（环境工程专业论文）上海市城区地表径流污染特性调查与研究.pdf

摘要 摘要 随着上海城区点源污染逐步得到控制，非点源污染对城市水体的危害日益 受到关注，降雨径流携带的污染物已成为城市水体的重要污染源。 掌握城市地面径流污染的特性是开展城市面源污染控制的基础。论文于 2 0 0 3 2 0 0 5 年连续3 年的雨季对上海市城区地表径流进行了采样与分析。实验前 期选择了非渗透性地面1 9 个雨水口作为监测点，共获得2 2 次降雨事件的5 6 组 径流水质过程线以及相关的降雨特征数据；实验后期选择了两个小区出流口作 为监测点，共获得5 次降雨事件5 组小区径流出流水质和水量过程线。监测的 污染物指标有s s 、c o d 、b o d 5 、n h 3 n 、t p 和t n 。在上述工作基础上，分析 了径流污染物浓度的变化规律与降雨特性、用地类型等主要影响因素之间的关 系。使用瞬时单位线法模拟雨水口径流量变化过程，并且通过实测值予以验证， 得到比较满意结果。以此为基础计算和统计了地表径流水质的事件平均浓度， 结果表明径流水质浓度基本符合对数正态分布规律。分析表明雨水口径流存在 较明显的初期效应，并且证明其程度主要受降雨量的影响。使用聚类分析的方 法按照径流水质浓度值将采样点分为高、中、低3 种不同的地表污染状况，并 且给出了3 类地表径流水质浓度的最大值、最小值、均值、中值及变差系数等 统计值。对上海市城区径流污染负荷进行了估算。调查结果表明上海城区径流 污染程度相当严重，各种污染物浓度大大高于西方国家的调查结果，仅有个别 国家的调查结果与之相近。本文分别采用经验模型和机理模型对地表径流水质 进行了模拟和预测，结果表明经验模型较为理想，机理模型对基础数据要求较 高而较多不收敛。在径流水质预测时本文推荐使用经验模型的回归结果。最后， 论文在对国外径流污染及其控制领域的研究成果和经验进行回顾总结的基础 上，着重介绍了城市面源最佳管理措施( b m p s ) ，并且论述了措施筛选和方案 决策的方法。结合上海市城区面源污染现状和管理措施执行情况，探讨了适合 上海城区的面源污染综合管理方案，介绍了相关措施的执行情况和今后的规划。 论文所得成果不仅可用于上海市，也为具有类似水文特征和土地利用方式， 而缺乏实际水质监测的国内其它城市径流污染控制的规划与决策提供借鉴。 关键词：城市地表径流污染，瞬时单位线，事件平均浓度，聚类分析，污染负 荷，数值模拟，最佳控制措施 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea c h i e v e m e n t so fp o i n ts o u r c ep o l l u t i o nc o n t r o l ，m o r ea t t e n t i o n h a sb e e np a i dt ou r b a nn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，w h i c hb r i n g sl a r g eq u a n t i t i e so f p o l l u t a n t si n t ot h eu r b a nr e c e i v i n gw a t e rb o d y u n d e r s t a n d i n gt h ec h a r a c t e r so fu r b a nr u n o f fp o l l u t i o n ，w h i c hi st h em a i nf o r m o fn o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n ，i st h ep r e m i s eo fa p p l i c a t i o no fe f f e c t i v ec o n t r o l m e a s u r e s c h a r a c t e r so fu r b a nr u n o f fp o l l u t i o ni ns h a n g h a iw e r es t u d i e dt h r o u g hf i e l d m o n i t o r i n g , s a m p l i n ga n dd a t aa n a l y s i n gd u r i n g2 0 0 3t o2 0 0 5 2 1s t o r m w a t e ri n l e t c a t c h m e n t sw e r ei n v o l v e da n dt o t a l l y2 2r a i n f a l le v e n t sw e r es a m p l e d ，a n df i n a l l y5 6 g r o u p so fr u n