（环境工程专业论文）城市地表径流污染特性及排污规律的研究.pdf

摘要 城市地表径流对地表水体造成的污染影响已越来越受到人们的关注。为防止地表径流 对地表水体的污染，探讨城市地表径流的污染特性及污染物排放规律，本研究对晴天时西 安市道路路面沉积物的粒径分布及污染潜力进行了测试，对雨天时西安市城区屋面径流及 路面径流的水质进行了测试，对晴天和雨天城市排水主干渠的水质进行了对比测试，并对 不同降雨类型的路面径流排污规律进行了人工模拟降雨试验研究。主要研究结果如下： ( 1 ) 对西安市道路路面沉积物的采样分析表明，引起城市地表径流污染的路面沉积 物主要以粒径为2 m m 以下的小颗粒为主。路面沉积物中铅含量为6 6 1 0 9 m g k g ，锌含量为 1 5 4 3 4 5 m g k g ，c o d 含量为3 8 2 2 7 m g k g ，其中沉积物中铅和锌的含量随颗粒粒径的增大 而逐渐减少。 ( 2 ) 试验测试屋面径流的污染物浓度范围为s s = 1 5 - 4 0 0 m g l ，c o d = 6 1 - 1 5 4 1 m g l ， 流量加权平均浓度( e m c ) 为：s s = 1 7 3 4 0 3 m g l ，c o d = 1 1 6 7 - 2 2 0 8 m g l ，屋面径流的污染 主要发生在屋面径流的初期；屋面径流中s s 、c o d 和电导率之间存在较好的线性相关关 系：屋面径流的可生化性差，径流中b o d 5 与c o d 的比值约为o 1 加2 3 。 ( 3 ) 试验测试屋面径流的次降雨排污负荷的范围为l c o d = 2 o 1 0 1 9 ，l s s = 0 4 2 2 3 9 ；年排污负荷为l y c o d = l 0 7 k g ( h m 2 a ) ；b s s = 0 2 4 k g ( h m 2 a ) ：屋面径流较符 合冲刷模型( w a s h o f f m o d e l ) ；初期涌出效应( f i r s t f l u s he f f e c t ) 在某些降雨事件中明显， 在某些降雨事件中不明显，且屋面径流的初期涌出效应通常发生在占总径流量2 0 左右的 前期径流对应时段中。 ( 4 ) 人工模拟降雨试验的结果表明，在初始地面沉积物重量相同和降雨总量相同的 条件下，在设计的三种降雨类型中，降雨类型1 ( 大一中- d , ) 的次降雨污染物负荷最大， 降雨类型3 ( 中一大一小) 其次，降雨类型2 ( 小一中一大) 最小；当降雨强度呈大一中 一小和中大一小的变化趋势时，径流中污染物的浓度变化较符合冲刷模型，当降雨强度 呈小一中大的变化趋势时，污染物浓度变化不符合冲刷模型：在三种降雨类型中，降雨 类型1 的初期涌出效应最明显，降雨类型3 其次，降雨类型2 最不明显。 关键词：城市地表径流； 屋面径流： 污染物；人工模拟降雨；模型 a b s t r a c t t h ep o l l u t i o ni m p a c tt ot h es u r f a c ew a t e rb o d i e sc a u s e db yu r b a nr u n o f fh a sr e c e i v e dm o l e a n dm o r ea t t e n t i o n i no r d e rt op r e v e n tt h es u r f a c ew a t e rb o d i e sf r o mp o l l u t e db yu r b a nr u n o f f a n dd i s c u s st h ep o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e g u l a t i o no fp o l l u t a n t sd i s c h a r g eo fu r b a nr u n o f f , t h ed i s t r i b u t i o no ft h ep a r t i c u l a t es i z ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f p o t e n t i a lp o l l u t i o no fr o a ds u r f a c e s e d i m e n t so fx i a l lw e r em e a s u r e di nf i n ew e a t h e r , t h ew a t e rq u a l i t yo fr o o fr u n o f fa n dr o a d r u n o f fw e r em e a s u r e di nw e tw e a t h e r , a n dt h ew a t e rq u a l i t yo ft h em a i nu r b a nd r a i n a g ec h a n n e l s d u r i n gf i n ew e a t h e ra n dw e tw e a t h e rw e r ec o m p a