陕西佳丰建筑工程有限公司 陕西西咸新区沣西新城 712000
摘要：近年来，为应对城市内涝频繁和水环境恶化，我国开始实施并全面推进海绵城市建设，生物滞留设施作为主要的单项海绵措施之一受到了业内广泛关注，相关理论与技术的研究不断发展。目前，关于生物滞留设施的研究大多集中于实验或实测研究[，容易受到实验或现场条件的制约，鉴于模型模拟可以大范围多角度的分析解决问题，且具有较好的准确性和便捷性，众多学者引入模型技术用于生物滞留设施的研发工作。
关键词：多目标评价；市政道路；径流污染控制；生物滞留设施；填料优化
引言
为提升生物滞留设施的污染物去除效果、降低设施建设成本和提高固废资源化利用效率，可对生物滞留设施填料进行改良，但仍缺乏对填料基于渗透性能、污染物去除效果及经济成本等因素的综合评价及优化配置。同时，生物滞留设施在干旱和寒冷气候条件下的运行效果仍存在不确定性，亟待进一步研究。本文以华北地区的天津中新生态城为例，通过在实验室搭建生物滞留柱装置，结合研究区的地理特征及市政道路径流污染特征等实际情况，配置多种填料组合并设计人工模拟降雨试验，通过采用多目标评价方法对填料组合的渗透性能、污染物去除效果及经济成本进行综合评估，旨在为研究区域生物滞留设施填料的优化配置提供科学依据，也为其他类似地区生物滞留设施的优化设计提供参考。
1填料优化筛选
采用常用的多目标评价方法———层次分析法（analytichierarchyprocess，AHP）来筛选最优的填料组合，即筛选出渗透性能、污染物去除效果和经济性都理想的填料组合。建立的多指标层次分析结构如图2所示，其中指标层包含渗透系数、污染物去除率和填料价格3个一级指标；污染物去除率指标又根据5类污染物分为5个二级指标。各指标对筛选理想填料的相对重要性，即指标的权重，通过专家打分确定。专家打分过程充分考虑了专家的研究背景和方向，咨询了包括相关领域的技术专家、当地决策者和公众代表等在内的多位利益相关者，总共采集专家打分样本40份。通过在同一级指标间构造基于专家打分的两两比较判断矩阵，得到被比较指标的相对权重。判断矩阵的一致性比率均小于0.1，表明判断矩阵通过一致性检验，得到的权重具有可靠性。最终得到，渗透系数、SS、CODCr、TN、NH3-N、TP和填料价格的综合权重分别为0.31、0.13、0.25、0.09、0.04、0.02和0.16。
2通过HYDRUS-1D建立生物滞留设施模型
以含水率作为模型初始条件，模型上边界为大气边界条件，下边界（出水口）为自由出流边界条件，根据试验降雨时长确定模型的时间信息和输出信息，迭代信息参照模型默认值。因试验降雨时长较短，故忽略植物吸收、土壤蒸发及环境温度等对雨水流量的影响。选取M1、M4、M7条件下试验数据率定模型参数，主要调整种植土层和填料层的饱和导水率（Ks）、饱和含水率（θs）及孔径分布参数（n），辅助微调残余含水率（θr）和进气值倒数（α）[14]，对比生物滞留设施溢流量的模拟值和实测值；利用M2、M3、M5、M6、M8、M9条件下试验数据验证模型可靠性。在参数率定和验证模型可靠性的过程中，通过均方根误差RMSE、相对误差RE、模拟效率系数NSE及决定系数R24个指标判断模拟值和实测值之间的吻合度。生物滞留设施雨水径流水文调控效应受水力负荷、蓄水层高和初始含水率等因素的影响。采用验证后的生物滞留设施模型，通过改变不同影响因素，设定多组模拟情景，分析生物滞留设施水文调控效能，判断设施达到最佳调控效果的条件，从而达到优化和推广生物滞留设施的目的。
3提高改良生物滞留设施中氮去除效果
生物滞留设施作为海绵城市建设中广泛应用的低影响开发技术之一，近年来受到广泛关注。生物滞留设施对于部分悬浮物和重金属等去除效果较好，但其对于氮和磷等污染物的去除效果不稳定。
