【資源利用】雨水收集與利用的系統(tǒng)及處理技術(shù)
我國現(xiàn)代城市發(fā)展很快，綠色建筑已被大家普遍接受，但針對(duì)雨水利用的研究不夠，并且技術(shù)推廣偏慢。20 世紀(jì) 90 年代起，雨水收集系統(tǒng)逐漸在我國城市的綠色建筑內(nèi)興起，雨水回收和利用技術(shù)在我國大中城市中發(fā)展勢頭良好。以北京為例，北方城市本身存在水資源匱乏的問題，政府重視程度較高，北京市自2000年開始先后采取一系列政策措施促使綠色建筑小區(qū)內(nèi)雨水收集與利用工作大面積鋪展開來，同時(shí)也帶動(dòng)了綠色建筑小區(qū)雨水收集與利用技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。而類似上海、武漢、南京等中東部沿江城市，水量充沛而忽略雨水收集與利用，近年來這些地區(qū)均出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇，雨水對(duì)人居環(huán)境的影響逐漸凸顯。
1.雨水收集與利用的系統(tǒng)及處理技術(shù)
1.1 集雨系統(tǒng)
20世紀(jì)80年代后，隨著國際雨水集流系統(tǒng)會(huì)議的召開和國際雨水集流系統(tǒng)協(xié)會(huì)的成立，國際上掀起了雨水收集利用理論和技術(shù)研究的熱潮，內(nèi)容涉及集雨面處理、集雨系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集雨模型和收集雨水的高效利用等。到2003 年，國際上共召開了11屆雨水集流系統(tǒng)會(huì)議，收集的雨水已成為許多國家農(nóng)業(yè)、畜牧、家庭、城市和工業(yè)用水等的主要補(bǔ)充來源。
Pirnz 等將集雨系統(tǒng)進(jìn)一步細(xì)分為4 種類型：
(1)屋頂集雨系統(tǒng)(Rooftop water harvesting)：在屋頂和庭院安裝管道、輸水設(shè)備和蓄水設(shè)備，收集屋頂上的雨水供家庭飲水、衛(wèi)生、養(yǎng)畜等使用。
(2)小型集雨系統(tǒng)(Microcatchment water harvesting)：與上述MCWH 相似，集雨區(qū)面積在1000m2以下， 種植區(qū)面積在100m2以下， 兩者之比為1: 1一l:10;種植區(qū)僅種一棵樹或部分灌木或一年生作物;主要由人工建成，不設(shè)溢流口。
(3)中型集雨系統(tǒng)(Macrocatchment water harvesting)：集雨區(qū)經(jīng)過處理或不處理，坡度在5%一50%之間，面積在l000m2一2000m2之間;種植區(qū)或?yàn)樘萏锘驗(yàn)槠露刃∮?0 %的緩坡;集雨區(qū)面積與種植區(qū)面積之比為10 : 1一100 : 1;由人工或機(jī)械建成，設(shè)溢流口。
(4)大型集雨系統(tǒng)(洪水集流系統(tǒng)，F(xiàn)loodwater harvesting)：需建設(shè)復(fù)雜的渠壩體系，收集雨季時(shí)季節(jié)性河流形成的洪水;集雨區(qū)面積在200hm2 一50km2之間，集雨區(qū)面積與種植區(qū)面積之比為100 : 1一10000:1收集的雨水蓄存于水庫、池塘和農(nóng)田土壤中，其主要用途為補(bǔ)充作物所需的土壤水分、回補(bǔ)地下水和減小洪水災(zāi)害造成的損失。主要由機(jī)械建成，設(shè)溢流口。
1.2 雨水截污技術(shù)
對(duì)于雨水的收集，要想進(jìn)一步利用，就要對(duì)雨水水質(zhì)進(jìn)行處理改善。因此應(yīng)從源頭入手，控制源頭污染，通過采取一些簡單易行的截污措施，可大大改善收集雨水的水質(zhì)和提高后續(xù)處理系統(tǒng)的效果。雨水的截污技術(shù)主要有：屋面雨水截污技術(shù)、路面雨水截污技術(shù)。
1.2.1、屋面雨水截污技術(shù)
屋面雨水的截污措施有很多種方法，常采用 3 種方式：截污濾網(wǎng)裝置、花壇滲濾凈化裝置、初期雨水棄流裝置。在此簡單介紹花壇滲濾裝置：
花壇滲濾凈化裝置是利用建筑物四周的一些花壇來接納、凈化屋面雨水, 也可以專門設(shè)計(jì)花壇滲濾裝置，既美化了環(huán)境，又凈化了雨水。下圖所示是花壇滲濾凈化裝置圖。
1.2.2、路面雨水截污技術(shù)
由于地面污染物的影響，路面徑流水質(zhì)一般明顯比屋面的差，必須采用截污措施或初期棄流裝置，采取的截污技術(shù)有：截污掛藍(lán)、初期雨水棄流裝置、雨水沉淀井與浮閘隔離井、植被淺溝等技術(shù)。在此簡單介紹初期雨水棄流裝置：
初期雨水的棄流裝置是提高雨水徑流水質(zhì)的重要技術(shù)方法，一次降雨過程中 60%以上的污染物集中在初期的雨水徑流中。根據(jù)不同的雨水水質(zhì)情況，確定初期雨水的棄流量，能夠有效去除大部分的懸浮物以及可溶解的污染物。目前，國外一些成型的雨水截污裝置已經(jīng)投入市場，下圖為一種容積法初期雨水棄流池的構(gòu)造圖。
1.3 雨水處理工藝
常規(guī)的雨水處理是將雨水收集到蓄水池后集中進(jìn)行物理、化學(xué)處理，以去除雨水中的污染物。在工藝流程的選擇中，需充分考慮降雨的隨機(jī)性、雨水水源的不穩(wěn)定性以及雨水儲(chǔ)存設(shè)施的閑置等因素。
1.3.1、屋頂雨水處理工藝
屋頂雨水收集后，由于雨水相對(duì)污染比較小，其只需要經(jīng)過沉淀消毒之后就可以應(yīng)用到城市普通生產(chǎn)生活方面，如家庭沖廁、洗衣洗車，企事業(yè)單位生產(chǎn)線的冷卻循環(huán)，這類非飲用方式的用水水質(zhì)要求不高。如果住區(qū)內(nèi)有水體景觀經(jīng)過處理后的雨水就可以應(yīng)該到景觀水體中，這樣不僅可以補(bǔ)充景觀的水體，而且還能實(shí)現(xiàn)雨水儲(chǔ)存的效果。
1.3.2、道路雨水處理工藝
道路雨水水質(zhì)由于道路環(huán)境復(fù)雜，其水質(zhì)受污染程度較大雜質(zhì)成分也相對(duì)較為復(fù)雜，在處理的初期應(yīng)首先考慮排除初期的徑流，對(duì)后續(xù)雨水收集再進(jìn)行混凝、沉淀和過濾等常規(guī)方式的處理，此外根據(jù)水質(zhì)的情況，在必要時(shí)還需要增加活性炭吸附處理工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)收集雨水的最終處理。另一方面，考慮到在道路收集的雨水中通常含有許多大顆粒雜物和油污, 因此需要在處理工藝前段設(shè)置格柵，以便處理夾雜于雨水中的樹葉、紙張、塑料廢棄物及其他大顆粒雜物。對(duì)于含油污較高的雨水，則還需增設(shè)物理設(shè)施如彎管的方式來進(jìn)行處理，即彎管法處理雨水，在雨水由沉淀池進(jìn)入過濾池的管道上安裝彎頭，可以有效攔截油污，同時(shí)使得不含油污或少量含污雨水由彎頭上水位流入水池。而道路上的機(jī)動(dòng)車道收集的雨水則綜合處理難度與成本的比較，由于此類雨水污染較為嚴(yán)重，水質(zhì)極為復(fù)雜，故不主張對(duì)其處理與回用，可直接排入市政管道進(jìn)污水處理廠。
1.3.3、常規(guī)雨水水質(zhì)處理工藝
圖-3 常規(guī)雨水水質(zhì)處理工藝流程圖
(1)篩網(wǎng)與格柵。在收集雨水進(jìn)行處理前，考慮到城市復(fù)雜的情況，雨水中必然含有大量的雜物，如樹葉、果皮、紙屑等，為提高后續(xù)設(shè)施對(duì)雨水處理的效果，在處理前期就設(shè)置格柵或篩網(wǎng)截留水中雜物。
(2)沉淀。雨水沉淀池可以按照傳統(tǒng)污水沉淀池的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以采用平流式、豎流式、輻流式、旋流式等形式，其目的是在流動(dòng)過程中將固體顆粒從雨水中分離出來。
(3)消毒。根據(jù)雨水的用途，應(yīng)考慮在利用前進(jìn)行消毒處理。消毒是指通過消毒劑或其他消毒手段滅活水中絕大部分病原體，使雨水中的微生物含量達(dá)到用水指標(biāo)要求的各種技術(shù)。雨水消毒應(yīng)滿足兩個(gè)條件：經(jīng)消毒后的雨水在進(jìn)入輸送管網(wǎng)前，水質(zhì)必須符合相關(guān)用水的細(xì)菌學(xué)指標(biāo)要求;消毒的作用必須一致保持到用水點(diǎn)處，以防止可能出現(xiàn)的病原體危害或者再生。
2 雨水收集與處理利用技術(shù)
雨水收集與處理利用是將雨水經(jīng)過一系列的收集、截污、處理設(shè)施后，使雨水水質(zhì)達(dá)到一定要求，再作為水資源補(bǔ)充，在工業(yè)上或作為中水進(jìn)行下一步利用。如一些水質(zhì)要求不高，用水量卻較大的綠化、道路澆灑、消防、建筑用水等。
