山地城市雨水生物滞留系统植物筛选与除氮机理研究

发布时间：2020-09-16 20:16

　　作为生物滞留系统的重要组成部分,植物在系统运行生命周期中具有多重作用。植物种类不仅影响系统水力性能与污染物控制功能,还将直接影响其对系统脱氮效能的贡献程度,但目前对于植物是否影响系统中氮素迁移转化过程尚不清晰,对于不同植物系统的脱氮功能差异性的原因还存在较大未知空间。因此,基于重庆市降雨特性,论文针对山地城市道路雨水径流特征,开展雨水生物滞留系统植物筛选及氮素迁移特性研究,以期为雨水生物滞留系统的植物选择与除氮特性的设计优化提供理论基础,试图为实现海绵城市建设目标提供技术支撑。研究参考重庆绿化部门常用植物并结合市场调查,选取10种本地植物构建雨水生物滞留系统。通过对系统水文特性(即渗透系数、蒸发量)与污染物去除效果的考察,并进行显著性检验,利用层次分析法对不同植物系统进行综合评估,筛选出最佳植物;通过对土壤与植物中氮素累积量以及土壤微生物多样性的检测,明确系统中植物对氮素的贡献情况,并探明雨水生物滞留系统中氮素迁移转化过程及归趋。研究得到如下主要结论:(1)渗透系数受气温、植被的存在、植物类型和植被性状的影响,植被能显著提高系统的渗透性能;草坪植物由于其以草皮铺种的方式栽种,在滤柱表面易形成堵塞层,降低土壤渗透速率。若植物的地下性状较地上或整株性状更大,且地下根系干重、总根长、根深和相对地下生长率越高,则系统的渗透系数就越低。不同植物系统的蒸发蒸腾性能具有一定差异,其中,美人蕉(Canna indica)最强,纸莎草(Cyperus papyrus)最弱。(2)不同植物对悬浮总固体(TSS)的去除无显著差异,但芦竹(Arundo donax)的去除效果最稳定,同时植物栽种并不能较大程度提高系统对TSS的去除效果;不同植物对COD的去除效果差异显著,但均高于无植物系统,其中,风车草(Clinopodiumurticifolium)对COD的去除能力最强,去除率中位数达70.36%;植物对系统除氮性能影响显著。其中,植物的存在可显著提高系统对NH_4~+-N的去除率,但植物间的NH_4~+-N去除效果并无显著差异,除无植物组外,其余滤柱对NH_4~+-N的去除效率中位数为81.06%。系统对NO_3~--N去除效果不稳定,容易由于植物根系衰亡和微生物死亡导致系统发生氮素淋湿,造成出水NO_3~--N浓度升高;其中,风车草系统的NO_3~--N去除效果最好,去除率中位数为74.48%,无植被组的NO_3~--N去除效果最差,去除率中位数仅为57.00%。植物系统具有较高的TN去除效果,去除效率中位数为74.09%,其中,风车草系统对TN去除效果最好,去除率中位数为77.82%,无植被组的TN去除效果最差,去除率中位数仅为67.41%。植物对系统除磷性能无显著影响,植物间差异性不显著。其中,鸢尾(Iris tectorum Maxim)系统对TP去除效果最好,去除率中位数为87.19%,而细叶芒(Miscanthus sinensis)系统的去除效果最差,去除率中位数为80.32%;利用层次分析法,综合植物水力性能与除污性能,确定植物综合排序为:风车草(Clinopodiumurticifolium)美人蕉(Canna indica)鸢尾(Iris tectorum Maxim)梭鱼草(Pontederia cordata)香根草(Vetiveria zizanioides)千屈菜(Lythum salicaria)芦竹(Arundo donax)细叶芒(Miscanthus sinensis)狗牙根(Cynodon dactylon)紫莎草(Cyperus papyrus)无植物。(3)氮素在植物不同部位累积情况显著不同。其中,氮素在植物的茎中累积量(即全氮含量)最高,根中累积不明显,而叶片中的累积量呈下降趋势,主要是由于植物的呼吸作用消耗叶片中的养分,造成氮素的耗损。在所有研究植物中,根中全氮累积量中位数0.215g/kg,茎中全氮累积量中位数1.885g/kg,叶中全氮累积量中位数-1.52g/kg。(4)土壤氮素会随雨水下渗发生迁移,并在下次降雨前产生71.71%的氮素累积;且发生在种植层土壤。植物对土壤中氮素影响显著,特别是植物根系的衰亡以及微生物死亡,直接导致种植层氮素升高。(5)系统中总微生物群落多样性丰富,且水动力对微生物群落影响显著,进水后系统中氨氧化细菌明显高于进水前,植物的存在会影响系统中氨化细菌的群落种类,种植层的优势菌属为鞘氨醇单胞菌属(sphingomonas),淹没层的优势菌属为甲苯单胞菌属(Tolumonas);系统中反硝化细菌群落丰富,风车草系统和无植物系统间微生物群落存在显著差异,风车草系统的微生物群落中优势菌种为脱氯单胞菌属(Dechloromonas),进水对种植层的群落种类影响较大,且种植层和淹没层由于好氧、缺氧环境的不同,造成微生物群落的种类差异明显。
【学位单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU985.12;X173;X52
【部分图文】：