o f fq u a l i t ys a m p l e sf r o ms t o r mi n l e t sw e r eo b t a i n e d l a t e rr u n o f fq u a l i t y a n dq u a n t i t yw e r em o n i t e r e da ts t o r m w a t e ro u t l e t so ft w os m a l lc a t c h m e n ta n d5 g r o u p so fr u n o f fs a m p l e sw e r eo b t a i n e d c o d ，b o d 5 ，s s ，n h 3 一n ，t p , t na r e m e a s u r e d d i s c h a r g ep r o c e s s e so fr u n o f fp o l l u t i o nd u r i n gr a i ne v e n t sa n di t s r e l a t i o n s h i pw i t hr a i nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ed i s c u s s e d t h e ni n s t a n t a n e o u su n i t l i n e m e t h o dw a su s e dt os i m u l a t er u n o f ff l o w so fs t o r m i n l e t ，a n dc a l i b r a t i o nw i t h m e a s u r e df l o wd a t as h o w e dt h er e s u l tb e i n gs a t i s f i e d f i r s tf l u s hp h e n o m e n o nw a s f o u n dc l e a r l yi ns u r f a c er u n o f f , w h i c hw a sp r o v e dt ob em a i n l yi n f l u e n c e db yt h e e v e n tr a i n f a l la m o u n t e v e n tm e a nc o n c e n t r a t i o n s ( e m c s ) w e r ec a l c u l a t e d 。w h i c h s h o w e dt h a ts u r f a c er u n o f fp o l l u t i o ni ns h a n g h a iu r b a na r e aw a sm u c hm o r es e r i o u s t h a nt h o s eo fc i t i e si nd e v e l o p e dc o u n t r i e s l o g n o r m a ld i s t r i b u t i o ni sf o u n df o re m c s a l ls a m p l e sw e r ed i v i d e di n t ot h r e ec a t e g o r i e sb ys t a t i s t i cc l u s t e ra n a l y s i sm e t h o d ， w h i c hr e p r e s e n tt h r e ek i n d so fu r b a ns u r f a c e st h o s ea r ei nl o w , m e d i u ma n dh j i g h p o l l u t i o nl o a d sr e s p e c t i v e l y t h e na c c o r d i n gt ot h ec l a s s i f i c a t i o n ，r u n o f fq u a l i t y m a x i m u m s ，m i n i m u m s ，a v e r a g e s ，m e d i u m sa n dt h e i rc o e f f i c i e n t so fv a r i a t i o n ( c o v s ) w e r ec a l c u l a t e d p o l l u t i o nl o a d so fu r b a na r e aa r ec a l c u l a t e d t h ep a p e rt r i e dt o p r e d i c tt h er u n o f fp o l l u t i o ni nt e r m so fe m