作為一項(xiàng)雨水綜合利用措施，這一系列設(shè)施主要包括前期處理系統(tǒng)、雨水收集、儲(chǔ)存及后期處理凈化系統(tǒng)。主要相關(guān)裝置如下：
2.1 草地加固墊
草地加固墊將植被生長與合成材料結(jié)合在一起，形成了一種高強(qiáng)度的襯墊，有助于防止降雨徑流區(qū)域及陡坡上的土壤侵蝕與污染。與混凝土及亂石相比，草地加固墊被列為一種“軟工程措施”，在某些侵蝕控制條件下可取而代之。
草地加固墊增強(qiáng)了植被永久性防止土壤發(fā)生侵蝕與污染的能力。草地加固墊由相互交織的非降解土工合成材料層組成，如聚丙烯、尼龍及聚氯乙烯(PVC)織網(wǎng)，將這些材料縫合在一起以形成一個(gè)三維基體。這些材料具備足夠的厚度與多孔性，可進(jìn)行土壤填充，并保持一定的土壤持水量。除了提供沖刷保護(hù)外，草地加固墊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可促進(jìn)植被根莖的生長。通過保護(hù)土壤不受沖刷力的影響，并促進(jìn)植被生長，草地加固墊可提高穩(wěn)定斜坡、河岸及溝渠上自然植被承受較高水壓力的能力。除降低水流速度外，使用自然植被通過沉淀作用及土壤滲透提供了顆粒污染物的去除方法，并增強(qiáng)了現(xiàn)場美感。
草地加固墊提供了較高的剪切強(qiáng)度、耐紫外線(UV)降解，以及對(duì)土壤中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)物質(zhì)的惰性。圖-4說明了現(xiàn)有侵蝕控制技術(shù)范圍內(nèi)草地加固墊的適用性。臨時(shí)侵蝕防護(hù)毯及防護(hù)墊也如圖-4所示，最終植被會(huì)處于非保護(hù)及非加筋狀態(tài)，且只能用于在輕度水力條件下建立植被。
圖-4 臨時(shí)侵蝕防護(hù)毯及防護(hù)墊
表-1 臨時(shí)侵蝕防護(hù)毯及防護(hù)墊
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無植被的草地加固墊 |
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永久性合成加筋結(jié)構(gòu) |
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可降解纖維矩陣（不提供永久加筋的可選組件） |
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完全植被草地加固墊 |
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與土壤及植被根莖結(jié)合在一起的永久合成加筋結(jié)構(gòu) |
與臨時(shí)侵蝕防護(hù)產(chǎn)品所不同的是，草地加固墊設(shè)計(jì)為永久性地設(shè)置于現(xiàn)場，以保護(hù)種子與土壤，并促進(jìn)發(fā)芽。草地加固墊可結(jié)合使用天然纖維材料，以幫助建立植被。但草地加固墊的永久加筋結(jié)構(gòu)完全由不可降解的合成材料組成。典型草地加固墊的結(jié)構(gòu)如圖-5所示?？墒褂酶鞣N地面錨固裝置對(duì)草地加固墊進(jìn)行固定，包括U型絲釘、金屬插銷，以及木樁或塑料樁。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場特定土壤及坡度條件選擇合適的地面錨固裝置。
圖-5 典型草地鋼筋網(wǎng)的結(jié)構(gòu)
表-2 典型草地鋼筋網(wǎng)
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硬護(hù)套技術(shù) |
速度為1.5 ~ 1.8m/秒 |
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纖維增強(qiáng)混凝土鋪筑 |
剪應(yīng)力為96N/m2 |
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混凝土鋪筑 |
速度為5 ~ 6英尺/秒 |
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混凝土塊 |
剪應(yīng)力為2.0磅/平方英尺 |
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亂石 |
速度為7.6m/秒（25英尺/秒） |
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加筋植被 |
剪應(yīng)力為480N/m2（10磅/平方英尺） |
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高性能草地鋼筋網(wǎng) |
張力強(qiáng)度為43.8 kN/m（3000磅/英尺） |
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草地鋼筋網(wǎng) |
永久不可降解材料 |
植被種子的選擇應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所在的地理區(qū)域以及現(xiàn)場特定條件。種子選擇的信息來源包括：美國自然資源保護(hù)局(NRCS)、各大學(xué)推廣服務(wù)機(jī)構(gòu)，以及國家交通運(yùn)輸部門。安裝草地加固墊之前或之后，可根據(jù)鋼筋網(wǎng)施工與制造商的建議，在安裝區(qū)域進(jìn)行播種。
草地加筋技術(shù)可與臨時(shí)沉淀及侵蝕防護(hù)措施結(jié)合使用，以便在施工現(xiàn)場重新建立并保護(hù)植被。沉淀及侵蝕防護(hù)措施為雨水污染預(yù)防方案的典型組成部分，其旨在降低施工對(duì)受納水體的影響。常用的沉淀及侵蝕防護(hù)措施包括可光降解及可生物降解的天然纖維毯與水力覆層。草地加固墊的使用允許將植被覆層擴(kuò)展至可能會(huì)受到現(xiàn)場條件限制的地區(qū)。這有助于在整個(gè)使用區(qū)域建立并維持連續(xù)的植被覆層。草地加固墊可用于大多數(shù)需進(jìn)行永久侵蝕防護(hù)的場地或結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)可有效地應(yīng)用于城市及農(nóng)村地區(qū)，并可在各種氣候條件下運(yùn)用。盡管草地加固墊在完全植被地區(qū)使用時(shí)最為有效，但也可用于只有少數(shù)植被可生長的干旱、半干旱，以及高海拔地區(qū)，以防止侵蝕。在這些地區(qū)，植被的建立較為緩慢，或存在難度，且草地加固墊往往需填塞當(dāng)?shù)赝寥?/span>(并使用鋼筋網(wǎng)，用于永久性防止侵蝕)，以進(jìn)行保護(hù)。
在大多數(shù)氣候或環(huán)境條件下，加筋植被可保護(hù)：
?地表水輸送系統(tǒng)。
?坡面表層侵蝕。
?管道入口與出口。
?海岸線與河堤。
2.1.1 草地加固墊優(yōu)勢與劣勢
目前，草地加固墊被用于防止侵蝕并穩(wěn)定土壤，以控制由陡峭坡面徑流引起的地貌改變，并防止停車場中部范圍內(nèi)及河堤與海岸線沿線雨水滯洪池、蓄水池、小型明渠、排水溝，以及徑流輸送系統(tǒng)中的沖刷現(xiàn)象。
2.2 覆蓋物
覆蓋物是一種簡單而有效的雨水管理最佳措施。相對(duì)于其它雨水管理最佳措施而言，其優(yōu)勢包括：其執(zhí)行相對(duì)簡單、其潛在的低成本，及其廣泛的適用性。
覆蓋物為原材料、副產(chǎn)品、產(chǎn)成品、容器、設(shè)備、流程操作及材料存儲(chǔ)區(qū)域的部分或全部外罩，當(dāng)這些項(xiàng)目暴露于雨中和/或徑流中時(shí)，可能污染雨水。防水油布、塑料薄膜、屋面、建筑物及其它外罩是能有效地防止雨水污染現(xiàn)象的臨時(shí)或永久覆蓋物實(shí)例。這種覆蓋物最突出的優(yōu)點(diǎn)是，相對(duì)于其它最佳管理措施(BMP)而言，其價(jià)格較為低廉。
2.2.1 適用性
美國針對(duì)大量的國家污染物排放淘汰制度(NPDES)分組應(yīng)用案例的評(píng)審表明，覆蓋物是一項(xiàng)普遍采用的最佳管理措施。隨著更多的設(shè)施確定了雨水污染的潛在來源，從性能與成本的角度考慮其經(jīng)濟(jì)效益，覆蓋物的使用將大大增加。
覆蓋物適用于裝載/卸載區(qū)、原材料、副產(chǎn)品及最終產(chǎn)品戶外存儲(chǔ)區(qū)、加油與車輛維修區(qū)，以及其它高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。
