城市面源污染控制技术初步研究_叶闽

收稿日期:2005-12-09基金项目:国家十五重大科技专项(“863计划”)经费资助项目(2002AA601022)作者简介:叶　闽,女,长江水利委员会长江水资源保护科学研究所,高级工程师。

文章编号:1001-4179(2006)04-0009-02

城市面源污染控制技术初步研究

叶　闽　雷阿林　郭利平

(长江水利委员会长江水资源保护科学研究所,湖北武汉430051)

摘要:在对武汉市汉阳地区新建小区城市面源污染的来源、种类和特征进行详细分析的基础上,研究分析各类降雨径流污染的发生过程和污染物的迁移转化规律,并针对城市新建小区绿化面积较大的特点,运用城市面源

控制新理念,研究提出一些城市降雨径流污染控制技术和管理措施,并在武汉市汉阳区桃花岛新建区建成面源污染源头控制工程。监测结果表明,屋面的初期径流和地表径流的污染物浓度都达到和接近纯雨水的浓度值。关　键　词:城市降雨径流;控制管理;污染控制技术;研究中图分类号:X52 文献标识码:A

1　概述

随着我国城市化水平的发展进程加快,透水的面积比例越来越小。由暴雨径流产生的突发性的、冲击性强的城市面源污染已成为受纳水体水环境污染的主要来源之一。城市暴雨径流

含有大量的污染物,初期径流产生的污染负荷远高于城市生活污水。面源引起的水环境污染已成为当前城市水环境综合治理中亟待解决的主要问题之一。

怎样针对城市土地利用和下垫面类型特点,通过采用一定的工程手段,拦截和削减初期暴雨径流峰值,是目前城市面源污染控制的科研课题之一。在武汉市汉阳地区开展的国家“十五”重大科技专项“城市面源污染控制技术研究和工程示范”正是为解决城市面源污染问题所设。

2　汉阳新建小区面源污染特点

汉阳桃花岛地区位于武汉市汉阳区郭琴路与墨水湖之间,东连汉桥路,南止墨水湖,西抵七里小区与十里铺小区分界线,北临规划的玫瑰园路。在桃花岛示范区1.33km 2的范围内,属于近10a 来新开发的居民住宅区,主要以居民住宅的建筑物为主,并分有新居民区、老居民区、小区商业网点、机关、学校、工厂等。居民建筑物接近总面积的40%,另外为道路、绿地以及沿湖的农田菜地、水塘等复杂的土地利用类型。

对于新建区而言,有以下几个特点:新建生活小区均为封闭式管理,人为因素对面源污染的贡献相对较小;绿地与建筑面积比大都接近或超过30%,径流系数相对较小;小区内排水系统为雨污分流;城市干道的排水系统中有少量的生活污水排入。

新建区面源污染类型主要为屋面径流和路面径流。根据监测,屋面径流因不受人、车辆等流动因素的影响,因此水质略好于路面径流。表1为桃花岛新建区不同下垫面面源污染物浓度监测结果。

表1　桃花岛新建区暴雨初期不同下垫面面源污染物浓度监测结果

mg L

项目SS C OD Mn T N T P T OIL

纯雨水7.931.92.50.088屋　面40～6054.6～44.86.04～4.090.25～0.220.03～0.01小区道路650～350110～606.04～4.90.53～0.300.09～0.03区外马路

750～600

500～256

6.04～5.7

0.74～0.50

0.54～0.1新建区面源污染的特点基本上与城市其他区域的面源污染特点一样,有暴雨径流产流快,径流量随着降雨强度的变化而呈现快速的正比变化的特点。另外暴雨初期,随着地表径流的产生及不断地增大,径流中污染物浓度快速增高。至地表径流开始急剧增大时,污染物浓度达到最大的值;径流接近或达到最大值时,污染物浓度开始或者已经显著地下降。这一特性说明对城市初期暴雨径流进行处理是有必要的,也是可行的。

3　新建区面源污染源头控制工程研究

对于城市面源污染的控制,实际上就是对初期暴雨雨量和雨质进行控制的问题。而针对新建小区而言,就是研究怎样削减暴雨径流产生污染和雨峰问题。根据目前新建城市居民小区规划要求,必须要保证一定的绿化面积(按规定应不小于30%)。因此利用这良好条件,进行面源源头控制工程的设计,拦截和延迟初期暴雨进入城市主排管,以及受纳水体的时间,达到控制面源污染的目的。

武汉市位于长江中下游平原地区,地下水埋深普遍较浅,年雨量又比较充沛,一般的雨水回灌或回用方法,要么效率低,要么工程造价高。因此必须合理设计,使不利的因素在一定的条件下转化为有利因素。

本研究利用南方地区包气带中土壤水丰富的特点,设计了一种新型小区雨水处理利用方法,将工程措施和生态环境有机

第37卷第4期人　民　长　江

Vol .37,No .42006年4月

Yangtze River April ,2006

结合,使雨水、地表水、包气带中土壤水构成一个相对封闭的循环体系。这一循环体系集渗滤技术、净化技术、储存技术、回灌技术、回用技术于一体,使雨水在循环中,通过工程措施的一级沉淀处理和生态环境的二级生化处理得到净化。此项设计已在桃花岛的旺达小区的2000m 2的绿地上得以实施,并达到了初步效果。

