（环境科学专业论文）兰州市区地表径流污染初探.pdf

a b s 仃a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o n ，t h ep o l l u t i o no fu r b a ns u r f a c er u n o f fh a s r e c e n t l y9 0 tm u c hu r g e n ta t t e n t i o n t h er e s e a r c ho v e r s e a sh a ss h o w e dt h a tt h eu r b a n s u r f a c er u n o f fh a sp l a y e da l li m p o r t a n tr o l eo ns u r f a c ew a t e rp o l l u t i o n a f t e rt h e e f f e c t i v ec o n t r o l l i n go ft h ep o i n ts o u r c e sp o l l u t i o n ，t h es i g n i f i c a n c eo ft h i si m p a c t w i l lb em o r eo b v i o n s ， u r b a ns u r f a c er u n o f f ，o n eo ft h ei m p o r t a n tc o n s t i t u t i o n so ft h en o n - p o i n ts o u r c e h a sb e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s a f t e rs u m m a r y i n gs o m ed o m e s t i ca n do v e r s e a s s t u d i e s ，t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ec o n c e p ta n dc h a r a c t e r so fu r b a ns u r f a c er u n o f f e s t i m a t i n gr u n o f fi sak e ys t e pt oc a l c u l a t ep o l l u t a n tl o a d s r u n o f fc u r v en u m b e r m e t h o d ，a 1 1e m p i r i c a lm o d e lt oe s t i m a t et h er u n o f f ，w h i c hw a sd e v e l o p e db yu s d a s c sw a su s e di nt h i st h e s i st oe s t i m a t et h er u n o f f o f d i f f e r e n t l yc o v e r e du n i tp l o t s b y m o n i t o r i n go i lt h es p o t s ，i ta n a l y z e dt h es i t u a t i o no ft h ew a t e rp o l l u t i o nc a u s e db y u r b a ns u r f a c er u n o f fi nl a n z h o u i ta n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i p so ft h ev a r i e t i e so f p o l l u t a n t s a n dt h ev a r i a t i o no fp o l l u t a n tc o n c e n l x a t i o nw i t lf a c t o r s c o n c e n t r a t i o n m e t h o dw a su s e df o re a t i m a t i n gt h es u r f a c er u n o f fl o a d s i ta l s op r o v i d e ds o m e e f f e c t i v em e t h o d st om a n a g ea n dc o n t r o ln m o f f t h i ss t u d yr e s u l t sc a r lp r o v i ds o m ef o u n d a t i o n a lm a t e r i a la n dm e t h o d st o r e n v i r o n m e n t a la d m