2.2.2覆蓋物優(yōu)勢與劣勢
覆蓋物是一種簡單而有效的雨水管理最佳措施。相對(duì)于其它雨水管理最佳措施而言，其優(yōu)勢包括：其執(zhí)行相對(duì)簡單、其潛在的低成本，及其廣泛的適用性。
作為一項(xiàng)最佳管理措施，與覆蓋物有關(guān)的劣勢包括：
? 臨時(shí)覆蓋物方法，如塑料薄膜，可能被撕裂或撕破，而使污染物暴露于降水和/或雨水徑流中。
? 高成本可能妨礙建立完整的外罩。
? 將外罩建立在某些材料或活動(dòng)之上可能引起健康或安全問題。
? 覆蓋物需要經(jīng)常進(jìn)行檢查。
? 僅設(shè)有一個(gè)屋面的結(jié)構(gòu)可能并不能遮擋所有降水。
覆蓋區(qū)域的影響取決于覆蓋物設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。簡單的塑料薄膜可能形成雨水分流，允許對(duì)未受污染的水進(jìn)行處理并排入雨水下水道。如內(nèi)部的材料未采取充分的防護(hù)措施，以避免與徑流接觸，設(shè)有永久屋面的適當(dāng)結(jié)構(gòu)可能不太有效。封閉的結(jié)構(gòu)可能需要設(shè)置內(nèi)部排水裝置。但如果認(rèn)為存儲(chǔ)的材料具備危險(xiǎn)性，則不得將其連接至雨水下水道。與生活污水下水道的連接也可能是不適宜的，這取決于現(xiàn)場條件。然后，內(nèi)部排水道需要連接至某些適當(dāng)?shù)姆佬孤﹨^(qū)，便于后續(xù)預(yù)處理與處置。
2.3 砂過濾器
砂過濾器可有效地去除雨水徑流中幾種常見的污染物。砂過濾器通常用于控制雨水質(zhì)量，可提供十分有限的流速控制。
典型的砂過濾器系統(tǒng)由兩個(gè)或三個(gè)水槽或水池組成。首先為沉淀槽，可去除漂浮物及重質(zhì)沉淀物。其次為過濾槽，可通過沙床對(duì)徑流進(jìn)行過濾而去除額外的污染物。最后是排水槽。經(jīng)處理的濾液一般通過暗渠系統(tǒng)排放至雨水排放系統(tǒng)或直接排入地表水中。砂過濾器占用空間較小，可以用于開發(fā)程度較高的場地及帶有陡坡的場地。可增添這些裝置對(duì)現(xiàn)有場地進(jìn)行改造。砂過濾器可實(shí)現(xiàn)沉淀物、生化需氧量(BOD)，以及糞大腸菌群較高的去除。但總金屬去除率中等，養(yǎng)分去除率通常較低。
目前通常采用的有三種主要的砂過濾器設(shè)計(jì)類型：Austin砂過濾器(圖-6);Washington砂過濾器(圖-7);以及Delaware砂過濾器(圖-8)。這些設(shè)計(jì)之間的主要區(qū)別在于其位置(即高于或低于地面)、所服務(wù)的排水區(qū)、其過濾表面區(qū)域、土地要求，以及其處理的徑流量。
圖-6 Austin砂過濾器
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至雨水滯洪池 |
過濾池 |
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耗能器 |
經(jīng)過濾的流出量 |
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沉淀池 |
亂石 |
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第一個(gè)1/2英寸 |
實(shí)現(xiàn)均勻排出量的擋流壩 |
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雨水道 |
沙床 |
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跌水入口 |
暗渠管線系統(tǒng) |
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設(shè)有坡度的槽，便于將沉淀物輸送至沉淀池 |
立視圖 A-A |
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設(shè)有攔污柵的鉆孔豎管 |
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表-3 砂過濾器
圖-7典型的奧斯汀砂過濾器設(shè)計(jì)
表-4 奧斯汀砂過濾器
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30’’人孔框架與蓋板 |
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爬梯 |
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30’’人孔框架與蓋板 |
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因具體情況而異 |
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流入管道 |
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清洗過的1’’骨料 |
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清洗過的沙子 |
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帶塞子的6’’PVC清理用管道 |
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過濾織物 |
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24’’人孔框架與蓋板 |
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帶PVC閘閥的6’’PVC排水渠 |
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流出管道 |
圖-8典型的哥倫比亞特區(qū)華盛頓砂過濾器設(shè)計(jì)
表-5 華盛頓砂過濾器
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水流 |
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格紋蓋板 |
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實(shí)心蓋板 |
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沙子 |
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鋪面 |
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出水管道 |
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格柵（所有格柵開口包裹一層織物） |
2.3.1適用性
砂過濾器主要用于改善水質(zhì)。一般情況下，當(dāng)關(guān)注常規(guī)污染物——生化需氧量、懸浮固體物，以及糞大腸菌群對(duì)地下水造成污染時(shí)，砂過濾器是滲透應(yīng)用，如滲透溝的首選。這通常發(fā)生于僅依靠下層土壤不能充分處理徑流的區(qū)域，或地下水位較高的區(qū)域。在大多數(shù)情況下，砂過濾器可設(shè)置于不透水池或水槽底部，其有助于收集、處理，并將徑流釋放至雨水排放系統(tǒng)中，或直接排放至地表水中，而污染的徑流與地下水之間不產(chǎn)生接觸。
砂過濾器設(shè)計(jì)的選擇很大程度上取決于排水區(qū)域的特征。例如，哥倫比亞特區(qū)華盛頓砂過濾器與特拉華州砂過濾器系統(tǒng)非常適合高度防滲透區(qū)域，因?yàn)閮烧呔惭b于地下，這些區(qū)域用于結(jié)構(gòu)控制的土地是有限的。這兩種砂過濾器通常用于處理停車場、車道、碼頭、加油站、車庫、機(jī)場跑道/滑行道，以及堆貨場的徑流。奧斯汀砂過濾器更適合于不透水與透水表面的大面積排水區(qū)。本系統(tǒng)設(shè)置于同一水平面上，且通常用于交通設(shè)施、大型停車場，以及商業(yè)發(fā)展區(qū)。
一般情況下，所有三種類型的砂過濾器均可以作為水質(zhì)入口的替代設(shè)施。這些砂過濾器更多地是用于處理使用重型車輛的排水區(qū)中被油脂污染的徑流。在蒸發(fā)量超過降雨量，且水池?zé)o法維持所需永久水池的地區(qū)，可使用奧斯汀砂過濾器。
2.3.2 優(yōu)勢與劣勢
