雨水花園(滲井)作為海綿城市建設(shè)過程中重要的低影響(LID)開發(fā)措施,對調(diào)節(jié)徑流水量和削減徑流污染物起著關(guān)鍵作用。為了探索雨水花園在長期運行條件下對徑流水量和污染物的削減效果;研究雨水徑流集中入滲對土壤和地下水的影響過程與規(guī)律。以西安理工大學(xué)校園內(nèi)運行7～9年的3個雨水花園(RD1:匯流比為6:1;RD2:匯流比為20:1;RD3:匯流比為15:1)和咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院1處滲井工程為研究對象,通過設(shè)施集中入滲路面和屋面雨水徑流。從2011年3月～2018年8月,每次降雨現(xiàn)場監(jiān)測雨水花園進、出(溢)水水量并采集進、出水樣,測定其水質(zhì)濃度,評價設(shè)施的運行效果。從2017年4月～2019年2月,共采集7次花園內(nèi)不同土層深度處的土樣,測定土壤中NH3-N、NO3-N、NO2-N、TN、TP,重金屬Cu、Zn、Cd、Pb、Cr以及土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性,研究雨水花園集中入滲對土壤的影響,明確設(shè)施土壤中M、P、TOC和重金屬含量隨監(jiān)測時間的變化過程以及在土壤垂向上的分布規(guī)律,分析土壤污染物與酶活性的相互關(guān)系。從2016年5月～10月(滲井為2017年10月～2019年2月),每次降雨前后,測定雨水花園和滲井地下水觀測井的水位埋深并采集地下水水樣,測定地下水中COD、NH3-N、NO3-N、TN、TP,分析雨水徑流集中入滲對地下水水位、水質(zhì)的影響大小。通過以上試驗取得的主要研究結(jié)果如下:(1)從201 1年3月～2017年10月,根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的16～36場降雨事件,對于匯流比為6:1～15:1的防滲型雨水花園,其徑流水量削減率保持在9.8%～100.0%,洪峰削減率保持在38.3%～100.0%之間,并隨著監(jiān)測時間呈先增大后減小的趨勢。雨水花園對NH3-N的濃度去除效果較好,多年平均去除率為54.45%,但隨著運行時間的推移,對NH3-N濃度去除率逐年降低,其均值由201 1年的79.81%降低至2018年的36.50%;雨水花園對NO3-N和TP的濃度去除率很不穩(wěn)定,且大多為負值,多年平均去除率分別為-56.35%和-21.48%,TSS和TN的多年平均濃度去除率分別為38.77%和31.58%,對TSS的去除效果較TN好。根據(jù)雨水花園污染負荷削減率隨監(jiān)測時間的變化過程,提出了雨水花園運行周期的“三階段凈化能力”概念(Three-stage purification Theory),即凈化增長期、凈化穩(wěn)定期和凈化衰弱期,簡稱TSP概念,并繪制了P-F概念圖(Pollutant load reduction—Fate曲線)。(2)對于匯流比為20:1、蓄水層深度為20cm的入滲型雨水花園,花園填料為西安市本地黃土,從2011年5月～2018年9月監(jiān)測的47場降雨事件,僅有8場出現(xiàn)短暫溢流,其徑流水量削減率大于75.4%,洪峰削減率大于35.1%,其余降雨事件的水量削減率和洪峰削減率均為1 00%。通過分析發(fā)現(xiàn)對于上述入滲型雨水花園,當(dāng)60min最大雨強≥11mm時,才有可能發(fā)生溢流。入滲型雨水花園在黃土地區(qū)具有較好的適用性,對于調(diào)節(jié)降雨徑流、削減徑流水量和洪峰流量起著關(guān)鍵作用。(3)雨水花園土壤中N、P和TOC含量隨季節(jié)變化較大,其中土壤NH3-N和TP含量隨季節(jié)呈增加趨勢,NO2-N+TON和TN含量隨著季節(jié)變化有減小的趨勢,而NO3-N含量隨季節(jié)呈先增大后減小的趨勢。雨水花園土壤0～50cm范圍是NH3-N、NO--N+TON和TN含量較高的區(qū)域,也是受降雨徑流集中入滲污染影響較為敏感的區(qū)域;由于土壤中可溶性硝酸鹽和磷酸鹽隨水分入滲易發(fā)生淋溶,使得土壤中NO3-N和TP含量隨土層深度增加呈逐漸增加趨勢,下層土壤(50cm以下)不同深度NO3-N和TP含量均大多大于上層(0～50cm)。雨水花園土壤中TOC含量隨土層深度呈逐漸減小的趨勢。土壤中脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和蛋白酶與土壤N、P和TOC含量具有較好的線性關(guān)系,R2均大于0.5。(4)土壤重金屬含量隨季節(jié)變化較明顯,冬季土壤中Cu含量較高。雨水花園土壤中重金屬含量大多集中在表層下30cm范圍內(nèi),并且土壤重金屬Cu、Zn、Pb基本以殘渣態(tài)、有機結(jié)合態(tài)、鐵-錳氧化物結(jié)合態(tài)為主要賦存形態(tài),Cd主要以可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)形式存在,而Cr以碳酸鹽結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)和鐵-錳氧化物結(jié)合態(tài)形式存在。雨水花園土壤中Zn主要來自路面徑流,在集中入滲條件下,兩個雨水花園土壤中可交換態(tài)Cd和Zn含量均大于對照(CK),重金屬Cd和Zn隨水分入滲有向下遷移的風(fēng)險。對于運行時間達8～9年的入滲型雨水花園,以《中國土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)》二級為評價標(biāo)準(zhǔn),土壤仍未受到重金屬Cu、Zn、Cd的污染;以陜西省和世界土壤元素背景值和為評價標(biāo)準(zhǔn),土壤受Cd和Zn污染達到中度甚至重度水平,而受Cu的污染為輕度水平。(5)通過人工濾柱模擬放水試驗發(fā)現(xiàn),在粗砂或中砂中添加一定比例的改良劑(海綿鐵、沸石、高爐渣)提高了污染物的去除效果,但并沒有降低水分滲透速率,滲透速率保持在2.60×10-4～3.58× 10-3m/s之間,并且添加不同改良劑對污染物的去除效果不同。以快速滲率為主要功能的滲井,基本填料宜以粗砂為主,同時選擇粒徑大的改良劑,如高爐渣。以污染物凈化為主要功能的滲井,基本填料宜以中砂為主,同時選擇粒徑小,污染物凈化能力強的改良劑,如海綿鐵、活化沸石等。(6)雨水花園集中入滲可補給地下水,抬高地下水位,涵養(yǎng)地下水資源,但雨水花園對地下水的補給作用具有滯后性,總體滯后3～5d。雨水花園集中入滲對地下水中COD和N、P含量有一定影響,但影響作用不大,表現(xiàn)為每次降雨后地下水中COD、NH3-N、NO3-N、TN和TP含量有所升高,隨后逐漸降低。汛期(7、8月份)地下水中NH3-N、NO3-N、TN和TP含量略有上升,但汛期末其含量逐漸下降并趨于穩(wěn)定。通過模型模擬發(fā)現(xiàn)雨水徑流集中入滲對地下水具有較好的補給作用。
【學(xué)位單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TU985.12;TU992
【部分圖文】：