r e d ，i na d d i t i o n ，r e g u l a t i o no fp o l l u t a n t s d i s c h a r g eo fr o a dr u n o f fi nd i f f e r e n tt y p e so fr a i n f a l lw e r es t u d i e db ya r t i f i c i a li m i t a t i o nr a i n f a l l e x p e r i m e n t t h em a i nr e s u l t so ft h i ss t u d ya r es h o w na sf o l l o w e d ： ( 1 ) b ya n a l y z i n go fr o a ds u r f a c es e d i m e n ts a m p l e so fx i a n ，t h o s er o a ds u r f a c es e d i m e n t s c a u s i n gu r b a nr u n o f fp o l l u t i o nm a i n l y a r et h o s ev e r yf m e p a r t i c l e sw h o s ed i a m e t e r sa r el e s st h a n 2 m m t h ep o l l u t a n t sc o n t e n to fr o a ds u r f a c es e d i m e n t sr e a c ht o 6 6 - 1 0 9 m g k gf o rl e a d ， 1 5 4 3 4 5 m g k gf o rz i n ca n d3 8 - 2 2 7 9 k gf o rc o d ，a n dt h ec o n t e n to fl e a da n dz i n co fr o a d s u r f a c es e d i m e n t sd e c r e a s eg r a d u a l l yw i t ht h es i z eo fp a r t i c l e si n c r e a s i n g ( 2 ) i nt h et e r mo fe x p e r i m e n tt h er a n g eo fp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o no fr o o fr u n o f fi s ： s s = 1 5 4 0 0 m 如c o d = 6 1 1 5 4 1 m 乩t h ee v e n t m e a n c o n c e n t r a t i o n ( e m c ) i s ： s s = 1 7 3 4 0 3 m g l , c o d = 1 1 6 7 2 2 0 8 m ka n dt h ep o l l u t i o no fr o o fr u n o f fm a i n l yo c c n l e s i nt h ei n i t i a ls t a g e s ；t h e r ea r eo b v i o u sl i n e a rr e l a t i o n sa m o n gc o d ，s s ，a n dc o n d u c t i v i t yo fr o o f r u n e i f ；t h eb i o l o g i cd e g r a d a t i o nc a p a c i t yo fr o o fr u n o f fi sn o tg o o da n dr a t i ob e t w e e nb e d 5a n d c o di sa b o u t0 1 0 2 3 ( 3 ) t h ep o l l u t a n td i s c h a r g el o a dr a n g eo fr o o fr u n o f fc a u s e db ys u b r a i n f a l li s ：l c o d = 2 0 1 0 1 9 ，l s s = o 4 2 2 3 9 ；t h ep o l l u t a n td i s c h a r g el o a dc a u s e db ya n n u a lr a i n f a l li s ：b c 0 d = 1 0 7 k g ( h m 。