第 1 章 绪论
1.1 研究背景
城市化进程的加快造成了不透水下垫面面积增加，以及水面率的持续下降。传统城市排水系统设计的思路是建造完善的排水设施并将雨水尽早尽快排除。然而，不透水下垫面面积的扩大以及雨水径流的迅速排放，导致径流量增加、峰值时间提前，加剧城市内涝风险，增大河道行洪压力。同时，城市道路雨水径流携带大量的污染物，若未经处理而将其直接排放，将对受纳水体产生严重的负面影响。随着《海绵城市建设技术指南――低影响开发雨水系统构建》的颁布以及试点城市的确立，国内急需开展城市雨水管理技术方面的研究。然而，国内在这方面的研究尚处于探索阶段。而国外则起步较早，已形成相对完善的雨水管理体系，从只注重雨水径流排放转为全方位、多角度的雨水径流综合管理，对径流的源头、中途、末端实行全过程控制，促进了雨水最佳管理实践（Best management practices, BMPs）的发展。BMPs 亦称水敏型城市设计（Watersensitive urban design, WSUD）、可持续城市排水系统（Sustainable urban drainagesystems, SUDS）和低影响开发（Low impact development, LID）等[1]。其中，LID从减少城市开发建设对自然水循环影响的角度来解决城市排水问题，侧重于源头性措施的应用，更符合现代化城市可持续发展的需要，已成为研究和应用的热点，更是国内海绵城市建设的重要实施途径。作为LID体系中应用最广泛的技术之一，生物滞留设施具有良好的水文削减与径流污染控制双重功能。但该技术最大的缺点是因滤料堵塞而发生故障的可能性较高[2-5]。随着生物滞留系统通过过滤、吸附等物理作用截除径流污染物，滤料层常因沉积物的沉积而不可避免地发生堵塞，最终影响系统的正常运行及其服务寿命。以往研究[6]将堵塞定义为由于物理、生物和化学过程而减少孔隙率和渗透性的过程。Siriwardene 等[7]证实在雨水生物滞留系统中堵塞主要是由于泥沙的沉积。而雨水生物滞留系统的功能发挥主要通过植物、微生物和过滤介质三者的共同作用，植被通过根系改善介质层的水力渗透性能。可见，滤料层构造直接关系堵塞的发生时间与程度。
山地城市由于独特的山地地形地貌特征与短时形成暴雨或强降雨的降雨特性，使其境内雨水径流的流量较大且冲刷现象极为严重，造成 TSS 含量较高，导致采用生物滞留系统进行雨洪管理时使得滤料层发生堵塞更快、更严重，严重缩短其运行寿命。随着典型山城重庆被确立为首批海绵城市建设试点之一，且生物滞留设施作为《海绵城市建设技术指南――低影响开发雨水系统构建》推荐的优先选用技术，急需开展山地城市雨水生物滞留技术研究。因此，本研究借鉴国外的经验，基于重庆本地的降雨情况、水文气候条件，针对此类山地城市的城市道路雨水径流特征（高径流量、高 TSS 含量），对生物滞留系统滤料层的构造组成进行研究，以期开发一种耐堵塞性强且除污效能较佳的滤料层构造。
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1.2 城市道路雨水径流与污染物
1.2.1 城市道路雨水径流
如图 1-1（a）所示，在城市建设开发前，雨水自然水文循环过程大体是：发生降水后，一部分雨水现通过自然植被截留下来，另一部分雨水降落到地表。降落到地表的雨水通过土壤下渗，一部分被土壤与植物根系吸收利用，一部分补充地下水。超过土壤渗透量的雨水形成地表径流，而后顺地势流入池塘、河流或湖泊等水体中。最后这些雨水再通过水分蒸发和植物蒸腾等过程重新返回大气中，直至进入下一次降雨过程。然而，城市化建设对自然水循环产生了严重影响。城市化包括自然植被的清除、土壤的压实、不透水表面的引入和排水通道的变化，最终造成这些系统的水文学发生重大变化。城市化前后的水文情况如图 1-1 所示，这些变化导致雨水径流总量、洪峰流量以及径流频率的增加[8-10]。峰值流量的增加历来是城市排水系统设计的核心，为保护城市居民免受洪涝灾害，需要建造一套有效的水力输送设施将城市区域产生的地表径流输送至到下游受纳水体[11,12]。这种传统的雨水管理方法也改变了自然渗透、蒸发、地表和地下流的水文情势，导致径流的进一步变化，从而对生态系统造成不良影响[13,14]。城市化也影响受纳水体的水质。据美国环保署（U.S. Environmental ProtectionAgency，USEPA）的大量调查结果显示，城市雨水是美国沿海水域的最重要污染源[13]。类似地，在澳大利亚，雨水径流也被认为是城市河流和沿海水域的主要污染源[15]。污染物进入水体后，由于光合作用过程的变化，氧耗尽（通过废物分解）并产生毒性效应，从而影响水生生物及其多样性。同时，由于病原菌和病毒被随着雨水径流进入水体，影响水的安全性与水体的视觉舒适性。此外，雨水径流污染物也影响着地下水资源[13]。
