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为解决城市化快速发展、不透水地面面积增多等带来的城市内涝、径流污染一系列城市水问题,中国提出了“海绵城市”理念。生物滞留系统作为中国海绵城市建设优先推荐的技术措施之一,已有大量学者针对其去除雨水径流中氮和磷的机理开展模型研究,但关于实际工程中生物滞留系统运行效果、氮和磷在系统中分布特征的相关研究较少。本研究以重庆某海绵城市试点的生物滞留系统为研究对象,分析不同季节生物滞留系统中不同形态的氮、磷分布特征及其在不同雨水径流情势下的脱氮除磷效率,探讨影响氮、磷转化和分布的主要因素,为海绵城市建设及生物滞留系统的运营管理提供参考。主要结论如下:
(1)生态树池、雨水花园、生物滞留带和高位花坛四种生物滞留设施的TN、TP主要分布在土壤表层,且随着深度的增加而降低,TN、TP随着夏秋冬季节变化呈现先下降后升高的变化趋势;NH4+-N和NO3--N在垂直空间上变化不大,但NH4+-N在夏秋交季时含量较高,NO3--N在夏季和冬季含量较高;生态树池、雨水花园、生物滞留带的有效磷(Available Phosphorus,AP)主要集中在表层和中上层,高位花坛在垂直空间上差异不大,在夏季和冬季四种设施的AP略高。
(2)就均值而言,雨水花园的TN含量在四种设施中最高,最高值为1058mg/kg,高位花坛TN含量最低,最低值为78mg/kg;雨水花园的NH4+-N含量最高,最高值为31.2mg/kg,高位花坛NH4+-N含量最低,最低值为1.3mg/kg;生物滞留带的NO3--N含量都最高,最高值为7.26mg/kg,高位花坛的NO3--N含量最低,最低值为0.14mg/kg;生态树池的TP含量最高,最高值为704mg/kg,雨水花园和生物滞留带的TP含量都低,最低值为100mg/kg;生物滞留带的AP含量最高,最高值为23.5mg/kg,雨水花园AP含量最低,最低值为0.3mg/kg。
(3)pH主要影响生物滞留设施NO3--N和AP的分布,其Person相关系数最大值分别为-0.743和-0.749;含水率主要影响NO3--N的分布,其Person相关系数最大值为0.858,有机质(Organic Matter,OM)主要影响TN、TP和AP的分布,Person相关系数最大值分别为0.937、0.903和0.930,NH4+-N受pH、含水率和OM的影响小。
(4)四种生物滞留设施的降雨径流污染物(TN、NH4+-N、NO3--N、TP、COD、SS)进水、出水浓度在三种不同降雨强度条件下均表现为0~30min波动较大且达到峰值,随时间变化逐渐降低并趋于平缓的变化规律。降雨强度为大雨时,生态树池对污染物的去除效果较好,去除率最高可达50%;中雨时,高位花坛对污染物的去除效果较好,去除率最高可达60%;小雨时,生态树池和高位花坛没有径流流出,雨水花园和生物滞留带因外界因素或者设施本身因素等去除效果差。污染物SS与COD存在显著线性相关性,与TN、NH4+-N、NO3--N、TP相关性较弱。
(5)为改善生物滞留系统的去污效果,提出了几条建议:1)改善生物滞留系统的填料;2)设置淹没区;3)定期清理生物滞留设施的进出水口;4)适当增加生物滞留设施进水豁口数量。
(1)生态树池、雨水花园、生物滞留带和高位花坛四种生物滞留设施的TN、TP主要分布在土壤表层,且随着深度的增加而降低,TN、TP随着夏秋冬季节变化呈现先下降后升高的变化趋势;NH4+-N和NO3--N在垂直空间上变化不大,但NH4+-N在夏秋交季时含量较高,NO3--N在夏季和冬季含量较高;生态树池、雨水花园、生物滞留带的有效磷(Available Phosphorus,AP)主要集中在表层和中上层,高位花坛在垂直空间上差异不大,在夏季和冬季四种设施的AP略高。
(2)就均值而言,雨水花园的TN含量在四种设施中最高,最高值为1058mg/kg,高位花坛TN含量最低,最低值为78mg/kg;雨水花园的NH4+-N含量最高,最高值为31.2mg/kg,高位花坛NH4+-N含量最低,最低值为1.3mg/kg;生物滞留带的NO3--N含量都最高,最高值为7.26mg/kg,高位花坛的NO3--N含量最低,最低值为0.14mg/kg;生态树池的TP含量最高,最高值为704mg/kg,雨水花园和生物滞留带的TP含量都低,最低值为100mg/kg;生物滞留带的AP含量最高,最高值为23.5mg/kg,雨水花园AP含量最低,最低值为0.3mg/kg。
(3)pH主要影响生物滞留设施NO3--N和AP的分布,其Person相关系数最大值分别为-0.743和-0.749;含水率主要影响NO3--N的分布,其Person相关系数最大值为0.858,有机质(Organic Matter,OM)主要影响TN、TP和AP的分布,Person相关系数最大值分别为0.937、0.903和0.930,NH4+-N受pH、含水率和OM的影响小。
(4)四种生物滞留设施的降雨径流污染物(TN、NH4+-N、NO3--N、TP、COD、SS)进水、出水浓度在三种不同降雨强度条件下均表现为0~30min波动较大且达到峰值,随时间变化逐渐降低并趋于平缓的变化规律。降雨强度为大雨时,生态树池对污染物的去除效果较好,去除率最高可达50%;中雨时,高位花坛对污染物的去除效果较好,去除率最高可达60%;小雨时,生态树池和高位花坛没有径流流出,雨水花园和生物滞留带因外界因素或者设施本身因素等去除效果差。污染物SS与COD存在显著线性相关性,与TN、NH4+-N、NO3--N、TP相关性较弱。
(5)为改善生物滞留系统的去污效果,提出了几条建议:1)改善生物滞留系统的填料;2)设置淹没区;3)定期清理生物滞留设施的进出水口;4)适当增加生物滞留设施进水豁口数量。