1緒論1

1.1“海綿城市”的內涵1

1.2雨水徑流與低影響開發措施2

1.3海綿城市的發展現狀6

1.3.1國外城市道路內低影響開發設施研究現狀6

1.3.2國外城市開放空間內低影響開發設施研究現狀9

1.3.3國內城市道路內低影響開發設施研究現狀10

1.3.4城市徑流雨水中DOM及其與污染物相互作用研究現狀12

參考文獻14



2城市道路與開放空間低影響開發設施17

2.1城市道路低影響開發設施18

2.1.1植草溝18

2.1.2滲透鋪裝19

2.1.3生態樹池20

2.2城市開放空間低影響開發設施20

2.2.1綠色屋頂20

2.2.2生物滯留池21

2.2.3雨水花園22

2.2.4生態護坡23

2.2.5土壤滲濾繫統23

2.3低影響開發設施對溶解性有機質的影響及其與共存物質的相互作用24

2.4共存物質與溶解性有機質在低影響開發設施中的相互作用24

參考文獻25



3城市地表徑流有機質季節分布特征研究29

3.1特征區域選取29

3.2不同季節地表徑流基本理化性質30

3.2.1不同季節地表徑流中溶解性有機碳的空間分布變化30

3.2.2地表徑流中NH3-N、TP、pH和濁度空間分布情況34

3.3不同季節地表徑流中DOM特征解析35

3.3.1徑流雨水中溶解性有機質的紫外吸收曲線35

3.3.2徑流雨水中溶解性有機質的紫外吸收參數特征37

3.3.3徑流雨水中溶解性有機質的三維熒光光譜參數特征39

3.3.4不同季節地表徑流中溶解性有機質的種類41

3.3.5統計學分析——主成分分析43

3.4本章小結45

參考文獻46



4綠色屋頂對城市徑流中溶解性有機質與重金屬相互作用機制的影響48

4.1綠色屋頂結構48

4.2雨水水樣的采集50

4.2.1水量滯留效果51

4.2.2水質淨化效果51

4.2.3熒光分析52

4.2.4PARAFAC分析法52

4.3結果與分析53

4.3.1綠色屋頂對徑流水量的影響53

4.3.2綠色屋頂對雨水徑流水質淨化效果54

4.3.3綠色屋頂中溶解性有機質光學特征分析58

4.3.4統計學分析——平行因子分析63

4.3.5統計學分析——主成分分析64

4.3.6綠色屋頂中溶解性有機質與重金屬相互作用機理分析66

4.4本章小結79

參考文獻80



5植草溝對城市徑流中溶解性有機質與重金屬相互作用機制的影響83

5.1植草溝結構83

5.2結果與分析85

5.2.1植草溝對路面徑流的淨化85

5.2.2植草溝中溶解性有機質的光學特征分析87

5.2.3統計學分析——平行因子分析90

5.2.4統計學分析——主成分分析92

5.2.5重金屬對植草溝中溶解性有機質干擾分析94

5.3本章小結99

參考文獻100



6生態護坡對城市徑流中溶解性有機質與重金屬相互作用機制的影響102

6.1生態護坡結構102

6.2生態護坡中溶解性有機質與重金屬間的相互作用105

6.2.1生態護坡中溶解性有機質光學特征分析105

6.2.2統計學分析——平行因子分析109

6.2.3生態護坡中溶解性有機質與重金屬相互作用機理分析111

6.2.4重金屬對生態護坡中溶解性有機質干擾分析114

6.3本章小結126

參考文獻127



7不同功能區對城市徑流中溶解性有機質與重金屬相互作用機制的影響130

7.1徑流雨水中重金屬特性130

7.2不同功能區地表徑流中溶解性有機質通過植草溝後的光譜特性變化133

7.2.1特征區域選取133

7.2.2植草溝結構133

7.2.3植草溝中溶解性有機質的光學特征分析134

7.2.4統計學分析——主成分分析141

7.3不同功能區地表徑流中DOM通過生態混凝土駁岸後的光譜特性變化143

7.3.1生態混凝土駁岸結構143

7.3.2生態混凝土駁岸中溶解性有機質的光學特征分析143

7.4不同功能區溶解性有機質與重金屬的相互作用機理149

7.4.1光譜學分析149

7.4.2統計學分析——平行因子分析156

7.4.3溶解性有機質各組分與重金屬相互作用機理分析158

7.4.4重金屬對不同功能區溶解性有機質干擾分析163