砂過濾器可成為一項(xiàng)非常有效的最佳雨水管理措施(BMP)。所有三種類型的砂過濾器均可取得較高的沉淀物、生化需氧量，以及糞大腸菌群去除率。過濾器介質(zhì)應(yīng)定期從過濾裝置中去除，從而也可永久性地去除截留的污染物。過濾器中的廢物介質(zhì)是沒有毒性的，對(duì)其進(jìn)行填埋處理對(duì)環(huán)境也是安全的。如對(duì)其進(jìn)行不透水池內(nèi)襯設(shè)計(jì)，砂過濾器還可以降低地下水的潛在污染。最后，與其他最佳管理措施，如池塘或濕地相比，砂過濾器所需的土地較少。
排水區(qū)域的大小與特征，以及污染物負(fù)荷，將大大影響砂過濾器系統(tǒng)的效率。例如，由于砂過濾器設(shè)計(jì)為處理相對(duì)較小排水區(qū)域中的徑流，且對(duì)養(yǎng)分及金屬物的去除能力較差，可能在一些應(yīng)用中價(jià)值有限。在這些情況下，其他最佳管理措施，如水池的成本可能較低和/或更為有效。該系統(tǒng)也需要進(jìn)行日常維護(hù)，以防止沉淀物堵塞過濾器。在某些情況下，過濾介質(zhì)可能需在3 ~ 5年內(nèi)予以更換。最后，砂過濾器通常不會(huì)控制雨水流量，因此，其不能防止下游河岸與溝渠的侵蝕。
氣候條件也可能限制過濾器的性能。例如，目前尚不清楚砂過濾器在寒冷氣候或結(jié)冰條件下是如何正常工作的。
2.4 滲透溝
城市發(fā)展顯著增加了地表徑流量，以及對(duì)當(dāng)?shù)厮虻奈廴?。因此，通常采用滲透方法，如滲透溝，以去除雨水徑流中的懸浮固體物、顆粒污染物、大腸菌群、有機(jī)物，以及一些可溶性金屬及養(yǎng)分。如圖-9所示，滲透溝為開挖溝，深度為0.9 ~ 3.7米，采用石骨料進(jìn)行回填，并加設(shè)過濾器織物作為內(nèi)襯。一小部分徑流(通常為首次沖刷)被轉(zhuǎn)移至位于地面以下或同一平面上的滲透溝內(nèi)。徑流滲透進(jìn)入周邊土壤中時(shí)，其含有的污染物被過濾掉。滲透溝也提供了地下水補(bǔ)給，并可維護(hù)附近溪流中的基流。
圖-9典型的滲透溝
表-6 滲透溝
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可拆除式井蓋 |
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土工布過濾織物 |
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原狀土 |
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最低滲透率為0.50英寸/小時(shí) |
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采用1 ~ 3英寸清潔石材進(jìn)行填筑的深度為4英尺的滲透溝 |
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直徑為6英寸的PVC管 |
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9英寸方鋼腳板 |
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直徑為1/2英寸的鋼筋錨 |
2.4.1滲透溝適用性
滲透溝經(jīng)常用于采取了其它最佳管理措施，但可用土地有限的地區(qū)。滲透溝最常用于美國氣候溫暖、不是太干燥的地區(qū)。
滲透溝可捕獲并處理少量徑流，但不能控制峰值水力流量。滲透溝可與另一種最佳管理措施結(jié)合使用，如滯洪池，以提供水質(zhì)控制及峰值流量控制(Harrington)。這種滲透溝的輸入量較為集中，而不是分散的輸入量。本系統(tǒng)儲(chǔ)存了與連接至滲透系統(tǒng)同等水質(zhì)(最佳管理措施)的水量。這通常通過設(shè)置在儲(chǔ)存設(shè)施規(guī)定高度的開口進(jìn)行雨水管理量的緩慢釋放得以實(shí)現(xiàn)。因此，最佳管理措施水質(zhì)水量將等同于開口標(biāo)高以下的雨水滯留區(qū)，這些水量必須通過滲透予以排出。
可堵塞滲透溝的沉淀物或碳?xì)浠衔?/span>(油脂)含量較高的徑流通常采用其它最佳管理措施進(jìn)行預(yù)處理。一些預(yù)處理最佳管理措施的實(shí)例包括沉砂池、水質(zhì)入口、沉淀井、洼地，以及植被過濾帶(SEWRPC, Harrington)。
2.4.2滲透溝優(yōu)勢與劣勢
滲透溝對(duì)雨水徑流中的懸浮固體物、顆粒污染物、大腸菌群、有機(jī)物，及一些可溶性金屬及養(yǎng)分具有較高的去除率。捕獲的徑流滲入周圍土壤內(nèi)，并增加了附近河流中的地下水補(bǔ)給與基流。
負(fù)面影響包括潛在的地下水污染，以及如維護(hù)不當(dāng)，很可能發(fā)生早期故障。
對(duì)于任何滲透最佳管理措施，必須對(duì)潛在的地下水污染進(jìn)行仔細(xì)考慮，尤其是如果地下水供人飲用或用于農(nóng)業(yè)。滲透溝不適于使用或存放化學(xué)品，或危險(xiǎn)材料的場地，除非能有效防止危險(xiǎn)及有毒材料進(jìn)入滲透溝。在這些地區(qū)，應(yīng)考慮采用不會(huì)影響地下水的其它最佳管理措施。通過積極的污染預(yù)防措施可將潛在的泄漏降至最低程度。
由于會(huì)對(duì)地下水造成潛在污染，現(xiàn)場規(guī)劃早期必須進(jìn)行廣泛的現(xiàn)場勘察，以確定安裝滲透溝的現(xiàn)場適應(yīng)性。滲透溝的使用可能受到很多因素的限制，包括本地土壤的類型、氣候，以及地下水位的位置。現(xiàn)場特征，如排水區(qū)坡度過大、細(xì)顆粒土壤類型，以及地下水位與基巖近似位置，可能不允許使用滲透溝。除進(jìn)行特別設(shè)計(jì)用于集中輸入量外，周邊區(qū)域的坡度應(yīng)使徑流能在流入滲透溝時(shí)均勻分布于片流中。一般來說，滲透溝不適用于含有相對(duì)不透水土壤的區(qū)域，這種土壤含粘土與泥沙，或位于填土區(qū)。滲透溝應(yīng)設(shè)置于地下水位上方，使徑流可通過滲透溝進(jìn)行過濾，并流入周圍土壤內(nèi)，最后進(jìn)入地下水。此外，排水區(qū)不應(yīng)將大量的沉淀物或碳?xì)浠衔镙斔椭翝B透溝內(nèi)。因此，服務(wù)于停車場的滲透溝必須事先進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理，如油砂分離器。
使用滲透溝的另一項(xiàng)限制是氣候條件。寒冷氣候條件下，滲透溝表面可能結(jié)冰，從而阻止徑流流入滲透溝，并允許未經(jīng)處理的徑流流入地表水。周圍土壤也可能結(jié)冰，從而減少進(jìn)入土壤及地下水的滲透量。但最近的研究表明，如設(shè)計(jì)與維護(hù)得當(dāng)，滲透溝可在寒冷氣候條件下有效工作。通過保持滲透溝表面無壓實(shí)積雪及結(jié)冰現(xiàn)象，并通過確保部分滲透溝是在冰凍線以下修建的，顯著改善滲透溝在寒冷氣候條件下的性能。
最后，對(duì)于滲透溝系統(tǒng)的長期效果也產(chǎn)生了眾多關(guān)注點(diǎn)。過去，滲透溝已被證實(shí)其壽命較短，經(jīng)檢查的滲透溝系統(tǒng)，其中逾50%在5年后部分或全部不能使用。施工之前通過仔細(xì)的巖土工程評(píng)估，并通過設(shè)計(jì)與實(shí)施檢查與維護(hù)計(jì)劃可提高其壽命。應(yīng)對(duì)土壤滲透率與地下水位深度進(jìn)行評(píng)估，以確保現(xiàn)場條件滿足滲透溝的正常工作。預(yù)處理結(jié)構(gòu)，如植被緩沖帶或水質(zhì)入口，可通過清除沉淀物、碳?xì)浠衔?，以及可能堵塞滲透溝的其它材料提高其壽命。定期維護(hù)，包括更換堵塞骨料，也可提高滲透溝的效率及壽命。
2.5 滲透排水場
滲透排水場是專門設(shè)計(jì)用于促進(jìn)雨水滲入下層土的創(chuàng)新技術(shù)。這些排水場有助于進(jìn)行徑流控制，并可防止本地水域的污染。該系統(tǒng)通常是由一個(gè)預(yù)處理結(jié)構(gòu)、歧管系統(tǒng)及排水場組成。徑流首先轉(zhuǎn)入穿過預(yù)處理結(jié)構(gòu)(如油砂分離器)的雨水下水道系統(tǒng)。該油砂分離槽可有效去除徑流中的粗泥沙、油類與油脂。之后，雨水徑流繼續(xù)通過歧管系統(tǒng)進(jìn)入滲透排水場。該歧管系統(tǒng)由多孔管組成，此多孔管可將徑流均勻分布于整個(gè)滲透排水場。此后，徑流通過下層的砂粒過濾器及過濾器織物滲入下層土。本系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例如圖-10所示。
