雨水回用方面的研究,出现了各种城市雨洪处理的方

法及回用技术。

城市雨洪利用技术包括采取工程性措施和非工程性措施,即人为的干扰控

制城区内的水循环,最终达到补充水资源、减少洪涝灾害并保护城市水环境的目的。

现代

意义上的城市雨水利用,技术包括对水资源的保护与规划管理,建设市政排水系统等基

础设施及城市园林景观建设等,出现了各种雨水回收与利用的技术。

因此,在可供淡水有

限的情况下,合理开发雨水资源能够解决城市用水需求,即实现雨水的资源化【?

。

各个城市地区由于其城市化发展水平不同,如一些亚洲国家和大部分非洲国家,其主

要解决基础设施建设,对城市雨洪问题研究较少,所以,对城市雨洪的研究主要集中在一

些发达国家中。

随着这些发达国家工业化、城镇化迅速发展,居民的生活水平显著提高,

当前的水资源远远不能满足需求,迫切需要寻求新的水资源,譬如雨水资源。

在一些历史

悠久的古镇,包括美国及欧洲部分地区,城市排水以合流制为主,因而对城市水环境有较

大的冲击,污水管道基础设施主要是从经济建设的角度出发,没有考虑到对环境的影响。

在过去的数十年里,不管是合流制还是分流制排水系统,对城市雨洪技术的研究主要从源

头进行控制。

在各个国家,先后出现诸如最佳管理措施、低影响开发美国,城市排水

系统的可持续发展英国,城市雨洪管理的革新加拿大,技术方案法国等文件。

美国城市雨洪技术的发展始于世纪初期,最初从城市给水排水问题出发,并于

世纪年代形成较为完善的雨污分流系统,随后在年代提出对雨水进行滞留,即逐渐

进入城市雨洪总体规划时期,包括通过水文和水力学模型对不同规模的洪水进行模拟和调

控研究,在年代中期逐渐解决了由于雨水水量而引起的城市雨洪问题。

年代后期开

始重点对由于雨水水质造成的城市雨洪问题进行研究,并于年正式颁布《水质法案》,

要求分阶段控制雨水径流的排放,年以后又提出“最佳管理措施”及“低影

响开发”,最佳管理措施包括工程性措施和非工程性措施。

同时,评价水质的质量

标准由物理、化学指标转向生物指标,即通过生物种群最为水质监测指标,从此对城市雨

水水质管理也逐渐扩展到流域尺度。

世纪初期,美国城市雨洪管理核心思想主要以可

持续发展为主,更加着重于从根源上解决城市雨洪问题,即采用小规模的工程技术对雨水

进行源头处理,最大限度的实现雨水资源化,达到城市发展与自然环境保护的双赢。

新西兰是最早进行城市雨洪研究的国家之一,年代后期详细研究了城市活动对暴雨

绪论

径流水质的影响并提出了相应的技术措施,指出该地区暴雨径流污染物主要为、、

、及重金属等。

年完成了控制暴雨径流污染的技术手册,强调分散式现场选择性

技术措施,如湿地、土壤渗透、天然植被带的利用等,为城市暴雨径流控制体质提供了更

完善的参考依据。

同时,在水资源管理战略和雨水资源管理规划的基础上制定了雨洪利

用政策,随后制定了《管网准则》,并于年先后颁布了《雨水基础设施政策》、《私人

地区的雨水管理政策》、《雨水排放政策》及《雨水处置政策》等,新西兰的城市雨洪管理

以可持续发展为原则,主要内容包括洪水管理、河流管理及污染物管理。

希腊的饮用水%来自地下水,随着地’水资源缺失,盐碱化同益严重,干旱偏远

地区的水资源问题已经刻不容缓,尤其在夏季及其明显。

】等研究表明,雨水

与地下水的混合收集利用可以有效的解决希腊水资源问题,雨水利用技术不仅经济环保,

而且比地下水更为清洁。

德国作为城市雨洪技术比较先进的国家之一,早在年制定了屋面雨水利用技术

标准,并于年便成立了雨水利用协会,并有相应的法律条文作为支撑,旨在

倡导居民实施雨水利用技术。

近年来,在进行城区环境建设时,明文规定必须实行“降雨

径流排放量零增长”,即开发后的径流量须低于丌发前的径流量,并禁止降雨径流不经过

处理直接排入城市管网系统中。

不仅如此,德国还采取一定的经济措施,如收取雨水排放

费,费用为自来水排放的.倍,同等于污水排放费:

还对城市雨水利用项目进行一定的

补贴和减税【。

目前,德国的雨水利用技术逐渐由标准化阶段向综合性阶段转化,主要

技术手段包括雨水集蓄利用技术、雨水屋顶花园利用系统、雨水渗透系统及生态小区雨水

利用系统【】。

我国雨水利用技术最早开始于干旱半干旱地区,主要用于农业雨水利用,战国术期出

现了塘坝,明代常用水窖集蓄雨水。

改革开放以后,我国很多地方出现了农村雨水集流利

用工程,如陕西的“甘露工程”,宁夏的“窖窖工程”等,《全国生态环境建设规划》中重点

。

强调加大力度发展雨水集流节水灌溉,杨凌、北京成立了国家节水灌溉技术研究中心

半个世纪以来,暴雨在我国的研究深受关注,可分为以预报为目的暴雨的形成、发生

及发展研究和以土木工程建筑设计为目的的暴雨多年统计与设计计算;同时,对我国暴雨

特性,尤其是特征值的地域分布进行了多方面的研究分析【们。

我国的城市雨洪技术启蒙

于世纪年代,随着国内城市化水平的不断提高,北京、上海、大连、西安等城市相

继开始开展城市雨洪技术的研究。

国内暴雨径流处理利用一般包括’利用绿化截流雨

水技术和雨水调蓄系统技术。

绿化截流雨水就是建设城市绿地、草坪等削减暴雨径流量及

洪峰流量;而雨水调蓄系统技术则是利用屋面、道路等不透水面收集雨水并进行利用。

我

国传统的雨洪强调以排为主,而新型的雨洪控制理念更强调对城市雨水径流的存储和利

用。

我国许多建筑物已建有完善的雨水收集系统,但是没有处理和回用系统【,雨水利

用技术不仅需要注意对雨水的入渗减排及污染控制【,还要综合考虑环境效益及社会效西安理工大学硕士学位论文

益等。

北京作为我国最早开始研究城市雨洪利用技术的城市,北京市水利局及北京建筑工学

院等单位结合国外城市雨洪技术和我国现状,展开了一系列城市雨水利用工程研究,目前

已经由基础研究逐渐转向示范与研究阶段,年颁布《北京市节约用水若干规定》,

随后,年又颁布《关于加强建设工程用地内雨洪利用的暂时规定》,并相应在城市建

设中开展了一系列城市雨洪利用新技术,如中德合作项目“北京城区雨洪控制及利用过

程”,其个示范工程区内容包括公园、学校雨水利用,雨水回灌地下水、雨水景观利用

等;同时还有国家体育馆的开发建设等【。

上海浦东国际机场初期建设时在航站楼屋面

建立了完整的雨水利用收集系统,上海世博园区景观设计时以下凹式绿地、屋面绿化等城

市雨洪措施作为建设的重点。

西安市作为西北地区较早开始发展城市雨洪技术的城市,在《西安市中心地区排水总

体规划》?