7.5同一功能區不同下墊面徑流雨水與重金屬的相互作用165

7.5.1不同下墊面溶解性有機質平行因子熒光組分特征分析166

7.5.2不同下墊面徑流雨水中溶解性有機質與重金屬熒光淬滅曲線167

7.6本章小結170

參考文獻172



8植草溝對城市徑流中溶解性有機質與新型污染物相互作用機制的影響177

8.1植草溝與新型污染物模擬試驗裝置設計177

8.2GS的水質淨化效果179

8.3徑流雨水中溶解性有機質的光學特征分析179

8.4徑流雨水中溶解性有機質的EEMs-PARAFAC分析180

8.5徑流雨水中溶解性有機質與卡馬西平配合的光譜學分析182

8.5.1紫外-可見光光譜分析182

8.5.2同步光譜分析182

8.6徑流雨水中溶解性有機質與卡馬西平配合的二維光譜分析184

8.7徑流雨水中溶解性有機質與卡馬西平的熒光淬滅分析187

8.8本章小結190

參考文獻191



9土壤滲濾繫統對城市徑流中溶解性有機質與重金屬相互作用機制的影響193

9.1土壤滲濾裝置結構193

9.2結果與分析194

9.2.1水質淨化效果194

9.2.2紫外吸光光譜196

9.2.3熒光光譜197

9.2.4重金屬對土壤滲濾中溶解性有機質干擾分析199

9.3本章小結203

參考文獻203



10結論205

海綿城市指的是城市像海綿一樣，在適應環境變化和自然災害時具有良好的彈性，下雨時吸水、蓄水、滲水、淨水，需要時將儲存的水釋放出來並加以利用。海綿城市的建設基於對城市原有生態繫統的保護，是解決我國城市雨水問題的重要途徑。雨水中重要的物質是溶解性有機物（DOM），它在城市生態環境中起著關鍵作用。然而雨水中的DOM在海綿城市的低影響開發設施中通常會發生結構特征的演化，並且可以與水中的其他典型污染物及新型污染物相互作用，進一步影響其在城市水環境中的遷移轉化。我們借助這本書，總結歸納了DOM在一些典型的低影響開發設施中的行為及其對其他污染物的影響，將其奉獻給環境保護領域的同行，也希望給城市管理者、學者、研究人員一個有價值的參考。

通常來說，科研人員獲得的各種水樣品的水質都是通過物理、化學、微生物學的方法進行測定評估的，但是測定的數據大多傾向於生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）、化學需氧量（Chemical Qxygen Demand，COD）、總有機碳（Total Organic Carbon，TOC）這些數據。這些常規的水質分析指標的檢測昂貴、費時、誤差大，而且測試結果僅僅為測定時刻的數值，想獲得一個長期的實時數據是不太可能的。熒光光譜分析具備在分析之前不需要進行分離和富集等預處理，測試更加靈敏、快速，不破壞樣品、需要極少量樣品即可測量等多種優點，可以提供DOM的來源與組成信息，已經被廣泛應用於表征天然水環境中DOM的特征。使用三維熒光光譜來檢測不同水環境樣品中的DOM組成，一般可以檢測出包括類腐殖酸熒光、類富裡酸熒光和類蛋白熒光的熒光物質。這些熒光峰強度主要與有機質濃度有關繫，同時還受pH和重金屬離子的相互作用等因素影響。近幾年來，隨著技術越來越成熟，熒光光譜分析已經被廣泛應用於檢測分析河湖水、海洋水等天然水繫統中的有機物，同時，它還被用來檢測河流中有機質和石油類污染物，評估飲用水處理的過程，檢測未經處理的生活污水、垃圾滲濾液和排入自然水體中的工農業廢水或者檢測殺蟲劑、融雪劑等有機質。分析檢測各類水繫統中DOM常用的熒光光譜有三維熒光光譜（EEMs）和同步熒光光譜，EEMs是一類表達熒光強弱的等高線圖，這種圖是在一個區間範圍內的發射波長掃描一組重復的激發波長；同步熒光光譜是在固定波長間隔的條件下，同時掃描激發和發射光。平行因子分析（PARAFAC）是一種數學三維線性模型的方法，可以將EEMs圖譜分解成化學成分上有意義的組分，更加深入地研究DOM的組成成分。PARAFAC在缺失有關激發發射光譜的假設情況下，可以從EEMs數據集中提取不同熒光組分的小殘差，將不同的熒光峰分離出來。二維相關光譜（2D-COS）可以通過沿著第二維度和提供關於結構變化的相關順序與相對方向而延伸光譜，用來分析解決熒光光譜重疊峰的問題。因此，二維相關光譜近來被用於研究一些相關物質的相互作用機制。