圖-10 典型的滲透排水場示意圖
表-7 滲透排水廠
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表層土 |
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多孔歧管 |
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觀測孔 |
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沖洗過的石質(zhì)蓄水池 |
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6-12英寸砂濾器 |
滲透排水場最佳管理措施常見的設(shè)計(jì)修改包括安裝透水性鋪面(環(huán)繞該鋪面的是位于滲透排水場上方的草坪過濾帶)，或在油砂預(yù)處理槽中插入緊急溢流管。溢流管允許超出設(shè)計(jì)容量的徑流量直接排出，而流入雨水干道系統(tǒng)。
2.5.1滲透排水溝適用性
滲透排水場對(duì)于具備較小排水區(qū)(小于15英畝)的現(xiàn)場尤為適用?？墒褂眠@些滲透排水場對(duì)來自停車場、屋頂、不透水存儲(chǔ)區(qū)，或其它用地的徑流進(jìn)行控制。在接受巨大沉積量(可能對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)造成阻塞，并隨之堵塞滲透排水場，降低其使用效率)的位置不得使用滲透排水場。
考慮安裝滲透排水場的區(qū)域內(nèi)土壤現(xiàn)場驗(yàn)證滲透率應(yīng)大于0.5英寸/小時(shí)，且應(yīng)包括系統(tǒng)底部與基巖或地下水位之間最小為4英尺的間隙。
2.5.2滲透排水溝優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
在氣候寒冷的地區(qū)、干旱地區(qū)、高風(fēng)蝕率地區(qū)(由于風(fēng)沙量的增加)的地區(qū)，以及具備唯一地下蓄水層的區(qū)域使用滲透排水場可能受到一定的限制。滲透排水場的一些具體限制包括：
● 當(dāng)排水場的沉積量很大時(shí)，維護(hù)要求較高。
● 工程設(shè)計(jì)、開挖、填充材料，以及預(yù)處理系統(tǒng)的費(fèi)用較高。
● 如維護(hù)不當(dāng)，將縮短其壽命。
● 不適于在粘土或粉砂土地區(qū)使用。
● 不適于在地下水供當(dāng)?shù)厝讼牡牡貐^(qū)使用。
● 如暴雨事件間隙沒有足夠的時(shí)間使土壤干燥，下層土壤中可能形成缺氧條件，而可能阻塞土壤層，并降低該系統(tǒng)的容量與性能。
滲透排水場的一個(gè)潛在消極影響是對(duì)地下水造成污染的風(fēng)險(xiǎn)。迄今為止的研究表明，如遵循場地適宜性指導(dǎo)思想，不會(huì)產(chǎn)生重大風(fēng)險(xiǎn)。但對(duì)于從排水場的硝酸鹽和氯化物轉(zhuǎn)移，則存有記載。
2.6 生物滯留帶
生物滯留是由美國于二十世紀(jì)九十年代早期提出的一種最佳管理措施(BMP)。生物滯留利用土壤，及木本與草本植物清除雨水徑流中的污染物。如圖所示，徑流作為片流傳送至處理區(qū)，該區(qū)域由植草地帶、沙床、積水區(qū)、有機(jī)層或覆蓋層、種植土壤及植被組成。徑流最先跨越或穿越沙床，此沙床減緩了徑流的速度，并將其均勻分布于積水區(qū)的長度方向上，該積水區(qū)由地表有機(jī)層和/或地面覆層，及下層種植土壤構(gòu)成。積水區(qū)有一定的坡度，其中心地勢較低。積水深度為15cm，并逐步滲透進(jìn)入生物滯留區(qū)，或水分產(chǎn)生蒸發(fā)。生物滯留區(qū)進(jìn)行了坡度設(shè)置，以便將過量的徑流引入他處。生物滯留區(qū)種植土壤中存留的水分經(jīng)過數(shù)天的滯留而滲入下層土壤。
圖-11 生物滯留區(qū)
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水分蒸發(fā)損失 |
草皮草 |
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生物滯留區(qū) |
地表覆層 |
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降雨 |
滲透 |
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片流 |
現(xiàn)場材料 |
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植草地帶 |
滲透 |
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徑流 |
草皮 |
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過量徑流 |
積水區(qū) |
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積水 |
種植土壤 |
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鋪砌面 |
沙床 |
表-8 生物滯留區(qū)
圖-11所示的基本生物滯留設(shè)計(jì)可進(jìn)行修改，使其滿足更多具體需要。弗吉尼亞州亞歷山大市已修改了生物滯留最佳管理措施設(shè)計(jì)，使其包含沙床內(nèi)的暗渠，以收集滲透水并將其排入下游的下水道系統(tǒng)。這種修改是必要的，這是因?yàn)椴煌杆聦油磷柚沽送寥老到y(tǒng)中的完全滲透。修改后的設(shè)計(jì)使生物滯留區(qū)更多地起到了過濾器的作用，用于排放經(jīng)處理過的水，而不是作為滲透裝置。
2.6.1適用性
生物滯留通常用于處理流經(jīng)商業(yè)、住宅與工業(yè)區(qū)不透水面的雨水。生物滯留是一種適用于中間路帶、停車場區(qū)域與洼地的理想雨水最佳管理措施?？蓪?duì)這些區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)或修改，使徑流可直接轉(zhuǎn)入生物滯留區(qū)，或通過鑲邊及排水溝收集系統(tǒng)傳送至生物滯留區(qū)。生物滯留通常最好在從斜坡區(qū)域接收片流的入口處，以及擬開挖的區(qū)域中使用。在片流傳送至處理區(qū)，最大限度提高其處理效率的同時(shí)，現(xiàn)場必須以能最大限度降低侵蝕條件的方式設(shè)置坡度。生物滯留應(yīng)在穩(wěn)定的排水區(qū)域進(jìn)行運(yùn)用，以最大限度減少處理區(qū)的沉積負(fù)荷。正如所有最佳管理措施一樣，必須制定一項(xiàng)維護(hù)計(jì)劃。
2.6.2優(yōu)勢與劣勢
在地下水位位于地表以下1.8m范圍內(nèi)的位置，以及周圍土層不穩(wěn)定的位置，生物滯留并非最佳的管理措施。天氣寒冷時(shí)，土壤可能會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)，從而阻止徑流滲透進(jìn)入種植土壤。對(duì)于坡度超過20%的區(qū)域，或者需要清除已成材樹的區(qū)域，也不建議采用最佳管理措施?？赡軙?huì)產(chǎn)生堵塞問題，特別是當(dāng)最佳管理措施所面對(duì)的是沉積負(fù)荷較高的徑流時(shí)。
生物滯留提供了雨水處理的方法，這種方法可改善下游水體水質(zhì)。徑流通過最佳管理措施進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)，并以四天為限釋放至受納水體中。最佳管理措施還可提供遮蔭與防風(fēng)林，吸收噪音并改善該區(qū)域的景觀。
4.7 濕式滯留池濕式滯留池為雨水控制結(jié)構(gòu)，可同時(shí)保留及處理污染雨水徑流。典型的濕式滯留池設(shè)計(jì)如圖-12所示。該滯留池包括一個(gè)永久性的水池，而雨水徑流則通過導(dǎo)流進(jìn)入該水池。每次雨水事件的徑流被截留，并在水池中進(jìn)行處理，直至其被下一次暴雨事件的徑流所取代。
圖-12 濕式滯留池典型布置圖
通過捕獲并保留暴雨事件期間的徑流，濕式滯留池可同時(shí)控制雨水的數(shù)量與質(zhì)量。之后，滯留池的自然物理、生物及化學(xué)過程可去除污染物。沉淀過程可去除微粒物、有機(jī)物質(zhì)與金屬物，同時(shí)溶解的金屬物與養(yǎng)分可通過生物吸收予以去除。一般來說，與其它最佳管理措施，如干池、滲透溝，或砂過濾器相比，濕式滯留池可取得更高的養(yǎng)分去除率及更好的雨水量控制。
表-9 濕式滯留池
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設(shè)有攔污柵的豎管 |
