一种集成源头-传输-末端措施的城市产业集中区降雨径流水量水质控制系统及方法

本发明涉及城市面源污染防控领域，特别是用于城市产业集中区的降雨径流污染净化系统。

背景技术：

城市面源污染是目前影响城市水环境的重要污染来源，而降雨径流污染是城市面源污染的重要组成部分，一般是城市下垫面上沉积各类污染物在降雨径流的淋洗和冲刷作用下，随径流排入收纳水体产生的污染，具有来源广、分布随机、难以控制的特点。另一方面，城市工业区由于生产、服务活动集中，污染物种类多、负荷高、重金属污染物明显，且初始冲刷效应突出，又由于产业集中区内部用地结构相对单一，致使降雨径流污染对其水环境带来的影响更为突出。随着新型雨洪管理措施理念的发展，利用各类雨洪管理措施对城市降雨径流总量、峰值及污染物负荷进行调控的实践越来越多，但目前采用的较多的措施大多集中在绿色屋顶、透水铺装、雨水桶、雨水花园等源头削减措施，而城市产业集中区较大的建筑面积、较少的平屋顶和较高的不透水率，使得仅依靠源头管理措施对降雨径流污染进行管控难度较大。

经检索，现有技术已有相关的申请案公开，中国专利申请号为201210210495.1的申请案公开了一种“基于点-线-面立体配置的面源污染控制技术”，该方法能够适应农村面源污染的不稳定性，但采用的系统复杂且不适用于在城市中开展建设。中国专利申请号为201521116275.8的申请案公开了“一种兼有水质净化功能的雨水径流控制系统”，该方法通过不同类型的雨水径流控制措施并列设置，在降低城市水涝灾害的同时兼具水质净化功能，但该方法措施之间衔接度一般，无法很好地起到系统性地降低径流污染物的作用。中国专利申请号为201610002051.7的申请案公开了“一种城市径流面源污染深度处理及回用工艺”，该方法能够对面源污染进行就地处理并提供景观效果，但该方法适用于城市道路径流处理，不能对较大面积的建筑和其他透水面径流污染进行深度处理，且缺乏系统性。

技术实现要素：

1.要解决的问题

针对城市产业集中区降雨径流污染物种类多、负荷大的特点，而现有技术的面源污染处理系统集成度一般、无法深度处理的缺陷，本发明构建了一种适用于在城市产业集中区中进行建设，集成的“源头-传输-末端”措施的降雨径流水量、水质控制系统。该系统既可以降低城市降雨径流总量和峰值，减少径流对地表累积污染物的冲刷，同时还能对径流污染物进行就地处理和净化，从降低水量、净化水质两方面对城市产业集中区降雨径流污染进行有效调控。还能实现对污染物种类多、负荷大的城市产业集中区降雨径流进行深度处理。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明提供了一种集成源头-传输-末端措施的城市产业集中区降雨径流水量水质控制系统，包括截留系统、处理系统、传输系统和受纳水体；所述截留系统包括绿色屋顶，处理系统包括生物滞留设施和湿式滞留池，传输系统包括植草沟、雨水管网a；所述截留系统、生物滞留设施、植草沟依次相连通，所述生物滞留设施、植草沟出水端分别与水管网a的进水端连通，所述雨水管网a的出水端与湿式滞留池进水端连通，湿式滞留池出水端与受纳水体连通。

本系统在使用过程中，降雨径流首先通过绿色屋顶对雨水进行初期截流和初步净化；在生物滞留设施中进一步对截流后的径流进行滞蓄、下渗和净化，减少进入传输阶段的径流总量和污染物总量；传输系统包括植草沟和雨水管网a，通过植草沟对生物滞留设施排出的径流进行传输、吸附；最后经植草沟排放到雨水管网a，再集中排放到湿式滞留池中，在湿式滞留池对排入受纳水体前的径流进行滞蓄、暂存，并通过植物、微生物对径流中的重金属、氮磷等污染物进行集中净化，进一步提升降雨径流的水量、水质控制水平。

植草沟进行传输的降雨径流，经植被层截留砂石、吸附油脂，经滞水层吸纳、下渗，经排水层进入穿孔管排入雨水管网a。此外，当径流量超过设施调蓄容积时经过生物滞留设施处理后的水体先进入雨水管网a；经雨水管网a再排放到湿式滞留池。

