（市政工程专业论文）人工降雨模拟地表污染物冲刷规律及初期效应分析.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特n j j n 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：鱼洫日期：k 山6 ，l 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以 将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学 位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：4 要迦导师( 签名) 缓堡垒二：日期坦f 66 场彳 我国地大物博，江河纵横，但水资源时空分布不均，且污染较为严重，严 重制约的国民经济的发展。目前国家正大力开展水体保护和修复，但在人们在 控制了生活和工业的点源污染污染后，城市水环境的质量仍不能得到有效的改 善，这使得人们的关注重点，从原来的点源污染，逐步转移到非点源污染上， 而城市雨水径流污染则是非点源污染的重要来源。 本文结合理论研究和实际城市典型地表类型的要求，选取玻璃、混凝土和 道路砖三种材料，在不同模拟污染物初始量、雨强大小和坡度的条件下研究径 流对污染物的冲刷规律、初期冲刷效果及初雨判据。主要研究结果如下： ( 1 ) 不同地面类型、污染物初始量、雨强大小和坡度条件下，模拟污染物的冲 刷都有着相近的规律，即初期径流中模拟污染物的浓度很高，随着累积降雨量 的增长，模拟污染物浓度逐渐下降直至稳定。模拟污染物中溶解性污染物的冲 刷效果较好，起始浓度大且浓度变化明显，冲刷总量较大；非溶解性污染物的 冲刷效果较差，起始浓度较低且浓度变化较小，冲刷总量较小。对于玻璃面， 溶解性和非溶解性污染物的冲刷系数k 分别为0 4 0 8 和0 1 1 8 ：对于混凝土面， 溶解性和非溶解性污染物的冲刷系数k 分别为0 0 8 2 和0 0 5 7 ：对于道路砖面， 溶解性和非溶解性污染物的冲刷系数k 分别为0 2 7 2 和0 2 6 6 。 ( 2 ) 不同地面类型、污染物初始量、雨强大小和坡度条件下，模拟污染物的冲 刷都有较强的初期冲刷效果。表示初始冲刷效果的系数k n 随着累积径流量的增 加而不断下降。对于玻璃面，约3 0 的径流量分别可冲刷约9 9 的溶解性污染 物排放总量和约4 4 的非溶解性污染物排放总量；对于混凝土面，约3 0 的径 流量分别可冲刷约9 0 的溶解性污染物排放总量和约6 0 的非溶解性污染物排 放总量；对于道路砖面，约3 0 的径流量分别可冲刷约9 0 的溶解性污染物排 放总量和约7 0 的非溶解性污染物排放总量。初雨判据应取3 0 初始径流量。 ( 3 ) 根据试验结果和巢湖市大气降尘的监测结果，可估算出巢湖市年降雨径流 冲刷走c o d c r 、s s 、 i n 、t p 、氨氮的总量分别为8 9 3 6 1 t 、1 8 8 3 4 0 t 、2 2 2 0 9 t 、 0 0 5 3 8 t 、1 4 3 7 6 t ，巢湖市老城区年大气降尘产生c o d c r 、s s 、t n 、t p 、氨氮总 量分别为3 8 2 7 7 7 t 、7 8 0 1 5 2 t 、9 0 0 3 2 t 、0 2 0 9 1 t 、4 2 4 2 2 t ，c o d c ，、s s 、t n 、t p 、 氨氮的径流冲刷率分别为2 3 3 4 、2 4 1 4 、2 4 6 7 、2 5 7 3 、3 3 8 9 。建议就 近利用老城区外围的环城河改造成人工湿地或人工水塘，对老城区的雨水污染 i i a b s t r a c t c h i n ah a sv a s tt e r r i t o r ya n da b u n d a n tr e s o u r c e s ，w i t hl o t so fr i v e r si ni t ，b u tt h e d i s t r i b u t i o no fw a t e rr e s o u r ei nt i m ea n ds p a c ei su n b a l a n c e ，a n dw a t e rp o l l u t i o n s e r i o u s l yh a m p e r dt h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y a tp r