（环境工程专业论文）重庆城市居民区不同下垫面降雨径流污染及其控制研究.pdf

摘要 重庆城市居民区不同下垫面降雨径流污染 及其控制研究 环境工程专业硕士研究生：郝丽岭 。指导教师：张进忠教授 王效科研究员 摘要 在点源污染得到有效控制后，城市降雨径流带来的非点源污染日益成为引发 城市水环境问题的主要原因。鉴于重庆城市降雨径流的污染现状，开展重庆城市 居民区不同下垫面降雨径流的污染特征研究，提出城市降雨径流污染的控制措 施，对于控制山地城市降雨径流污染、改善城市水环境质量都具有重要的意义 本文选取重庆市渝北区大竹林慈竹苑居民区2 个具有代表性的城市下垫面， 即路面和屋面，以集水区为研究单元，系统监测不同下垫面的降雨径流污染物， 比较和分析了居民区不同下垫面降雨径流的污染特征；模拟4 种不同材质的屋顶 ( 沥青屋顶、水泥屋顶、瓦屋顶和绿色屋顶) ，同步监测屋面降雨径流中的污染 物，考察了屋顶绿化对屋面径流污染物的削减效果。取得了如下的主要研究结 果： 1 监测了l o 次降雨事件路面径流中的污染物，分析了2 种材质路面径流的污 染特征。结果表明，沥青路面降雨径流总悬浮物( t s s ) 、化学需氧量 ( c o d ) 、总氮( t n ) 和总磷( t p ) 的e m c 均值分别为4 5 1 1 、1 6 9 3 、5 1 5 和 o 8 5m g l ，且场次间差异较大。水泥路面降雨径流t s s 、c o d 、t n 和1 1 p 均值分 别为2 7 1 8 5 、8 9 5 5 、6 9 1 和o 5 1m g l ，且场次间差异较大。在同时监测的3 次 降雨事件中，沥青路面径流中t s s 、c o d 和t p 的浓度明显高于水泥路面，分别 为水泥路面的2 0 5 、1 3 5 和1 2 7 倍；沥青路面污染物的初始浓度普遍高于水泥路 面，t s s 和t p 浓度最大值的出现时间滞后于水泥路面；沥青路面3 0 径流量与 此时径流污染物浓度之比的平均值( 踊o ) 分别为水泥路面的1 2 6 、1 0 7 和1 3 2 西南大学硕士学位论文 倍。沥青路面坑槽较多和成分复杂是导致其不同于水泥路面径流污染的重要原 因。如能加强城市路面卫生管理，能够拦截径流初期的3 0 流量，可以去除 3 0 7 0 的路面径流污染负荷。 2 监测了2 0 1 0 年雨季6 场降雨事件的屋面径流，分析了沥青屋面和瓦屋面径 流污染物的出流过程和初始冲刷现象，运用多元统计方法研究了降雨特征对径流 水质的影响。结果表明，c o d 和t n 是2 种材质屋面径流中的主要污染物。其 中，水泥屋面c o d 、t n 、t s s 、c u 和z n 的浓度明显高于瓦屋面，比瓦屋面分别 高1 6 3 、1 5 7 、1 1 5 、1 7 0 、1 6 5 和2 0 5 倍：水泥屋面的c o d 、t n 、t p 和t s s 浓度变化幄度均高于瓦屋面，它们的浓度峰值滞后或同步于最大雨强，而瓦屋面 c o d 、t n 、t p 和t s s 的浓度峰值提前或同步于最大雨强。瓦屋面各污染物晒。 的平均值都高于水泥屋面，沥青屋面各污染物( 除z n 、c d 外) 飓。的标准偏差 都高于瓦屋面。水质参数c o d 、t s s 、t n 、t p 、n h 4 + - n 、n 0 3 。n 、c u 、p b 、z n 和c d 浓度与降雨量、平均雨强、径流量和最大雨强之间呈负相关关系；溶解态 重金属c u 、p b 、z n 和c d 浓度与前期晴天数呈负相关关系，其余指标与晴天数呈 正相关关系。 3 绿色屋顶对地表径流有明显的削减作用，绿色屋顶形成的径流量仅为裸露 沥青屋顶径流量的2 8 4 ，大大减少了径流输出，缓解了山地洪峰压力。绿色屋 顶对污染物输出有一定的拦截作用，尽管某些污染物浓度高于裸露沥青屋顶，但 由于径流量明显减少，除t n 外其余污染物的输出量都有所削减。绿色屋顶对 c o d 、t s s 和t p 都有较好的截留去除效果，截留去除率分别为6 8 2 、9 4 8 和 7 4 2 。 关键词：城市居民区；降雨径流；下垫面；次降雨平均浓度；初始冲刷；径流污 染控制 i i a b s t r a c t s t u d y o nr u n o f fp o l l u t i o na n dc o n t r o lo fr a i n f a ua t d i f ! i f e r e n tu n d e r l y i n gs u r f a c e si nu r b a ni ：沁s i d e n t i a l a r e ao fc h o n g q i n g m a s t e rc a n d i d a t eo fe n v i r o m n e n t a le n g i n e e r i n g ：h a ol i l i n g s u p e r v i s o r ：p r o z h