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1.2.2 城市道路雨水径流污染特性
城市道路雨水径流通常携带大量的污染物，主要包括悬浮物、营养物、重金属和有机物等，以下将按污染物类别进行综述。① 沉积物和悬浮固体这些污染物为雨水径流中保持悬浮状态的颗粒物，是城市污染的一般性指标，通常由流域的地表侵蚀或冲刷等作用造成。若以重量计，沉积物为水资源的最大污染物[13]，其携带大多数污染物（附着于沉积物本身），尤其是重金属和碳氢化合物。研究表明，固体是污染的主要载体，平均70%的重金属和磷附着在细颗粒上[16,17]。悬浮物还会减少光穿透能力和光合作用，堵塞水生生物的鳃及其过滤系统，减少猎物捕获能力，降低产卵率和敏感物种的存活率。此外，还可产生潜在的人类健康风险问题，主要包括受雨水排放污染的游泳区域、饮用水源，以及在被雨水污染物污染的鱼、贝类等方面的食用[13]。当雨水排入地下水时，沉积物还会堵塞地下水运移系统。此外，过量沉积物负荷的输入还会对航道产生淤积作用，影响航运安全。② 营养物雨水径流中的氮、磷存在多种来源途径，如土壤侵蚀、农业和家庭废物、大气沉积和车辆排放[18,19]。水体中过量的养分会刺激植物和藻类的生长，降低溶解氧含量并损害整个水生生态系统。大多数对沿海区域富营养化的研究认为，城市地表雨水径流是水体营养物输入的主要途径[20]。
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第 3 章 山地城市雨水生物滞留系统的种植层构建研究...........19
3.1 试验材料及方法 .......... 19
3.1.1 试验材料及装置 ............ 19
3.1.2 试验方法 ............ 21
3.2 结果与讨论 ....... 22
3.3 本章小结 .......... 30
第 4 章 山地城市雨水生物滞留系统的覆盖层构建研究...........31
4.1 试验材料及方法 .......... 31
4.1.1 试验材料及装置 ............. 31
4.1.2 试验方法 ............. 32
4.2 结果与讨论 ....... 33
4.2.1 模拟径流雨水进水下的水力特性 ........ 33
4.2.2 污染物去除效能 ............ 37
4.3 本章小结 .......... 42
第 5 章 径流总量控制目标对新型滤料层构造运行的影响.........43
5.1 试验材料及方法 .......... 43
5.2 结果与讨论 ....... 44
5.3 本章小结 ........... 50
第 5 章 径流总量控制目标对新型滤料层构造运行的影响
5.1 试验材料及方法
作为应用最为广泛的 LID 技术之一，其在调节雨洪、削减面源污染、保护生物多样性、涵养地下水、缓解热岛效应、改善周边环境、增加景观观赏性、节约能源消耗等方面的生态、环境、社会和经济效益尤其显著。雨水生物滞留系统利用填料介质及其存在的植物和微生物过滤雨水径流以实现水质的净化，是一种低耗的生态处理技术，具有规模效应和改善水质的潜力[38]。典型的生物滞留系统大体上由蓄水层、滤料层、过渡层和排水层（碎石层）组成。滤料层主要用于支撑植物、微生物的生长，并实现对污染物的物理、化学和生物的去除作用[1]，为系统发挥除污和水力性能的关键部位；过渡层则主要是防止滤料随水流迁移而进入排水层；而排水层主要用于收集处理水进入下游排水管，或为处理水向周围土壤外渗提供必要的储存空间。生物滞留设施可应用于行道树、住宅庭院、街道、停车场、广场、公园等各种规模的汇水区域和景观设施，同时还可针对局部条件和特定处理目标，对生物滞留系统进行性能优化设计。
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结论
雨水最佳管理实践的主要目标是减小径流峰值、径流总量和频率。而生物滞留系统可实现这一目标[39]：1）生物滞留系统可削减 81%高雨频小降雨事件的洪峰流量。雨水径流被收集在生物滞留系统的表面上，缓慢地滤过介质，而非直接通过常规排水管网排入受纳水体；2）过滤介质可滞留场次降雨的部分径流，然后通过蒸发、外渗而损失，或蓄存于淹没区或土壤孔隙水中。小径流事件可完全被生物滞留系统吸纳。因此，其可降低雨水径流排放至受纳水体的频率，提高径流控制率，特别是对于设置淹没区的封闭式或开放式系统，从而实现水生生态系统保护功能，使其免受雨水径流的频繁干扰。#p#分页标题#e#
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参考文献（略）