e s e n tt h ec o u n t r y a r ev i g o r o u s l yp r o m o t i n gt h ew a t e rp r o t e c t i o na n dr e s t o r a t i o n ，b u ta f t e rc o n t r o l e dt h e p o i n t - p o l l u t i o nw h i c hi sc a u s e db yl i f ea n di n d u s t r y , t h eq u a l i t yo fu r b a nw a t e r e n v i r o n m e n ts t i l lc a l l tb ei m p r o v e de f f e c t i v e l y , t h i sp h e n o m e n o nm a k e sp e o p l e p a y i n gm o r ea t t e n t i o nf r o mt h eo r i g i n a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n , a n dg r a d u a l l y t r a n s f e r r e dt o8 r e a = $ o t r c ep o l l u t i o n ，a n ds t o r mr u n o f fp o l l u t i o ni sa ni m p o r t a n ts o u r c e o f n o n p o i n ts o u i o c ep o l l u t i o n b a s e do nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dt y p i c a lt y p eo fp r a c t i c a lc i t ys u r f a c e ，t h r e e m a t e r i a l s ( g l a s s ，c e m e n ta n dr o a db r i c k ) a r es e l e c t e d ，r e s e a r c h i n gf o rp o l l u t a n t s w a s h o f fr u l e s ，f i r s tf l u s h i n ge f f e c t ，a n dt h ee a r l yr a i nc r i t e r i o nu n d e rt h ed i f f e r e n t c o n d i t i o no fi n i t i a ls i m u l a t i o np o l l u t a n t sq u a n t i t y , r a i n f a l li n t e n s i t ya n dg r a d i e n t t h e m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o no fs u r f a c et y p e ，i n i t i a ls i m u l a t i o np o l l u t a n t sq u a n t i t y , r a i n f a l li n t e n s i t ya n dg r a d i e n t ，s i m u l a t i o np o l l u t a n t sh a v es i m i l a rw a s o f fr u l e s ：i n i t i a l r u n o f fh a sh i g h e rc o n c e n t r a t i o n so fs i m u l a t ep o l l u t a n t s ，a l o n gw i t ht h eg r o w t ho f c u m u l a t i v er a i n f a l l ，sc o n c e n t r a t i o no fs i m u l a t ep o l l u t a n t sd e c r e a s e dg r a d u a l l yu n t i l s t a b i l i t y w a s h o f fe f f e c to fs o l u b i l i z es i m u