DOM普遍存在於水和土壤環境中，且有許多不同的化學官能團，溶解性有機物是已知的可以與重金屬形成強烈復合物的一類物質，同時還可以影響多種重金屬的分布、毒性、生物有效性及其在環境中的終歸宿。重金屬污染對於生態繫統和人類的安全的影響已經日益成為一個全球性的問題，之前的科學研究已經發現在水環境中DOM對多種重金屬的終走向和生物地球化學循環起決定性作用。

本書裡，我們著重介紹了三種不同的LID設施：綠色屋頂、生態護坡和植草溝對DOM的結構特征演化影響與不同功能區的徑流雨水中DOM的分布特征。我們還對DOM與重金屬及個人護理產品（PPCPs）的配合特征進行了一繫列詳細的分析。此外，本書還提供了我們對於城市LID設施對DOM及其他污染物的遷移轉化影響的預測，希望能給讀者帶來不一樣的啟發。

本書編寫團隊從事海綿城市徑流雨水污染研究10年以上，獲得國家水體污染控制與治理科技重大專項課題（2017ZX07206-003、2018ZX0711005）、國家自然科學基金（51209003、51578037）、廣西重大科技專項課題（51578037）、北京建築大學市屬高校基本科研業務費專項資金（X18288、X18289）等項目資助。編寫團隊總結多項研究成果終完成此書。本書研究成果的試驗總體設計與內容撰寫由袁鼕海負責。第1章介紹了海綿城市的內涵及發展現狀，並概述了雨水徑流與LID設施，由袁鼕海、單保慶、昌建華、王京剛參與組織編寫；第2章分別對城市道路LID設施植草溝、滲透鋪裝、生態樹池及城市開放空間LID設施綠色屋頂、生物滯留池、雨水花園及生態護坡進行了詳細描述，並對可以與有機質相互作用的共存物質進行闡述，由袁鼕海、何連生、薛曉飛、李俊奇參與組織編寫；第3章城市不同季節地表徑流中溶解性有機質的特征變化主要由袁鼕海、曾鴻鵠負責試驗和分析；第4章綠色屋頂對溶解性有機質與重金屬的結合影響為袁鼕海、劉鈺欽、夏瑞進行的試驗分析內容；第5章植草溝對溶解性有機質與重金屬的結合影響由劉鈺欽完成試驗分析內容；第6章生態護坡對溶解性有機質與重金屬的結合影響則是袁鼕海、崔駿所進行的試驗研究分析成果；第7章不同功能區對溶解性有機質與重金屬的結合影響由袁鼕海、王昊天具體進行試驗研究分析；第8章植草溝對溶解性有機質與卡馬西平的結合影響是袁鼕海、安燁辰進行試驗分析的結果，他們將辛苦與汗水傾注到了此書的每一個字與句中。希望能通過本書分享我們對於有機質的理解和展望，並為此感到由衷的驕傲與自豪，如果我們所付諸的努力可以得到讀者的認同與理解，那我們所做的一切都是值得的。