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緊急泄洪道 |
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設(shè)置為負(fù)坡度，用于防止堵塞的主放水管 |
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海岸線防護(hù)用亂石 |
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重力沉降深水區(qū) |
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挺水水生植物 |
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入口 |
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正常蓄水高度 |
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沉淀上水池 |
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水池維護(hù)慢速排水（應(yīng)設(shè)計(jì)為可提供便捷的通道，并避免截留沉淀物造成的堵塞。） |
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亂石 |
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防滲隔離槽 |
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混凝土基座 |
可對(duì)滯留池作出多項(xiàng)常見的改良，以提高其污染物去除效率。首先，可通過增設(shè)沉淀上水池增加沉淀物沉降面積(如圖1所示)。當(dāng)徑流通過沉淀上水池時(shí)，較重的沉淀物將與懸浮物分離，而較輕的沉淀物將隨著徑流保留于永久性水池中而沉淀出來。另一個(gè)常見的改良是，沿著永久性水池邊緣修建淺灘?？衫眠@些周邊淺灘種植水生植物，以抑制水流，并截留進(jìn)入水池的污染物。這些植物也可提高對(duì)養(yǎng)分的生物吸收率。除了具備水生植物生境功能以外，這些淺灘還具備其它多個(gè)功能，包括防止意外溺水的安全預(yù)防措施，并提供永久性水池的便捷通道，便于進(jìn)行維護(hù)。最后，在水池周邊也可設(shè)立濕地區(qū)域，有助于污染物的去除。
2.7.1滯留池適用性
濕式滯留池在全美已廣泛使用多年。對(duì)大量滯留池進(jìn)行了監(jiān)測，以確定其性能。美國環(huán)保局V區(qū)目前正著手對(duì)50 ~ 60個(gè)濕式滯留池的效率進(jìn)行研究。其他組織，如哥倫比亞特區(qū)華盛頓政府委員會(huì)(WMCOG)及馬里蘭州環(huán)保局也對(duì)濕式滯留池的性能進(jìn)行了廣泛的評(píng)估。
2.7.2滯留池優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
濕式滯留池同時(shí)具備雨水?dāng)?shù)量與質(zhì)量的控制優(yōu)點(diǎn)，并可為現(xiàn)有開發(fā)提供較大的改造覆蓋率。優(yōu)點(diǎn)包括減少了潛在的下游洪水及河岸侵蝕，且由于去除了懸浮固體物、金屬物及可溶性養(yǎng)分而改善了水質(zhì)。
同時(shí)，濕式滯留池的積極影響一般會(huì)超過任何負(fù)面影響，設(shè)計(jì)、選址或維護(hù)不當(dāng)?shù)臐袷綔舫乜赡軐?duì)水質(zhì)、地下水、冷水漁業(yè)，或濕地造成潛在的負(fù)面影響。設(shè)計(jì)或維護(hù)不當(dāng)?shù)臏舫乜赡軐?dǎo)致分層與缺氧條件，從而增加了固體物質(zhì)的再懸浮，以及所截留沉淀物中養(yǎng)分與金屬物的釋放。此外，應(yīng)采取預(yù)防措施，以防止滯留池施工期間對(duì)濕地區(qū)域造成損害。最后，應(yīng)仔細(xì)對(duì)地下水的潛在污染進(jìn)行評(píng)估。但迄今為止的研究表明，濕式滯留池不會(huì)對(duì)地下水造成顯著的污染(Schueler)。
在確定安裝濕式滯留池的可行性時(shí)，還應(yīng)考慮以下限制條件：
1.濕式滯留池必須能保持永久性水池中長期有水。因此，滯留池不可修建于無充足降雨而無法保持水池有水的地區(qū)，也不可修建于滲透性較高的土壤中。對(duì)于潮濕地區(qū)，一處較小的排水區(qū)足以確保足夠的水源，以維持永久性水池;而在較干旱的地區(qū)，則可能需要設(shè)置一處較大的排水區(qū)。在某些情況下，滲透性較高的土壤可能需進(jìn)行壓實(shí)或采用粘土封層，以此降低底部的滲透性。
2.土地限制，如場地較小或區(qū)域已高度開發(fā)，可能不容許滯留池的安裝。
3.滯留池的排放物通常包括溫水，因此，在滯留池的溫水排放可能對(duì)冷水漁業(yè)造成負(fù)面影響的地區(qū)使用滯留池可能會(huì)受到限制。
4.當(dāng)?shù)貧夂?即溫度)可能影響滯留池中的生物吸收。
5. 如未進(jìn)行適當(dāng)維護(hù)，滯留池的性能會(huì)急劇下降。上水池的定期清洗尤為重要。
永久性水池的維護(hù)對(duì)于防止捕獲沉淀物的再懸浮也非常重要。水池中沉淀物的積累也會(huì)降低水池的蓄水能力，并導(dǎo)致其性能下降。因此，永久性水池的底部沉淀物應(yīng)在每2 ~ 5年左右進(jìn)行一次清理。大多數(shù)情況下，對(duì)于處理從濕式滯留池清理出的沉淀物則無具體的限制。迄今為止的研究表明，水池沉淀物符合毒性限制條件，并可安全地予以填埋(NVPDC)。只要在遠(yuǎn)離海岸線的位置堆積沉淀物，以防止其再次流入水池內(nèi)，有些州也允許在現(xiàn)場對(duì)沉淀物進(jìn)行處理。
2.8 雨水濕地
濕地是指通常為地表水或地下水淹沒，并使植物能適應(yīng)飽和土壤條件的地區(qū)。濕地被描述為“大自然的腎”，因?yàn)闈竦刂邪l(fā)生的物理、化學(xué)及生物過程分解了大量化合物(如含氮化合物、硫酸鹽)，并對(duì)其它化合物進(jìn)行了過濾(Hammer, 1989)。濕地天然的污染物去除能力使其作為最佳雨水管理措施贏得了廣泛關(guān)注。典型的淺水沼澤濕地如圖-13所示。
用于雨水處理的濕地可以是伴隨的、天然的或構(gòu)建的。伴隨濕地是由于以前的開發(fā)或人類活動(dòng)而形成的濕地。眾多專家和/或公益團(tuán)體不鼓勵(lì)使用天然濕地用于雨水處理，而且在許多地區(qū)都不能選擇天然濕地方案。但有些州允許將濕地作為一項(xiàng)最佳雨水管理措施，但只能在非常有限的條件下使用。例如，佛羅里達(dá)州允許使用已嚴(yán)重侵蝕的天然濕地，或間斷性地與其它水域相連的濕地(即，只有在地下水上升至地面以上時(shí)，才與其它水域相連)(Livingston, 1994)。將天然濕地轉(zhuǎn)換為雨水濕地可在個(gè)案基礎(chǔ)上逐個(gè)予以完成，并需取得相應(yīng)的州與聯(lián)邦的許可(如401水質(zhì)證明與404濕地許可)。
圖-13 淺水沼澤濕地
表-10 潛水沼澤濕地
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維護(hù)階地 |
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水池周邊開放草坪25% |
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上水池 |
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石籠墻 |
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水鳥棲息島 |
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小池塘 |
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用于深度控制的閘閥 |
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濕地覆蓋層，以營造多樣性 |
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采用原生樹木/灌木進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)的20英尺濕地緩沖區(qū)，作為生境 |