l a t ep o l l u t a n t s i s b e t t e r , t h e i n i t i a l c o n c e n t r a t i o ni sh i g h e ra n dc o n c e n t r a t i o nc h a n g e ss i g n i f i c a n t l y ，t o t a lw a s h o f f a m o u n ti sb i g g e r f fe f f e c to fi n s o l u b i l i z es i m u l a t ep o l l u t a n t si sp o o r e r , t h e c o n c e n t r a t i o no fi n i t i a lc o n c e n t r a t i o nl o w e r ，c o n c e n t r a t i o nc h a n g e s ，a n dt o t a lw a s h o f f a m o u n ti ss m a l l e r f o rg l a s ss u r f a c e ，s o l u b i l i z ea n dt h ei n s o l u b i l i z es i m u l a t e p o l l u t a n t sc o e f f i c i e n tkc o u l da d o p t0 4 0 8a n d 0 118 ，r e s p e c t i v e l y ；f o rc e m e n ts u r f a c e , s o l u b i l i z ea n dt h ei n s o l u b i l i z es i m u l a t ep o l l u t a n t sc o e f f i c i e n tkc o u l da d o p t0 0 8 2a n d 0 0 5 7 ，r e s p e c t i v e l y ：f o rr o a db r i c ks u r f a c e , s o l u b i l i z ea n dt h ei n s o l u b i l i z es i m u l a t e p o l l u t a n t sc o e f f i c i e n tkc o u l da d o p t0 2 7 2a n do 2 6 6 ，r e s p e c t i v e l y ( 2 ) u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o no fs u r f a c et y p e ，i n i t i a ls i m u l a t i o np o l l u t a n t sq u a n t i t y , r a i n f a l li n t e n s i t ya n dg r a d i e n t ，s i m u l a t i o np o l l u t a n t sh a v es t r o n gf i r s tf l u s h i n ge f f e c t f i r s tf l u s h i n ge f f e c tc o e f f i c i e n tk nc o n t i n u et od r o pa sc u m u l a t i v er u n o f fi n c r e a s e d i i i f o r g l a s ss u r f a c e ，a b o u t3 0 o f r u n o f f w i l lc o n t r o ia b o u t9 0 s o l u b i l i z ep o l l u t a n ta n d 6 0 i n s o l u b i l i z ep o l l u t a n t s ，r e s p e c t i v e l y ；f o rc e m e n ts u r f a c e ，a b o u t3 0 o fr u n o f fw i l l c o n t r o la b o u t9 9 s o l u b i l i z ep o l l u t a n ta n d4 4 i n s o l u b i l i z ep o l l u t a n t s ，r e s p e c