3.1　研究方法

这种新型的小区雨水处理利用方法是由两个系统相互连接来完成的,①雨水收集处理系统;②雨水喷灌处理系统。雨水

收集处理系统包括:屋面雨水收集处理系统,由初期径流弃流井、渗滤管、渗滤沟等组成;路面雨水收集处理系统,由初沉井、封闭式过滤沟等组成。雨水喷灌处理系统包括:沉淀 储水双井,小型水泵、绿地与喷灌系统等。

屋面雨水经过雨水管流到初期径流弃流井内,满足初期弃流要求后的雨水旁路进入渗滤管,再流到渗滤沟中,经过沉淀过滤后流入沉淀 储水双井。路面雨水通过路边窨井连接的初沉井、封闭式过滤沟沉淀过滤后进入沉淀 储水双井。收集处理系统过滤后的雨水先进入沉淀 储水双井中的沉淀井,再次沉淀处理后通过井中部的透水墙进入储水井,此时开启储水井中的潜水泵,经过喷灌系统把雨水喷在绿地上,利用绿地易渗滤构造层含水,同时利用土壤中微生物的分解作用和植物根系的吸收去除污染物,直到进入储水井的雨水全部被处理,洁净后的雨水通过渗滤补充包气带中土壤水。晴天时,利用储水井连接的喷灌系统,抽取包气带中土壤水对绿地进行养护或其它方式回用。具体工艺流程如图1

。

图1　小区源处理工艺流程

3.2　工程特点

(1)根据城市新建区下垫面特征,因地制宜地充分利用了

城市新建区的绿地系统,如小区内的绿地等,进行不同类型下垫面暴雨径流的促渗、过滤和抑流,从源头研究并示范城市新建区的面源控制问题。

(2)利用井—喷灌循环系统,克服了简易雨水促渗技术雨水承受容量有限的缺点。雨量或雨强大时,形成径流的雨水通过收集系统仍会回到井中,并重新布洒于绿地中。利用绿地中植物根系的吸收和土壤中微生物的作用构成一个二级生态处理系统,使雨水在净化处理后通过土壤毛细管的渗滤作用补充包气带中土壤水,即省略了回灌地下水所需的复杂处理工艺,也避

免了雨水径流直接回灌地下水所面对的问题。

(3)与屋面雨水排管连接的渗滤沟采用侧面多孔砖衬砌上部加盖的暗沟形式分布于绿地中。当雨量或雨强大到超过绿地构造含水层的承受能力时,部分蓄满产流的雨水会通过多孔砖反向渗透到渗滤沟并最终进入沉淀 储水双井。(4)水泵停止运行后,井水位上升,当水位超过窨井排水管高程时,蓄满产流的雨水才会排入城市下水管网。而蓄满产流的雨水实际上是经过处理的雨水,这样就大大削减了雨水径流中污染物的含量。同时,由于小区雨水进入城市下水管网的时间延迟了,可以起到调峰作用,减轻了城市排水管网的压力。

由于沉淀 储水双井与包气带中土壤水相通,与其配套的含水绿地构成了一个天然的地下存储调蓄系统,即土壤水库。这样不仅节省了以往雨水回用中必不可少的大型储水池的构建费用,省去了雨水存储中必须的处理工艺和费用,同时也避免了储水池难以保证的调节功能,大大地提高了雨水回用的实用性。利用这一理念设计的系统已在汉阳旺达小区建成。运行表明,该处理系统只要利用生活小区内20%的绿地,即可处理整个小区重现期为1a 的大雨,主要污染物去除率可达95%以上。

根据工程运行2个月以来,在暴雨期的监测结果表明,屋面的初期径流和地表径流的污染物浓度都达到和接近纯雨水的浓度值。说明该系统的处理效果是良好的。具体见表2。

表2　桃花岛新建区暴雨期面源污染物浓度监测结果统计

mg L

负荷来源SS CODCr TP TN 纯雨水7.931.90.0882.50屋面径流(处理前)30～4040～600.23～0.254.0～6.0地面径流(处理前)600～750

110～2500.57～0.744.9～6.3地面径流(处理后)

10～20

29～30

0.13

0.66～1.00

3.3　工程效益分析

将旺达小区的工程示范结果与国内其他地区的雨水利用工程成本进行比较,其结果见表3。

表3　不同城市小区雨水利用系统经济效益比较

项目小区占地面积 hm 2工程造价 万元年均可利用水量 m 3每1m 3水的工程造价 元运行维护费用

(元·m -3)北京某小区2.93108.76234671.121.00武汉某小区8.30191560085.700.20旺达花园

2.00

16

5000

5.20

0.09

4　结语

我国年降雨量达6.2万亿m 3,但在城市,传统的雨水排放方式既使得大量的雨水资源白白流失,同时也造成了水环境的污染。随着城市建设的不断发展,不透水面积比例不断增加,雨水资源流失量还将不断增大,如果能将流失的雨水进行有效的收集处理和利用,将会成为解决城市水资源短缺的重要措施之一。如果合理地利用雨水渗滤回灌,可涵养地下水源,增加土壤中的含水量,防止地面沉降,调节城市气候,减少城市热岛效应,改善城市生态环境。因此,解决好城市面源污染控制问题,特别是源头控制问题,对城市社会经济可持续发展具有重大意义,也是为城市建设规划与城市面源污染控制的有机结合提供新的思路和理念。

(编辑:常汉生)

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人　民　长　江

2006年