a ) ，b s s = 0 2 4 k g ( h m 2 a ) r o o fr u n o f ff i tw a s h - o f fm o d e lq u i t ew e l l ；f i r s tf l u s h e f f e c ti so b v i o u si ns o m er a i n f a l le v e n t s ，w h i l eu n c o n s p i c u o u si no t h e rr a i n f a l le v e n t s f i r s tf l u s h e f f e c to f t e no c c u l e si nt h ei n i t i a ls t a g e so fm n o f fw h i c ha c c o u n tf o rt w e n t yp e r c e n to ft o t a l r u n o f f ( 4 ) t h er e s u l t so fa r t i f i c i a li m i t a t i o nr a i n f a l le x p e r i m e n ts h o wt h a tw h e nb o t ht h ew e i g h to f i n i t i a lr o a ds u r f a c es e d i m e n ta n dt h et o t a lr a i n f a l li se v e n ，t h ep o l l u t a n tl o a do ft h ef i r s tt y p e ( b i g m i d d l e - s m a l l ) c a u s e db ys u b r a i n f a l li sm o s ta m o n gt h et h r e et y p e so fr a i n f a l ld e s i g n e df o l l o w e d 2 b yt h et h i r dt y p e ( m i d d l e b i g s m a l l ) ，a n dt h es e c o n dt y p e ( s m a l l m i d d l e b i g ) i sl e a s t ；w h e nt h e i n t e n s i t yo fr a i n f a l ls h o w st h et r e n do fb i g - m i d d l e s m a l la n dm i d d l e - b i g s m a l l ，t h ec h a n g eo f p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o no fr u n o f ff i t w a s h o f fm o d e lq u i t ew e l l ，w h e nt h ei n t e n s i t yo fr a i n f a l l t e n d st os m a l l m i d d l e - b i g ，t h ec h a n g eo fp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o no fr u n o f fd o e sn o tf i tw a s h o f f m o d e l ；f i r s tf l u s he f f e c to ft h ef i r s tt y p ei sm o s to b v i o u sa m o n gt h et h r e et y p e so fr a l n f f l l f o l l o w e db yt h et h i r dt y p e ，a n dt h es e c o n dt y p ei sm o s tu n c o n s p i c u o u s k e y w o r d s ：u r b a nr u n o f f ；r o o f r u n o f f ；p o l l u t a n t s ；a a i f i c i a li m i t a t i o nr a i n f a l l ；m o d e l 3 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 面源污染的概念和分类 面源污染( 也称非点污染源) 是指溶解的或固体污染物从非特定的地点，在降水和径 流的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体( 如河流、湖泊，水库、海湾等) ，引起的水 体污染【1 l 。根据污染物来源的不同，包括城市地表径流、广大农村地区地表径流、林业地 表径流和矿区、建筑工地地表径流等引起的水体污梨2 1 。 从地表的可透水性方面来划分，面源污染又可分为不可透水性地表径流和可透水性地 表径流两种。城市地表、厂区、城区屋面和公路路面等地表径流都属于不可透水性地表径 流，而像农田耕作区、矿山开发区、林区以及农村居住区等都属于可透水性地表径流【3 1 。 1 1 2 面源污染研究的历史背景 点源和面源污染是地表水体污染的两大来源，在此之前，人们一直认为点源污染是造 成水体污染的主要原因。为保护水资源，美国国会于1 9 7 2 年通过了水污染法案，规定 1 9 8 5 年达到零排放，即要求排入江河的污水必须经过处理，使水体达到当地地表水原有的 水质标准，不得增加江河的污染物负荷，并期望以此达到完全控制污染的目的。