t i v e l y ； f o rr o a db r i c ks u r f a c e ，a b o u t3 0 o fr u n o f rw i l lc o n t r o la b o u t9 0 s o l u b i l i z e p o l l u t a n ta n d7 0 i n s o l u b i l i z ep o l l u t a n t s ，r e s p e c t i v e l y ( 3 ) a c c o r d i n g t ot h et e s tr e s u l t sa n dc h a o h ud u s t f a l l m o n i t o r i n gr e s u l t s o f a t m o s p h e r e ，t h ea m o u n to fr a i n f a l lr u n o f fe r o s i o ni nc h a o h uc o d c bs s ，t n ，t p , a m m o n i an i t r o g e nc a nb ee s t i m a t e da s8 9 3 6 1t ，1 8 8 3 4 0t ，2 2 2 0 9t ，0 0 5 3 8t 1 4 3 7 6t ， r e s p e c t i v e l y ；a t m o s p h e r i cd u s ti no l du r b a na r e ao fc h a o h up r o d u c e dc o d c r s s ，t n ， t p ，a m m o n i an i t r o g e na s3 8 2 7 7 7 7 8 0 1 5 2 t ，9 0 0 3 2 t ，0 2 0 9 1 4 2 4 2 2 t ，r e s p e c t i v e l y ；, c o d c r s s ，t n ，t p a m m o n i an i t r o g e nr u n o f fe r o s i o nr a t ea s2 4 1 4 ，2 3 3 4 ， 3 3 8 9 2 4 6 7 ，2 5 7 3 r e s p e c t i v e l y s u g g e s to ft r a n s f o r m e dn e a r b yf i v e ri n t o a r t i f i c i a lw e t l a n do ra r t i f i c i a lp o n d st ot r e a tt h er a i np o l l u t i o n k e yw o r d s ：s t o r m w a t e rr u n o f f ，m o d e le x p e r i m e n t , f i r s tf l u s h ，f i r s tf l u s h c o e f f i c i e n t i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l i 1 问题的提出及研究意义l i 1 1 问题的提出1 1 1 2 研究目的与意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 主要研究内容与技术路线3 1 3 1 主要研究内容3 1 3 2 技术路线4 第2 章非点源污染形成过程5 2 1 城市非点源污染的过程分析5 2 1 1 地表污染物积累过程5 2 1 2 污染物的冲刷迁移模式5 2 2 初始冲刷效应7 2 3 产流量的计算方法8 2 3 1 径流系数法8 2 3 2 蓄满产流法1 0 2 3 3 下渗曲线法。1 0 2 3 4 p 指标法1 0 2 3 5s c s 曲线法1 l 2 4 汇流计算方法1 l 2 4 1 等流时线法l l 2 4 2 推理公式法1 2 2 4 3 雨水管道计算模型( s s c s 0 1 2 第3 章人工降雨模拟降雨径流对污染物的冲刷特性1 3 3 1 试验目的和意义13 3 2 试验方法1 3 3 2 1 试验装置1 3 v 3 5 正交试验结果分析1 8 3 6 玻璃面上污染物的冲刷试验1 9 3 6 1 降雨量与径流量的变化1 9 3 6 2 溶解性污染物的变化l9 3 6 3 非溶解性污染物的变化。2l 3 6 4 地表集流时间的变化2 2 3 7 混凝土面上污染物的冲刷试验2 2 3 7 1 降雨量与径流量的变化2 2 3 7 2 溶解性污染物的变化。