面对城市化进程的加快所引发的“水多、水少、水脏”等社会和环境问题,亟需对城市雨水径流加以有效控制及利用,进而发挥雨水在构建可持续排水系统中的重要作用。作为海绵城市建设的重要内容,低影响开发(Low Impact Development,LID)雨水系统的构建是今后研究的重点。生物滞留池是典型的海绵城市低影响开发设施,但运行效率不稳定、设计方法缺乏、长期调控效果不明等问题限制了该技术的应用。填料或介质是决定生物滞留系统功能发挥的关键因素,但对生物滞留系统填料改良及其污染物净化机理的研究仍存在许多不足,需要进一步探索与研究。本研究采用模拟配水试验、实际降雨监测,理论分析与数值模拟,典型现场工程应用相结合的方法,对生物滞留系统填料改良及径流调控理论与技术进行研究。通过批次实验与迷你柱实验,综合考虑生物滞留设施混合填料的吸附能力、渗透性、持水性、寿命、成本等关键因素,采用多目标决策的方法建立层次结构模型,配制综合效能较好的改良生物滞留填料,并确定其性能参数;通过小试(土柱)模拟配水试验,考虑填料、植物和微生物的协同作用,定量分析生物滞留系统对雨水径流的调控效果与作用机理;结合中试与模型模拟,确定生物滞留系统设计的适宜方法,考虑的主要参数包括填料特性、水力负荷和污染负荷、淹没区高度、蓄水层深度等;通过典型低影响开发设施雨汛期监测与成本-效益分析,检验设施在西安地区的适用性。主要研究成果如下:(1)根据吸附能力强,解吸率低,持水能力强,成本低,本地易获取的原则,提出了生物滞留填料改良的技术路线与方法。通过扫描电子显微镜、阳离子交换量、比表面积等检测,确定了给水厂污泥(Water Treatment Residual,WTR)等10种改良剂的基本特性;通过批次实验确定了生物滞留传统填料(Bioretention Soil Media,BSM)和改良剂的混合比例;一维垂直入渗实验结果表明:改良填料的渗透能力超过220 mm/h,是原状土的3.4倍以上,改良填料持水能力是生物滞留传统填料的0.9～1.6倍,大多数高于生物滞留传统填料;通过批次和迷你柱实验获得了相对吸附容量最大和寿命最长的生物滞留改良填料,其中BSM+10%WTR 对可溶性活性磷(Soluble Reactive Phosphorus,SRP),BSM+10%绿沸石对铵态氮吸附容量相对最大,运行寿命相对最长。以渗透能力、持水能力、净化能力、寿命、成本等5个因素为基础,建立多目标决策层次结构模型,获得了改良填料综合性能:BSM+10%粉煤灰>BSM+10%绿沸石>BSM+10%WTR>BSM+10%麦饭石>BSM。(2)根据小试结果,以填料因子(Media factor,MF)和入渗率表征生物滞留填料的基本特性,同时考虑进水污染物浓度、汇流面积、设计重现期、降雨历时和雨前干燥期的影响,基于响应曲面法(Response Surface Methodology,RSM),采用多元二次回归方程分别建立了水量调控效果、污染物浓度去除效果和影响因素之间的定量耦合关系模型(R2≥0.715),可用于预测生物滞留系统对雨水径流的调控效果。(3)通过25场次小试模拟降雨试验和四阶段填料特性检测,研究生物滞留设施填料中碳、氮、磷、重金属及酶活性的时空变化特征。结果表明:新建装置在一年的运行周期中,填料中污染物浓度较高时,填料中污染物浓度呈先降低,随着系统的运行逐渐趋于稳定的趋势,且系统运行稳定后,填料中氮磷含量呈现上层>中层>下层的趋势。生物滞留填料中污染物含量与脲酶、蛋白酶、脱氢酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶等酶活性Pearson相关分析发现:生物滞留系统中不同种类酶活性与污染物含量之间的相关性显著程度不一致,过氧化氢酶与所有污染物含量显著相关(P<0.01),而酸性磷酸酶与所有污染物含量相关性不显著。