随着我国工业快速发展,城市工业聚集区的面源污染日趋严重,导致受纳水体水质不断恶化,环境和景观功能逐渐丧失。目前国内外对于工业聚集区的面源污染特征及其控制机理的研究相对较少,发展中国家快速城市化过程所形成的工业聚集区,更具有特殊的经济结构和显著的地域特征,对这类工业聚集区研究的薄弱已严重阻碍了城市水体环境质量和景观功能的改善,影响了我国经济的可持续发展。本论文选取东莞市同沙水库集水区为工业聚集区的典型代表,对其面源污染特征及人工湿地控制机理进行了系统的探讨。研究在对集水区降雨径流水质、水量以及降雨特征监测的基础上,探讨了不同功能区面源污染特征以及降雨和集水区参数的影响。采用M(V)、MFFn和b参数等定性和定量模型相结合的方法,探究了工业聚集区面源污染输出特征及其初始冲刷效应。采用FFn、PCA、多元线性回归等模型分析了工业聚集区初期雨水污染负荷分配规律及其主要影响因素,并探讨了初期雨水截流标准。依据工业聚集区面源污染特征,采用复合折流(IBSSF)和水平潜流(HSSF)两种构型湿地进行模拟净化研究,分析了不同构型湿地对径流污染物的净化规律及影响因素,探讨了不同构型人工湿地在处理工业聚集区面源污染时微生物种群的变化特征及其与污染物迁移转化的耦合关系;以期为工业聚集区面源污染控制和管理工作提供理论基础。论文取得主要研究成果如下:(1)对工业聚集区污染特征研究表明,该工业聚集区内商住混合区COD、TSS、TN、TP和NH4+-N等常规污染物EMC均值分别达到302.81 mg/L、367.19 mg/L、16.69mg/L、3.17 mg/L、5.52 mg/L,EPL分别达到了57.13 kg/hm2、67.33 kg/hm2、2.95 kg/hm2、0.63 kg/hm2、1.14 kg/hm2,是该工业聚集区常规污染物的主要来源;工业区的PAHs和Fe、Zn、Pb、Cu等重金属EMC分别达到了8.59μg/L、4.27 mg/L、3.5 mg/L、0.58 mg/L、0.31 mg/L;商住混合区的PAHs和Pb的EMC值分别达到了5.96μg/L和0.28 mg/L,生态停车场PAHs达到了1.32μg/L;工业区是该工业聚集区PAHs和重金属的主要来源,但整个区域PAHs和重金属的污染比较严重。各功能区污染物排放的主要影响因素不同,商住混合区主要是降雨量(RD)、平均雨强(I)、最大雨强(Imax5)和雨前干期长度(ADD);工业区是I、Imax5和ADD;生态停车场只有Imax5和ADD。总体来说降雨强度越大、雨前干期越长,该工业聚集区面源污染也越严重。(2)对工业聚集区初始冲刷研究表明,采用无量纲累积M(V)曲线和MFFn比率曲线结合b参数模型定量和定性相结合的分析方法,可以较好的识别工业聚集区不同功能区初始冲刷的强度差异;相比较M(V)曲线,MFFn对初始冲刷强度识别结果可以有效地消除直观微小差别造成的图形识别误差,结果更有效;b参数对初始冲刷强度的定量分析结果与MFFn曲线分析结论一致,但无法反应初始冲刷的中间变化过程。研究发现该工业聚集区各土地利用类型初始冲刷强度分别是工业区>商住混合区>生态停车场;区域内最大雨强和降雨量越大,初始冲刷效应越明显;不可渗透地面是低雨强降雨事件的主要污染源,而在高雨强降雨事件中可透性地面也是主要污染源之一。(3)对初期雨水污染负荷特征研究表明,工业聚集区初期雨水污染负荷排放与初始冲刷效应一致,每10%的累积径流输出的累积污染负荷随着累积流量增加而减小;采用FFn法对工业聚集区初期雨水污染负荷的分布特征进行分析,得出该区域TSS、COD、TN和TP等四个指标的FF40的平均值分别是55%、53%、58%和61%,对工业聚集区初期雨水截流探讨认为FF40是同沙水库集水区初期雨水径流截流参考最低标准;通过相关性、PCA和多元线性回归等方法分析,发现初期雨水污染负荷主要影响要素是雨前干期长度(ADD)、平均雨强(I)和降雨量(RD)。(4)对不同构型湿地污染物去除规律及影响因素研究表明,复合折流湿地床体上层和底层DO和p H值变化差异比水平潜流要小,床体特征更适宜好氧微生物生长,种植植物后更快运行稳定,对污染负荷的适应范围也更大。稳定运行后两个湿地系统对工业聚集区面源污染净化效良好,复合折流比水平潜流湿地对COD、TN、NH4+-N和菲平均处理效率更高,分别高出4.55%、6.36%、15.42%和2.52%;两个湿地对TP和重金属的去除效率差异不大。COD、TP及菲的去除在两个湿地床体前1/4段已基本完成;TN和NH4+-N在湿地床体前1/2段的去除量均达到总去除量的81%。床体上层是污染物去除的主体部分,复合折流比水平潜流湿地在床体底层去除效率更高。(5)对不同构型湿地基质酶活性研究表明,两个湿地不同床体位点脱氢酶(Dehydrogenase,DHA)、过氧化氢酶(Catalase,CAT)酶活的季度变化趋势相似。多酚氧化酶(Polyphenol Oxidase,PPO)活性因PAHs的存在和降解而增强,其酶活在床体前1/4段较高,后3/4段沿程差异不明显。硝酸盐还原酶(Nitrate Reductase,NR)活性与NO3--N浓度显著正相关(p<0.01)。DHA和CAT在复合折流湿地比在水平潜流湿地中床体上层的底层差异要小,在复合折流湿地中DHA和CAT与COD、TN、TP去除负荷的相关性更显著。(6)对不同构型湿地微生物群落结构研究显示,复合折流和水平潜流两个湿地系统微生物群落结构复杂,菌群特征随季节和床体空间表现出近似的变化规律;复合折流和水平潜流湿地夏季香农指数分别比冬季高0.224和0.383,湿地夏季微生物多样性明显高于冬季;夏季两个湿地香农指数基本一致,在冬季复合折流湿地要高出0.188,复合折流湿地微生物多样性季节变化相对较小。在两个湿地床体内,在夏季复合折流和水平潜流湿地上层比底层香农指数分别大0.09和0.123,冬季分别大0.124和0.225,两个湿地在夏季床体微生物多样性分布比冬季更加均匀,复合折流比水平潜流湿地床体多样性分布更加均匀。生物多样性指数的空间差异性与污染物去除效能的空间分布规律相吻合,污染物去除效能与微生物多样性存在正相关关系。切胶测序发现两个湿地系统中优势条带主要集中在变形菌门Proteobacteria sp.(32%)和拟杆菌门Bacteroidetes sp.(29%),检测出了与脱氮、菲的降解有关菌株。