a n gj i l l z h o n g p r o w a n g x i a o k e a b s t r a 戍 u r b 觚s t o 锄一w a t e rr 毗1 0 f fi sr e f e 四e d 嬲n o n - p o i n ts 0 l 】r c ep o l l u t i o n r e s e a r c h e r s h a v ef o u n dt h a tt l l e1 0 a d 觚dc o n c e m r a t i o no fs u s p e n d e ds o l i d ，棚t r i e n t ，h e a v ym e t a l s a 1 1 d0 r g a l l i cp o l l u t 锄t sd i s c l l a r g e 丘o mu r b 撇s t 0 咖一w a ：t e rr u n o f j fa r el i i 曲c r 廿l 觚m a ti n l 瑚t r c a t e dp o l l u t e da n dr u r a l 甜e a s t h e c o 成吼i m m sm a yl e a dt 0d e t 耐o m t i o no f w a t e rq u a l i t ) ra n dd e 黟a d a t i o no fs t e 锄l l 蜀【b i t a t si nu r b a na r e 硒b u tt i l l1 1 0 w ，t l l e r ea r e f e w r e p o r t sd b o u tm n o 任p o l l u t i o na n d c o n t r o lo fr a i l l f 甜la td i 虢崩l t 眦d e d y i n gs u r f i a c c s i i l b a nr c s i d c n t i a la r c ao fc h o n g q 证g t h e 删e c t i v eo ft l l i s 咖d yw 觞t 0i n v e s t i g a t e 恤c h 锄c t e r i s t i co fs t o n i l w a t c r r u n o f r 丘o md i f f e r e n tu n d e d y i n gs u r f k e si i lar e s i d e n t i a la r e ac a l l e ds h u i 吐i u l 聊li l i y l l b e id i s t r i c to fc h o n g q i n g ，b c do nn 圮a r 试y s i so fm 萄o rp o l l u _ c a i l t s 舶ms t c 恤- w l t e r r u 圮h y 曲) 卿l l sa i l dp o l l u t o g r a p h sa 1 1 a l y s i s ，c o r r e l a t i o na n a l y s i sb e 觚e e nw a t e r q u a l i 够p a r 锄e t e r s ，a i l df i j s tf l l l s hp 晒l o m e n o n 趾a l y s i s a tl a 瓯m ee f f e c to fm e m n o f r p o l l u t i o nc o m p a r e d 试t l l 黟e e nr o o f 觚do m e r3r o o f s 丽md i 仃e r e n tm a t e r i a l si s 螈l d i e d n l em 萄o rc o n c l l l s i o n sa r e 笛f o l l o w s ： 1 t h er e ! m i t ss h o w i e dm a tt h ee v e n t - m e 趾c o n c e n t m t i o n so ft o t a ls u s p e n d e d s u b s t a r 赋s ( t s s ) ，c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d ) t o t a li l i 仃0 9 e n 洲) 锄dt o t a l p h i ) s p h o r u s ( ，r p ) 舶mt h en l n o i j f0 n 舔p h a l tp a v e m e n t 访e r e4 5 1 1m g l ，1 6 9 3m g l ， 5 1 5m g l ，0 8 5m g l ，硒w e l l 笛2 7 1 8 5m g l ，8 9 5 5m g l ，6 9 1m g l ，o 5 1m g l r e 