2 3 3 7 3 非溶解性污染物的变化。2 4 3 7 4 集流时间的变化2 6 3 8 道路砖上污染物的冲刷试验2 6 3 8 1 降雨量与径流量的关系2 6 3 8 2 溶解性污染物的变化2 6 3 8 2 非溶解性污染物的变化2 8 3 8 3 集流时间的变化。2 9 第4 章人工降雨径流冲刷规律与初始冲刷效应分析3 0 4 1 降雨径流冲刷规律分析3 0 4 1 1 玻璃面上的冲刷规律。3 0 4 1 2 混凝土面上的冲刷规律3 3 4 1 3 道路砖上的冲刷规律3 7 4 2 径流初始冲刷效应分析。4 l 4 2 1 玻璃面k n 值的变化4 2 4 2 2 混凝土面k n 值的变化4 3 4 2 3 道路砖面k n 值的变化4 4 4 3 与其它成果的比较及初雨判据4 6 第5 章巢湖市老城区面源污染控制4 7 5 1 径流量的控制管理4 7 5 1 1 初期雨水弃流与处理。4 7 v i 7 7 7ll_ ， 5 i 2 控制城市地表径流系数4 8 5 2 污染物的削减5 0 5 3 末端治理5 0 5 3 1 人工湿地。5 0 5 3 2 人工水塘。5 0 5 3 3 高效溢流雨水处理工艺5 0 5 4 巢湖市老城区初雨冲刷污染物量测算5 l 5 4 1 巢湖市自然地理概况。5i 5 4 2 巢湖市老城区大气降尘的来源及影响因素5 l 5 4 3 巢湖市老城区降尘监测。5 2 5 4 4 巢湖市老城区集水面积现状5 3 5 4 5 巢湖市老城区污染物冲刷总量计算5 3 5 5 巢湖市老城区初雨污染削减方案。5 4 第6 章结论与展望5 6 6 1 结论5 6 6 2 展望5 6 参考文献5 8 致谢6 2 攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果6 3 附录6 4 附表1 试验1 雨水径流试验数据统计表“ 附表2 试验2 雨水径流试验数据统计表6 6 附表3 试验3 雨水径流试验数据统计表6 8 附表4 试验4 雨水径流试验数据统计表7 0 附表5 试验5 雨水径流试验数据统计表7 2 附表6 试验6 雨水径流试验数据统计表7 4 附表7 试验7 雨水径流试验数据统计表7 6 附表8 试验8 雨水径流试验数据统计表7 8 附表9 试验9 雨水径流试验数据统计表8 0 v i i 自工业革命开始以来，人类的城市化进程逐步加快，生活水平不断提高。 城市化承载了人类文明的繁荣，也带来了对环境的破坏。城市的可持续发展问题 已逐渐被民众所重视，而其中城市的水质污染问题己成为关注的热点。 根据传统水环境污染的发生类型，把污染源分成为点源和非点源。生活和 工业的点源污染在很长一段时间内被人们认定为造成城市水环境质量下降的主 要原因，但现在人们在控制了点源污染的危害后，城市水环境的质量仍不能得到 有效的改善，这使得人们的关注重点，从原来的点源污染，逐步转移到非点源污 染上。 非点源污染是指与大气、水文、土壤、植被、地质、地貌、地形等环境条 件和人类活动密切相关的，可随时随地发生的，直接对大气、土壤、水构成污染 暴雨径流【1 1 ，即通常意义( 狭义) 的非点源污染，是与降水过程伴随进行的地表径 流污染，指在降雨过程中，雨水及所形成的径流流经城市地表，淋溶、冲刷了各 种污染物，随之排入受纳水体，污染地表水或地下水。 1 1 2 研究目的与意义 城市非点源污染发生的时间具有随机性，但是污染较严重。非点源污染不 仅污染城市下游水体，也影响城市供水水源，造成城市及下游地区水体富营养化 和地下水污染、破坏水生生态环境、威胁水生生物的生存，进而破坏城市生态环 境和城市生态系统平衡。美国北卡罗来纳州德兰姆的研究人员发现，该地区来自 城市非点源的污染物总量相当于该地区未经出来污水化学需氧量总量的9 1 ，生 化需氧量总量的6 7 。近年来，我国对滇池、太湖、淮河流域等重大河流湖泊污 染区域的调查研究结果都表明面源污染已经从成为水体污染的重要因素，其中滇 池富营养化问题的研究结果表明工业废水、城市污水及面源的污染分担率分别为 9 、2 4 和6 7 【2 】。