中重点提出雨水资源化这一方针,并确定“渗、蓄、用、排”作为城

市雨洪技术的指导思想,《西安市城市节约用水条例》中也明确说明在城市的规划建设中,

应该全面贯彻雨水利用技术。

西安市拥有众多的高校及科研机构,目前对城市雨洪技术的

研究已经取得了一定的研究成果。

我国城市雨水利用技术目前整体还处于起步阶段,由于我国各地经济水平发展的不同

及地形、气候、降雨等分布的复杂性,雨洪资源的有效利用需要因地制宜考虑多种因素。

..国内外城市雨水花园技术的发展历程

雨水花园作为暴雨最佳管理措施之一,又称生物滞留系统,即天然或者人为挖掘的绿

色凹地,兼顾种植灌木、花草及树木等。

雨水花园最早于世纪年代发源于美国马里兰

卅

’,世界上第一个雨水花园采用工程性措施,最初设计主要包括开

挖一块面积的土地,回填种植土,并覆盖上一层细沙,兼顾种上本土植被,以灌木和树木

为主,其目的是改善当地雨水处理措施的处理效果并对初期暴雨径流进行预处理。

雨水花

园最初的建立指导思想来自模拟自然生态系统处理城市污水,自然条件下土地系统处理污

水主要是通过土壤和植被,通过一系列的物理、化学及生物过程达到削减地表径流、涵养

地下水并净化雨水水质的目的。

雨水花园主要是通过天然土壤、人工填料及植被净化雨水

水质,同时将雨水暂时蓄留使其下渗以减少地表径流并回补地下水。

对于某些土壤渗透性

较差的地区,需要在底部设置相应的排水设施【】。

雨水花园在传统的雨洪措施的基础上,

将生态学的原理与城市发展理念相结合,不仅最大限度的滞留暴雨径流、控制城市非点源

污染,还起到减少噪声、美化环境的目的,同时,雨水花园的建造成本低廉,稳定性强。

雨水花园设计手册最早是美国马里兰卅

等在

’的

大量科研研究下于年编写的,根据削减暴雨径流及洪峰流量的能力设计了不同尺寸的

雨水花园,水文特性标准来源于美国水土保持局,随后,又增加了更多的性能参数,

绪论

包括形状、位置、植被的选择等。

根据雨水花园的不同作用,如补给地下水、净化雨水或

美化环境等,出现了不同的雨水花园设计方法。

加拿大、澳大利亚等国家参考雨水花园在

美国的应用经验并结合本国情况,因地制宜提出适合本国的雨水花园设计方法,目前,雨

水花园已经在这些国家得到了广泛应用,一般建在街道路面、停车场、公园等不同功能区,

已成为最有效的暴雨最佳管理措施之一【。

目前,对雨水花园的实践研究主要是从对水质的净化效果及和对水量的削减能力的角

度出发。

雨水花园对水质的净化效果研究

.等近十年的研究表明,雨水花园对总固体悬浮颗粒物、营养类物质、

有机物及重金属、油脂类、致病菌类污染物有较好的去除效果,同时,其对病原微生物、

热污染也有~定的去除效果。

澳大利亚莫纳什大学的.等在室内通过个土柱实验模拟雨水花园对于

及营养物的去除效果,研究表明,所有的生物过滤器对的去除率达到%以上;

氨氮的去除与植被选择无关,但硝氮及总氮等氮氧化物的去除与植物相关,苔属植物的去

除效果最好;细沙及砂壤土更有利于植物的生长:

磷的去除与滤料相关,有机质较高的滤

料对总磷的去除较好,其对总磷的去除主要发生在浅层土壤中。

美国北卡罗来纳州格雷厄姆高中停车场附近于年建成个雨水花园和,介质填

料包括%的无机材料、%的细沙及%的当地土壤,和的介质深度分别为.和

.,均采用控制排水,下层士分别选用粘土和砂壤土。

...】等研究其对路

面径流的去除效果表明,两个雨水花园对氨氮的去除率可以高达到%和%,对凯氏氮

的去除率分别为%和%,对总氮的去除率分别为%和%,对硝氮的去除率分别为

%和.%,研究发现对氮类污染物去除效率的差异性主要由填料区饱和区所决定;

对总磷的去除率分别为%和%,主要发生在浅层土壤中;对污染物的去除效果好于,

增加介质深度不能起