i n i s 仃a t i o nt oc o n t r o ls u r f a c er u n o f fp o l l u t i o na n dp r o t e c to u r e n v i r o n m e n tm o r ee f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：s u r f a c er u n o f f ；p o l l u t i o nl o a d ；c o n t r o lm e a s u r e s ；l a n z h o u 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 扳l 一 日 期：尘生j 斗 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：猛亟导师签名 兰州土学硕士学位论文 兰州市区地表桎流污染初操 第一章绪论 1 1问题的提出 人类赖以生存的水环境不断遭受污染是当前世界上普遍存在的问题。就水环 境污染而言，过去全球人口少且分散，人类活动能力较弱，当时人们排放的有机 物和无机物不仅数量少，而且大都是易降解物质，故水环境可依靠自身净化能力 降解和同化这些污染物。但是，随着人口的增加，城市化进程的加速，人类活动 能力大幅度加强，现在排放的污染物不仅数量远远超过自然水体的自净容量，而 且大多是难降解、难同化的物质。城市大量未经处理或处理不充分的废水排入受 纳水体，引起了不同程度的水质污染，许多国家为此耗费大量资金，采用各种技 术以减少污水的排放，取得了一定效益。 1 9 7 2 年，美国国会通过了水污染法案，规定1 9 8 5 年污水达到“零排放”， 要求排入江河的污水必须经过处理，使水质达到当地地表水原有水质标准，不得 增加江河的污染物荷载，期望以此达到完全控制水体污染，然而实际上并没能达 到目标“3 。这是因为过去人们只考虑到工业废水和生活污水等点污染源对水体造 成的污染，没有认识到降雨径流这种面污染源携带地表上各种累积物对水体造成 的影响。据国外有关资料报道。1 ，在一些污水( 点源) 己作二级处理的城市，受纳 水体中b o o 年负荷的4 0 一8 0 来自降雨产生的径流( 即面源) ，在强暴雨期， 9 4 一9 5 的b o d 直接来自路面径流。据美国国家水质委员会在上世纪8 0 年代初 预计，城市径流带入水体的b o d 量约相当于城市污水经处理后的b o o 排放总量， 而且1 2 9 种重点污染物中约有5 0 在城市径流中出现“。美国的b p a 在1 9 9 0 年 公布了不同污染源( 如农业、工业、城市污水等) 对河流污染( 包括化学毒物、沉 积物、营养物等) 的贡献比，其中城市雨水径流占了9 ，随后e p a 把城市地表径 流列为导致全美河流湖泊污染的第3 大污染源“。因此，认为一味强调提高点污 染的控制水平而忽略面污染，特别是城市径流污染，并不能完全控制水体水质。 长期以来，我国面临着极其严重的工业废水和城市污水的污染问题，防治任 务艰巨，所以，政府将主要精力放莓了点源污染控制方面，对于面源污染，工作 重点主要是针对农耕区水土流失等面源污染问题“3 ，对于城市地表径流污染尚未 给予足够的重视，开展这方面的研究也较少。然而，我国近年来通过对滇池污染、 太湖污染、淮河流域污染等重大河流湖泊污染问题的调查、治理，已深刻体会到 兰州土学硕士学位论文 兰州市区地表径流污霉初探 面源污染的危害，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 。另据初步估算，城区雨水径流污染占水 体污染负荷的比例，目前在北京和上海约占1 0 左右。北京申奥、上海申博的成 功加速了排水工程和污水处理厂的建设速度，到2 0 1 0 年规划实施后，城市雨水 径流污染负荷的比例，北京将上升到1 2 以上，上海将上升至2 0 左右( 对中心建 成区水体会超过5 0 ) 。 对兰州市区面源污染仅有的研究是，史复有“5 1 根据省监测站1 9 8 1 年至1 9 8 5 年对黄河兰州段中山桥段面各水期c o d 浓度监测资料，发现河水中的含沙量与其 污染程度关系密切，凡是c o d 浓度高时，都出现在降雨之后，此时河水流量大， 含沙量也大。究其原因是由于降雨形成地表径流，降雨冲刷的泥土随地表径流流 到河中，而泥土周围吸附着各种污染物，其中主要是有机物，因此，降雨后既使 河水流量增大，又使河水中的含沙量增大，c o d 浓度增高。例如，中山桥断面1 9 8 5 年监测资料，河水枯水期的c o d 平均浓度为2 3 9 m g 1 ，而丰水期的c o d 平均浓 度为9 7 8 m g l 。该工作仅是对受纳水体的水质变化进行简单统计分析，没有对 城市地表径流污染的过程、污染特征等进行深入研究。随着兰州市工业废水和城 市污水控制治理水平的提高，城区地表径流污染治理的迫切性将日益突出。 