海绵城市建设中小型绿色基础设施对雨洪径流的调控作用研究

摘要

为了应对城市化对区域水环境的不利影响，我国各地都在积极倡导城市低影响开发（L ID），鼓励建设海绵城市。雨水花园作为一种城区小型绿色基础设施，是目前国际上广泛推崇的L ID措施之一。雨水花园是一种基于生态工程的城市雨水径流生物滞留系统，它能够有效的蓄渗雨水径流，净化水质，尽可能让城市化以后区域的水文机制接近自然状况。本文针对建造的三套不同类型的雨水花园装置开展了实地监测和模型模拟分析研究，首先，长期连续监测了入渗型雨水花园入流与出流的水文过程，分析了其对雨水径流的削减效果，并根据花园内土壤入渗率及颗粒组分随时间的变化，讨论了雨水花园运行效果的可持续性，预测了未来不同程度雨水花园建设规模对整个研究区域的水文效应；其次，监测研究了不同填料排水型雨水花园对雨水径流削减和污染物去除效果，分析了不同种类污染物在雨水花园内去除的机理；最后，探讨了优先流存在情况下，路面径流雨水花园对不同形态污染物的去除效果。
　　本研究主要内容包括：⑴入渗试验雨水花园以西安地区黄土为基质，具有良好的入渗性能，能够有效滞留和入渗屋面雨水径流；花园蓄水层深度为15cm，汇流面积比为20：1，在5年监测期内28场降雨事件中，仅有4场发生溢流，其中2013年出现3次，径流削减率为96.8％；2014出现1次，径流削减率98.9%；2011年和2012年均未出现溢流，雨水径流通过雨水花园全部入渗，径流量削减率达100%。⑵雨水花园运行5年后，表层土壤的平均砂粒含量由7.36%增加到20.80%，而平均粉粒含量从83.19%减少到73.49%，平均粘粒的含量也有所降低，从9.46%减少到5.71%，5年监测期内，共计监测11次雨水花园的入渗过程，2015年最终土壤入渗率为2.277m/d，与2011年初始入渗率2.346m/d相比，稍有降低；但总体上看，雨水花园土壤入渗率在5年内比较稳定，这对维持雨水花园运行的持久性有积极作用。⑶根据研究区历史降雨资料以及城区发展过程中土地利用格局变化，通过简化计算模型分析发现，若城区10%的雨水径流经雨水花园处理，区域径流系数可从现状的0.58降低到0.49，未来土地利用条件下，径流系数可维持在0.52；若城区20%的雨水径流经雨水花园处理，区域径流系数可从现状的0.58降低到0.41，未来土地利用条件下，径流系数可维持在0.44；若城区30%的雨水径流经雨水花园处理，区域径流系数可从现状的0.58降低到0.35，未来土地利用情况下，径流系数可维持在0.35。可见，雨水花园对城市化后改善整个区域水文状况有着积极的作用。⑷对于两个填料排水型雨水花园的对比试验研究发现，分层填料及均质黄土填料雨水花园的水量削减中值分别为46.8%和38.5%，对径流峰值削减中值分别为53.9%和47.4%，分层填料雨水花园对流量削减和峰值削减均优于均质黄土填料。分层和均质填料雨水花园对小雨（＜10 m m）的水量削减均值分别为78.8%和74.0%，对研究区小雨的海绵城市完成率分别为98.5%和92.5%；对于中雨的海绵城市完成率分别为69.0%和62.3%。研究区-西安市中小型降雨占总降雨量的比例达到69.8%，因此雨水花园建设可以高效率运行。⑸水质监测结果显示，砂土分层及均质黄土填料雨水花园对总氮去除率均值分别为64.16%和40.48%，T S S去除率均值分别为69.54%和26.24%，对总磷有一定的去除，但去除效果不明显；两雨水花园对硝态氮的淋洗作用强烈，硝态氮出流浓度均大于入流浓度。砂土分层填料雨水花园对总氮和TSS的去除效果优于均质黄土填料花园。⑹利用排水模型DRAINMOD对排水型雨水花园的汇流和排水过程进行模拟的结果显示，排水量模拟值与观测值对比的纳什效率系数为0.984，相关系数为0.992，平均偏差为0.024m3；在57年（1951-2007）模拟时段内，排水型雨水花园对径流量的削减均值为18.5%，经雨水花园内介质作用可净化的雨水径流量为76.1%，这对城市雨洪管理和城市非点源污染控制有积极的作用。⑺对于汇集处理路面雨水径流的雨水花园观测结果发现，园内存在明显的优先流，花园对颗粒态污染物浓度去除效果较明显，而溶解态污染物则产生了净输出：颗粒态总磷和溶解态总磷的负荷去除率分别为69.9%和-5.8%；颗粒态总氮和溶解态总氮的负荷去除率分别为73.8%和22.3%，雨水花园集中入渗补给后对局部地下水位的抬升作用明显，连阴雨季最高抬升幅度近1m，但短暂升高后回落。

目录

1. 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 研究方法和技术路线

2.1 实验区概况

2.2 实验装置及监测方法

3. 入渗雨水花园对雨水径流水文调控效果研究

3.1雨水花园径流过程以及径流削减

3.2雨水花园土壤入渗率及颗粒组分的变化

4. 入渗雨水花园对区域径流调控的影响

4.1分析预测模型建立

4.2研究区土地利用与降雨现状分析及预测

4.3模型验证和预测

4.4预测雨水花园对西安市区水文作用效果

5. 排水雨水花园对雨水径流水文和水质调控效果研究

5.1排水雨水花园对汇流区的流量削减效果分析

5.2排水雨水花园对雨水径流污染物的净化效果及预测

6. DRAINMOD模型预测雨水花园对径流的水文调控效果

6.1模型简介与评价方法

6.2 DRAINMOD模型验证及预测

7. 道路径流雨水花园的水文水质效果研究

7.1雨水花园优先流的判别

7.2雨水花园对不同类型污染物净化效果分析

7.3雨水花园集中入渗后对地下水位的影响

8. 结论

致谢

参考文献

附 录：