p i r i c a lm o d e la n dm e c h a n i c a lm o d e lb y m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n dn o n l i n e a rr e g r e s s i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e e m p i r i c a lm e t h o di sm o r ep r e c i s et h a nt h a tt h eo t h e ro n e ，w h i c hc a nb ea t t r i b u t e dt o h i g hr e q u i r e m e n tf o rr u n o f fd a t ab a s eo fm e c h a n i c a lm o d e l s ot h i sp a p e rs u g g e s t e d a b s t r a c t 一- _ t ou s et h er e s u l t so fe m p i r i c a lm o d e l t op r e d i c tr u n o f fe m c a tl a s tt h ep a p e ri n t r o d u c e s t h e a c h i e v e m e n t sa n de x p e r i e n c e so ff o r e i g n d e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h ef i e l do fr u n o f fp o l l u t i o nc o n t r 0 1 t h ef o c u sw a s p u t 蚰l h e b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ( b m p s ) m e t h o d sf o rm e a s u r e s c r e e n i n ga n dd e c i s i o n m a k i n ga r cg t v e l lw i t ht h ee x a m p l eo fs h a n g h a ia c c o r d i n gt ot h ep o l l u t i n gs i t u a t i o n a l l dt h em a n a g e m e n ti m p l e m e n t a t i o ns t a g e m e a s u r e sf o rr u n o f f p o l l u t i o nc o n t m l 柚d p l a n sl nt h ef u t u r et h a ta t es u i t a b l ef o rs h a n g h a ia t eg i v e n ，w h i c hc a l lb et h es 锄p l e a i l dr e f e r e n c ef o ro t h e rd o m e s t i cc i t i e s t oc a r r i e so u ta c t i o n st o p r e v e n tn l n o f f p o l l u t i o n k | e y w o r d s u r b a ns u r f a c er u n o f fp o l l u t i o n ，i n s t a n t a n e o u su n i t l i n em e t h o d ，e v e n t m e a nc o n c e n t r a t i o n , s t a t i s t i cc l u s t e ra n a l y s i s m e t h o d ，p o l l u t i o nl o a d s ，n u m e r i c a l m o d e l i n g ，b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 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业非点源污染受到高度重视，城市非点源污染的研究相对较少。城市非点源主 要指城市垃圾、粉尘和大气降尘中的各种污染物质。农业非点源污染来自农田 土壤、施用的农药、化肥等。广义的城市非点源污染，按成因可分为城市地表 径流污染、大气的干湿沉降、城市的水土流失及河流底泥的二次污染等；狭义 的城市非点源污染即指城市的地表径流污染【3 1 。 