上述的集合系统依据其各措施在雨水处理链中的位置进行布局，其中绿色屋顶位于工业区平屋顶建筑上盖，生物滞留设施位于厂区内绿地中，植草沟位于厂区内和城市道路周边绿化带中，湿式滞留池位于靠近水源的未开发地块。

优选的方案，所述处理系统还包括干式滞留池，所述干式滞留池与截留系统连通或不相连通；传输系统还包括雨水管网b；所述干式滞留池出水端分别与雨水管网b进水端及湿式滞留池进水端连通，雨水管网b的出水端与湿式滞留池连通。对于未开发的地块的降雨径流采用干式滞留池处理。

一般的，生物滞留设施、干式滞留池和湿式滞留池均为生物滞留设施大类，具体的，本发明所述的生物滞留设施就是现有技术的雨水花园(raingarden)，通常尺度较小，适用于在场地中进行建设，需要在池边种植各类耐水湿植物，且平时不会积水；“干式滞留池”(drypond)比雨水花园尺度更大，一般种植草坪等较少植物，平时不会积水，一般是在降雨过程中起到较大容量的调蓄作用；“湿式滞留池”(wetpond)的尺度也较大，平时会有积水蓄存，且会种植较多的挺水、浮水和沉水植物，不仅能够在降雨过程中调蓄雨水，还能在雨停时通过植物、微生物作用降解雨水中的污染物。

优选的方案，所述绿色屋顶包括由上至下依次设置的植被层、种植层、过滤层、排水层、隔根层和防水层；和/或生物滞留设施包括由上至下依次设置的植被层、滞水层和排水层，和/或所述植草沟包括由上至下依次设置的植被层、滞水层和排水层；和/或所述湿式滞留池包括由上至下依次设置的植被层、保护层和过滤层。

优选的方案，所述截留系统还包括雨水桶，所述雨水桶进水端与绿色屋顶的出水端相连接或不连接；所述雨水桶出水端与生物滞留设施进水端相连接。雨水桶同样起到截留的作用，通常情况下，雨水桶设置在建筑落水管出水口附近。

优选的，雨水桶采用成品的雨水桶或pp地下雨水收集模块，与屋顶落水管出水口相连接；雨水桶排水口与生物滞留设施相连接。

优选的方案，所述生物滞留设施与雨水管网a之间的管路上设置溢流管；和/或所述干式滞留池与雨水管网b之间的管路上设置溢流管。

优选的方案，本发明提供了利用所述集成源头-传输-末端措施的城市产业集中区降雨径流水量水质控制系统的方法，包括以下步骤：

1)对雨水进行源头控制：截留系统对落到建筑上的雨水进行初步截留、滞蓄；

2)步骤1)处理后的雨水进入生物滞留设施处理，对雨水进行滞蓄、下渗和净化，径流经穿孔管汇入传输系统，经传输系统进入湿式滞留池，通过湿式滞留池对水体进一步过滤、吸附并通过生物作用脱氮除磷；

3)经过步骤2)处理后的水体进入受纳水体。

优选的方案，所述步骤2)经过生物滞留设施处理后的水体，当径流量未超过调蓄容积时经植草沟处理后进入雨水管网a，经雨水管网a再排放至湿式滞留池；当径流量超过设施调蓄容积时进入雨水管网a；经雨水管网a再排放到湿式滞留池。

优选的方案，所述步骤2)中，对于未开发的地块的降雨径流采用干式滞留池处理，经过干式滞留池处理的水体一部分流入湿式滞留池，另一部分通过溢流管进入雨水管网b，通过雨水管网b进入湿式滞留池处理。

优选的方案，所述的绿色屋顶，由上至下分别为植被层、种植层、过滤层、排水层、隔根层和防水层；植被层选择耐旱、耐寒和符合生态环保要求的花、草；种植层铺设10cm～30cm种植介质；过滤层铺设200～250g/m²聚酯无纺布等防止种植土流失；排水层铺设2cm～5cm粒径卵石帮助及时排除积水；防水层采用具有耐水、耐腐蚀、耐霉烂性能优良和对基层伸缩或开裂变形适应性强的卷材或涂料等作柔性防水层；借助屋面找坡将截流、过滤后的雨水汇集传输至落水管中，落水管底部经初期雨水弃流装置排放至生物滞留设施中。