洲i v e l yo nc o n c r e t ep a v e m e n t n ec o n c e i l 觚i o l l so ft s s ，c o d 觚d1 1 p 舶mm e r u n o f f o n 邪p h a l tp a v e n l e n t w t i r e2 0 5 ，1 3 5 锄d1 2 7 血n e sl l i 曲e rm a nt h a t0 nc o n c r e t e p a v 锄：砌m s p e c t i v e l yw h e ns 锄叩l e sw e r cc o l l e c t e da t 也e 船m e 缸e 舶mm e i 西南大学硕士学位论文 r o a d si i l3r a j l l f i l l lc v e n t s t h ei i l i t i a lc o n c e 砷f a t i o n so fp o l l u t a n t so n 舔p h a l tp a v e m e n t w e r el l i g h e rn l 趾t l l o s eo nc 0 n c 】哦ep a v e m e n t ，a i l dm em a ) 【i 砌珊c o n c e n 仃a t i o n so ft s s 觚dt po n 嬲p h a l tp a v e m e n ta p p e a r e dl a t e r 也a nt l l o s eo nc o n c r e t ep a v e m e n t m e a v e r a g ev a l u e so f 也er a t i o so f3 0 r u n o f fa m o m tt 0 廿l ec o n c e n t r a t i o no f t h ep o l l u t a n t i i lr u i l o f r 晖乃o ) 0 n 懿p h a l tp a v c m e n tw e r c1 2 6 ，1 0 7 肌d1 3 2t i m e st i l a _ to nc o n c r e t c p a v 锄毗陀s p e c t i v e l y d i 仃e r e n c e si n 彻m b e ro fd e n t sa 1 1 dc h e m i c a lc o m 】砷s i t i o i l so f t h ep a v 即1 e n t sw e r ct t l et w o 坷o rc a u s e sf o r 也ed i f f e r e n c c so f 硼o f fp o l l u t i o n t 0 i m p r 0 v es 吮e ts w e 印i n gp r a c t i c ei sf i r s t l yi m p l e m e n t e d 觞t h ei n ( ) s te f _ f e c t i v em e a s u r e t 0 r e d l l c i i 培t h eu r b a ns t o r m w a l e rm o f fp o l l u t i o n l o a d si i lr e s i d e n t i a la r e 硒s t o r a g eo f i c 6 r s t3 0 r u n o f f 蠡d r 蛐e n tc o u l dr e d u c e3 0 哆扣7 0 o ft h et o t a ls u s p e n d e ds o l i d sl o a d i 1 1c o m b i n e dn o w 2 b yi n v e s t i g a t i n gs u r f a c er u n o f f f i 0 mu r b a l lr o o f si nc h o n g q i n g ，w e 觞s e s s e dm e v a r i a t i o 嬲o fp o l l u t a r i t sc o n c e n 臼嘶o i i smn 圮n m o f fa n d l ef i r s tn u s hp h e n o m e n o no f 也ec o n c r e 钯r o o f 觚dt i l er o o ea n da u l a l y z e d 恤e 虢c to fr a j n 伽c h a r a c t e r i s t i c s0 n 姗o f f 咖q u a l n yu s i n gm u l t i v a r i a ：t es 诅t i s t i c a la i l a l y s i s 1 1 l er e s u h si i l d i c a t i e dn l a t c o da n dt