城市地表径流污染是指在降雨过程中雨水及其形成的径流流经城市地面 ( 商业区、居民区、停车场、街道等) ，携带一系列污染物质并直接排入水体对 水体造成短历时的冲击性负荷。地表径流污染是城区水环境非点源污染的最主 要类型。城市暴雨径流中含有诸如营养物、杀虫剂、病菌、石油、油脂、沉淀 物以及重金属等许许多多的污染物，已经成为城市水体水质破环的主导因素之 一【4 1 。 第一章概述 1 2 雨水径流污染的特征、来源和影响因素 1 2 1 径流污染特征 径流污染作为城市非点源污染的主要形式，与生活污水和工业废水等点源 污染有着不同的特性，其时空范围更广，不确定性更大，成份、过程更复杂， 因而加深了相应的研究、治理和管理政策制定的难度。径流污染有以下主要特 征： ( 1 ) 污染物浓度高。据有关资料报道【5 j ，2 0 世纪7 0 年代非点源污染对美国水 体污染的贡献率为：总悬浮固体的9 2 ，总氮的7 9 ，总磷的5 3 ，大 肠杆菌的9 8 ；2 0 世纪8 0 年代的数据【6 j 为b o d 5 的5 7 ，总磷的8 7 ， 总氮的5 8 ，总悬浮固体的9 8 。2 0 世纪9 0 年代有研究川认为全球 3 0 5 0 的水体受到非点源污染的影响。而本文所调查的区域中，污染 最严重的一类区域非渗透性地面多次降雨事件径流事件平均浓度的中 值：c o d 高达3 2 6 m g l ，s s 高达2 4 8m g l 。 ( 2 ) 污染物浓度变化范围大。从单次降雨事件来说，径流过程中污染物浓度 一般随降雨时间延续和累计降雨量的增加而逐渐递减，在累计降雨量达 到一定值以后趋于稳定；就不同降雨事件而言，同一地点各次降雨事件 径流污染浓度会有较大的波动：从空间角度而言，同一次降雨事件不同 地点的径流污染物浓度会有较大的差别。 ( 3 ) 初期径流污染严重。降雨初期街道地表物污染物较多，极易被径流携带 并迁移，径流中污染物在径流产生后一段时间内维持饱和状态，导致初 期径流污染物浓度相当高。本文的调查表明，雨水口处径流存在明显初 期效应，初期径流c o d 和s s ( m g l ) 值可以高达1 0 3 数量级。 ( 4 ) 径流污染物的种类多。径流中含有各类污染物，u se p “4 l 对城市径流的 检测结果表明，1 2 9 种重点污染物中约有5 0 在径流中被检出。 ( 5 ) 径流污染物的影响因素多，排放时间、排放途径和排放数量具有不确定 性。它随着降雨事件的发生而发生，分布范围广，污染负荷时空差异性 显著。p a t r i c k 等【8 1 通过多元线性回归发现，径流污染物排放负荷最主要的 影响因子为降雨量、降雨强度与排水区域面积；o b e r t s1 9 】对1 7 个包含不 同用地类型的采样点调查后发现，径流污染负荷最主要的决定因素为降 2 第一章概述 雨的总径流量。 ( 6 ) 径流污染形成过程复杂，机理模糊，监测和控制比较困难。在缺乏大规 模实测数据的基础上难以实现较准确的模拟与预测，与点源相比研究难 度更大。 1 2 2 径流污染来源 城市径流水质问题是由多种污染源的叠加引起的，一般来说，城市雨水径 流中的污染物主要来自降雨本身和雨水对地表累积污染物的冲刷。而对于排放 口雨水径流而言，管道沉积物也是重要的污染组成部分。 ( 1 ) 降雨背景值。即降雨产生的污染物负荷贡献，包括降水污染物背景值和 主要由降水淋洗空气中污染物引起的大气湿沉降，其中背景值一般比较 稳定。特别在工业区、交通繁忙区和建筑工地周围等空气质量较差的区 域，降雨背景值会相对较高。m i t t o n 等【1 0 】在明尼苏达州东部地区径流污 染的研究中发现，降雨本身也是某些污染物的主要来源，其中硝酸盐与 铵的含量超过道路径流的一半以上。由于上海市地表污染状况严重，地 表径流污染物浓度相当高，相对而言降雨背景值在径流污染中所占比例 甚小。 ( 2 ) 地表累积污染物。地表污染物是雨水径流污染的主要来源。污染物以各 种形式积蓄在街道、阴沟及其它与排水系统直接相连接的不透水表面上。 当降雨事件发生时，由于冲刷和溶解等作用，累积的污染物最终转入雨 水径流中，并且排入受纳水体。 ( 3 ) 下水道系统。下水道系统主要是通过以下几部分增加排江负荷的，一是 雨水对管道内沉积物的冲刷；二是管道内旱流污水( 主要是指合流制) 。 对于合流制管道系统而言，管道内旱流沉积物的再悬浮是雨水溢流污染 的主要来源。因上海市分流制排水系统雨、污混接严重，分流制也有较 严重的管道沉积物的冲刷现象。 1 2 3 径流污染影响因素 影响城市径流污染的因素众多，而且作用机理复杂。主要有以下几个方面： ( 1 ) 地表铺砌情况。不同的地表铺砌如渗透性地面与非渗透性地面，直接影 3 第一章概述 响径流的产汇流过程以及雨水对污染物的冲刷和传输，从而影响径流污 染的排放负荷。 ( 2 ) 用地类型。用地类型决定了地表污染物的累积能力和上限值，在降雨发 生时它决定了地表向径流输出污染物的能力。