优选的，上述的生物滞留设施，沿设施周边种植草本植物；由上至下分别为植被层、滞水层、排水层，植被层低于周边20cm～30cm，种植草本植物，滞水层铺设25cm～100cm种植土，并在底部铺设10cm砂层，排水层内铺设25cm～30cm砾石，粒径不小于穿孔管孔径，并在底部埋置φ100-φ150穿孔管排水，由穿孔管接城市雨水管网a，设施内设置溢流竖管，底部与穿孔管相连接。

优选的，植草沟纵坡1％～5％，断面边坡1:3～1:2，宽度0.6m～2.4m；由上至下分别为植被层、滞水层和排水层，植被层种植密集草皮，避免种植乔木和灌木植物，滞水层铺设18cm～22cm厚沙土，排水层铺设25cm～30cm砾石，粒径不小于穿孔管孔径，并在底部埋置φ100-φ150穿孔管排水，由穿孔管接城市雨水管网a。

优选的，湿式滞留池：水深0.5m～2.5m，边坡坡度不宜大于1:6，径流滞留时间大于1天；由上至下分别为植被层、保护层、过滤层，植被层在水深较浅的区域内种植挺水植物和浮水植物，保护层铺设5～10cm厚沙土，过滤层铺设粗砂作为滤层；池出口一侧底部设置泄空管和自动排放装置；池出口一侧设置溢流竖管和溢洪道，可在水量超过竖管高度后自动排放到受纳水体中。

优选的，干式滞留池的池深度1m～3m，边坡坡度不宜大于1:4，径流滞留时间小于1天，长宽比在3:1～4:1；由上至下分别为植被层、过滤层，植被层种植草皮，过滤层铺设粗砂作为滤层，池出口一侧底部设置泄空管和自动排放装置；池出口一侧设置溢流竖管和溢洪道。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的水量水质控制系统，能够实现对雨水径流在源头、传输和末端三个处理过程中进行有效的拦截、滞蓄、下渗和净化，本发明的系统投资少、易于管理、适用广泛，既能从源头角度对雨水径流进行拦截、处理，在传输过程中降低径流速率、吸附污染物，在末端对产业集中区较高强度的污染物进行集中净化、深度处理的组合系统，该系统具有水量、水质高效控制的能力，针对城市产业集中区降雨径流污染物种类多、负荷大的特点，结合产业集中区地块开发的时序性，改善了现有技术中大多依靠截流系统对雨水径流进行初级削减和处理的不足。

(2)本发明的水量水质控制系统，根据生物滞留设施、植草沟、湿式滞留池的不同处理的结构特点形成不同处理阶段的有效组合，首先利用生物滞留设施对源头截流后初步净化的雨水径流进行收集、沉淀，去除大分子污染物，并去除雨水径流中的tn、tp；然后对净化后的雨水径流利用地下管道排放至道路两侧的植草沟进行下一步传输，在传输过程中利用植草沟中的植物对大分子、大颗粒污染物进行进一步去除，经过植草沟传输后的径流能够降低对城市受纳水体的影响；经过源头、传输两级净化后的雨水径流，最后再汇集到雨水管网，经雨水管网再排放至湿式滞留池中，通过沉淀、生化、物化作用，对雨水径流中的tss、tn、tp、有机物和重金属进行集中净化，经过上述系统的组合，可实现对城市产业集中区降雨径流中重金属、tn、tp、有机物等的高效去除。

(3)本发明的水量水质控制系统，整合适用于城市中，特别是适用于城市产业集中区这类具有较大占地的单体建筑和高不透水率地表的区域的雨洪管理措施，通过合理地链接、组装形成一种能从径流产生的源头到传输过程，再到末端汇流集中处理的城市降雨径流水量、水质控制系统，通过多级处理提高雨水截流率和各类污染物的削减率，可实现将施工工艺与现有绿地、河湖水面建设紧密结合，经简单开发即可实现本系统的构建。

(4)本发明的水量水质控制系统，通过结合待建地块同时设置湿式滞留池和干式滞留池，可实现对产业集中区待建地块的高效利用，既能满足对降雨径流水量、水质控制的目标，还能提升用地利用效率。结合未利用地块进行建设，适用于城市产业建成区的用地特点，提高了本发明在该类区域中的可实施性，并提高本发明组合的灵活性。

附图说明

图1为本发明的集成源头-传输-末端措施的城市产业集中区降雨径流水量水质控制系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