(4)将高效的改良剂与传统的生物滞留填料混合形成四种改良生物滞留填料,通过不同的填料组合(即分层/混合,不同的淹没区高度)构建10座生物滞留中试系统,明确中试尺度下污染物负荷削减率与水文/水力要素之间的相关关系。结果表明:当以粉煤灰(分层/混合)和WTR(分层/混合)为改良剂时,改良填料污染物去除效果高于其它填料(≥68%)。对于BSM+10%WTR生物滞留池,三个淹没区高度下的硝态氮去除率分别为54.0%、59.9%和62.1%,考虑到水量削减状况和前期研究结果,推荐淹没区高度为150 mm。根据中试结果,分别采用蓄水层高度法和完全水量平衡体积削减法设计了简易型和复杂型生物滞留单体设施的规模。(5)基于中试与HYDRUS-1D模型模拟,进行生物滞留设施关键参数敏感性分析,结果表明:入流水量(V)、填料厚度(Hm)、经验参数(n)、饱和含水率(θs)和饱和导水率(Ks)为影响水分运移的敏感性参数,以入流水量(V)、入流浓度(C)、填料厚度(Hm)和填料等温吸附常数(Kd)为影响污染物运移的敏感性参数。通过模型的率定和验证,获得了可靠的生物滞留填料层水力、水质特性参数用于确定生物滞留填料厚度。两年一遇1h降雨量,汇流比20:1情况下,推荐BSM+10%WTR混合填料设计厚度宜≥50cm,BSM+10%粉煤灰混合填料设计厚度宜≥70 cm。(6)设计并建造两座雨水花园系统处理实际屋面径流,填料分别为生物滞留传统填料和BSM+10%WTR。其水量调控效果分别为:38.1～68.6%(中位数=53.4%)、56.5～88.1%(中位数=72.8%),BSM+10%WTR为填料的雨水花园比生物滞留传统填料的雨水花园水量削减率高出约20%。设施运行稳定后,与生物滞留传统填料的雨水花园比较,BSM+10%WTR为填料的雨水花园污染物浓度去除率提高了 6.2%～36.4%,负荷削减率提高了 10.2%～23.3%,且负荷削减率均在84%以上。(7)对四座典型生物滞留设施进行数十场次实际降雨过程监测,与纯种植土为填料的雨水花园相比,混合填料雨水花园和分层填料植生滞留槽通过设置内部储水区,减少汇水面积和增加填料层厚度来改善径流调控效果,中小雨降雨条件下(<25 mm)其水量削减率高于68.2%。纯种植土雨水花园,混合填料雨水花园和分层填料植生滞留槽概率统计结果表明:出水TN浓度超过地表水环境质量标准(GB 3838-2002)IV限值的概率分别为32.7%、42.3%和19.8%;出水TP浓度超越概率分别为18.5%、6.5%和8.9%;出水COD浓度超越概率分别为50.3%、47.4%和39.0%。设施的TN、TP和COD年污染负荷削减率基本上超过60%,但设施在运行初期COD和硝态氮出现较明显的淋溶现象。(8)根据西北地区水文特征,若研究区域对污染物的净化效果没有特殊要求,且土壤入渗性能大于10-6 m/s,填充本地黄土的生物滞留设施可以从源头上有效地调控径流雨水。对于LID设施建设面积有限或径流污染严重的地区,应对低影响开发设施填料或结构参数进行一定的改进。基于年降雨事件中不同降雨量级比例、土地利用类型、年降雨总量控制率和径流污染物负荷削减率,建立了低影响开发设施在区域尺度应用的规模预测方法。以西安市建成区为例(2017年建设用地面积625.3 km2),建筑区域分别使用纯种植土雨水花园和混合填料雨水花园,道路区域采用分层填料植生滞留槽时,到2030年,实现总径流控制率达到85%,污染物负荷削减率达到60%的目标,估算投入的总成本约为360亿元人民币。