兩種類型的構(gòu)建濕地已成功用于廢水處理：地下水流(SF)構(gòu)建濕地與自由水面(FWS)構(gòu)建濕地。在自由水面構(gòu)建濕地中，徑流流經(jīng)深度較淺的土壤襯底盆地。這種濕地包括種植有挺水植被(這種植被植根于沉淀物中，但葉子在水面上或水面上方)的淺水池。
與自由水面構(gòu)建濕地相反，地下水流構(gòu)建濕地盆地兩邊設(shè)置有預(yù)先設(shè)計(jì)數(shù)量的巖石或礫石，徑流通過這些巖石或礫石得以輸送。地下水流構(gòu)建濕地的地下水位保持低于巖石或礫石層頂部。有關(guān)研究表明，地下水流構(gòu)建濕地比較適合于廢水的日流量模式;但雨水或合流污水溢流(CSOs)的峰值流量可能比基流高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)?？刂品逯当┯晔录牡[石層費(fèi)用很高，這可能妨礙采用地下水流構(gòu)建濕地進(jìn)行雨水或合流污水溢流處理。因此，本說明書剩余部分探討在雨水應(yīng)用中采用自由水面構(gòu)建濕地，或天然與伴隨濕地。
有四種基本設(shè)計(jì)類型的自由水面構(gòu)建濕地：淺水沼澤地、擴(kuò)展型滯留濕地、水池/濕地系統(tǒng)，以及袖珍濕地。如圖2所示，這些濕地將徑流儲(chǔ)存于種植有濕地植物的淺水池內(nèi)。在兩種設(shè)計(jì)中選擇其一，這取決于多種因素，包括土地可用性、污染物去除水平與可靠性，以及起作用排水區(qū)的大小。
淺水沼澤設(shè)計(jì)需要充足的土地及基流，以維持濕地中的水位?？蓪?duì)基本的淺水沼澤設(shè)計(jì)進(jìn)行改良，以儲(chǔ)存正常蓄水高度以上的額外水量。作為擴(kuò)展型滯留濕地，這種濕地可減弱水流并緩解下游洪水。
水池/濕地系統(tǒng)具有兩個(gè)獨(dú)立的單元：濕水池及淺水沼澤。濕水池可捕獲沉淀物，并在徑流進(jìn)入濕地之前降低其的速度。與淺水沼澤系統(tǒng)相比，水池/濕地系統(tǒng)所需的土地較少。
袖珍濕地所需的土地更少。袖珍濕地應(yīng)設(shè)計(jì)用于面積為0.4 ~ 4公頃(1 ~ 10英畝)起作用的排水區(qū)，且通常需要開挖至地下水位以下，以獲得可靠的水源。水源不可靠或水位波動(dòng)將使植物的種類減少，并降低野生生物的生境價(jià)值。
2.8.1濕地適用性
濕地不僅可改善雨水徑流的質(zhì)量，還能控制凈流量(如擴(kuò)展型滯留濕地)。濕地是去除污染物最可靠的最佳管理措施之一，可適用于美國采用現(xiàn)有濕地用于雨水處理的大多數(shù)地區(qū)，包括阿拉巴馬州、加利福尼亞州、科羅拉多州、佛羅里達(dá)州、伊利諾伊州、緬因州、馬里蘭州、密歇根州、明尼蘇達(dá)州、弗吉尼亞州及華盛頓州。濕地已被用于處理農(nóng)業(yè)、商業(yè)、工業(yè)及住宅區(qū)的徑流。
過去，濕地從水中去除污染物的天然能力主要被用于處理廢水。但最近幾年利用濕地處理雨水也獲得了廣泛關(guān)注，很多雨水濕地處理系統(tǒng)現(xiàn)已投入使用。目前正在進(jìn)行評(píng)估，以確定濕地的污染物去除效率，并確定維持其性能所要求的維護(hù)水平，同時(shí)，其它研究也在對(duì)潛在的設(shè)計(jì)改進(jìn)進(jìn)行評(píng)估，以改善濕地性能。
2.8.2優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
雨水濕地的環(huán)境優(yōu)點(diǎn)包括下游水域及生境質(zhì)量的改善、城市地區(qū)多樣植被與野生生物生境的加強(qiáng)，以及洪水遏制。下游水質(zhì)通過去除城市徑流中的部分懸浮固體物、金屬物、養(yǎng)分及有機(jī)物質(zhì)而得以改善。隨著下游沉淀量的減少，以及峰值雨水流對(duì)河岸侵蝕的降低，環(huán)境質(zhì)量也得以改善。濕地可促進(jìn)多種野生生物的繁殖，包括的物種有磯鷸、蒼鷺等，并能減緩徑流，緩解下游洪水(尤其是擴(kuò)展型滯留濕地)。
雨水濕地可對(duì)濕地上游、濕地自身范圍內(nèi)，以及濕地下游造成不利的環(huán)境影響。位于大型水域(大于40公頃(100英畝))中的雨水濕地可使上游水源惡化，這些水源未得到有效的水文控制(MWCOG, 1992b)。濕地設(shè)計(jì)師可考慮上游改良，以緩解這種不利影響。
濕地本身范圍內(nèi)可能的不利影響為魚類通道的潛在阻斷，不良物種的潛在生境，以及地下水的潛在污染。修建于河道中的濕地可阻斷魚類進(jìn)入部分河流的通道，從而減少了河流中的魚類物種。
如濕地設(shè)計(jì)中未具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜性(即，限制深水與開放水域的特征，以及適合鵝與野鴨生存的開放草地)，這些鳥類可能成為濕地中不受歡迎的常駐物種。這些動(dòng)物將增加濕地的養(yǎng)分量與大腸菌群量，并可能成為當(dāng)?shù)匚锓N的公害。侵入性公害植物成為植被也是一種潛在的負(fù)面影響。侵入性物種對(duì)本地物種構(gòu)成了威脅，并可能對(duì)濕地的雨水處理能力造成不利影響。維持和/或種植高地緩沖帶有助于減少引入公害植物物種。種植挺水植被也可減緩公害藻類的大量繁殖。
將污染沉淀物轉(zhuǎn)移至地下水中，由此引起的地下水污染問題已成為一項(xiàng)潛在的負(fù)面環(huán)境影響。然而有研究表明，幾乎不存在地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)。
雨水濕地可作為一個(gè)散熱體，尤其是在夏季，并可將溫水排放至下游水體中。溫度的上升會(huì)影響下游敏感的魚類(如鮭魚、杜父魚)，及水生昆蟲。因此，不建議在溫度敏感性魚類的上游修建雨水濕地。不考慮下游物種敏感性的情況下，設(shè)計(jì)師應(yīng)時(shí)刻采取預(yù)防措施，以降低濕地修建造成的潛在溫升影響。
社區(qū)可能因?yàn)楹ε挛孟x及其它公害，或因?yàn)橛绊憹竦氐耐庥^，而反對(duì)修建濕地。但濕地可設(shè)計(jì)得很美觀，且其物種(如魚類及植物)能得以適應(yīng)，以治理蚊蟲及其它公害。在溫暖氣候條件下，養(yǎng)殖食蚊魚用于治理蚊蟲已成為一種常用的方法，而在寒冷氣候條件下，則養(yǎng)殖黑條紋食蚊魚(Notrophus fundulus)。為了將由較高植物所提供的針對(duì)天敵的防護(hù)水平降至最低，建議在害蟲繁殖之處種植較矮的植物(美國環(huán)保局，1996)。
在非生長季節(jié)，以及氣溫較低的位置，濕地去除污染物的效率較低。當(dāng)濕地被冰層覆蓋，以及當(dāng)接收到融雪徑流時(shí)，我們觀察發(fā)現(xiàn)一些污染物的去除效率有所降低。
最后，由于雨水濕地系統(tǒng)需要大量的土地(參見設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn))，在城市環(huán)境以及建立的社區(qū)中使用該系統(tǒng)可能會(huì)受到限制。就這些影響的多種可能的補(bǔ)救措施，在出版的《雨水濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)》中進(jìn)行了探討。
2.9 植草溝
植草溝為一片開闊的、深度較淺的溝渠，其邊坡及底部覆蓋有茂密的植被。植草溝可以是天然的或人造的，并可設(shè)計(jì)為截留顆粒污染物(懸浮固體物與微量金屬)，促進(jìn)滲透，并可降低雨水徑流的流速。其典型設(shè)計(jì)如圖-15所示。
植草溝可作為雨水排放系統(tǒng)的一部分，并可替代路緣、排水溝及雨水下水道系統(tǒng)。因此，植草溝最適合于低流量和人口較少的住宅、工業(yè)與商業(yè)區(qū)。
2.9.1植草溝適用性
當(dāng)?shù)貧夂蚺c土壤條件允許建立并維護(hù)茂密植被覆層的情況下，可使用植草溝。在特定現(xiàn)場建立植草溝的可行性取決于起作用的水域面積、坡度與透水性，以及植草溝系統(tǒng)的尺寸、坡度及其所使用的植被覆層。
圖-14 植草溝實(shí)例
表-11 植草溝
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提供沖刷防護(hù)。 |
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(a) 設(shè)有攔沙壩的植草溝橫截面。 |
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(b) 植草溝蓄水區(qū)的立體視圖。 |
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符號(hào)： |