在经过花 费大量资金、人力建设许多污水处理厂后，实际上却没能达到目标。在俄亥俄河、五大湖， 当把所有工业废水和城镇生活污水全都处理之后，水体污染问题并未得到解决。究其原因， 发现是由于暴雨径流把广大地面上的各种污染物都带入了水体。于是，美国国家环保局 ( u s e p a ) 1 9 7 7 1 9 8 1 年的科研计划中，正式提出了面源污染控制的研究课题，开始了对面 源污染的研究。其研究范围既包括广大农村地区地表雨水径流引起的水体污染，也包括城 镇地表雨水径流引起的水体污染。1 9 8 1 1 9 8 3 年美国国家环保局投入1 5 亿美元进行的“全 美城市雨水径流项目”( n a t i o n a lu r b a nr u n o f 0 研究，在许多城市大规模地收集分析雨水径 流水质数据，研究污染情况及控制对策。历经近2 0 年，研究制定了城市雨水资源管理和雨 水径流污染控制的“最佳管理方案”( b m p , b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e ) 。1 9 8 7 年美国国会重 新修订了水污染防治法案，加入了对来自工厂和城市的地表径流进行控制的条文，将 全国污染物排放削减体系( n p d e s ，n a t i o n a lp o l l u t a n td i s c h a r g ee l i m i n a t i o ns y s t e m ) 扩大到 包括对城市雨水径流污染管制在内的非点源污染防治，1 9 9 0 年正式发布实施，主要针对 1 0 万人口以上的雨水管道系统和1 1 类工业活动，包括大于5 英亩的建筑工地，迄今为1 f _ = ， 城市地表径流这一面污染源越来越受到重视1 4 , 5 1 。 除美国之外，英国、德国、荷兰等发达国家自上个世纪七十年代起也开始对城市地表 径流开展了大量的测试及研究工作，业已得到了很多珍贵的监测数据和理论研究成果。 长期以来，我国面临着极其严重的工业点源污染，污染问题严重，防治任务艰巨，所 以，政府的主要工作放在了点源污染控制方面，对于面源污染，工作重点主要是针对农村 耕作区水土流失等面源污染问题，对于城市地表径流的污染尚未给予足够的重视。但是， 面源污染的危害却是相当严重的。 1 1 3 面源污染的危害 和点源污染相比，面源污染危害规模大，防治困难。据美国国家水质委员会在8 0 年代 初估算【6 1 ，美国来自点源和面源的悬浮物总量为3 4 8 x1 0 3w ，其中面源总量为3 1 9 x1 0 3t d ， 占9 2 ；氮负荷总量为7 8 6 1 0 3 t d ，其中面源总量为6 2 3 1 0 3 t d ，占7 9 ；磷负荷总量为 8 0 1 0 3 t d ，其中来自面源的有4 2 5 1 0 3 t d ，占5 3 ；大肠杆菌的数e 1 9 8 以上来自面源 污染。1 9 9 5 年美国国家环保局关于水体污染的调查表明i 7 1 ，在美国，面源污染已经成为环 境污染的第一因素，6 0 的水资源污染起源于面源污染。家畜粪便中常常包含大量细菌，尤 其含有大量的大肠杆菌，随着径流进入水体会形成大面积的非点源污染，并会造成疾病的 广泛传播。1 9 9 4 年全美有2 0 0 0 多个海滩因面源污染引起的水体细菌含量过高而关闭f 8j 。 s o o k r l u n d 和l e h t i n e n d 9 】于1 9 7 3 年在瑞典斯德哥尔摩市对3 3 公顷的公路路面、2 5 公顷的商业 区和2 5 公顷的居住区的路面径流的年污染物负荷率进行了研究，结果表明，三种不同土地 使用类型路面的b 0 0 5 负荷率分别为1 0 0k g ( h m 2 a ) 、4 3k g ( h m 2 a ) 、1 4k g ( h m 2 a ) ， s s 负荷率分别为1 1 8 5k g ( h m 2 a ) 、6 2 0 k g ( h m 2 a ) 、1 7 3k g ( h m 2 a ) ，由此可见，公 路径流较之其它地表径流，b o d 负荷和s s 负荷要大很多。在我国，滇池湖泊流域的大青河， 暴雨期悬浮物浓度比平时均值高2 2 倍，亚硝酸盐氮则高1 6 3 倍，宝象河暴雨期最大悬浮物 浓度是非暴雨期的1 0 6 倍【l o 】。近年来，我国对滇池污染、太湖污染、淮河流域污染等重大 河流湖泊污染问题的调查研究结果都表明，面源污染在其中起着十分重要的作用。 1 1 4 研究城市地表径流污染的意义 在面源污染中，城市地表径流是仅次于农业面污染源的第二大面污染源【1 1 i 。城市地表 径流包含许多污染物质，有固态废物碎屑、化学药品、空气沉降物和车辆排放物等。h e a n e y 和h u b e e r ( 1 9 8 4 ) l 1 的研究认为每年由城市地表径流造成的污染负荷相当于城市污水处理 厂排放的污染负荷，城市地表径流水中污染物s s 、重金属及碳氯化合物的浓度在数量级上 与未经处理的城市污水基本相同。可见，城市地表径流污染的危害是相当大的。研究城市 地表径流的污染特性及其排污规律，开发可行的污染控制技术及对策，为政府部门对丽源 污染的控制管理决策提供科学依据具有重要意义。 