生物滞留设施中的植物对提升NH3-N去除率均有显著作用｡此外，国内外研究表明设置淹没区和制造厌氧环境为反硝化作用创造条件能促进NO-3-N的去除，如在生物滞留设施底部设置淹没区能提高NO-3-N的去除率｡改良型生物滞留箱（BOX1）对TN､NH3-N和NO-3-N去除率分别为：17.94%，66.42%和-21.42%，其中TN和NO-3-N的去除率均高于传统生物滞留箱（BOX2和BOX3）｡换而言之，改良型生物滞留设施对雨水径流中氮素的去除，特别是TN和NO-3-N的去除优于传统生物滞留设施｡一方面改良型生物滞留箱设置的蓄水区淹没部分填料，从而创造的缺氧环境能促进反硝化作用；另一方面导水绳和蓄水箱的设置的保墒，能改善植物旱季生长状态，继而提高TN和NH3-N的去除效果｡
4合理的LID设施优选及径流污染控制
随着全球气候变化和城市化的快速发展，城市洪涝灾害给人类造成的威胁越来越大。推进海绵城市建设对缓解城市内涝、改善城市生态环境具有重要意义。海绵城市建设倡导从源头滞水、蓄水、渗水和净水，旨在城市开发过程中保持良好的雨水储存、渗透和净化功能。针对中国广西的一个体育中心项目分析了五种低影响开发模型（LID）设计方案的性能，研究发现按一定比例设计的生物滞留设施和下沉式绿地，能够实现每年减少75％的总径流量，小型分散式LID设施的综合性能可以达到最佳。南京市雨花台某区域的不同LID设施，发现不同LID设施均有明显的雨洪控制效果，但随着降雨重现期的增大，效果会逐渐降低。SWMM模型在模拟污染物时未考虑LID设施的净化作用，考虑LID设施净化作用后，固体悬浮物的净化率可以提高1.3倍。LID设施在保护城市环境中具有许多优势，但是LID设施的建设与管理成本较高，探讨LID设施在不同比例下的成本效益及径流污染控制效果能够为海绵城市建设提供科学依据。目前，针对LID设施面积比例优选的研究成果较少，我国正在全面推进海绵城市建设和城镇老旧小区改造，将海绵城市建设理念运用到城镇老旧小区改造过程中，能够提高老旧小区的雨水源头减排功能，促进海绵城市建设的规范化和科学化。
5生物滞留设施对雨水径流热污染的削减作用
生物滞留设施对雨水径流热污染的削减作用较显著，平均热污染负荷削减率超过40%。②生物滞留在不同填料条件下的热量负荷削减效果从大到小依次为：炉渣、石英砂、陶粒、沸石。采用生物滞留设施缓解径流热污染时，以炉渣作为填料效果较好。③实验条件下，进水温度越高，生物滞留设施的热污染负荷削减率也越高，进水温度为28℃时，各装置的热污染负荷削减率都较高，最高的是炉渣填料，其热污染负荷削减率可达54．81%。延长生物滞留设施的出水时间，可有效提高其热污染削减效率。
结束语
随着我国城市化进程的快速推进，面源污染和固体废弃物排放等问题日益严峻，基于多目标评价方法优化生物滞留设施填料，能够从源头有效控制径流污染并提高固废资源化利用效率。试验期内，8组试验柱的渗透系数最终稳定在50～106mm/h范围内，符合生物滞留设施对渗透系数的要求。除对照组外，其余试验柱对SS、CODCr、NH3-N、TP的平均去除率分别处在87.9%～91.7%、62.5%～83.0%、58.6%～94.4%、97.6%～98.6%范围内。各试验柱对TN的去除效果不理想且极不稳定。研究结果表明，5号试验柱的综合性能最优，其填料组合能够维持较好的渗透性能，在污染物去除效果良好的同时，具有填料本地化和资源化的特点，经济性好。在实际工程应用中建议多采用蛭石和沸石等吸附能力强的填料，以及富含铝盐的给水厂污泥等经济性好的填料。
参考文献：
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