一般认为，城市商业区、 工业区和高密度居住区等径流污染的程度要高于城市绿地、公园与低密 度居民区等区域【1 l 】。不同的用地类型还影响污染物的组成。如区域内多 餐饮业或者有农贸市场等，地表污染物中有机物的含量会相当高；而交 通流量较大的区域，径流中悬浮颗粒与各种金属浓度会相对很高。土地 利用方式的不合理是目前城市径流污染的关键所在【1 2 1 。本文的研究表明， 用地类型是决定径流水质的主要因素。 ( 3 ) 路面清扫。路面清扫对污染负荷的去除效率很大程度上取决于清扫的工 作方式【1 3 l 。清扫的方式种类较多，主要包括人工或机械清扫、干湿真空 抽吸和水利冲洗等。国外对路面清扫的除污效率做了大量的研究：n u r p 4 j 率先对全国2 8 个城市的街道清扫进行大规模的调研分析，结果表明清扫 和不清扫区域的单次降雨事件径流浓度没有明显的相关性，并且长期来 看路面清扫对径流污染物浓度的平均值和分布规律并没有明显影响； b e n d e r 和t e r s t r i e p l l 4 】的研究表明机械清扫只能清扫2 5 0 l am 的颗粒，所以 仅靠机械清扫减少径流污染物是不够的，尤其是金属微污染物；m c g r o m a i r e 等人【1 5 】对水力清洗研究后发现，清洗所能带走的污染物量仅为 街道污染物储存量的一小部分，水力清洗对于减少径流污染负荷的作用 相当有限；而s a r t o n 1 6 j 等则认为，对各种措施合理地组合与有效地实施， 可去除4 0 5 0 的地面沉积物。 ( 4 ) 降雨特征。累计降雨量、降雨强度、降雨历时、降雨频率以及两场降雨 事件的间隔都直接影响地表污染物的累积和冲刷。降雨的冲刷和溶解作 用是地表污染物迁移的动力，而径流则是污染物迁移的载体。一般地， 污染物浓度随着累计降雨量的增加而逐渐下降；降雨强度的大小即决定 了冲刷力的大小，同时也存在稀释作用，因此其对径流水质的影响是两 者作用的叠加；降雨历时影响累计降雨量和降雨强度的大小；而降雨频 率越高或者两场降雨事件的间隔越短，则径流水质会相对较好。不同降 雨特征对径流污染的作用不同，而同一降雨特征对于不同的污染物成分 的作用也各不相同。 4 第一章概述 ( 5 ) 季节变化。季节的变化对径流污染有明显的影响，其一是降雨的季节分 布不同，其二是不同季节地表污染状况不同。根据k a p p e l 等对纽约 r o c h e s t e r 流域某河流的研究发现，春季积雪溶化以及雨水径流所产生的 径流污染负荷与全年径流所产生的负荷相比，悬浮颗粒前者占后者的5 0 以上，总磷约占5 0 ，总凯氮约4 0 占，铅约占7 0 ；w i l s o n 【1 8 】发现， m i n n e a p o l i s 地区积雪溶化和秋季径流中的铅、溶解性活性磷酸盐和总氮 浓度明显高于夏季径流，秋季径流中的总磷浓度明显高于积雪溶化和夏 季径流，积雪溶化中的硝酸盐浓度高于夏季和秋季径流。p a t r i c k 等【8 】在 t c m a 研究中发现，春季径流的t s s 、v s s 、c o d 和p b 污染负荷最高， 而秋季t n 、t k n 和n n 的污染负荷最低；秋季径流t p 和s r p 浓度最高， w i l s o n 1 8 j 在m i n n e a p o l i s 地区的研究中也得出相同结论。 1 3 城市化对径流污染的影响 城市化是个多层面的过程，目前尚未形成统一观点。一般而言，城市化又 称都市化或城镇化，包括2 个方面的含义【1 9 】：一方面是指变农村人口为城市人 口、变农村地域为城市地域的过程，即城市化的数量过程：另一方面指城市文 化、城市生活方式和价值观等城市文明在农村的地域扩散过程，即城市化的质 量过程。在城市径流污染的研究中侧重于城市化引起的城市水文变化，而城市 土地利用类型的时空变化是其直接的影响因素。 土地利用变化不仅改变了自然景观的面貌，而且影响了景观中的物质循环 和能量分配，它对区域气候、土壤、水量和水质的影响是极其深刻的【删。在城 市化地区，不断增加的非透水性地面和地下排水系统，减小了原有的自然存储 能力和土壤下渗能力，加速了地表径流的形成，增加其流量，从而提高了洪水 峰值。图1 1 1 2 1 j 给出了城市化之前、合理的城市化与不合理城市化三种典型城市 发展状态下，典型降雨径流过程和径流洪峰的变化。图中纵坐标为实际径流流 量除以城市化前洪峰流量的相对值。从图中可以看出，不合理城市化之后，城 市径流洪峰值可以为城市化之前的4 倍，严重改变了原有的水文循环和自然生 态环境。 5 第一章概述 蟛 嚣 蟋 聪 图1 1 城市化前后径流过程及洪峰变化 美国多个州对城市化前后降雨径流的水质变化进行了研究。s a r t o r 与b o y d 2 2 】 在研究中发现，城市暴雨径流中的固体悬浮物、营养物质、重金属等污染物的 负荷脓度要远高于未利用地和乡村径流中的污染物浓度。