1 2 研究现状 近年来，国外在城市地表径流方面丌展了很多研究工作。这些研究工作主要有以下四 个方面： ( 1 ) 确定城市地表径流巾污染物的成分、含量及影响其含量的因素 城市地表径流中携带有固体物质、重金属、营养物质、油和脂、细菌及其它污染物。 已开展的这方面的研究很多，如德国专家gs t o t z i ”】对德国f r g 地区从1 9 7 8 年到1 9 8 1 年 的1 4 5 场降雨所产生径流的8 5 0 个水样进行了分析，分析项目有重金属、矿物油类、氯化 物、化学需氧量( c o d ) 、悬浮固体( s s ) 、b o d 、多环芳烃( p a h s ) 等，并指出影响各 成分含量的凼素；法国的研究者i l q 对巴黎市中心4 个屋砸( 2 瓦，i 石板，1 锌板) 、3 个庭院和 6 个街道的1 6 场降雨所产生径流进行取样分析，分析了径流中s s 、c o d 、氯化物、b o d 、 重金属等污染物的古量，并比较了屋面、庭院和街道径流污染的程度。v i k l a n d e r ( 1 9 9 8 ) i “l 测试了沉积于s w e d e n 街道上的沉积物的颗粒级配及颗粒中重会属的含量研究了其与交 通流量及周围区域环境的关系；c h a r a c k l i s 1 6 j 等人( 1 9 9 7 ) 通过对晴天和甫天时市政排水系统 排水口处的水质监测，研究了地表径流巾溶解态及胶体态金属含量的分布。 ( 2 ) 确定污染源及污染物从地表到受纳水体的迁移过程 城市地表径流中的污染物主要来| _ _ 1 丁降雨对城市地表的冲刷，所以，城市地表沉积物 是城市地表径流中污染物的主要来源。城市地表沉积物包含许多污染物质，有固态废物碎 屑( 城市垃圾、动物粪便、城市建筑施工场地的堆积物) 、化学药品( 草坪施用的化肥农 药) 、空气沉降物和车辆排放物等。具有不同土地使用功能的城市地表，其沉秘物的来源 不同。如，城市工业区的地表沉积与工业生产过程的原料、半成品材料等的扩散、沉积、 遗漏等有关；城市路面沉积物与车辆交通流最等因素有关；城市居民区地表沉积物l j 牛活 垃圾及居民生活习惯等因素有关，商业区地表沉积物则与商业活动类型有关1 3 】；屋面沉积 物与空气沉降物有关。这些物质晴天累积于城市地表，雨天即被径流冲刷并随径流进入水 体。国外对污染物由路而迁移到受纳水体的过程也进行了大量的研究，如h u b e r 和 d i c k e n s o n ”i 于1 9 8 8 年发表了污染物在晴天时的累积模式，该模式认为污染物在晴天的累 积量足时间的指数函数；m e t c a l f 和e d d y ”j 等人于1 9 7 1 年提出地表污染物的冲刷模型， 该模型认为径流过程中不透水地表表层沉积物的冲刷速率与沉积的污染物量成正比； d e l e l i c 等a ( 1 9 9 8 ) t ”崃用自动监测设备对城市地表雨水口处径流雨水水质的口h 、温度、浊 度及电导率进行了连续测定，获得了大量的数据，并给出了固体排放速率与地表径流量的 相关式；s a n s a l o n e 等人n 9 9 7 1 【驯报导了城市道路路血径流中重金属污染物的测试研究结果 分析了溶解态及非溶解态金属的径流排放特征。 分析了溶解态及非溶解态金属的径流排放特征。 ( 3 ) 分析城市地表径流中污染物对受纳水体水质的影响 城市地表径流中污染物随径流进入受纳水体后对水体水质的影响很大，受纳水体的许 多物理、化学性质随之改变。据j b e l l i s 2 1 j 的研究，受纳水体中金属含量的3 5 7 5 来 自于公路路面径流，其中来自公路路面径流的c d 、c u 、p b 、z n 的含量分别占水体总含 量的4 6 、7 8 、4 7 、1 3 ；gs t o t z 1 3 j 的研究认为，公路路面径流中p a h s 的含景是未 受污染的河水或湖泊水的5 0 6 0 倍。 ( 4 ) 对城市地表径流污染控制措施的研究 b m h e s t r j 和b n l o r d 2 2 1 按照联邦公路管理委员会( f h w a , t h ef e d e r a lh i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ) 的要求，以减少路面径流带入受纳水体的污染负荷为目的，研究了几种暴 雨径流管理控制措施，认为植被控制、湿式滞留池、渗滤系统和湿地是几种有效的公路路 面径流污染控制措施；y a y o u s e f 和t h v i t v e d j a c o b s e n l 2 3 】等人在弗罗里达州o r l a n d o 地 区的某公路上就植草渠道对公路径流中营养物质和重金属的去除效率的问题进行了为期9 个月的研究，结果表明植草渠道对重金属、尤其是呈离子状态的重金属有很好的截留效果， 其对z n 、p b 、n i 、c r 的去除效率分别为6 2 、5 7 、5 1 、4 3 ；g o r d i n e 和b a r r yj a d a m s 【2 4 i 研究了渗滤系统、干式滞留池、湿式滞留池、沉淀池等径流控制措施，分析了各种措施对 污染物的去除机理、设计方法及处理效率，并认为渗滤系统中的渗坑是一种最有效的径流 污染控制方法，设计合理、维护良好的渗坑对污染物的去除效率可达9 8 ；j d s a r t e r 和d r g a b o u r y l 2 5 1 的研究表明，尽管路面清扫对小粒径污染颗粒的去除效果较差，但在某些特 殊情况下的路面清扫工作对控制径流污染仍有很大的意义：此外，在冰雪季节控制除冰剂 的使用，对控制路面径流对受纳水体的污染也具有重要的意义。