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L = 每個(gè)攔沙壩的植草溝蓄水區(qū)的長度（英尺） |
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DS = 攔沙壩深度（英尺） |
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SS = 植草溝底部坡度（英尺/英尺） |
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W = 攔沙壩頂部寬度（英尺） |
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WB = 攔沙壩底部寬度（英尺） |
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Z1&2 = 植草溝邊坡水平與豎向變化比值（英尺/英尺） |
植草溝易于設(shè)計(jì)，并可納入現(xiàn)場排水計(jì)劃中。通常情況下，當(dāng)植草溝作為一項(xiàng)獨(dú)立的最佳雨水管理措施時(shí)，如與其它最佳管理措施，如水池、滲透帶、濕地等結(jié)合使用，則最為高效。
當(dāng)植草溝廣泛地作為最佳雨水管理措施進(jìn)行使用時(shí)，也存在某些方面尚未進(jìn)行量化。正在進(jìn)行調(diào)研的一些問題包括其污染物去除率是否隨著使用時(shí)間的延長而降低;坡面對(duì)植被過濾能力，及攔沙壩的作用有什么影響;設(shè)計(jì)因素在何種程度上會(huì)提高污染物去除效率。
2.9.2植草溝優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
與傳統(tǒng)的雨水管理措施，如雨水下水道系統(tǒng)相比，植草溝通常具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括：峰值流量的減少、污染物的去除、促進(jìn)徑流滲透，以及較低的資本成本。但通常植草溝對(duì)于大暴雨則無效，且較為脆弱，這是由于高速水流可侵蝕植被覆層。
植草溝的限制條件包括以下內(nèi)容：
?在非常平整的地區(qū)、地形陡峭的地區(qū)，或潮濕或排水不良的土壤地區(qū)，植草溝是不可行的。
?當(dāng)流量和/或流速很高時(shí)，植草溝效率低，且可能造成侵蝕現(xiàn)象。
?植草溝可能引起溺水的危險(xiǎn);成為蚊蟲滋生地;并可能散發(fā)氣味。
?對(duì)植草溝可能沒有可用的土地。
?在一些地區(qū)，植草溝的使用還受到法律的限制：如其峰值排放量超過140升/秒(5立方英尺/秒)，或流速大于1m/秒(3英尺/秒)時(shí)，許多當(dāng)?shù)厥姓?dāng)局禁止使用植草溝。
?在侵蝕土壤地區(qū)，或難以維持茂密植被覆層的地區(qū)，植草溝是不可行的。
植草溝對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響可能包括：
?植草溝植被的浸出可增加徑流中的微量金屬與養(yǎng)分含量。
?通過植草溝的滲透可將污染物帶入當(dāng)?shù)氐叵滤小?/span>
?植草溝中的積水可能導(dǎo)致潛在的安全、氣味與蚊蟲問題。
2.10 阻流箱
阻流箱是包含一系列由擋板隔開沉淀槽的混凝土或玻璃纖維結(jié)構(gòu)。阻流箱的主要功能是去除雨水中的沉淀物、懸浮顆粒以及有關(guān)污染物。阻流箱也可包含攔廢篩或撇沫器，以捕獲大型材料、垃圾以及漂浮物。阻流箱為內(nèi)嵌式或位于雨水管道的末端。典型的阻流箱設(shè)計(jì)如圖-15所示。
圖-15 阻流箱示意圖
使用阻流箱對(duì)污染物進(jìn)行去除是基于通過阻流箱減緩流速，從而使固體物及有關(guān)污染物沉淀至阻流箱底部這一設(shè)想。雨水進(jìn)入阻流箱，并注入第一個(gè)沉淀槽中。當(dāng)雨水碰到擋板時(shí)，其流速減緩，使得沉淀速度大于橫向流速的固體顆?？沙恋碇磷枇飨涞撞?。除減緩流速之外，擋板還可阻止顆粒的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)懸浮固體物撞擊擋板時(shí)，其開始進(jìn)行沉淀。較大的顆粒物通常最先沉淀，并堆積在第一個(gè)沉淀槽中，而較小的顆粒物則通常沉淀于下一個(gè)沉淀槽中。
2.10.1適用性
阻流箱可有效地去除雨水徑流中的沉淀物，這一點(diǎn)已得到證實(shí)。阻流箱主要用于沉淀物控制是主要關(guān)注點(diǎn)的區(qū)域，而對(duì)于存在額外雨水污染物(如可溶性養(yǎng)分、油脂，或金屬)的區(qū)域，其它最佳雨水管理措施可能更為有效。
佛羅里達(dá)州已使用阻流箱多年。截至1998年，佛羅里達(dá)州布里瓦德縣已有42個(gè)阻流箱用于居住區(qū)，以此收集草坪、車道，以及街道的徑流。阻流箱中的沉淀物累積存在很大差異，且取決于現(xiàn)場特點(diǎn)，如排水區(qū)、用地、土壤類型及坡面。此外，非潮濕天氣條件下的水流，如日常生活包括洗車或草坪澆水形成的徑流，可增加雨水下水道中的沉淀量。
阻流箱非常適合加裝于現(xiàn)有的雨水管道中。用于直徑達(dá)48英寸管道的阻流箱可以進(jìn)行預(yù)制，以此實(shí)現(xiàn)快速安裝，且能取得較好的成本效益。阻流箱也可用于直徑達(dá)60英寸的管道，但這些阻流箱必須在現(xiàn)場進(jìn)行澆注，從而導(dǎo)致費(fèi)用較高，并安裝時(shí)間較長。
阻流箱主要設(shè)計(jì)用于沉淀物的去除，但也可以安裝攔污柵、篩網(wǎng)，或撇沫器，以捕獲漂浮物以及油脂。
2.10.2優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
阻流箱是一種簡易、廉價(jià)的最佳雨水管理措施，可有效地去除雨水中的沉淀物與懸浮固體物。阻流箱的主要優(yōu)點(diǎn)是可加裝于現(xiàn)有的雨水管線中，使其可在現(xiàn)有的使用權(quán)限范圍內(nèi)進(jìn)行安裝。這對(duì)于土地不可用的區(qū)域，或其它最佳雨水管理措施費(fèi)用十分昂貴的區(qū)域顯得尤為重要。
阻流箱的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，需要進(jìn)行大量的維護(hù)工作以去除累積的沉淀物。如阻流箱未經(jīng)常進(jìn)行清洗，后期暴雨可能使累積的沉淀物重新懸浮，并將其沖出阻流箱之外，從而降低了總體污染物的去除效率。此外，由于安裝于阻流箱中的許多攔污柵是通過鉸鏈固定于頂部的，以防止較高的水壓造成損害，這些攔污柵可能在高流量期間釋放累積的垃圾。基于阻流箱的使用經(jīng)驗(yàn)，布里瓦德縣官員建議，旱季每二至三個(gè)月應(yīng)對(duì)攔污柵進(jìn)行一次檢查與清洗，而在雨季則每個(gè)月進(jìn)行一次檢查與清洗(巴特曼等，1998;國家資源保護(hù)委員會(huì)，1999)。
阻流箱的另一個(gè)缺點(diǎn)是其不適合去除養(yǎng)分，如在特定場地養(yǎng)分是一個(gè)關(guān)注的問題時(shí)，其并非一項(xiàng)合適的最佳雨水管理措施。但由于阻流箱可有效去除懸浮物質(zhì)，附著在沉淀物上的養(yǎng)分可沉淀于阻流箱中。一般而言，模擬結(jié)果表明，阻流箱對(duì)于去除較大顆粒物更為有效，而去除較小顆粒物的效率較低(Pandit 與 Gopatakrishnan)。
結(jié)語
隨著城市雨水利用技術(shù)的不斷推廣，越來越多的人開始重視城市雨水收集利用技術(shù)。在城市雨水收集利用系統(tǒng)的建設(shè)過程中，面對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)、種類繁多的雨水水質(zhì)控制措施，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)工程項(xiàng)目環(huán)境，按照區(qū)域的場地條件以及對(duì)徑流的消減流量的要求和對(duì)非點(diǎn)源污染物的處理要求，評(píng)估不同措施的實(shí)際徑流削減能力、對(duì)非點(diǎn)源污染去除能力、空間需求后，綜合考慮，選擇符合區(qū)域場地特征的適宜的措施。在評(píng)估區(qū)域的場地特征時(shí)，需要綜合考慮區(qū)域的位置特點(diǎn)、土地條件、地下水特點(diǎn)、地形、地勢、匯水區(qū)性質(zhì)等對(duì)措施進(jìn)行評(píng)估，選擇適宜的控制措施，保證系統(tǒng)功能的有效發(fā)揮。
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