1 2 兰州市区自然环境概况 1 2 1 地理环境 兰州市位于东经1 0 2 。3 6 1 0 4 。3 47 ，北纬3 5 。3 4 3 7 。0 77 ，地处蒙古高原、 青藏高原和黄土高原的交汇地带，兰州市大部分地表被黄土覆盖，黄土丘陵是其 主要地貌类型。 兰州市大部分地区海拔为1 5 0 0 2 0 0 0 m ，城区坐落在南北两山对峙环绕( 相 对高度超过6 0 0 m ) ，东西宽( 约3 5 k m ) 而南北窄( 2 8 k m ) 的一个半封闭的哑铃状河 谷盆地( 兰州盆地) 内。城区呈带状分布，地势为西北高、东南低，南北山峦起伏， 沟壑延绵。 1 2 2 气象特征 兰州市区属温带半干旱太陆性季风气候，降水少、日照长，蒸发量大，气候 兰州土学硕士学位论文 王州市区地表径隗污染初探 干燥，昼夜温差大。四季气候特征为：春季多风，少雨干旱；夏无酷暑，降水增 多；秋雨较多，气候凉爽；冬无奇寒，干燥少雪。年均风速约0 8 m s ：年均静 风率为6 2 ；年均气温为1 0 8 。c ，有逐年变暖的趋势；年均相对湿度为5 2 ，有 逐年减小的趋势。 风速小，静风天气多，冬季逆温层厚，强度大，大气层结构稳定，是兰州市 区盆地气候的显著特征。 1 2 3 降雨特征 ( 1 ) 降水量的年际变化；兰州市降水量的年际变化比较大，年降水量的变幅 高达3 5 7 5 m m 。兰州气象站从1 9 3 6 年一1 9 8 0 年4 5 年降水资料的统计得出，年平 均降水量为3 2 8 4 m m ，其中接近平均值的3 0 0 3 9 9 m m 降水段的有1 9 年，占总年 数的4 2 ：2 ；大于4 0 0 m m 的只有8 年，占总年数的1 7 8 ；小于2 0 0 m m 的有1 8 年， 占总年数的4 0 ，说明兰州市年降水量小于平均值的出现年数多，大于平均值的 出现年数少( 见表卜1 ) 。实测资料还表明，兰州市降水量多的年份与降水量少的 年份交替出现，但有连续数年的少雨年，而无连续的多雨年。 表卜1兰州市不同年降水段出现次数及百分比单位：m 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 共计年平均最多年最少年 降水量 1 9 9 2 9 9 3 9 9 4 9 9 5 9 9年数降水量降水量降水量 出现 市 次数 11 71 971 4 55 4 6 71 8 9 2 3 2 8 14 区 百分 比 2 23 7 84 2 21 5 62 2l o o1 9 7 81 9 8 0 ( 2 ) 降水量的年内变化：兰州市因受季风的影响，降水量在年内各月分配很 不均匀。一般从3 月上旬降水量开始增多，但在6 月上、中旬，又出现了一个相 对的少雨期。此后，降水又开始增加，到8 月全市进入多雨期，降水量占全年的 2 0 2 6 。从9 月份开始，降水量又逐渐减少，1 2 月份达到最小值。详见表卜2 。 表1 - 2兰州市多年月平均降水量及百分比 单位：m ， 1 月份1 月2 月3 月4 月5 月6 月 7 月8 月9 月1 0 月l1 1 月1 2 月 l 降雨量1 4 2 48 3 1 7 43 6 33 2 56 3 88 5 34 9 1 2 4 7 5 41 3 l 百分比0 4o 72 55 41 1 19 91 9 52 6 01 5 o 7 51 60 4 注：表中数值为1 9 5 1 1 9 8 0 年平均值 兰州土学硕士学位论文 兰州市区地表径流污兽初操 ( 3 ) 日降水量：兰州市最大一日降水量为9 6 8 m m ，远小于我国东部地区，但 年降水量的比值大于东部地区。例如兰州最大一日降水量9 6 8 m m ，占多年平均 降水量的2 9 5 ，占当年( 1 9 7 8 年) 降水量5 4 6 7 m m 的1 7 7 。对逐日降水量统计 分析，见表卜3 。 表卜3兰州市平均降水日及降水量表 l项目日降水量最大日降水最长连续降水 i 降水量m0 15 o1 0 02 5 05 0 o9 6 86 7 7 l 降水日数7 7 o 2 0 89 7 1 6o ，1 8 注：为1 9 5 1 1 9 8 0 年平均降雨日数。 1 一研究内容 本文首先对城市地表径流的基本概念和特征等作介绍；继而对地表径流量 的计算方法进行比较分析，选用适于兰州市区地表径流的s c s 模型，将市区地表 按照不同汇水面划分为屋面、街道和小区，选取适当的c n 值，运用s c s 模型计 算不同汇水面的产流量；选取兰州大学校园为典型实验小区，设置采样点，对径 流水质进行分析，得出兰州市区地表径流水质特征；采用浓度法，结合径流量、 污染物浓度计算市区地表径流污染负荷，并分析其与径流量的关系，与其他城市 结果比较，根据计算结果，提出适合于兰州市地表径流污染的控制管理对策和建 议。 ， 1 4 研究意义 由于地表径流污染形成机制，污染成分复杂，受到各种随机性较强的因素影 响，使得城市之间的差异很大，因此目前普遍认为，对于某城市降雨径流的研 究，必须对该城市开展大量具体研究工作，才能得到为市政或保护水源服务的有 关资料“。本文通过研究，预期在兰州市地表径流污染特性径流水质等方面获 得一些基础性的资料，并提出些经济可行的地表径流污染控制对策，以便为今 后进一步研究兰州市径流污染提供资料，唤起政府对地表径流污染的重视，为环 保部门实现径流污染的控制管理决策提供科学依据和方法，在治理点源污染的同 时，全面系统地考虑污染的来源，实现综合治理的目标。 兰懈太学硕士学位论文 兰州市区地表径流污嗪韵棒 第二章城市地表径流污染概述 2 1 城市地表径流污染的概念 广义的城市面源污染，按成因可分为城市地表径流污染、大气干湿沉降、城 市水土流失及河流底泥的二次污染；狭义的城市面源污染特指城市地表径流污 染，它是城市水体面源污染的主要类型。城市地表径流污染主要指在降水过程中， 雨水及所形成的径流流经城镇地面，如商业区、街道、停车场等，聚集一系列的 污染物如原油、盐分、氮、磷、有毒物质及杂物，随之进入河流或湖泊，污染地 表水或地下水体。本文将大气的干湿沉降和城市水土流失均视为城市地表径 流污染的来源，将其统一称为城市地表径流污染。 2 2 城市地表径流污染物的类型及来源 2 2 1 污染物的类型“” 城市地表径流中的污染物主要来自于降水对城市地表的冲刷，其来源广泛、 成分复杂，有些消耗受纳水体中的氧，有些沉积下来对水生生物产生有害影响， 有些又促使微生物的生长。这些污染物既有有机物又有无机物，既有可溶性物质 又有难溶性物质。1 。污染物组分及浓度随城市化程度、土地利用类型、交通量、 人口密度和空气污染程度而变化。这些污染物大致可分为以下几类： 意乎笏城市地表径流中挟带有大量的悬浮物，其它污染物如重金属及有毒 化合物p a i l s 等多粘附于其表面。城区地表累积物主要来源于交通工具锈蚀产生 的碎屑物质、机动车产生的尾气、轮胎和刹车摩损产生的物质、大气干湿沉降以 及居民烟囱释放出的烟尘等，重点在工业区、商业区以及建筑工地等。 茸弟彩劈城市地表径流中含有的大量营养物质，虽属无机无毒物，但这些 营养物质随着地表径流输送到河流或湖泊中，最终输入到大型河口、海洋，常常 引起水体的富营养化，给整个生态环境带来很大危害。其中最为典型的营养物质 为n 和p 。 虎亮就厉偿概i 鲋缈城市地表径流中常携带有大量的耗氧有机物，如生 活垃圾、树叶、草以及杂乱废弃物等，当这些物质腐烂时，它们会消耗水体中大 兰州土学硕士学位论文 兰州市区地表径浇污犟初稼 量的氧气，一场暴雨过后，城市湖泊或河流中的氧基本上会被消耗尽，其中来自 于老城区的城市径流耗氧负荷较高。 匆菌一般来说，城市地表径流中细菌的含量都是超过公众对水体要求的健 康标准。细菌的来源主要是下水道溢流、宠物以及城市中的野生生物等。径流中 粪便大肠杆菌的数量要比游泳健康标准高出2 0 4 0 倍。 香柳香毒谫禁笏城市地表径流中有机有毒污染物包括汽油烃( p h c ) 、多氯 联苯( p c b s ) 和多环芳烃( p a h s ) 等，其中一部分来自汽油的不完全燃烧产物，但最 主要的来源是润滑油的泄漏和机动车辆排放的废气以及大气的干湿沉降等。这些 有机有毒污染物的溶解性很小，绝大部分粘附于悬浮颗粒之上。 童丝雳城市地表径流中的金属物质可分为溶解态及悬浮态两种。路面沉积 物中含量最大的重金属是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；z n 主要来自于轮胎的磨损。 粒晤罗苣城市地表径流中的油和脂主要来源于燃料及润滑油的泄漏。 2 2 2 污染物的来源 q 城市地表径流中的污染物主要来自四个方面：地表沉积、大气沉降、水土流 失及排水系统。”1 “。 始袭犹积地表沉积物是城市地表径流污染物的主要来源，它的组成决定着 城市地表径流污染的性质。地表沉积物以各种形式积蓄在街道、阴沟和其它与排 水系统直接相连接的不透水地面上。如行人抛弃的废物，从庭院和其它开阔地上 冲刷到街道上的碎屑和污染物，建造和拆除房屋的废土、垃圾、粪便或随风抛洒 的碎屑，汽车漏油与排放的尾气，轮胎磨损，空中沉降污染物等。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。 兰州土学硕士学位论文兰州市区地表径流污染初探 力气沉华大气沉降是仅次于地表沉积物的第二大来源，它既包括以降尘为 代表的大气干沉降，也包括降雨、降雪、降雾等湿沉降。湿沉降即为降水淋洗大 气污染物，将其转移到地表径流中，造成径流污染的过程。在工业区或者大气污 染严重的地区湿沉降的作用较为明显”。研究表明：在屋顶产生的径流里，1 0 2 5 的氮、2 5 的硫和不到5 的磷来自降雨，而在街道商场的停车场、商业区和 交通繁忙街道产生的径流中，几乎所有氮、1 6 4 0 的硫和1 3 的磷来自降雨。 水土笳共水土流失是城市地表径流污染的又一来源。