n i i l 廿l e 姗0 f fo nb o t l lk i n d sr 0 0 fw e r eo fh i g l lc o n c e n 位l t i o n s t h e c o n c e n m l t i o n s 酊c o d ，1 n ，t s s ，c ua n dz n0 nt 1 1 ec o n c r e t er o o fw e r es i g i l i f i c a n t l y l l i 曲e r 姗t l l o s eo nm et i l er o o a n dw e r e1 6 3 ，1 5 7 ，1 1 5 ，1 7 0 ，1 6 5a n d2 0 5t h e s l l i 曲盱，r e s p e c t i v e l y o nt l l ec o n c r e t er o o 协ec o d ，t n ，1 1 pa n dt s s c o n c e n t r a t i o i l s c h 趾培e dm o g r e a t l yt h a nm et i l er o o 钺l dm ep e a k sw e r eb e m n do rs y n c h r o n o u s 、】l ，i m 1 ep e a l 【o fn l ei n a ) 【i i i n nr a i l l 眺li n t e n s i 够m e a 聃杜l e ，t h ec o d ，t n ，t pa n dt s s c o n c e 劬呲i o n sp e a ：k so nt h et i l er o o f w e r e 如e a do f o rs y n c h r o n o u s 晰m 缸圮p e a ko f m e m 觚i n l u mr a i 删l 缸e n s i 锣i ka v e r a g e 踢oo fa l ln l ep o l l l l 切n t so nt 量l ct i l er o o fw 雒 l l i 曲c r 嫩m cc o n c r e t cr o o o nm ec o n c r e t er o o e x c e p tf b rz n 锄dc d ，m e 矾oo f e a c hp o l l u _ t a n to fs t a n d a r dd e v i a t i o ns h o w e dl a r g e rv a r i a t i o nt l l a i lt i l er o o t h ev a l u e so f e m c sw c g a t i v e l yc o n e la t i e d 晰mp r c c i p i t a t i o l l ，n m o 行v o l 岫e 肌dr a i l l 烈l i n t 饥s 时t h ec o n c e 腑a t i o 璐o fd i s s o l v e dh e a _ 、，) ，m e t a l sw e r em g a t i v e l yc o 盯e l a t e d 晰m t b ed d rw 翩r m c rd 印o s i t s ，b u tt h ec o n c e n t r a ：t i o n so fm eo 也e rp o l l u t a n t ss h o w e dp o s i t i v e c 0 仃e l a t i o n 诵n it 1 1 ed 搿砌e r d e p o s i t s 3 c o i n l 豫r e dw i t l lt h eb a r ea s p h a l l tr o o g r e e nr o o fl l a so b v i o u si n t c r c e p t i o ne f ! f c c t t 0r 撕lr u 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繁发生，水环境污染与水资源紧缺问题日益严重。因此，如何改善和保护城市水 环境逐渐成为人们关注的热点问题。 自2 0 世纪8 0 年代，我国陆续在北京、西安、上海和广州等大城市开展了城 市降雨径流污染研究。但是，由于经济发展不平衡、缺乏资金和技术力量的大量 投入，使得城市降雨径流污染研究范围比较狭小，深度也有所欠缺。总体来说， 我国城市降雨径流污染研究还处于初级阶段，所取得成果还不能充分指导城市降 雨径流污染的预防和控制工作。 1 1 城市降雨径流污染概述 1 1 1 城市降雨径流污染的定义及特征 城市降雨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( 如 街道、商业区、居民区和停车场等) ，聚集了城市地表的一系列污染物质( 如 氮、磷、重金属和有机物质等) ，通过排水系统进入水体而造成受纳水体的非点 源污染1 1 一。 