s o n z o g n iw c 等【2 3 】研 究发现，北美五大湖流域城市化地区雨水径流中悬浮颗粒、总磷和总氮的负荷 是森林地区和未开发地区的1 0 - 1 0 0 倍；k a p p e lw m 等m 研究发现，纽约 r o c h e s t e r 附近流域城市化地区径流中总磷的年污染负荷是非城市化区域的2 倍 左右；r a s m u s s e n 等【2 4 】对堪萨斯州f o r tl e a v e n w o r t h 某一含有建设工地的汇水区 域雨水径流水质与非雨季水体水质进行了多次调查，结果发现前者悬浮颗粒浓 度是后者的2 4 倍之多；a m t s o n 掣2 5 j 在t c m a ( t w i nc i t i e sm e t r o p o l i t a na r e a ) 北部流域的研究中发现，城市化地区雨水径流中金属、氯化物、溶解固体和悬 浮颗粒等污染物浓度远远高于非城市化地区。c o r b e t t 等1 2 6 也利用 a g n p s ( a g l i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c er u n o f f ) 模型，对美国南卡罗莱纳州的森林流域 和城市流域非点源污染的径流进行了比较研究，发现城市径流中的沉淀物量比 森林径流中的沉淀物量多1 2 6 5 。 城市化是人类社会发展的必然，但是在城市化过程中必须注意合理规划、 合理布局、合理开发，将城市化对原有生态环境的影响降至最低。目前，我国 约有3 4 的人口居住于城市，而且随着城市化的快速发展，城市面积仍在迅猛 增加。正确理解城市化和城市径流污染之间的关系，对城市健康持续发展具有 十分重要的意义。 6 第一章概述 1 4 上海市径流污染现状 上海是中国最大的城市之一，最重要的经济金融贸易中心、交通枢纽和对 外贸易口岸，也是中国科学技术、文化教育事业的重要基地。全市陆地面积为 6 3 4 0 5k m 2 ，其中外环线以内主城区面积6 1 0k m 2 。2 0 0 3 年底上海市常住人口 1 3 4 1 7 7 万，平均密度高达2 11 6 人k m 2 2 7 1 。高度密集的人1 ：3 和产业使得区域 地表环境状况难以改善，雨水径流冲刷地表并携带更多的污染物在短时内排入 水体。上海市通过合流污水治理一期和二期工程，城区生活污水和工业废水的 截流输送比例已超过7 0 ，污水经过竹园、自龙港、石洞口等污水处理厂处理 后外排，有效地控制了城区的点源污染负荷。但是市区多数水体仍未达到水功 能区划的要求。通过苏州河调水工程，苏州河黑臭问题基本解决，但是水体仍 不能稳定地达到景观水体的水质标准。在暴雨发生之后，苏州河等主要河道会 再次出现连续数日的黑臭现象。 至今上海城区的排水系统只达到1 年一遇的设计标准，而且很多系统只有 泵站与总管达到1 年一遇标准，系统中支管并未完成配套改造。所采用的合流 制排水系统由于管理不到位，管内沉积物较多，雨天时由雨水径流引起的管道 中沉积物冲刷造成的污染负荷相当严重。1 9 9 9 年、2 0 0 0 年对苏州河部分泵站放 江雨水水质监测数据及2 0 0 2 年对污水治理三期工程服务区域内部分泵站的雨天 水质监测结果均表明，溢流发生后较长时段内，溢流雨水污染程度仍与旱流污 水相近，甚至发现溢流雨水中污染物含量随降雨过程上升的现象【捌。目前上海 部分城区采用分流制系统，但研究发现分流制系统的放江频率与排江水量都高 于合流制系统。这主要是因为排水体系不截流进行直排。此外，由于上海市严 重的雨污混接，分流制系统的排江水质也同样令人担忧。为着手解决由历史原 因造成的分流制系统严重混接问题，对苏卅i 河沿岸芙蓉江和剑河排水系统内的 混接情况开展了详细的调查。调查结果显示芙蓉江泵站6 9 3 k m 2 的服务区域存在 各类混接点4 8 2 个；剑河泵站约两平方公里服务区域内存在各类混接点6 2 个。 晴天混接污水在雨水管道中的由于流速较小而造成污染物大量沉积，降雨发生 时由于径流的冲刷而迁移并随径流排入受纳水体，这大大增加了雨水径流污染 的负荷。2 0 0 3 2 0 0 5 年上海市水务局在市科委的支持下对上海市雨天泵站排江雨 污水进行了连续监测，结果表明受雨污混接的影响，苏州河沿岸3 座分流制泵 站雨天出流雨水的污染程度不仅大大超过地表径流，甚至略高于合流制泵站的 7 第一章概述 溢流雨污水，与国外相关调查的报道结果有明显差异。而r e n 等【2 9 j 的研究表明， 上海市城市化的快速发展导致了城市水体水质的迅速下降，并且水体水质下降 与城市用地的比例的增加有良好的正相关性，相反与农业用地比例成负相关性， 研究指出用地类型是影响水环境的主要因素。 由于上海的城市径流污染控制正处于起始阶段，很多法律法规都没有建立 颁布。在城市建设中，常常会因为缺乏强有力的法规依托和经济支持而使得一 些控制措施没法落实到位。