城市水土流失主要是 指在城市的开发建设中，因人为活动扰动地表和地下岩土层而破坏原始下垫面结 构或堆置废弃物、构筑人工坡面而造成的水土资源的破坏和流失，是一种特殊的 水土流失类型“，可以分为城市边缘区和城市建成区两大类型。其主要成因有基 本建设活动破坏原来的土壤结构和植被面貌；乱堆、乱放、乱排废弃物引起的侵 蚀：交通建设弃土引起的流失以及城市垃圾引起的侵蚀等。 舷狄秦纺排水系统主要通过两种途径增加城市地表径流污染，一是雨水对 雨排系统内( 包括管道、雨水口和检查井) 沉积物的冲刷；二是合流制排水系统中 管道内旱流污水。雨排系统内的沉积物主要来自于雨水口“4 1 的垃圾和污水以及前 次径流过程剩留在管道内的易腐败的污水和淤泥。降水形成的新径流浸泡冲刷雨 水1 3 垃圾，并替换管道内积存的污水：对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。在合流制管道中，旱流流速一般都比较 慢，很多固体颗粒在管道里沉积下来，这些固体常常表现为腐败的或厌氧的淤泥 性质。在降雨时，管道内流速变大，冲刷起这些沉积物，导致溢流污染负荷增大。 2 3 城市地表径流污染特征及影响因素 2 3 1 污染特征。， 首先城市地表径流污染属于面源污染的一种，它具有以下面源污染的特征： 污染发生具有睫枫往 城市地表径流污染是随降水的发生而发生的，由于降水受水文循环过程的影 响和支配，具有随机性；同时，影响城市地表径流污染的因素很多，且多为随机 性因素，因此产生的径流污染必然具有随机性。 兰州点学硕士学位论文兰州市区地表拄流污桀初探 污染负荷对空变化辐寰大 由于随机性的存在，城市地表径流的污染负荷并不是稳定不变的。不同的城 市功能区，其人类活动的方式与强弱不同，相应的地表沉积物的数量和性质也不 同，产生的径流污染负荷在空间上差异较大；另外，径流随着降水的发生而产生， 主要发生在雨季，表现为其污染负荷在时间上变幅也较大。 研究、控翻和处理难发大 由于城市地表径流污染来源广泛、复杂，形成机理模糊，污染过程监测、定 量计算困难，在研究和控制处理径流污染方面具有较大难度。 同时，城市地表径流虽属于面源污染范畴，但严格来讲，它还兼具点源的特 征，具体表现在“3 ：污染物白城市地表经排水系统进入受纳水体，具有点源排放 形式，即集中排放的特征。 2 3 2 影响因素 影响城市地表径流污染的因素有降雨、大气污染状况、城市下垫面、城市地 表清扫状况以及城市排水体制。降雨强度决定淋洗、冲刷地表污染物的能量大小； 降雨量决定稀释污染物的水量：降雨历时既决定污染物被冲刷的时间，也决定降 雨期间污染物向地表输送的时间。大气污染状况决定降雨初期雨水中污染物含 量。城市下垫面实际上反映的是城市土地利用类型，不同的土地利用类型，其污 染物的性质和累积速率也不同。城市地表清扫频率及效果影响晴天时在地表累积 的污染物数量。城市排水体制包括分流制和合流制两种形式，其拦截地表径流污 染的数量与质量存在较大的差异“1 。可见，影响城市地表径流污染的因素很多， 且许多为随机性因素，在地表污染物的累积和冲刷两个主要环节中都有随机性因 素起作用，如两场降雨之间的间隔时间、降雨历时、降雨强度等，这些因素使得 对任一场降雨来说，由于其随机性强，偶然性大，测试结果变化大。所以，研究 城市地表径流污染，就需要在降雨时进行大量的现场测试，并根据研究目的对相 关的环境条件进行统计分析。 兰州太学硕士学位论文 兰州市区地表径流污兽初探 2 4 研究方法 城市地表径流污染的特征与负荷的定量化研究，涉及水文、地理、气象、水 土保持和市政等诸多学科，可从不同的角度进行研究分析，目前采用较多的方法 有m ： 1 选择小区进行监测实验 在研究区域内选择块面积不大，能代表研究区域各类特征的封闭或半封闭 的小试验区，同步监测降雨径流的水质、水量，通过分析研究地表径流污染的性 质，掌握污染的形成规律，确定污染物的单位负荷量，最后利用单位负荷量乘研 究区域面积来估算地表径流污染产生的负荷量。其优点是，可以减轻工作量，费 用也较低，比较适合于我国科研经费少的实际。但地表径流污染是一种时空差异 性很强的现象，仅以小区研究代替大区域，污染负荷的计算精度不高，也不利于 径流污染地域分异规律的把握，不便于确定优先控制区及制定针对性的控制对 策。为克服其缺点，现在的研究多采用大区域调查分析与小区实测研究相结合的 方法，即在区域宏观调查的基础上，根据土地利用状况，将研究区域划分成不同 的污染发生类型区，然后选择典型小区，通过降雨径流水质、水量同步监测，最 后确定每个径流污染发生类型区的单位负荷量，剖析其污染发生特征。从而提高 污染负荷估算精度，也很好地表现了不同土地利用对区域径流污染负荷的贡献， 对优先控制区的确定及防治对策的制定起到了积极的作用。 2 研究受纳水体的水质变化 地表径流最终携带各种污染物进入河流、湖泊、海洋等天然水体，因而受纳 水体水质的变化必能反映出径流污染的影响，在水质规划中采用这种方法可有效 地反映径流污染的影响，但它只能得出某种地表条件组合下径流污染的综合效 果，无法解释径流污染产生的机理。 