赵剑强、孙奇清f 3 】对西安市城市道路路面径流污染情况进行 的调查表明，径流c o d c ，的变化范围为1 4 3 - 6 2 4 m g l ，平均值为3 1 7 m g l ，b o d 5 平均值为5 5 m g l ，均超出污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 规定的二级标 武汉理工大学硕：卜论文 准( c o d e ，1 5 0m g l ，b o d s 3 0 m g l ) ；s s 的变化范围为2 4 2 1 3 0 6 m g l ，平 均值为6 0 2 m g l ，超出污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 - 1 9 9 6 ) 中规定的三级标准 ( s s 、 4 0 0 m g l ) 。城市非点源污染的研究十分重要，其对有效地控制非点源污 染、改善城市水环境质量、保障水资源的有效供给、维持城市生态平衡、促进城 市经济发展、实现城市可持续发展有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外发达国家对雨水径流模型开始于2 0 世纪6 0 年代，但早期的城市雨水 径流污染研究只局限于对现象的因果分析，定量化分析则很少 4 1 。七八十年代后， 许多学者对雨水径流污染特征、影响因素、物理过程进行了初步研究，其中最重 要的成就就是1 9 7 4 年，s a r t o r 和b o y d 研究了污染物在不透水地表的累积速率和 冲刷过程，提出污染物冲刷属于简单的一级动力学反应。该理论被后来的s w m m 和s t o r m 模型采用【5 “】。7 0 年代后期，研究人员开始对污染特征和影响因子 进行研究，建立统计模型，进而建立径流水质水量数学模型定量化评估雨水径流 污染的潜在危害，但非点源污染具有的随机性、非连续性、广泛性、滞后性等特 点，使得它的机理非常复杂，加上地域差别，导致一些描述机理的精细公式和功 能庞大的模型准确度和应用性大大降低【7 】。常用的数字模型有a g n p s 【8 】、 a n s w e r s 模型1 9 、s w a t 模型【、w a s p 4 1 1 1 、城市暴雨管理模型( s w m m ) 1 2 】， 其中城市暴雨管理模型广泛应用于雨水污染负荷的定量计算，并取得了较好的效 果。在这之后，人们对城市雨水径流污染控制方法展开了大量的研究，并提出了 一系列的源、汇和末端控制方法。美国国家环保局( e a p ) 将多种工程、非工程措 施结合起来，提出了最佳管理措施( b e s tm n a g a e m n e tp a r c t c i e ) ，用以削减径流污 染物进入水体。九十年代后，随着测量技术的发展，人们更深入广泛地研究了城 市雨水径流污染，对其各种污染物指标及其变化，颗粒传输特征和初冲效应 ( f i r s tf l u s he e f f e t ) 规律有了新的认识。同时，与面源污染负荷估算相关的流域开 发方向、面源污染管理模型和风险评价成为本时期应用模型研究的最新突破点。 随着计算机技术飞速发展和3 s 技术及g i s 、a r c i n f o 等技术的应用，为城市 面源污染的研究提供了很大的方便。很多功能超大的流域模型被开发出来，这些 模型不再是单纯的数学运算程序，而是具有空间信息处理、数据库技术、数学计 算、可视化表达等功能的大型专业软件。 2 武汉理工大学硕：f = 论文 1 2 2 国内研究现状 国内对于非点源污染的研究，主要是针对农村耕作区水土流失等方面的非 点源污染问题，对城市雨水径流污染的研究起步比较晚，从八十年代北京城市径 流污染研究开始，其后，分别在上海、南京、苏州、成都、杭州等市开展了这方 面的工作。西安市对雨天路面径流排水进行连续取样监测，分析了城市道路路面 径流污染的强度、特性，为面源污染的研究治理提供了基础性资料【l3 。为了解决 南京市城北地区排水排污管道的需要，南京市对该地区的暴雨径流非点源污染进 行了研究，并建立了暴雨径流污染的概化模型和统计型相关模型【1 4 1 。吴慧芳，陈 卫等人的研究表明：城市径流中的污染物主要来自降水、地表和下水道系统，其 中地表径流是径流污染物的主要组成部分【l 5 1 。 九十年代以后，我国城市径流污染研究开始活跃，建立了许多计算径流污 染负荷的模型，有通过实测资料或统计分析方法建立的基于污染负荷与径流量之 间的线性和非线性关系的黑箱模型【l 引，有基于负荷发生的运动机理的概念模 型，有基于水力学基础的运动波模型9 j 等。 1 3 主要研究内容与技术路线 1 3 1 主要研究内容 本文以研究径流量和径流水质的计算模型为目的，结合国家水体污染治理 专项子课题“巢湖中心城区排水系统的性能诊断及截流倍数优选 的研究，分析 不同雨强，不同污染物起始总量的条件下，不同下垫面种类、坡度、径流量与径 流水质的关系。