目前上海已经意识到城市面源污染控制的重要性和 迫切性，最近几年加大了控制力度，但是由于缺乏经验和基础数据的积累，进 展不能令人满意。除了需要加强对基本数据和技术的研究储备外，还需要了解 国外控制城市径流污染的措施和先进经验。由于上海在排水系统等方面的特点， 使得上海在城市面源污染的控制和管理方面具有相当的特殊性，不能完全照搬 全抄，需要因地制宜，选用适合实际情况的解决方法。 1 5 国内外雨水径流污染研究概况 1 5 1 国外研究现状 城市径流污染特性的研究在发达国家已有逾三十年的历史。在美国，自从 1 9 6 5 年水质法案( w a t e rq u a l i t ya c t ) 1 3 0 】颁布以后，城市径流污染的研究就成为热 门课题。随后德国、法国、韩国等国家，对城市径流污染特性也进行了大量的 研究。 美国对城市径流污染特征和雨水最佳管理措施( b m p s ) 进行了大规模的研 究。1 9 6 4 年美国公共卫生组织对径流污染引起了重视，认为雨水径流有可能会 引起严重的城市水体污染。1 9 6 9 年，美国城市水资源研究协会开始对径流污染 进行调查，之后对于径流污染的调查在多个城市先后开展。规模较大的几次研 究包括：“2 0 8 研究”，即由各州按照1 9 7 2 水质法案( c w a ) 开展的雨水径流污 染研究；美国环保局( e p a ) 开展的全国城市径流计划( n u r p ) ；美国地质勘探 局( u s g s ) 对城市雨水径流污染的研究；美国联邦公路局( f h w a ) 对公路雨 水径流污染负荷的研究等。 上述相关研究中，规模最大的一次研究为1 9 7 8 年至1 9 8 3 年由美国环保局 发起的n u r p ( n a t i o n w i d eu r b a nr u n o f fp r o g r a m ) 1 4 j ，总共历时5 年，对美国不 8 第一章概述 同城市的径流水质与面源污染负荷调查结果做了统计分析。n u r p 的目的是为了 研究城市径流的特征和不同用地类型之间的差异，确定哪些用地类型的地表径 流是引起水质问题的主要污染来源，从而能够更好地针对城市径流引起的水环 境污染实施控制措施。为获得足够的数据，n u r p 采样工作共分为2 8 个项目， 包括8 1 个采样点和2 3 0 0 多次独立的降雨事件。相关研究主要是在排水系统出 流口采样，获得不同降雨事件的径流事件平均浓度。再进一步分析折算相应服 务面积上的污染负荷。因土地利用类型是影响污染负荷和降雨一径流关系的重 要影响因素，因此调查结果按用地性质进行分类总结。研究报告对美国各地水 样监测结果进行综合分析，得到美国全国1 0 种主要污染物的事件平均浓度与中 值，如表1 1 所示。除t s s 的变差系数大致在1 2 之间，其它均在0 5 1 0 范 围内。因为参与统计的城市包括包括中小城市，所以表1 1 中各项水质指标相对 国内已有的零星报道与本课题的实测结果，均显得很低。 表1 1 美国城市不同类型用地径流事件平均浓度中值和变差系数 居民区混合区 商业区 污染组分 中值变差系数中值变差系数中值变差系数 b o d ( m g l ) 1 0 0 4 17 80 5 29 30 3 1 c o d ( r a g l ) 7 30 5 56 50 5 85 70 3 9 t s s ( m g l ) 1 0 1o 9 66 71 1 46 9o 8 5 铅( | lg l ) 1 4 40 7 5 1 1 4 1 3 51 0 4o 6 8 “ 铜( i lg l ) 3 30 9 92 71 3 22 90 8 1 锌( t xg l ) 1 3 50 8 41 5 40 7 82 2 61 0 7 总凯氮( ug l ) 1 9 0 00 7 31 2 8 8o 5 01 1 7 90 4 3 硝氮亚硝氮( ug l ) 7 3 60 8 35 5 80 3 75 7 20 4 8 总磷( i xg l ) 3 8 30 6 92 6 3 0 7 5 2 0 10 6 7 溶解性磷( pg l ) 1 4 30 4 65 6o 7 58 00 7 1 表1 2 说明不同类型用地径流系数的差异对面源污染负荷的影响。表中区域 污染物平均浓度，是不同类型用地径流水质指标的平均值，排除了用地类型对 水质的影响。在已知径流水质与径流系数情况下，按年降雨量4 0 英寸( 1 0 1 6 m m ) 估算区域单位面积的年污染物负荷。表1 2 对美国2 8 个城市监测结果统计得出 的平均污染负荷适用于无实测资料时美国城市的雨水规划。 