3 遥感、人工降雨模拟 由于地表径流污染研究发展的需要，遥感技术、人工模拟试验技术被引进地 表径流污染研究领域。遥感技术以其视野广、分辨率高、多时相、多波段等优势， 为地表径流污染研究提供了准确、可靠而丰富背景资源，提高了研究工作的效率 9 兰州土学硕士学位论文兰i 叶市区地表径流污染初撮 和精度：人工模拟试验，则可以在人工控制情况下模拟各种自然条件下径流污染 负荷产出规律。这一方法简化了自然界的变化，突出了主要因素的影响，易于定 量化。其优点是可以获取野外工作中无法得到数据，可有效解决传统方法的受自 然条件严格约束、研究周期长、耗资高等不足，为揭示径流污染负荷的发生、发 展规律提供了简便、有效的途径。但不能直接用于实际污染物负荷量的计算，多 被用于模拟研究暴雨径流过程中污染物的流失过程。 4 应用数学模型 建立数学模型，进行时空序列上的模拟，是地表径流污染定量化研究、污染 物迁移转化研究和污染治理的最有效、最直接的方法。初期的统计模型，根据长 期大量的实测数据，建立污染物负荷量与自然界影响因子之间的统计规律，这类 模型不能反映实际的污染物转化过程，无法从机理上解释径流污染的性质，因而 在应用上存在局限。而后逐渐发展的推理型模型，通过对降雨径流变化过程的分 析，根据机理建立方程连续模拟污染的迁移变化，能反映时空上的变化，应用范 围广。 上述方法都具有各自的优点，但也分别存在着一定的局限性，因根据具体情 况及要求，在一定区域，结合多种方法，构成一个完整的研究系统。 目前采用的基本研究方法是在实地监测降雨径流水质、水量或模拟试验的基 础上，应用流域水文模型或与水文模型密切相关的模型来模拟和估算非点源污染 负荷。具体来说，对于城市地表径流污染的研究主要是将城市区域进行功能区化 ( 如商业区、居民区、交通繁华区等) ，在此基础上布点采集地面累积物或监测降 雨径流水质，然后根据具体的研究目的，采用国外的成熟模型或在此基础上加以 修正来模拟和估算地表径流污染负荷。 本文对兰州市城区地表径流污染负荷的估算，首先将城市汇水面进行划分 ( 屋面、街道及小区等) ，运用s c s 模型计算地表径流量，再选取兰大校园布点监 测径流水质，最后采用浓度法估算出兰州城区地表径流污染负荷。 兰州土学硬士学位论文兰州市区地表径流污染初探 第三章城市地表径流量的计算 3 1 城市地表径流形成的过程分析“”1 在降雨开始阶段，部分雨水被地表植物、建筑物等截留，剩余雨水降至地面。 在地面开始受雨时，因地面比较干燥，雨水首先要满足地表土壤的下渗和侧渗， 若降雨起始时的强度小于入渗率，这时雨水被地面全部吸收。随着降雨时间的增 长，当降雨强度大于入渗率后，地面开始产生余水，地表填洼开始发生。待余水 积满洼地后，开始形成地表径流。在降雨强度增至最大时，相应产生的余水率也 最大。此后随着降雨强度的减少，余水率也逐渐减少，当降雨强度降至与入渗率 相等时，余水现象停止。但这时有地面积水存在，故仍产生径流，入渗率仍按地 面入渗能力渗漏，直至地面积水消失，径流终止，而后洼地积水逐渐渗完。积水 渗完后，地面实际渗水率将按降雨强度渗漏，直到雨终。在城市降雨地表径流的 形成过程中，降雨超过一定强度时，地表径流形成过程的几个阶段可能同时发生， 并且植物截留和流域蒸发伴随着整个降雨过程，下渗发生在降雨期间和雨停后的 一段时间内，其强度是变化的，降雨初期下渗强度大，并逐渐递减，最后趋于稳 定。 3 2 城市地表径流量的计算方法 3 2 1 城市地表下垫面特征分析 城市地表土地利用性质差别很大，一般由土地面、大块石、砖、碎石等铺砌 的地面、混凝土地面、新、旧沥青地面、水泥地面、屋面、绿化草地、以及一些 待开发松散土地等构成，且各种地面分散各处，相互混杂。从下渗角度考虑，划 分为不透水和透水区两类。但在实际情况下，往往难以精确地确定某一区域不透 水面积比例。通过航测图或城市规划设计方案，可以得出城市铺砌面积分布，但 它并不等于不透水面积，因为铺砌面积中包含半透水砖石铺面、有裂隙铺面、由 绿地包围的铺面等，这类铺面均存在不同程度的下渗“。 兰州土学硕士学位论文 兰州市区地表桎流污染初操 3 2 2 城市地表径流损失分析 城市地表径流损失贯穿于从降雨开始一直到地表径流结束的整个过程之中， 其损失量和径流量都是随时间变化的，总体上满足水量平衡方程嘲，即： p l q f = 0 ( 3 2 1 ) 式中：p 一某时刻的累积降雨量( 咖) ； q 一某时刻的累积径流量( m m ) ； l 一城市地表径流的初期损失( 包括地表滞蓄、缝隙下渗、蒸发、植物截 留等) ，也称初损呦1 ； f 一累积下渗量( 砌) 。 城市不透水区降雨损失量主要以初损为主，且初损一般不考虑蒸发，以地表 洼蓄、植物截留为主，另外周玉文研究表明，不透水地面的缝隙下渗也不可忽视； 城市透水区域( 包括半透水区域) ，降雨损失量除初损外，下渗是损失的一个最重 要因素。 ( 1 ) 初损 初损l 主要是指消耗于城市地表滞蓄( 主要地表填洼) 、缝隙下渗、植物截留 等的降雨量，该值与前期湿润条件和不透水地表百分比等因素有关。计算可按式 ( 3 2 - 2 ) 计算，也可根据当地实验资料得出初损值，如周玉文根据北京百万庄实 测资料得出其初损值为1 8 - 5 咖。 l = s 。+ s ，十最 。 ( 3 2 2 ) 式中：s 。一地表填洼量，是指停蓄在小块洼地中的消耗于蒸发和下渗，不能形 成地表径流的水量。 s 一植物截留量，是指停留在植物的叶和干或其它地面覆盖物上，消耗 于蒸发的降雨量。 s 。缝隙下渗量，是指发生在破旧的不透水地面积块石、混凝土块等铺 砌地面的下渗量。 ( 2 ) 下渗f 下渗是指降雨入渗到地表不饱和土壤带的过程。在城市地表径流形成过程 中，下渗是一个重要的阶段，该值与地表覆盖情况、土壤条件和时间有关。下渗 兰州土学硕士学位论文 兰州市区地表桎流污桀初挥 量按式( 3 2 - 3 ) 计算。 f + 址 f = f 触 ( 3 2 3 ) t 式中：f 一累积下渗量( m m ) ： 厂一r 时刻入渗率( m m m i n ) ，也称下渗能力，主要由地面本身特性和含水 率等因素决定。常用h o r t o n 入渗方程计算，具体公式如下： f = 正+ 抚一正弦“ ( 3 2 - 4 ) 式中：兀一初始入渗率( r m n m i n ) ； 六一稳定入渗率( m m m i n ) ； k 一与土壤有关的特性参数，或反映下渗率递减率的参数，( 1 m i n ) 。 3 2 3 城市地表径流计算方法分析与比较 3 2 3 1 常用地表径流计算方法 城市径流计算方法有许多种“，其中常用的有径流系数法( 包括变径流系数 法，综合径流系数法) 、下渗曲线法、妒指标法、s c s 法等等。 、 ( 1 ) 径流系数法 该法是最简单的产流计算方法。如美国的s t o r m 模型，在扣除初损后，用径 流系数计算产流量。 缘台径挠系我法：由于城市地面的复杂性，加之近几年来随着城市化的发 展，城市不透水地面的急剧增加等因数，要精确求定径流系数很困难。为此，我 国绝大多数城市目前均按地面覆盖种类的透水性，采用加权平均法求定地面的综 合径流系数。地面覆盖种类的径流系数见表3 - l ”。计算公式如式( 3 2 - 5 ) 。 表3 - 1径流系数综合比较表 地表覆盖情况 资料来源 铺砌地表 非铺砌地表 绿化 综合地表 推荐公式 0 8 8 0 9 3o 5 7 0 6 90 - 0 5 00 4 9 0 7 3 美国 0 7 0 一o 9 5o 3 0 0 6 00 0 5 0 3 5 0 ，5 0 - 0 7 0 澳大利亚 0 8 2 0 9 1o 2 8 0 8 10 - 0 5 30 4 0 0 8 4 北京市政院 o 8 1 0 9 7o 2 6 一o 5 90 4 4 0 7 7 现规范 o 90 3o 1 5 0 4 一o 8 兰州上学硕士学位论文兰州市区地表往流污染初探 歹= 皆 c 。z 啕 式中：4 一汇水面积上各类地表的面积( 1 ( 1 n 2 ) ； 一相应各地表的径流系数。 一般市区综合径流系数万取0 5 o 8 ，郊区歹取0 4 o 6 。 匡狡瀣流莠新珐j 一般在一场降雨中径流系数并非常数，而是随着降雨历时 地变化而变化的。因为降雨开始时洼蓄、下渗等损失量较大，径流系数较小，随 着降雨的持续，损失减小，径流系数增大。如图3 1 所示。为此，可采用式( 3 2 6 ) 来计算降雨过程中的径流系数，此式又称极限法”“。变径流系数比较符合实际， 计算结果比较合理。 y = 。一眵。一y 。k 一” ( 3 2 - 6 ) 式中：_ ：f ，一降雨过程中的径流系数； ，一最终径流系数； 一初始径流系数； p 一累积雨量； c 一常数。 图3 1 变径流系数法 尸 ( 2 ) 下渗曲线法。“ 在透水地面，下渗是主要的降雨损失，为了反映下渗能力在流域上的不均匀 性，引入下渗能力分配曲线。曲线多采用抛物线型： 1 4 兰州太学硕士学位论文王州市区地表径流污染初攘 口= 1 一( 1 一厂k y ( 3 2 - 7 ) 式中：口一小于等于某一下渗能力f 的累积面积与流域总面积之比； 二一流域内最大下渗能力； n 一指数，计算中取2 。 流域平均下渗能力厂为： 7 = ( 1 一口阿= ，础( 1 + n ) ( 3 2 - 8 ) i 在降雨时段a t 内，如果时段降雨量p 厂衄血，则时段产流量为： 妙胛莉h 一志r 慨z 咖 如果时段降雨量a p 咄a t ，则： a o = p f a t ( 3 2 - 1 0 ) ( 3 ) 口指标法 这是一种简单但粗略的损失方法， 妒。1 ，则产流强度r g ) ( 呦h ) 为： i 2o i 0 2 sd ：( p - 0 2 s ) 2 一 p + 0 8 s p 茎、0 2 s q = 0( 3 2 - 1 2 ) 式中：s 一土壤蓄水量，s = 2 5 4 0 0 c n 一2 5 4 ： c 径流曲线数，与植被、水文、土壤以及前期雨量影响等因素有关。 