（1）LID設(shè)施介紹LID 設(shè)施是一種與自然景觀建設(shè)相結(jié)合、從源頭進行暴雨徑流削減與污染控制的雨水自然凈化與生態(tài)處置技術(shù)。其對于削減洪峰、補充地下水、緩解城市內(nèi)澇等方面具有重要作用，被廣泛應(yīng)用于城市公共建筑、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)以及道路兩側(cè)進行雨水處理。LID 設(shè)施主要包括人工濕地、生物滯留設(shè)施（雨水花園、生態(tài)滯留帶等）、綠色屋頂、透水鋪裝、雨水滲井等，見圖 1-1。

俗稱八水繞長安。其中，渭河、涇河及石川河系過境河流驪山東南丘陵，絕大多數(shù)河流由南向北流經(jīng)渭河平原匯入渭濕潤氣候區(qū)，冬季濕冷，夏季炎熱，屬于典型的溫帶大陸性 13.3℃，平均降雨量為 580.2mm，降水年內(nèi)分配不均，5-10量年際變化相差很大，豐、枯相差 3 倍；降水年內(nèi)分配不均如下圖 2-1。

圖 2-2 2000-2010 年西安市耕地面積變化情況Fig.2-2 Change of cultivated land area in Xi’an from 2000 to 2010土高原南部，具有典型的黃土土質(zhì)性能，黃土入滲性能非常厚，為入滲、滯留自然降雨徑流提供了天然的屏障。所以，排除和蓄存雨水徑流無疑是海綿城市建設(shè)過程中重要的措施

本文編號：2865435