城市降雨径流属于非点源污染，具有非点源污染的特征。一般认为，城市降 雨径流污染主要有以下特点： ( 1 ) 污染主要发生在与气象事件密切相关的间歇时段，以扩散方式进入水 体，即污染物的来源和排放点不固定，排放具有间歇性，发生具有随机性。因为 城市降雨径流污染主要受降雨及其形成径流过程的影响和支配，而降雨径流具有 随机性，由此产生的径流污染也具有随机性o ( 2 ) 城市降雨径流污染的范围与不可控的气候事件和地质地理条件相关， 污染负荷的时间( 降雨径流过程、不同年份和年内不同季节) 和空间( 不同地 点) 变化幅度大。 两南大学硕士学何论文 ( 3 ) 城市降雨径流污染监测、模拟与控制的困难性。与点源污染比较，城 市降雨径流污染监测更为困难、复杂和昂贵，污染过程在地面进行而不是在水 中，无法用排放标准进行限制。 1 1 2 城市降雨径流污染物来源 城市降雨径流污染物的组分和污染程度与城市化程度、空气污染程度、土地 利用特征、人口密度和交通状况等因素相关。城市降雨径流污染物主要来源于如 下3 个方面： ( 1 ) 城市地表 城市降雨径流中的污染物主要来自降雨对地表的冲刷，所以地表沉积物是城 市地表径流污染物主要来源。沉积物的组成很大程度上决定着地表径流污染的性 质。城市地表包括不透水面和透水地面，不透水面主要有建筑物、广场和道路 等，透水地表主要有公园和绿地等。各种污染物以不同形式和方式在路面、屋顶 和绿地等不同城市下垫面累积，污染物主要来自筑路材料磨损颗粒、轮胎磨损颗 粒、：汽车泄漏的汽油和排放的尾气、屋面材质磨损物、行人丢弃的废物、庭院和 广场产生的碎屑等【3 j 。 城市道路作为主要的城市地表之一，城市路面径流中的污染物通常包括可溶 的和不可溶的固体物质、金属、有机物等。赵剑强等【4 】监测了西安市城市路面径 流水质，发现该市路面径流污染物浓度较大，在径流初期污染物的浓度最高，其 中c o d 、t s s 和石油类分别高达1 2 3 0 、2 2 8 8 和1 6 1m g l 。车武掣5 】研究了北京 市城区的路面降雨径流污染，同样得出初期径流污染物浓度较大，且污染物浓度 随降雨历时延长会明显下降的结论。g r 0 i i 试r c 等【6 】监测了法国城市居民区路面径 流污染物，与建筑屋面比较，路面是径流中有机污染物和悬浮固体的主要来源； 占城市地表降雨径流2 3 的路面径流对整个地表径流中c o d 和s s 的贡献率在 4 0 7 0 。 庭院和屋面在城市下垫面中占有很大比例，且大多数不透水。德国f o r s t e r i 7 】 研究了季节和空间对屋面径流中大离子和痕量有机污染物的影响，发现屋面材质 和当地的污染源决定了屋面径流中大离子污染物( 如c r 、c a 和n h 。+ 等) 的含 量；冬季降雨径流中有机污染物( 如a o x s 和p a h s 等) 的浓度要高于夏季，主 要是因为冬季取暖增加了煤炭的消耗，煤炭的不完全燃烧是产生有机污染物的主 要原因。我国车武等【8 】研究发现屋面径流的主要污染物是c o d 和s s ，而t n 、 t p 、重金属和无机盐等污染物的浓度较低。李贺等【9 】监测发现，上海市沥青屋面 2 第一章文献综述 水质比瓦屋面和混凝土屋面的水质差，主要是由于沥青的成分比较复杂，在长时 间高温暴晒下易老化而发生分解。 ( 2 ) 降水 降水过程淋洗空气中的污染物是降水对城市径流的主要贡献。大气沉降不仅 包括降雨、降雪和降雾等湿沉降，还包括颗粒物的干沉降。最为典型的是上世纪 欧洲普遍存在的酸雨，降雨可冲刷大气中的硫酸盐和硝酸盐等酸性物质而导致雨 水的p h 下降。研究表明，大气沉降也明显影响降雨径流的水质。研究发现，瑞 典降雨径流中7 0 的总氮、2 5 的磷和2 0 的有机物来自于大气【1 0 1 。 ( 3 ) 排水系统 研究表明，雨污合流制排水系统中的径流污染比分流制排水系统中严重【1 1 ， 1 3 1 。全年降雨径流中，合流制排水系统中总悬浮颗粒物的平均浓度( 1 6 叫6 0 m g l ) 为分流制排水系统中平均浓度( 9 0 2 7 0m g l ) 的1 5 倍多；合流制排水系 统中的悬浮固体沉降速度要低于分流制中悬浮固体的沉降速度。此外，排水系统 中的沉积物不仅是径流中固体悬浮物的主要来源，也是c o d 的主要来源。 1 1 3 城市降雨径流污染分类 按城市下垫面类型，城市降雨径流污染一般可分为路面径流污染、屋面降雨 径流污染和绿地径流污染。 ( 1 ) 城市路面径流污染 路面径流污染是城市降雨径流污染的主要形式。路面累积的污染物在雨水的 冲刷下进入路面径流，对城市水环境产生威胁。路面径流水质的影响因素包括降 雨特性( 前期晴天小时数、累积降雨量、降雨强度和降雨历时等) 、路面特性 ( 交通流量、清扫频率和路面材质等) 和环境特性( 季节变化、大气污染状况及 其时空变化等) 城市暴雨地表径流水质特征取决于累积与冲刷2 个过程，其中 干期长度、路面清扫状况等都会影响路面径流中污染物的累积，降雨特征影响路 面径流污染物的冲刷。 ( 2 ) 屋面降雨径流污染 屋面降雨径流为大气干、湿沉降的主要载体，在城市中占的面积比较大，也 是城市非点源污染的重要组成部分。屋面径流污染物的来源复杂多样，其浓度存 在很大的变化性和不确定性，其来源主要包括大气的干湿沉降、屋面材料的磨损 物和屋面径流排水管道沉积物等【1 4 1 。屋面径流的影响因素有降雨特性、屋面材质 和气温等，其中屋面材质是最关键的影响因素【1 5 j 。 ( 3 ) 绿地降雨径流污染 3 西南大学硕士学位论文 绿地是城市下垫面的主要类型之一，从其透水性和功能来看似乎不会产生污 染。但是，在我国厦门、澳门和美国等地的研究发现，绿地径流中的一些污染物 浓度超过了国家地表水环境质量中的v 类水质标准，如c o d 、t p 和t n 等，其中澳 门绿地降雨径流中c o d 的场次降雨平均浓度( e m c ) 为v 类水质标准的4 倍多， 比路面和屋面降雨径流中的浓度高，可见其污染不容忽丰见【1 6 。1 引。这些指标超标的 原因可能与城市绿地施肥、喷洒农药和泊车等因素有关【1 9 1 。 1 1 4 城市降雨径流污染的形成过程 一次城市降雨径流污染的形成一般包括3 个过程，即地表沉积物的累积、冲 刷和输送。污染物在晴天积累、雨天排放，地表沉积物和大气降尘在雨水的淋洗 和冲刷作用下，通过径流进入排水系统最后进入城市水体，最终导致城市水环境 质量的恶化。 ( 1 ) 地表污染物的累积过程 基于“晴天时污染物质在地表累积，雨天时随降雨形成地表径流，部分污染 物随径流被冲刷进入排水系统 的概念，国外建立了各种累积与冲刷模型。结果 表明，污染物的累积过程发生在两次降雨事件之间，在降雨后最初几天的累积速 率最大，随后逐渐减小。地表污染物的累积过程受土地利用类型、大气降尘、人 口密度和交通状况等因素影响。路面污染物还与周围地区的地质条件和工业类型 有关，主要来自汽车轮胎碎屑、汽车排放尾气产生的颗粒、通过大气传输的附近 土壤和粉尘等。建筑屋面上沉积物主要来自屋面材料老化分解产生的析出物和大 气干沉降【2 0 】。 ( 2 ) 地表污染物的冲刷过程 一次降雨过程中，累积于地表的部分或全部污染物在径流过程中被冲刷掉， 随后地表将再次以该场降雨结束时残留于地表的污染物作为起始值，开始下一次 降雨前的累积。地表污染物质的冲刷过程与污染物的性质和形态有关，如不溶性 与可溶性物质的冲刷过程不同，不同颗粒大小的悬浮物冲刷过程不同。此外，与 地面的透水性能也有关系，因为不同下垫面的地表径流流速和水深的不同直接影 响冲刷污染物的能力。一旦产生地表径流，首先被冲刷的是不透水面上的可溶性 污染物。对于不溶性污染物，只有当降雨强度和地表径流流速足够大时才能运 动；当径流流速超过固体颗粒物的起动流速时；这些固体颗粒才开始运动，吸附 在颗粒上的污染物也随之运动。颗粒的大小不同，其运动方式也有差异，一般较 小的颗粒形成悬移质，较大的颗粒沿地面移动形成推移质，而介于二者之间的可 沉降颗粒则进行跳跃式运动。虽然不同地表污染物的运动方式不同，但最后都将 4 第一章文献综述 随地表径流进入雨水口，继而通过管道进入水体。在透水性区域表面( 如草坪和 花坛等) ，由于降雨大部分入渗到土壤中，使得部分不溶性和可溶性污染物吸附 在当地表层土壤颗粒上，也有部分污染物可能随渗流进入地下水系统。当雨强超 过土壤下渗能力并且形成地表径流时，也与不透水性地表一样，降雨径流中同样 携带一些可溶性和不溶性污染物进入雨水排放口1 2 。 ( 3 ) 污染物的输送过程 降雨径流冲刷和携带城市地表的污染物，因此污染物的输送是随着地表径流 的流动而迁移的，径流迁移的过程同时也是污染物输送的过程。现代的雨水管道 通常以快速排放径流为目的，径流以最快的速度、最简捷的途径汇集后进入雨水 口管道。屋面降雨径流一般通过安装雨落管后排放至地表，再与路面、空地和绿 地等降雨径流汇合，最后进入排水系统或通过明暗渠直接进入受纳水体。城市路 面径流流至道路边的边沟汇集，然后经雨水排放口进入下水道系统，再通过排水 管网进入受纳水体。没有进入排水管网的径流一般是漫流至低洼处或者明暗沟后 再排出。如果这些污染物未经拦截和处理，直接随径流进入受纳水体，将对受纳 水体造成严重的污染t z 2 j 。 1 2 城市降雨径流污染的研究现状 2 0 世纪7 0 年代初，美国最先开始研究城市降雨径流污染。随后。日本、德 国和法国等发达国家根据本国降雨径流的实际情况也展开了相关研究。从降雨径 流污染的研究内容来看，主要包括3 个方面，分别为城市降雨径流时空排放特 征、模型开发及污染控制与治理。 1 2 1 城市降雨径流污染的排放特征 城市降雨径流污染的排放具有明显的时间特征。在长期内城市降雨径流污染 的排放特征为晴天积累、雨天排放。