具体内容如下： 不同下垫面产流、汇流计算方法、污染物冲刷规律的选取 总结分析以上所列举的产流、汇流计算方法，综合本试验的实际情况， 本论文采用径流系数法进行产流计算，等时流线法进行汇流计算，s a r t o r 和b o y d 模型进行污染物冲刷规律的计算，g e i g e r 的定义进行初始冲刷分析。 利用人工模拟降雨对模型参数进行确定 采用人工降雨模拟在不同雨强、污染物初始量、下垫面类型和坡度的条件 下，径流量和污染物浓度变化规律，代入各计算方法中以确定各方程的参数。 对径流初始效应进行分析比较，建立初雨的判据 分析总结前人对径流初始效应的结论，结合本试验的结果，径流初始效应 进行分析和比较，并建立初雨的判据。 对巢湖市老城区径流年污染排放量进行估算，并提出径流治理方案。 3 武汉理工人学硕士论文 1 3 2 技术路线 本项目以研究分析地表污染物的冲刷规律为主要目标，研究技术路线和方 法如下： ( 1 ) 查阅国内外关于降雨冲刷规律研究的相关资料，结合实际情况，确定 污染物的种类及初始质量，降雨器参数，下垫面的种类和参数及试验思路： ( 2 ) 进行人工模拟降雨试验，对水质水量结果进行分析： ( 3 ) 将得到的冲刷模型与其他研究得出的模型进行比较，分析雨水径流特 别是初期雨水径流水质变化特征，建立初雨的判据。 ( 4 ) 对巢湖市老城区径流年污染排放量进行估算，并提出径流治理方案。 4 径流污染物的主要来源。地表沉积物包含有许多物质，其组成和含量受土地利用 状况、大气沉降、气象条件等因素的影响 2 0 1 。 国外学者v a z e 研究表明当降雨量大于7 m m h 和风力大于2 1 k m h 时，地 表灰尘较容易被清除，灰尘颗粒物粒径会随着晴天积累天数的增多而增大，降雨 类型对灰尘颗粒物的积累则有双重影响，强度大历时长的降雨会带走灰尘颗粒 物，而在强度较小，历时较长的降雨事件过后，地表灰尘量反而会表现出一定程 度的增大。清扫过程有时会把粒径较小的颗粒物移起，却没有完全去除，让这一 部分小粒径颗粒物很容易被下一场降雨径流所带走1 2 0 1 。大于2 m m 的地表物占总 量的2 5 左右，小于2 m m ( 大于1 2 0 目) 的地表物占总量的7 5 左右；介于 2 0 目至8 0 目的地表物占总量的5 0 左右。大于2 m m 的地表物绝大部分由市容 环卫部门清扫掉，而粒径小于8 0 目的细小颗粒由于交通和人为其他活动而扬起 或带走【2 l 】。 很多研究表明，地表污染物的积累过程是以无雨期为参数的幂函数，指数 函数或者其他形式函数。地表污染物的积累系数与无雨期是呈一级反应关系，并 随着无雨期的增长而趋近于一个上限值。y u a ny 等【2 2 】研究得到预测高速路上典 型重金属分布的指数模型；b a l l 等【2 3 】得出适用与悉尼街道颗粒物累积的双曲线模 型。施为光【2 4 1 研究了成都市区7 4 k m 2 范围内地表物的累积规律和污染特征，建 立地表污染物边坎累积模型并计算了不同功能区街道典型地表物的累积量；朱继 业等 2 5 】对该模型进行了修正；张伟等人f 2 6 】通过湖南城市的径流污染研究得出了 污染物累积的经验值。 2 1 2 污染物的冲刷迁移模式 污染物的冲刷迁移一般采用s a r t o r 和b o y d 模型。该模型认为某一时间段 5 武汉理工大学硕：e 论文 内的径流污染负荷与该时间段内的径流强度成线性反比，初始污染物质量成线性 正比，即有： d p ：一向汐 d t 1 ( 2 1 ) k ：冲洗系数( m m o ) ； ，：径流强度( m m h ) ： p ：初始污染物质量( k g ) ； t ：时间( ”。 积分可得： = e o e 一蛾 ( 2 2 ) 冠：t 时间内累积径流深( 衄) ； 忍：为暴雨开始时地表污染物量( k g ) ； ：暴雨径流开始t 时后流域上残留的污染负荷( k 曲； 如假设流域面积为a ，则径流过程中污染物浓度c 可由下式计算： e ：一堡：一土堡：堡g 一蝇 。 织彳犯 a ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 表明在整个暴雨径流过程中，径流雨水中污染物浓度与累计径流量 呈指数关系，式( 2 3 ) 也可写成： q=coe嗽(2-4) 式中：c o 为径流开始时雨水中污染物浓度( m g l ) 。 径流开始时雨水中污染物浓度和开始时污染负荷间存在如下关系式： c o - p 4 0 k 或p 。= 争 ( 2 5 ) 地表污染物的冲刷过程与污染物性质和地表特性有关。