9 第一章概述 表1 2 美国不同类型用地径流系数及年污染负荷 污染组分平均浓度住宅区商业区城区总体 ( m e l )k g h a ak g h a ak g h a a 径流系数 o 30 8o 3 5 t s s1 8 0 5 5 0 1 4 6 06 4 0 b o d1 23 6 9 8 4 3 c o d8 22 5 06 6 62 9 2 t o t a lpo 4 21 33 41 5 s o lpo 1 5o 5 1 2 0 5 t k n1 9 05 81 5 46 6 n 0 2 + 3 一n 0 8 6 2 6 7 o3 6 t o t a lc uo 0 4 30 1 3o 3 50 1 5 t o t a lp b0 1 8 20 5 51 4 80 6 5 t o t a lz n0 2 0 20 6 2 1 6 4o 7 2 继n u r p 在全国进行了大规模的调查之后，为了满足地域性差异的需要， 美国各州和城市又开展了大量的径流污染调查工作。p a y n e 等【3 ”2 9 】从1 9 8 0 年开 始至1 9 9 8 年在t c m a ( t w i nc i t i e sm e t r o p o l i t a na r e a ) 1 7 个包含有不同用地类型 的采样点进行了长期的研究，收集了大量降雨、径流和径流污染的相关数据。 t c m a 总面积7 8 0 0 k i n 2 ，2 0 0 0 年居住人口2 8 0 万，由明尼阿波利斯和圣保罗及 其周边的七个郡县组成。p a t r i c k 等【8 j 对其范围内6 8 个流域的1 5 个相关研究项目 的成果进行了总结，得到了径流t s s 、v s s 、t p 、d p 、s r p ( s o l u b l er e a c t i v ep ) 、 c o d 、t k n 、t n 和n n ( n i t r a t e + n i t r i t e n i t r o g e n ) l 拘事件平均浓度、次降雨径流污 染负荷和单位面积污染负荷统计值，结果分别见表1 3 表1 5 。表中n 为统计 降雨事件次数。径流水质一般情况下高于夏季流域内水体水质【3 3 】。比较t c m a 和n u r p 的结论，径流污染事件平均浓度除了p b 以外( t c m a 为1 3 l ag l ，n u r p 为1 4 4l ag l ) ，其它均较为接近。p b 的差异可以解释为n u r p 相对与t c m a 时 间较早，而在此期间含铅汽油使用量的减少大大降低了地表污染物中p b 的含量。 t c m a 数据的变差系数范围为0 6 8 - - 2 3 8 ，上限与下限较n u r p 结果要高。 1 0 第一章概述 表1 3t c m a 径流事件平均浓度统计( 单位：r a g l ) t s sv s s皿d ps r pc o d t k nn nt np b n5 2 01 7 05 6 11 4 72 1 31 4 92 2 13 1 74 6 62 8 4 最小值 2 2o 0 30 0 1 0 0 0 32 2 0 2 100 4 3o 最大值 3 5 7 71 6 9 09 41 41 42 0 3 01 8 52 11 9 40 9 1 中值 8 82 10 4 1o 1 5o 19 01 8 50 4 42 50 0 1 平均值 1 8 46 60 5 80 20 21 6 92 6 20 5 33 。0 80 0 6 标准偏差 3 2 21 5 70 6 90 1 70 2 32 4 02 5 90 3 62 4 40 1 表1 4 t c m a 次降雨径流污染负荷统计( 单位：k g 次) t s sv s s t pd p s r pc o d t k nn nt np b n3 5 11 4 83 6 01 4 78 51 4 92 2 22 1 32 9 41 6 6 最小值 o 5 10 4 50 0 0 50 0 1o 0 0 12 7 30 0 4 30 0 1 5o 0 6o 0 0 0 5 最大值4 0 8 7 74 7 7 03 0 12 4 82 3 74 6 3 61 2 58 52 1 04 0 3 中值 7 63 60 3 60 1 70 0 61 1 92 2 70 5 32 1 70 0 5 平均值 5 1 91 7 11 0 60 7 40 6 62 4 5 6 6 1 8 6 7 o 2 标准偏差 2 6 5 0 5 9 5 2 8 5 2 52 。8 54 7 51 5 56 51 8 20 4 6 表1 5t c m a 径流单位面积污染负荷统计( 单位：k g h a ) t s s v s st pd p s r p c o dt k nn nt np b n3 2 51 4 83 3 41 4 78 21 4 92 2 22 1 32 7 01 6 6 最小值 o 0 0 60 0 1 08 8 e - 51 2 e 41 3 e - 50 0 7 64 4 e 43 8 e 49 6 e - 44 3 e - 6 最大值 1 9 25 7 9 0 4 3 6o 3 6 0