在短期内( 次降雨) 城市降雨径流的污染过 程和负荷过程随着降雨特征和城市地表污染物累积情况的不同而表现出随机变 化，这种变化不仅仅表现为不同场次间降雨径流中的污染物浓度不同，而且在同 一场降雨事件中，污染物浓度和负荷排放也随着降雨历时的变化而变化。 ( 1 ) 城市地表径流污染排放的季节特征 l e e 等】通过对美国加州3 个城市地表径流污染3 年的监测，发现降雨的季 节分布对城市地表径流污染物的输出具有重要的影响作用，地表径流污染物的输 出具有明显的季节特征。加州呈现地中海式气候，全年降雨主要集中在冬季和春 季，夏季干旱少雨，在雨季来临前地表污染物存在一个很长的积累期，在雨季的 两南大学硕士学位论文 前几场降雨中，地表径流污染物的浓度是雨季末期的1 2 2 0 倍；雨季初期 2 0 3 0 的径流冲刷、携带了全年径流污染负荷的2 9 3 9 。季节性初期冲刷最强 的污染物是t o c ，2 0 3 0 的径流冲刷携带了3 9 的t o c 负荷。 城市径流污染的季节性冲刷与降雨的季节性分布有关。另一方面，雨季前污 染物的累积期长也是其发生的原因。雨前干燥期，即两次降雨的间隔时间，不仅 对雨季的前几场降雨径流污染有重要影响，而且在雨季中对周期性降雨引起的径 流污染也有影响。两次降雨间隔时间是反映地表污染物累积程度的指标之一阱。 2 6 1 。因此，两次降雨间隔时间同径流污染程度存在一定的相关关系。不同城市的 地表卫生管理措施与水平不同，两次降雨的间隔时间对径流污染的影响程度不 同。另外，不同城市由于所处的地理位置和气候不同，降雨特征不同，两次降雨 间隔时间与径流污染的关系也不同。以美国e p a 开发的s w m m ( s t o mw a t e r m a n a g e m e n tm o d e l ，s w m m ) 为代表的一些模型将两次降雨间隔时间作为最主要 的参数，而英国的m o s q i t o 模型则认为两次降雨间隔时间对径流污染没有明显 的影响，认为降雨量是影响地表径流污染的主要因素1 2 。可见，在不同的气候区 晴天累积与降雨特征对径流污染的耦合作用不同。因此，不同区域由于降雨特征 的不同，一年中产生地表径流污染的关键性降雨不同。 ( 2 ) 次降雨城市径流污染的排放特征 在一次降雨径流过程中，污染物排放速率与浓度变化一直是城市地表径流污 染研究的重要内容。城市地表降雨径流污染产生的特点之一是城市中存在大量的 不透水地表，其水文效应比较敏感，累积在不透水地表上的污染物容易被降雨径 流冲刷，所以城市地表径流污染具有明显的排放特征，即前期地表径流中的污染 物浓度高于后期，这一现象被称为初期冲刷【2 8 ，捌。研究初期冲刷在实际工程应用 中有很大的价值。但初期冲刷受多种因素的影响，如降雨强度、污染物种类、地 表污染物的累积程度、流域面积、雨前干旱天数和不透水地表面积等，而这些因 素又多为随机因素【3 0 1 。初期冲刷是一个较复杂的现象，它的定义分为定性和定量 两种。以累积流量比为横轴，累积污染物质量比为纵轴作图，得到一条径流累积 曲线。当累积曲线高于平分线时，即可认为存在初期冲刷，这种定性的描述又称 为偏离定义。偏离定义比较简单，也易于判断是否存在该现象。但这种判断缺乏 定量数据，在径流治理中的应用比较困难。另外，以一部分前期累积径流量携带 的污染物比例进行定量描述，当携带污染物量超过一设定值时即认为存在初期冲 刷。由于初期冲刷比较复杂，许多学者都提出了自己的定义且不尽相同。1 9 9 3 年，w a l l i e l i s t a 等【3 0 】定义初期冲刷为一次降雨径流过程中占总径流量2 5 的初期 径流携带了5 0 的污染物总量。1 9 9 8 年，d e l 以c 的定义比较宽松，认为当初期 6 第一章文献综述 2 0 的流量携带2 0 的污染物时，即发生了初期冲刷【3 l 】。同年，法国学者 b 绷m n d 提出了一个更为严格的定义，只有当3 0 的初期流量携带8 0 的污染物 时，才存在初期冲刷，又称3 0 8 0 的初期冲刷p z j 。 总之，城市地表径流污染输出是一个复杂的过程，影响因素多且随机性强， 很难建立污染物的输出与其影响因素之间的通用关系。但这并不否定初期冲刷在 污染治理中的应用价值。在治理城市地表径流污染时，宏观上要考虑当地的气候 特征和治理流域的特征，微观上必须考虑降雨特征对径流污染负荷输出过程的影 响。在气候特征和流域特征一定时，治理城市降雨径流污染应该考虑降雨特征对 径流污染输出过程的影响、初期冲刷的程度和频率，将之应用于径流污染的治理 中，使治理措施有最好的费效比。 1 2 - 2 城市降雨径流污染模型 在迸行城市降雨径流污染的量化研究和影响评价时，最直接有效的方法是建 立模型，进行时间和空间序列上的模拟描述。数学模型不仅可以模拟降雨径流污 染的形成、迁移和转化，还可为城市降雨径流的控制和管理的定量化提供有效的 技术手段。降雨径流污染模型是通过对较大范围内发生的复杂污染过程进行定量 描述，为分析污染产生的时空特征、识别其主要来源和迁移路径、估算污染负荷 及其对受纳水体的影响提供指导，还可以评估不同的管理和控制措施对水体和水 质的影响，为整个区域规划和管理提供决策依据。