对城市地表而言，城市道 路是城市地表的重要组成部分，适用于公路路面径流污染控制的一些管理措施( 如，清扫 路面、限制除冰剂的使用等) 也自然适用于城市地表径流污染的管理。在径流污染控制的 工程措施方面，一些适合公路路面的工程措施同样也可以用于城市地表径流的污染控制。 所不同的是，在公路路面径流污染控制中，可以根据地形分路段实施，而对于城市地表径 流，则需根据雨水排水管网的分布及地形，分区或集中地将雨水输送到合适的处理场进行 处理p 1 。 我国对城市地表径流污染研究开展得较少。到目前为止，仅有的一些报导是：1 9 8 2 年夏青1 2 6 1 对北京市城市地表径流污染状况的研究，测试了北京市街道地表沉积物的累积量 及沉积物中污染物成分含量，评价了北京市城市地表径流污染状况。1 9 9 9 2 0 0 1 年车武等 人【2 7 】对北京市城市建筑屋面径流水质进行了测试研究，发现城区屋面雨水径流尤其是初期 径流的污染比较严重，主要污染物为c o d 和s s ，沥青油毡屋面初期雨水中c o d 浓度可 高达上千m g l 。2 0 0 0 年赵剑强等人【”】对西安至临潼( 简称西临) 高速公路路面径流进行了监 4 测，结果表明，高速公路路面排水具有较高的污染强度，污染物以s s 和c o d 为主，且生 物可降解性较差，水质参数s s 、c o d 、总p b 、总z n 之间存在较好的线性相关关系，分析 探讨了路面径流污染物排放规律及其对河流水质的影响。 1 3 本文研究的主要内容 如前所示，由于我国一直面临着极其严重的工业点源污染，所以，政府的主要工作放 在了点源污染控制方面，对于面源污染尚未给予足够的重视，尤其是对城市地表径流的污 染及其对环境、地表水和地下水影响的认识不足，对城市地表径流的污染特性和排污规律 也就不清楚。国外重要的研究成果和珍贵的数据资料对我国开展城市地表径流的研究无疑 具有重要的借鉴和指导作用，但由于各国具体情况的不同，国内与国外在气象条件及环境 污染状况方面存在着较大的差异，直接将国外的研究成果套用在我国是不适宜的，因此开 展这方面的基础研究就显得很有必要。随着国家对环境保护的重视，面源污染也将逐步得 到重视，研究城市地表径流污染将成为环保工作者的一项重要任务。所以，本研究以长安 大学环境工程系办公楼屋面、西安市南二环道路路而、城市排水主干渠为研究对象，采用 晴天时对路面沉积物、城市排水主干渠进行取样分析，降雨时对屋面径流、路面径流、城 市排水主干渠水质进行实地测试，此外在西安理工大学进行人工模拟降雨试验，对下列问 题进行试验研究： ( 1 ) 城市地表沉积物的污染特性。目的是了解城市地表的颗粒组成，了解不同粒径 颗粒的污染潜力和了解城市地表径流污染物的来源； ( 2 ) 城市地表径流的污染特性。了解屋面和路面等城市地表径流中污染物的成分、 主要污染物浓度的大小、各污染指标的相关性、径流水的可生化性； ( 3 ) 描述城市地表径流污染物排放过程的数学模型。探讨不同降雨类型的地表径流 污染物排放规律：计算屋面径流的次降雨污染负荷和年污染负荷，探讨城区屋面径流污染 物排放规律。 第二章城市地表沉积物的污染特性研究 2 1 城市地表径流污染物的来源 城市地表径流中的污染物主要来自于降雨对城市地表的冲刷，所以，城市地表沉积物 是城市地表径流中污染物的主要来源。城市地表沉积物的组成决定着城市地表径流污染的 性质。城市地表沉积物包含许多污染物质，有固态废物碎屑( 城市垃圾、动物粪便、城市 建筑旄工场地的堆积物) 、化学药品( 草坪施用的化肥农药) 、空气沉降物和车辆排放物等。 具有不同土地使用功能的城市地表，其沉积物的来源不同。如，城市工业区的地表沉积与 工业生产过程的原料、半成品材料等的扩散、沉积、遗漏等有关；城市路面沉积物与车辆 交通流量等因素有关；城市居民区地表沉积物与生活垃圾及居民生活习惯等因素有关，商 业区地表沉积物则与商业活动类型有关【3 1 ，屋面沉积物与空气沉降物有关。 城市路面和屋面是城市地表的主要组成部分，尤其是路面径流作为一种具有较大污染 潜力的污染源已经得到了各发达国家的广泛关注。公路路面径流污染物的来源很多，包括 机动车辆的运行、雨水本身的污染和大气降尘等。根据k o b r i n g e t l 2 9 】和j b e l l i s 2 1 】等人的 研究，路面沉积物中各种污染物的来源为s s ：s s 是公路路面最主要的污染物，其它污染 物如重金属及有毒化合物p a i l s 等多是粘附在其表面上。其主要来源有轮胎磨损颗粒、筑 路材料磨损颗粒、运输物品的泄露、刹车连接装置产生的颗粒及其它与车辆运行有关的颗 粒物、大气降尘及除冰剂等。