海岛地区雨水花园的优化设计及应用研究

发布时间：2020-05-26 23:46

【摘要】：雨水花园(Rain garden),是建设海绵城市、实现低影响开发技术(Low Impact Development,LID)的一种常见的生态型城市雨水径流控制设施。随着因雨水径流而引起的面源污染、城市内涝等问题日益严重,雨水花园的相关研究逐步深入,但大多集中在发展程度较高、雨水径流问题较严重的北京、上海等城市,海岛地区雨水花园相关研究还处于初探阶段。如何根据特定地区水文地质、气候状况等条件的不同,对雨水花园进行优化设计,使其能够最大程度地发挥工程与环境效益,是当前雨水花园应用研究中的热点问题之一。基于舟山群岛的气候、地理、降雨及径流特征,采用雨水花园的优化设计、室内模拟装置实验、示范应用工程和模型模拟相结合的研究方式,对海岛地区适宜性雨水花园进行应用研究。海岛型雨水花园的优化设计中,需要考察盐碱度对填料和植物优化设计的影响;构建室内模拟装置,研究进水负荷、植物种类和盐碱度对处理径流污染物的效果及影响规律,探讨下渗率、径流出流时间和蓄水量对径流的水文调控效果及变化规律;选择海岛嵊泗县为示范点,讨论雨水花园的设计、建造、水文水质调控效果和工程效益评估。研究结果可为海岛及盐碱地区雨水花园等海绵设施的设计建设,雨水径流水文水质调控效果的综合评估提供科学依据和技术指导。本研究主要得出以下结论:(1)将抗盐碱措施与雨水花园的设计结合,是海岛地区适宜性雨水花园设计的特点,探讨不同盐碱条件下填料对污染物的吸附作用及其影响规律,以及植物的耐受能力。盐碱度对以离子交换吸附作用为主的填料吸附NH_3-N具有较大的负面影响,对低浓度TP的吸附有促进作用。当组合填料及配比为10%珍珠岩、10%蛭石、土壤和40%以上砂子时,可满足雨水花园对渗透系数的要求,且在低盐碱度条件(盐度0.5%、pH 8.0)下能保持较好的N、P吸附效果。4种植物的耐盐碱性由高到低依次为:旱伞草千屈菜马蔺美人蕉,当进水盐度为0.74%、pH为8.5时,除了旱伞草以外的植物开始受到盐碱胁迫的影响,2.08%的盐度为美人蕉的耐盐阙值。(2)模拟装置对径流水质净化效果结果表明:植物的种植有利于雨水花园对径流中各污染物的去除和系统的稳定;进水负荷对污染物的去除影响较大,在进水负荷3条件下,雨水花园的综合去除率最佳,为68.55%;雨水花园有一定的盐碱度耐受力,以填料过滤吸附作用去除为主的PO_4~(3+)和TP去除率受影响较小,平均去除率均在78%以上;盐碱度主要对以微生物作用去除为主的COD和N类污染物产生不同程度的负面影响,在低盐碱度条件(盐度0.74%、pH 8.5)下,COD和NH_3-N的平均去除率保持在60%以上,NO_3-N的平均去除率低于20%;TSS的去除率最佳,稳定在90%以上,基本不受影响。(3)模拟装置对径流水文调控效果结果表明:随运行时间延长,雨水花园的下渗率整体逐渐下降后趋于稳定,下降程度与系统的初始下渗率和植物根系特征有关;两种规格模拟装置的稳定下渗率分别为3.68×10~-66 m·s~(-1)和2.88×10~(-5)m·s~(-1),美人蕉和旱伞草的种植有利于系统下渗率的稳定;雨水花园的实际径流出流时间和蓄水量范围分别为62.37~122.37 s、0.2~13.01 L,与理论值差异显著,主要受进水前填料初始含水率(与季节温度有关)和优先流现象的影响。(4)示范工程将渗渠与防渗型雨水花园相结合,可防止盐碱侧渗和下渗污染周边土壤和地下水,种植土层为添加10%营养土的嵊泗当地土,填料层为1:1的沸石和粉煤灰陶粒。降雨事件分析结果:嵊泗当地土虽含砂量高,但土壤颗粒细软,稳定下渗率仅2.53×10~-66 m·s~(-1),雨水径流下渗和出流平缓;降雨事件中均无溢流现象,雨水花园的出流时间为30~50 min,滞峰时间为30~75 min,小、中雨降雨事件径流总量控制率可达80%以上,峰值流量削减率可达70%以上;雨水花园对径流中TSS、COD、NH_3-N、NO_3-N、TN、PO_4~(3+)和TP的事件平均浓度(Event Mean Concentration,EMC)去除率分别为82.25%、42.17%、66.70%、64.94%、58.63%、65.24%和76.46%;当流入稀释尾水的平均电导率为12.5 ms·cm~(-1)时,碱度削减率为64.5%。SWMM(Storm Water Management Model)模拟结果:当重现期为0.5~10 a时,径流总量控制率分别为26.33%~57.59%,峰值流量削减率分别为16.11%~61.64%,滞峰时间分别为1~5 min;SWMM能较好地模拟并预测雨水花园的运行效果,雨水花园对中小型降雨事件的综合径流水文调控效果较好。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU992;TV213.9

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