国外在研究径流污染模型方面 取得了很大成就，主要有简单模型、概率模型和机理模型。 简单的污染负荷预测模型主要包括输出系数法( e x p o r tc o e f f i c i e n t s ) 【3 3 1 、平 均浓度法( e v e n tm e 孤c o n c e n 蹴i o i l s ) 瞰】和根据监测资料建立的回归预测模型 i ”】。这些模型主要用来估算和预测污染负荷，由于所需资料较少，被广泛应用于 大范围降雨径流污染的控制与管理。 另一类是机理相对比较复杂的模型。国外许多学者根据降雨径流分布式模 型，研究城市降雨径流的污染负荷及其控制管理，建立了一系列的数学模型，而 且广泛应用于排水管道体系的规划、设计和管理【3 6 】。其中，著名的模型有美国环 保总局的暴雨管理模型( s t 0 眦m 撇g c m e n tm o d e l ，s w m m ) 、由美国陆军 工程师兵团水文学中心研发的暴雨径流模型( s t o r a g ct r e a ：n 1 1 锄to v e r n o wr l u l o f f m o d c l s t o r m ) 。这些模型不仅可实现对整个降雨径流的水量模拟，还可较为 准确地模拟径流水质，并对受纳水体的污染程度进行费用效益分析。 s w m m 是1 9 7 1 年由美国环保署最早提出，也是在暴雨和城市排水系统中模 拟水质水量应用最为广泛的模型之一。s 帅嗄m 对雨水管道、合流制管道和自然 西南大学硕十学位论文 排放系统都可以进行水质水量的模拟，包括5 大计算模块( 径流、输送、扩充输 送、贮水处理和受纳水体) 和服务模块( 执行、联合、绘图、统计和运行等) ， 各模块间相对独立。s w m m 可对广泛的城市水文及水质过程进行模拟，包括降 雨、融雪、壤中流、地表径流、流量计算、蓄水和水处理等。因为s w m m 不仅 对数据输入时间间隔可以是任意的，输出的结果也可以是任意的整数步长( 但是 扩充输送模块的步长受条件的限制) ，而且不限制计算区域的面积大小，所以它 是一个通用性很好的模型，不仅适用于市区，而且适用于非市区；不仅可对单场 降雨模拟，还可对连续降雨进行模拟；不仅可以模拟真实降雨，而且可以根据预 报雨量和方案数据进行预测模拟。因此，s w m m 不仅是设计模型，也是规划模 型和运行模型。 为了综合治理合流制污染问题，美国水文工程中心开发了s t o r m ( 贮存、 处理、溢流和径流模型) ，该模型可预测市区的降雨、径流和水质变化过程，还 可绘制径流中简单的水量图和污染图( 浓度时间) 。它利用单位径流系数计算每 小时的径流深度，并恢复每次降雨直接的贮存能力。当径流通过处理装置并达到 它的负荷时，就会被输送到贮存单元。如果处理和贮存能力都达到饱和，就会产 生溢流，并进入受纳水体中，该模型就是对这种合流制溢流问题的模拟。对于污 染物可一次模拟6 个参数( 氮、磷、悬浮固体、b o d 、总大肠杆菌和沉淀物) 。 在应用s t o i m i 进行水质模拟时，一般假设处理设备的去除率为1 0 0 ，即受纳 水体的负荷不包括通过处理设备的那部分水量，贮存设备内不包括处理部分。因 为s t o r m 仅是对水量和水质的简单模拟，与其它模型相比，需要的数据较少。 s t o i 洲是建立在对连续降雨事件模拟的基础上，数据要求不高，所以测量不够 精确，与其它模型相比，水质和水量的预测浮动不大。s t o i 的水质模拟来源 于s w m m 的最原始的水质程序，甚至无任何变化，一旦输入每小时沉淀物的数 量后，就很难处理每1 5n 洫的水质情况或任意时段的雨量分布情况。因此， s t o r m 只应用于设计，尤其是应用于评价合流制控制方法处理、贮存等之间的 关系，以选择最佳措施。 ， 近年来，无论是简单模型，还是复杂的机理模型，都广泛应用于降雨径流污 染的模拟。由于径流污染过程和流域生态过程的复杂性，模型仅能利用参数变量 对其进行简单的表达，导致了模型的不确定性。这是目前模型应用研究中需要解 决的热点和难点问题。 8 第一章文献综述 1 2 3 城市降雨径流污染控制措施 国际上开展城市降雨径流污染控制研究达数十年，特别是欧美国家的研究比 较全面。但是，由于城市降雨径流污染的复杂性和随机性，控制十分困难，至今 污染控制措施还处于不断发展和完善之中，其经济效益分析和机理研究也在不断 深入。最佳管理措施( b e s tm a r 均- g c n l e n tp r a c ：石c e s ，b m p s ) 是减少或防止包括城市 降雨径流污染等所有非点源污染最有效和最实际的措施。1 9 9 9 年，美国环保署把 b m p s 定义为：“任何能够减少或预防水体污染的方法、措施或操作程序，包括 非工程、工程措施的操作和维护程序一。因其高效、经济和符合生态学原则，在 非点