典型绿色基础设施对城市降雨径流活性氮控制机理与模拟研究

The increasing reactive Nitrogen(Nr) caused by human activities has seriously disrupted the Nitrogen cycle, leading to global environmental problems, such as Nr saturation, eutrophication and drinking water source pollution. This change is more severe in China. The urban point source pollution is gradually under effective control, at the same time, rainfall runoff is becoming one of the important nonpoint source pollution of water bodies. Green Infrastructure also called Low Impact Development practices is the effective system to limit rainfall runoff pollution caused by urban new development and redevelopment activities with the least engineering design; however, there is a lack of studies on its urban rainfall runoff Nr control mechanism. This project aims at urban rainfall runoff Nr control, selects three typical GI/LID facilities including bioretention system, vegetated swales and green pavement with runoff reduction, TN removal efficiency and denitrification potential as object. The feasibility of using the 15N and 18O double stable isotope labeling technique to identify Nr removal in GI/LID facilities will be explored through the experiment, so as to reveal the typical GI/LID removal mechanism and its influence factors. The conceptual model combined with SWMM model will be built to provide design conditions and parameters to meet runoff and Nr pollutant control dual goals, and to evaluate its cost-effectiveness, in order to support the standardization of green infrastructure design and effect evaluation.

人类活动造成活性氮增加，严重扰乱氮循环，导致Nr饱和、水体富营养化和饮用水源污染等全球环境问题，这种变化在中国更为剧烈，在城市点源污染逐渐得到有效控制的同时，降雨径流渐趋成为水体的重要非点源污染之一。绿色基础设施或称低影响开发措施，是以最少的工程设计限制城市新开发和再次开发活动产生降雨径流污染的有效系统，但关于其对城市降雨径流Nr控制机理的研究尚比较缺乏。本研究拟以城市降雨径流Nr控制为目标，选取生物滞留、植草沟、嵌草砖3种兼具径流削减、TN去除效果和反硝化潜力的典型绿色基础设施为研究对象，通过试验监测，探索运用15N和18O双稳定同位素标示技术识别GI/LID设施中Nr去除途径的方法，揭示典型GI/LID设施对Nr的去除机理和影响因素；构建概念模型并与SWMM应用模型结合，提出满足径流与Nr污染物控制双重目标的设计条件和参数，评价其成本效益，用于支持绿色基础设施的规范化设计和效果评价。

通过文献调研发现，我国多数城市各种下垫面径流的TN浓度和部分城市路面径流TP浓度超过国家地表水V类水质标准。城市降雨径流N、P存在初期冲刷和与颗粒物协同去除现象，并与降雨条件呈相关性。典型LID措施中生物滞留、洼地系统、透水铺装和湿地/塘对径流中不同形态的N、P表现出一定的去除能力，应结合污染物浓度和径流削减量评估污染负荷的去除效果，采取必要的结构设计、植物选择、种植土改良和介质改良等强化措施。.通过构建模拟实验，利用15N同位素示踪技术研究在生物滞留系统中15NO3-的迁移转化以及丹麦草的影响，碳源、土壤Eh和pH对生物滞留系统中DNRA的影响。在植物组中约79.6%的NO3-发生了转化，高于对照组，两组中反硝化作用均为优势反应，其次是微生物固定和DNRA作用，丹麦草的直接吸收对NO3-去除起到一定作用，同时间接促进了反硝化作用和微生物固定，加快了生物滞留系统对NO3-的去除。反硝化和DNRA作用同时进行。随着Eh的降低，DNRA作用增强，DNRA作用易在中性偏碱的环境下发生。.以模拟嵌草铺装系统为研究对象，研究进水C/N值、植物种类、土壤pH对土壤吸附、植物吸收、微生物固定、硝化反硝化和DNRA作用的影响。嵌草铺装系统可有效去除雨水径流中的COD、TN、N-NH4+和N-NO3-，0～5d时以土壤无机颗粒吸附、植物吸收、微生物同化和硝化反应为主，5～12d时以反硝化反应为主，12～20d时以硝化反硝化反应为主；低C/N值条件下，DNRA和反硝化作用较弱，硝化反应较强；随着进水C/N值的增加，硝化反应削弱，DNRA作用和反硝化作用增强。.分别应用雨水计算器、i-Treehydro和SUSTAIN模型，以嘉兴市蒋水港、世合小镇和晴湾佳苑作为研究对象，分别针对历史、现状和规划三种情景进行雨水径流量和污染负荷模拟。结果表明，不透水面积变化是产生径流的主要因素；规划情景可显著削减径流和年污染物负荷总量；径流量与土地覆盖类型有关，不透水表面径流量、年径流总量与树木植被呈负相关，而基流流量和透水表面径流量与树木植被呈正相关，规划方案属于最具成本效益的方案之一。