後感謝為本書能夠得以出版付出了巨大努力與智慧的崔駿、王昊天、周強、安燁辰表示衷心的祝福與感謝，謝謝你們所做的一切。

鋻於時間與作者水平所限，書中疏漏之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正。



作者

2019年7月

海綿城市指的是城市像海綿一樣，在適應環境變化和自然災害時具有良好的彈性，下雨時具備吸水、蓄水、滲水、淨水功能，需要時將儲存的水釋放出來並加以利用。海綿城市是基於對城市原有生態繫統保護、解決我國城市雨水問題的重要途徑。雨水中DOM的結構特征在LID設施中通常會發生結構特征的演化，並與共存物質相互作用，從而影響LID設施對污染物的去除效果。因此，本書總結歸納了DOM在一些典型LID設施中的行為及其對污染物去除效果的影響，將其奉獻給環境保護領域的同行們，也希望給其他的城市管理者、學者、研究人員提供有價值的參考。

熒光光譜分析具備在分析前不需要進行分離和富集等預處理、測試更加靈敏、快速、不破壞樣品等多種優點，成為表征天然水環境中DOM特征的重要手段。三維熒光光譜可以檢測出包括類腐殖酸熒光、類富裡酸熒光和類蛋白熒光等熒光組分。這些熒光峰強度與有機質濃度關繫密切，同時還受pH和共存物質濃度等因素的干擾。近年來，隨著三維熒光技術的發展，已經被廣泛應用於檢測分析河湖水、海洋水等天然水繫統水中的有機物，同時，它還被用來檢測河流中有機質和石油類污染，評估飲用水處理的過程，未經處理的生活污水、垃圾滲濾液和排入自然水體中的工農業廢水或者檢測殺蟲劑、融雪劑等有機質。在分析檢測各類水環境中DOM常用的熒光光譜有三維熒光光譜（EEMs）和同步熒光光譜，EEMs是一類表達熒光強弱的等高線圖，這種圖是在一個區間範圍內的發射波長掃描一組重復的激發波長；同步熒光光譜是在固定波長間隔的條件下，同時掃描激發和發射光。PARAFAC是一種數學三維線性模型的方法，可以將EEMs圖譜分解成化學成分上有意義的組分，更加深入研究DOM的組成成分。PARAFAC在缺失有關激發發射光譜的假設情況下，可以從EEMs數據集中提取不同熒光組分的小殘差，將不同的熒光峰分離出來。二維相關光譜（2D-COS）可以通過沿著第二維度和提供關於結構變化的相關順序和相對方向而延伸光譜，用來分析解決熒光光譜重疊峰的問題。

本書中，我們著重介紹了四種不同的LID設施：綠色屋頂、生態護坡、土壤滲濾裝置以及植草溝對DOM的結構特征演化影響和不同功能區的徑流雨水中DOM的分布特征。並對DOM與重金屬及PPCPs的絡合特征進行詳細分析。此外，本書提供了關於LID設施對DOM及其他污染物的遷移轉化影響的預測，希望能給讀者一些不一樣的啟發。

本書編寫團隊從事海綿城市徑流雨水污染研究十年以上，總結多人研究成果終完成此書。本書章介紹了海綿城市的內涵及發展現狀，並概述了雨水徑流與LID設施；第二章分別對城市道路LID設施植草溝、滲透鋪裝、生態樹池及城市開放空間LID設施綠色屋頂、生物滯留池、雨水花園及生態護坡進行了詳細的描述並對可以與DOM相互作用的共存物質進行闡明；第三章城市不同季節地表徑流中溶解性有機質的特征變化部分主要由研究負責實驗和分析，第四章綠色屋頂對溶解性有機質與重金屬的結合影響為研究生劉鈺欽所進行的實驗分析內容，第五章植草溝對溶解性有機質與重金屬的結合影響也是劉鈺欽所完成的實驗分析內容，第六章生態護坡對溶解性有機質與重金屬的結合影響則是博士生崔駿所進行的實驗研究分析成果，第七章不同功能區對溶解性有機質與重金屬的結合影響為研究生王昊天的實驗研究分析進展，後的第八章植草溝對溶解性有機質與卡馬西平的結合影響則主要為研究生安燁辰進行的試驗分析結果。