本发明提供了一种集成源头-传输-末端措施的城市产业集中区降雨径流水量水质控制系统，包括截留系统、处理系统、传输系统和受纳水体；所述截留系统包括绿色屋顶和雨水桶，处理系统包括生物滞留设施、干式滞留池和湿式滞留池，传输系统包括植草沟、雨水管网a和雨水管网b；所述截留系统、生物滞留设施、植草沟依次相连通，所述生物滞留设施、植草沟出水端分别与水管网a的进水端连通，所述雨水管网a的出水端与湿式滞留池进水端连通，湿式滞留池出水端与受纳水体连通。所述干式滞留池出水端分别与雨水管网b进水端及湿式滞留池进水端连通，雨水管网b的出水端与湿式滞留池连通。

本系统在使用过程中，降雨径流首先通过截留系统对雨水进行初期截流和初步净化；在生物滞留设施中进一步对截流后的径流进行滞蓄、下渗和净化，减少进入传输阶段的径流总量和污染物总量；通过植草沟对生物滞留设施排出的径流进行传输、吸附；经植草沟再排入至雨水管网a，由雨水管网a集中排放到湿式滞留池中，在湿式滞留池对排入受纳水体前的径流进行滞蓄、暂存，并通过植物、微生物对径流中的重金属、氮磷等污染物进行集中净化，进一步提升降雨径流的水量、水质控制水平。

另外当径流量超过设施调蓄容积时，径流经溢流管接雨水管网a；经雨水管网a汇集并排放到湿式滞留池进行处理。

对于未开发地块的降雨径流采用干式滞留池处理，经过干式滞留池处理的水体一部分流入湿式滞留池，另一部分通过溢流管进入雨水管网b，通过雨水管网b进入湿式滞留池处理。

所述的绿色屋顶，由上至下分别为植被层、种植层、过滤层、排水层、隔根层和防水层；植被层选择耐旱、耐寒和符合生态环保要求的花、草；种植层铺设10cm～30cm种植介质；过滤层铺设200～250g/m²聚酯无纺布等防止种植土流失；排水层铺设2cm～5cm粒径卵石帮助及时排除积水；防水层采用具有耐水、耐腐蚀、耐霉烂性能优良和对基层伸缩或开裂变形适应性强的卷材或涂料等作柔性防水层；借助屋面找坡将截流、过滤后的雨水汇集传输至落水管中，落水管底部经初期雨水弃流装置排放至生物滞留设施中。

雨水桶采用成品的雨水桶或pp地下雨水收集模块，与屋顶落水管出水口相连接；雨水桶排水口与生物滞留设施相连接。屋面径流经落水管传输至雨水桶中进行储蓄并回收利用，同时在雨水桶里沉淀部分大颗粒污染物。

生物滞留设施包括由上至下依次设置的植被层、滞水层和排水层，沿设施周边种植草本植物；植被层低于设施周边20cm～30cm，种植草本植物，滞水层铺设25cm～100cm种植土，并在底部铺设10cm砂层，排水层内铺设25cm～30cm砾石，粒径不小于穿孔管孔径，并在底部埋置φ100-φ150穿孔管排水，由穿孔管接城市雨水管网，设施内设置溢流竖管，底部与穿孔管相连接。

所述植草沟由上至下依次设置植被层、滞水层和排水层。纵坡1％～5％，断面边坡1:3～1:2，宽度0.6m～2.4m；植被层种植密集草皮，避免种植乔木和灌木植物，滞水层铺设18cm～22cm厚沙土，排水层铺设25cm～30cm砾石，粒径不小于穿孔管孔径，并在底部埋置φ100-φ150穿孔管排水，由穿孔管接城市雨水管网a。

所述湿式滞留池，水深0.5m～2.5m，边坡坡度不宜大于1:6，径流滞留时间大于1天；由上至下分别为植被层、保护层、过滤层，植被层在水深较浅的区域内种植挺水植物和浮水植物，保护层铺设5～10cm厚沙土，过滤层铺设粗砂作为滤层；池出口一侧底部设置泄空管和自动排放装置；池出口一侧设置溢流竖管和溢洪道，可在水量超过竖管高度后自动排放到受纳水体中。

干式滞留池的池深度1m～3m，边坡坡度不宜大于1:4，径流滞留时间小于1天，长宽比在3:1～4:1；由上至下分别为植被层、过滤层，植被层种植草皮，过滤层铺设粗砂作为滤层，池出口一侧底部设置泄空管和自动排放装置；池出口一侧设置溢流竖管和溢洪道。