在铺砌地面上，冲 刷过程首先开始于可溶性污染物，其在降雨初期即被溶解，并随着地表径流的 形成和流动不断被带走。非溶解性污染物的冲刷规律则不同，只有在表径流流速 达到颗粒的启动速度后，非溶解性污染物才会被径流冲走。粒径较小的颗粒以悬 移质的方式运动，粒径较大的颗粒以推移质的方式运动，粒径处于两者之间的颗 粒则跳跃式运动。在透水面上，有些污染物吸附于表层颗粒，当雨强超过土壤下 渗能力而形成地表径流时被带走，而另一部分可能随渗流进入地下水。 通常情况下，降雨量小于5m m 时，降雨几乎完全损耗在蒸发、植物吸收 和地面填洼上；降水量为5 1 0t o n i 时才可形成较明显的径流；一次性降水达 2 0 - - 2 5m l n 则可完全将街道地表污染物冲刷干净。国外也因此将累计降水量为 2 5m i n 左右的降水定义为一次典型降雨。通常在一次典型降水4 8h 后，街道地 表污染物总量基本可恢复到初始状况。 6 武汉理- t 大学硕士论文 2 2 初始冲刷效应 对初期效应现象的初步认识主要基于观察径流中污染物浓度随降雨历时及 降雨量的变化过程。如果径流污染物浓度存在初期峰值便认为存在初期效应。这 种判定方法没有定量的概念1 2 。 在通常情况下，在整个径流过程中污染物浓度最高的时刻发生在降雨初期， 这种现象被称为初始冲刷效应( f i r s tf l u s he f f e c t ) 。国外已经开展了定量化表示初 始冲刷的大量研究，多数研究是采用g e i g e r 的定义【2 引，以污染物的累积污染负 荷与累积径流量的相关性为基础，以两者所形成无量纲累积曲线的离散来确定是 否发生了初始冲刷。 永 瓣 j j 山 框 堪 嘴 碴 s 球 赆 02 0406 0 8010 0 积累径流量比率 图2 - 1 初始冲刷过程线 如图( 2 1 ) 所示4 5 。线称为平衡线，表示在整个降雨径流过程中单位径流 量冲刷走的污染物质量恒定。而初始冲刷系数k n 则可以用来量化初始冲刷的程 度【2 9 1 。其计算公式如下： i c ( t ) q ( t ) d t q 毛= 1 l q ( t ) d t i y ( 2 6 ) 式中： n ：径流百分比； 肘：污染物总量( k 曲； 7 武汉理工大学硕： ：论文 y ：径流总量( m 3 ) ； c ( f ) ：随时间变化的污染物浓度( m g l ) ； g ( f ) ：随时间变化的径流流量( m g l ) ； 丁：降雨历时( 分钟) 由定义可知，当径流开始时，l ( 0 的值等于o ；当径流结束时，k 1 0 0 的值等 于1 0 。径流过程当中的k n 值大于l 即表示发生初始冲刷。例如，k 2 0 等于4 即 表示初期2 0 的径流量携带走的污染物达到8 0 。k n 值常用于定量描述初始冲 刷的大小，并用来说明初始冲刷的过程。 各国研究人员也针对初期冲刷进行了相关研究。在已有的相关研究中，d b r e t tm a r t i n t s o n 等人建立了面积为0 5m j 的人工屋面，研究人工屋面上典型污染 物的冲刷过程，并提出每收集并处理l m m 的降雨量则污染物负荷就会减少 5 0 t 3 0 1 ，实际弃流量应根据需控制的污染物负荷确定；美国德克萨斯州奥斯汀 市的研究结果表明【3 ，屋面雨水弃流o 4 o 8 m m 可极大的控制污染物的排放量。 车伍等对北京城区各种功能区地表污染物冲刷过程进行了研究，推荐初期弃流量 的值为：屋面为1 - 一3n l l n ，住宅小区为4 - - 5 m m ，市区路面为6 - - 8m m 【3 引。根据 北京市大量实测数据计算分析，控制屋面初期1 一- - 3 m m 的降雨可控制整场雨面污 染负荷的约6 0 以上，控制量超过3 m m ，效果增加很少。而控制路面初期6 8 m m 左右降雨也可控制约6 0 - 8 0 的污染量，超过1 0m l n 可增加的控制量也 很少。 2 3 产流量的计算方法 降雨落在流域面积内，扣除流域中植物截留、填洼、土壤下渗、蒸发等损失 之后形成净雨，即在流域面积上产生的径流。净雨量也可称之为产流量，净雨量 的计算称之为产流计算3 3 1 。 城市产流计算方法有多种，其中常用的有径流系数法、蓄满产流法、下渗曲 线法、切指标法、s c s 法等等。 2 3 1 径流系数法 径流系数法是最简单也最常用的产流计算方法。该法是将雨强扣除初损后乘 以径流系数从而得出产流量。径流系数法包括综合径流系数法和变径流系数法两 种。 8 武汉理工人学硕士论文 2 3 1 1 综合径流系数法 城市的地面是由各种透水面以及不透水面综合组