重金属：公路路面沉积物中含量最大的重金属的是p b 和 z n ，p b 主要来自于汽车尾气的排放，也有部分来自于燃料或润滑油的泄漏及除冰剂的撒播 ( 使用除冰剂的公路路面) ：z n 主要来自于轮胎的磨损。氯化物：路面沉积物中的氯化 物主要来自于除冰盐。油和脂：路面沉积物中的油和脂主要来源于燃料及润滑油的泄漏。 毒性有机物：路面沉积物中汽油烃( p h c ) 和多环芳烃( p a r s ) 一部分来自汽油的不完 全燃烧产物，但其最主要的来源是润滑油的泄漏，这些毒性有机物的溶解性很小，绝大部 分粘附于固体颗粒之上。n 、p 营养物：公路路面沉积物中的n 和p 主要来自于晴天或 雨天时的大气降尘，对公路两边所种植物进行施肥等日常维护工作也是营养物的主要来源 ( 故位于农村地区的公路，其路面沉积物中n 、p 营养物的含量远远高于城市公路) 。农 药：空气中漂浮的农药颗粒在沉降和降雨淋洗的作用下会进入路面径流，目前公路路面径 流中已发现的农药成分有氯丹、甲氧基氯化物和重氮基氯化物。 城市屋面主要污染物为c o d 、s s ，总氮、总磷、重金属、无机盐等污染物浓度则较低 口”。污染物的来源主要是屋面材料、雨水本身的污染和大气降尘等。 2 2 城市地表沉积物的污染特性研究现状 2 2 1 城市地表沉积物的颗粒级配 1 9 7 2 年，u s e p a ( 美国环保局) 对5 个城市的街道沉积物采用多种路面清扫技术取样 并分析其颗粒级配 3 0 1 。发现粒径大于8 4 0um 的颗粒含量最大，占总重量的1 3 ( 5 城市平 均值) ，见表2 - 1 及图2 - 1 。 表2 - 1街道沉积物的颗粒级配( 清扫取样，u s e p a ，1 9 7 2 ) 颗粒分级( “m )重最比( ) 8 4 03 5 6 ， 粒1 径等级2 um ( 3 1 # _ 8 4 0 ) 图2 - 1 城市地表径流颗粒级配( u s e p a ，1 9 7 2 ) 1 9 7 6 1 9 7 7 年，美国密执安州东南区议会( s e m c 0 g ) 对城市地表沉积物的粒径分布 进行了调查研究【3 1 ，结果见表2 2 及图2 2 。由图及表可见，粒径分布趋势与美国国家环 保局的结果正好相反。s e m c o g 的测试结果中，7 5 9 0 的颗粒是小于5 3 pm 的。导致 其不同的原因是s e m c o g 的取样点是在排水管道的末端而不是来自路面清扫。 表2 - 2城市地表径流排水中的颗粒级配( s e m c o g ，1 9 8 0 ) 重量比( ) 颗粒分级( um ) a 1 l e as m i t he v a n s 8 5 04 13 7o 6 一h l l e n ：排水管道 l - - 0 - - - s m i t h 捧水管道 - 广- e v a n s 排水沟 鼻j i i | l | ￥ & 、1 o o o 日 粒径等级uf ( 1 # 一 8 5 0 ) 图2 - 2 城市地表径流颗粒级配( s e m 0 0 6 ，1 9 8 0 ) c o l l i n s 等人( 1 9 7 7 ) 1 3 r l 在分析这一差别时认为：一般的道路清扫设备主要用于去除 较大粒径的颗粒( 2 0 0 0um ) ，而对小的颗粒清除效果不好。而水的渗滤作用却可以去除掉 小至2 0 2 5um 的颗粒。在去除街道污染方面，仅靠机械清扫是难以达到目的的。 径流过程中颗粒是沉积于底部还是随径流移动取决于地表径流的流速，流速越大，被 冲刷带入水体的颗粒越大，流速越小，颗粒越小。而地表径流的流速大小取决于降雨量及 地形条件。一般来讲，地表径流的流速都不是很高，这样，一些大的颗粒便残留于地表， 在随后的道路清扫过程中被清除或在某一场足够大的降雨引起的地表径流中被携带进入 水体 3 1 。 2 2 2 地表沉积物的污染特性 1 9 7 2 年s a r t o r 和b o y d 的研究认为【3 0 ，在街道表面沉积的污染物中，只占总重量6 的极细小颗粒( 4 3pm ) 具有相对较大的污染潜力，占总污染负荷中b o d 5 , 的2 5 ，n 、 p 营养物的3 3 一, 5 0 ，重金属的5 0 以上，及农药的7 5 。 j d s a n e r 和d r g a b o u r y i ：剀在研究路面清扫对路面沉积物的去除效率时，总结了 s h a h e e n 对路面沉积物污染特性的研究结果。其研究结果见表2 - - 3 。 )赣求忸蛐恻辩氍珀衄 表2 - 3 不同粒径颗粒的污染潜力( $ h a h e e n ) 粒径 重量百分挥发性固 b o dc o d p bz n ( um )比( ) 体( m g j g )( r a g g )( m w g )( m g & g )( m g k g ) 3 3 8 0 8 5 01 57 63 66 88 0 02 0 0 8 5 0 4 2 01 94 33 o5 63 2 0 0 1 0 0 0 4 2 0 以5 0 2 4 3 43 15 13 4 0 01 6 0 0 2 5 0 7 53 25 93 81 0 65 9 0 01 8 0 0 7 51 01 2 6 6 92 1 16 4 0 01 6 0 0 1 9 9 9 年，r o g e r 3 2 】等人对路面径流携带的固体颗粒的级配及水力特性进行了研究，并总 结了前人的研究结果，见表2 - 4 所示。 