水文图,城市开发,集水区

图 1-1 城市开发前后集水区的水文图国内从 20 世纪 80 年代就开始了城市雨洪管理体系的探索，但将雨水排出为主要目的，没有从生态学角度来回收利用雨水，贵水资源的利用价值。近年来，我国已经深刻认识到可持续雨重要性和必要性，2013 年 12 月 12 日，习近平总书记在中央提出了：建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市‖。改变传统城市建设理念，实现与资源环境的协调发展；目标境变化与自然灾害；思路是通过渗、滞、蓄、净、用、排这几前后径流量总量和峰值流量保持不变[19]。2014 年 10 月 22 日部出台了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统念形成的发展阶段如图 1-2。

城市概念,海绵,发展阶段,设施

图 1-1 城市开发前后集水区的水文图管国内从 20 世纪 80 年代就开始了城市雨洪管理体系的探索，但是速将雨水排出为主要目的，没有从生态学角度来回收利用雨水，忽宝贵水资源的利用价值。近年来，我国已经深刻认识到可持续雨洪的重要性和必要性，2013 年 12 月 12 日，习近平总书记在中央城中提出了：建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市‖。海是改变传统城市建设理念，实现与资源环境的协调发展；目标让‖环境变化与自然灾害；思路是通过渗、滞、蓄、净、用、排这几种发前后径流量总量和峰值流量保持不变[19]。2014 年 10 月 22 日，设部出台了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建概念形成的发展阶段如图 1-2。

照片,照片,雨水

重庆交通大学硕士论文典型的雨水生物滞留系统通常由植被、覆盖层的过滤介质和穿孔排水管组成[23-25]（如图 1-3），主要通过植物-土壤-填料渗滤径流雨水，净化后的雨水渗透补充地下水或通过系统底部的穿孔收集管输送到市政系统或后续处理设施。通过增加蒸发和渗透模拟自然的水文过程，达到滞留、净化雨水的目的，其主要用于处理高频率的小降雨以及小概率暴雨事件的初期雨水，超过处理能力的雨水通过溢流系统排放[26]。我国海绵城市建设主要基于低影响开发（low impact development，LID途径来实施，而 LID 措施中，《海绵城市建设技术指南》将广泛应用于国外城市雨水管理实践中的雨水生物滤池推荐为优先选用的技术措施。雨水生物滤池可以在许多方面帮助实现低影响的目标。生物过滤系统将雨水在集水区的不透水段与其接收水域之间分离（特别是在不使用收集管的情况下）[27]，因此能够衰减水流。同时也可用作污染物去除工具，以改善排放的水质。与湿地等其他雨水处理系统不同，雨水生物过滤系统是分散的，这使它们有机会被改造现有的城市景观。

【参考文献】