兰州土学硕士学位论文兰州市区地表径流污染初探 3 2 3 2 各径流计算方法的分析与比较 为了便于分析与比较，上述四种计算方法可分为两类“： ( 1 ) 计算径流必须先计算损失率，且损失率主要考虑以下渗率厂为主，再从 雨强中扣除这些损失。即： ，= i 一厂 ( 3 2 1 3 ) 下渗曲线法和妒指标法属于此类。其中下渗曲线法的损失率随时而变，而妒 指标法的损失率为常数。p 指标法比较简单，但据英国、荷兰、丹麦等六国学者 组成的城市地面径流国际小组的研究，伊指标法精度还不如径流系数法。下渗曲 线法与田指标法相比，更能反映下渗的实际情况，因而广泛应用。然而这两种方 法都须进行大量实测研究来确定其参数；另外，这两种方法都考虑下渗为主要损 失，适于透水地面的计算，而随着城市化的进展，城市地表已被大量的不透水地 面覆盖，地表损失因考虑各种影响因素，因此在本文中不再考虑下渗曲线法和舻 指标法。 ( 2 ) 径流强度可以直接用径流系数表示。即： ，= t i( 3 2 1 4 ) 径流系数法和s c s 法可归为此类。 径流系数法中，综合径流法的可以查表计算，但它为一常数，与实际情况 不符；变径流系数法更符合实际，但须实测当地的虬和y 。，而且每场降雨的都 不同，不适于推广应用。s c s 法中的随雨量的增大而增大，主要参数是流域的 s ，且s c s 法只有一个参数c n 。根据大量的应用研究表明：s c s 径流曲线法对资 料要求较低，不需降雨过程资料而仅需降雨总量，计算方法结构简单、计算方便， 计算结果虽然不如变径流系数法，但是对无降雨过程资料的流域则可用$ c s 曲线 法进行径流量的估算。 由于目前没有得到兰州市区降雨过程的实测资料，因此本文只能使用s c s 曲 线法来估算兰州市区地表径流量。 1 6 兰州大学硕士学位论文兰州市区地表往流污染初探 3 3s c s 模型在兰州城区地表径流量估算中的应用 3 3 1s c s 模型的研究进展一 径流曲线数法( c u r v en u m b e rm e t h o d ) 是美国农业部土壤保持局( u s d as c s ) 开发的用来估算无资料区径流量( 和洪峰流量) 的经验模型”1 ，现已得到公认和普 遍推广。从2 0 世纪5 0 年代中期起，它在美国及其他国家开始使用以来，其有效 性已在诸多学者的研究中已予以证，明，如h a r b o r ( 1 9 9 4 ) ，g r o v ea n d o t h e r s ( 1 9 9 8 ) 。而且已被应用于不同的水文、土壤侵蚀和水质模型中，如农业管 理系统中的化学物质、径流和土壤侵蚀模型( c r e a m s1 9 8 0 ) ，农业面源污染模型 ( a g n p s1 9 8 5 ) ，评价牧场利用的合理性和估算产量的模型( s p u r1 9 8 7 ) ，土壤侵 蚀模型( e p i c1 9 9 0 ) 和农村地区水资源模拟模型( s w r r b1 9 9 0 ) 等。s c s 模型在我 国的应用开始于二十世纪八十年代，魏文秋眦1 等人将遥感资料运用到s c s 模型 中；徐秋宁、穆宏强。”等将s c s 模型应用于小流域工程规划中，并对其进行改进， 使之更适用于我国的情况；贺宝根和周乃晟o o 等将其运用到农田非点源污染研究 中。 另外，s c s 模型在城市地区也得到推广应用，在城市水管理模型s w 删( s t o r m w a t e rm a n a g e m e n tm o d e l ) 和城市地表径流数学模型s t o r m ( s t o r a g et r e a t m e n t o v e r f l o wr u n o f fm o d e l ) 的径流子系统中s c s 模型得到选用；在国内，s c s 模型 在深圳市、珠海市。”3 “等城区已有运用，主要用来分析土地利用变化对流域降雨 一径流关系的影响。 由3 2 3 节的分析可以看出，与其他城市地表径流模型相比，s c s 径流曲线 法对输入数据要求较低，资料较易收集，不需降雨过程资料仅需降雨总量，计算 方法结构简单、计算方便，适用于无降雨过程资料地区进行径流量的估算。另外， s c s 模型主要反映不同土壤类型、不同土地利用方式及前期土壤含水量对降雨径 流的影响，有效的考虑了流域下垫面的特点，因此，利用此模型可以针对未来土 地利用情况的变化，预测长期的降雨径流关系的可能变化，分析人类活动对流域 水文的影响，史培军己将s c s 模型运用到深圳土地利用变化分析中。而且，在研 究地表径流污染对受纳水体的影响时，估算单场降雨径流污染负荷是没有任何意 义的，须估算长期径流量的影响，s c s 模型就具有估算长期径流量的特点，适于 大流域长期径流污染的研究。 兰州土学硕士学位论文兰州市区地表径流污兽初操 3 3 2 s c s 模型基本原理。“”。 s c s 模型综合考虑了流域降雨、土壤类型、土地利用方