利于本实施例的系统进行雨水处理的过程，包括如下步骤：

1)对雨水进行源头控制，截留系统(主要为绿色屋顶)对落到建筑上的雨水利用植被层进行截留，种植层和过滤层进行滞蓄；

2)路面径流和超量的屋面径流进入生物滞留设施，自周边种植的植被进行初期过滤，预先去除大颗粒污染物、减缓流速，径流经植被层、滞水层下渗补给地下水，同时经植物根系吸收、硝化、反硝化和生物除磷作用，对氨氮进行吸附，加速有机物降解，对重金属化学固定，对病原体消毒，强化径流污染的有效控制，径流经穿孔管汇入植草沟，在植草沟经植被层截留砂石、吸附油脂，经滞水层吸纳、下渗，经排水层进入穿孔管排入雨水管网a；

3)当径流量超过设施调蓄容积时，径流经溢流管接雨水管网a；经雨水管网a汇集并排放到湿式滞留池的降雨径流，通过保护层、过滤层对径流进行进一步过滤、吸附并通过生物作用脱氮除磷，利用植被层中的挺水、浮水植物进行硝化反硝化促进、氨氮吸附、磷酸盐结晶促进、降解有机物、化学固定重金属、对病原菌进行消毒，经过这些物化、生化反应，实现对城市产业集中区降雨径流污染的有效控制；且建设运营成本低、去污能力强、使用寿命长、工艺简单、组合多样化，能够显著控制进入受纳水体的径流污染物，具有较高的经济效益；

4)未开发地块的降雨径流进入干式滞留池，在径流滞蓄时间内缓慢下渗，降低径流总量，同时利用植被层进行氨氮吸附、有机物降解，降低径流污染负荷，再进入湿式滞留池处理；当超过调蓄容积时径流经溢流管排入雨水管网b；经雨水管网b并排放到湿式滞留池的降雨径流，通过湿式滞留池处理，实现对城市产业集中区降雨径流污染的有效控制。

实施例2

利用实施例1中的处理方法对一处面积为65.46公顷的产业集中区降雨径流水量、水质进行控制。系统的规模为：绿色屋顶0.93公顷、雨水桶总容积600立方米(1.5米直径成品桶)、生物滞留设施1.27公顷、植草沟1.2公顷、干式滞留池0.22公顷、湿式滞留池0.25公顷。在一场降雨量为28.6mm，降雨时长为2h的降雨事件中，径流总量削减率53.74％，tss负荷、cod负荷、tn负荷和tp负荷削减率分别为63.48％、66.89％、64.56％、63.86％。在年降雨量633.3mm的条件下，年径流总量削减率67.22％，年径流tss负荷、cod负荷、tn负荷、tp负荷削减率分别为66.43％、77.13％、71.10％、66.60％。

实施例3

利用实施例1中的处理方法对一处面积为139.46公顷的产业集中区降雨径流水量、水质进行控制。系统的规模为：绿色屋顶0.91公顷、雨水桶总容积1200立方米(1.5米直径成品桶)、生物滞留设施3.55公顷、植草沟2.8公顷、干式滞留池1.4公顷、湿式滞留池0.17公顷。在一场降雨量为31.6mm，降雨时长为5h的降雨事件中，径流总量削减率为52.57％，tss负荷、cod负荷、tn负荷和tp负荷削减率分别为77.56％、74.23％、75.65％、77.44％。在年降雨量633.3mm的条件下，年径流总量削减率52.73％，年径流tss负荷、cod负荷、tn负荷、tp负荷削减率分别为63.65％、72.87％、67.89％、64.23％。

实施例4

利用实施例1中的处理方法对一处面积为254.79公顷的产业集中区降雨径流水量、水质进行控制。系统的规模为：绿色屋顶0.08公顷、雨水桶总容积600立方米(1.5米直径成品桶)、生物滞留设施4.7公顷、植草沟2.94公顷、干式滞留池4.2公顷、湿式滞留池0.89公顷。在一场降雨量为16mm，降雨时长为1h的降雨事件中，径流总量削减率为76.26％，tss负荷、cod负荷、tn负荷和tp负荷削减率分别为85.46％、84.25％、85.07％、85.56％。在年降雨量633.3mm的条件下，年径流总量削减率91.66％，年径流tss负荷、cod负荷、tn负荷、tp负荷削减率分别为95.24％、95.38％、95.05％、95.19％。