表2 - 4 重金属含量在不同粒径颗粒中的分配 金属 1 0 0 u m 1 0 0 1 0 0 0 “m z n9 6 4 p b9 0 2 9 8 c u9 8 4 1 6 c r 9 1 6 8 4 n i9 4 5 5 5 c d1 0 0 0 2 3 城市地表沉积物污染特性的研究 2 3 ，1 研究方法 目前，对城市地表沉积物污染特征的研究方法可分为如下两种： ( 1 ) 对城市地表上污染物直接取样测试，以确定污染物粒径的分布及污染潜力，代 表的研究有：1 9 7 2 年美国环保局对5 个城市的街道沉积物的调查研究、1 9 7 2 年s a i l o r 和 b o y d1 3 0 对美国几个城市的较大规模的调查研究。 ( 2 ) 在雨水排水口取样测试，以确定地表径流中污染物粒径的分布及污染潜力，代 表的研究为1 9 7 6 1 9 7 7 年美国密执安卅l 东南区议会【3 1 1 对密执安州东南地区的调查研究。 本项研究采用方法1 对西安道路路面沉积物进行采样分析，探讨路面沉积物的污染性 能。具体的方法为：晴天时，选取西安市南二环城市道路的自行车道、人行道和长安大学 校园内道路共3 处采样点，每处选2 m x l 5 m = 3 0 m 2 的采样点，采用人工清扫的方式收集其 地表沉积物样品，用浙江上虞市筛具研究所生产的孔径为0 0 7 4 m m 、o 2 5 m m 、o 5 m m 、 2 m m 、5 m m 的标准分离筛进行筛分称重，计算其颗粒级配，然后取一定量不同粒径的颗粒 分别溶于蒸馏水中，分析不同粒径颗粒的p b 、z n 和c o d 的含量，再将其折算成单位重量 颗粒所含污染物的量。p b 和z n 的分析方法为原子吸收分光光度法( g b 7 4 7 5 8 7 ) ，c o d 的分析方法为重铬酸钾法( g b l l 9 1 4 8 9 ) 。 9 2 3 2 实验结果及分析 ( 1 ) 颗粒级配 3 处采样点的颗粒级配实验结果见表2 5 及图2 3 。 表2 - 5 地表沉积物颗粒级配表 x 按径( m m ) 5 增点 、 南二环人行道1 3 4 43 6 4 31 1 4 2 1 6 4 0 5 9 11 5 4 0 南二环自行车道6 1 83 6 0 49 8 92 1 9 11 5 9 11 0 0 7 长安大学校园内 2 42 0 2 72 6 1 31 5 7 35 0 78 8 道路 图2 - 3 不同粒径颖粒重量百分比 测试结果表明： 粒径为2 m m 以上颗粒所占比例很小，长安大学校园内道路小于1 3 8 7 ，南二环人 行道和自行车道小于2 5 9 8 ( 重量百分比) 。 南二环人行道和自行车道颗粒粒径主要集中在o 0 7 4 2 m m 范围内。长安大学校园内 路面主要集中在0 5 m m 以下，可见城市道路沉积物以小粒径颗粒为主。 产生以上颗粒粒径分布的原因可能是： 取样方式直接影响着样品中不同粒径颗粒的含量。人工清扫取样取到小颗粒量的多 少受不同路面粗糙度的影响较大。 颗粒粒径的分布除受交通源的影响之外，尚受到日常路面清扫的方式、频率、路面 的粗糙度以及风速的影响。 校园内路面以小颗粒居优势的原因是由于水泥路面粗糙度小，取样易于取到细小的 颗粒，而较大颗粒在同常清扫中被去除。南二环人行道为不透水地砖，细小颗粒多被固定 1 0 在砖块之间的狭窄的细缝中，自行车道为沥青路面，粗糙度较大，难于取到细小颗粒。而 大颗粒则在日常清扫中被去除，所以样品以较小颗粒为主。 以上分析说明，引起城市地表径流污染的道路沉积物主要以粒径为2 r a m 以下的小颗 粒为主，日常清扫清除了可能引起城市地表径流污染的较大的颗粒。 ( 2 ) 不同粒径颗粒的重金属污染潜力 单位重量颗粒中铅、锌含量列入表2 - 6 及图2 - 4 图2 5 。 表2 - 6 及图2 - 4 的测试结果表明，路面沉积物中铅含量为：6 6 1 0 9 m g k g 。长安大学校 园内道路沉积物中铅含量最高，主要集中在5 m m 以下的颗粒中，南二环人行道和自行车 道沉积物中铅含量相近，主要集中在0 2 5 m m 以下的颗粒中，且随颗粒粒径地增大而逐渐 减少。 表2 - 6 及图2 5 的测试结果表明，路面沉积物中锌含量为：1 5 4 - 3 4 5 m g k g 。长安大学 校园内道路沉积物中锌含量最高，主要集中在5 m m 以下的颗粒中，南二环人行道和自行 车道沉积物中锌含量相近，主要集中在0 2 5 r a m 以下的颗粒中，且随颗粒粒径地增大而逐 渐减少。 表2 - 6城市地表沉积物中重金属铅、锌含量m g k g 地点 5 平均 南二环人行p b1 3 5 2 39 8 6 53 0 8 82 0 5 21 4 1 11 6 0 86 6 4 8 道z n3 6 5 6 41 8 3 5 51 2 3 8 11 0 0 7 57 3 2 22 0 7 21 5 4 3 5 南二环自行p b1 8 5 6 61 1 8 9 83 2 2 21 8 9 81 7 3 32 0 0 46 6 4 7 车道 z n4 0 0 5 52 0 2