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1、城市径流污染简介 降雨径流污染的类型 城市降雨径流污染物种类及来源 城市降雨径流面源污染的污染特征 国内外研究进展 污染物的集聚过程 累积与冲刷过程 污染物的输送 影响城市地表径流污染的因素 城市降雨径流污染的治理对策 实验方案前言 根据污染源特性的不同，可以将污染分为两大类，即点源污染和面源污染。点源污染是指废水等通过排水管道等途径直接进入受纳水体引起的污染，污染物定点、定量排 放，可人为控制，能通过污水处理厂处理。面源污染是指溶解性的或固体污染物从非特定的地点，在降雨和径流冲刷作用下，通过径流过程而汇入含水层、湖泊、河流、滨岸生态系统等引起的污染，是发生在整个空间范围内的污染问题，污染物的
2、排放途径及排放量具有不确定性。在发达国家，点源污染基本得到控制，雨水径流带来的非点源污染已成为水体污染的主要因素。美国约有60%的河流和50%的湖泊的污染与非点源污染有关;已实现污水二级处理的城市，水体耗氧物质负荷率约40%一80%来自雨水径流。中国雨水径流的污染问题也很严重。在太湖、滇池等重要湖泊，非点源污染已成为水质恶化的主要原因之一。降雨径流污染的类型 根据污染物的来源不同，降雨径流污染可分为农业生产污染、农村牲畜粪便污染、城市径流污染、林区地表径流污染、矿区和建筑工地地表径流污染以及其他污染源。农业生产 在农业生产活动中，农田中的土壤颗粒、化肥、农药、病菌及其他污染物，在降雨或灌溉过程
3、中，随着地表径流、农田排水、土壤渗漏进入水体，对地表水和地下水造成潜在的污染。现在农业生产活动是最大的降雨径流，化肥和农药的使用是水体污染和富营养化的最主要来源。根据美国环保署调查，在地表中泥沙的46%、总磷的47%、总氮的52%都是来自于农业径流污染。城镇径流 城镇地表如商业区、街道、停车场等，聚集了一系列降雨径流污染物，如原油、盐份、氮、磷、有毒物质及城市垃圾，在降雨过程中雨水及其形成的地表径流冲刷地面污染物，通过排水渠道或直接进入江河湖泊，造成地表水污染。美国环保署把城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源。林区地表径流 一般来说树叶、土地、覆盖物、土壤有机物及粗糙地形有很高
4、的地表蓄水能力，但是在低洼森林地带由于土壤淋滤而使河流中的有机质和营养物的含量升高。此外不加限制的森林砍伐会破坏森林防止土壤侵蚀的作用。牲畜饲养 动物饲养圈和牲畜棚是农村危害最大的土地利用区，是污染地下水中的营养盐和病菌的主要来源之一，饲养圈本身一般都作为点源而不是非点源，然而固体废物处理方法和管理方法间接地使大部分饲养圈废物通过地表径流进入地表水体。饲养圈地表含有大量压实的厩肥残余，若受到暴雨的冲击，牲口棚的径流就会非常浑浊，并且携带高浓度的营养物，直接进入水体造成污染。休闲娱乐 休闲娱乐用地包括城市公园、野餐场地、高尔夫球场、海滩、城市林带，这些地方的土地通常受到良好的保护，不易发生水土流
5、失，这类土地的污染危害最小，在一般情况下，污染负荷量与森林地接近。休闲娱乐地的潜在污染源是草地过量施肥和超量使用除草剂。城市降雨径流污染物种类及来源 城市径流中污染物的种类和形态非常复杂,它们主要来源于大气干湿沉降、地表垃圾和尘埃物质以及下水道系统。目前国内外所研究的主要污染物有:悬浮沉积物、营养物质、耗氧物质、细菌和有毒污染物等。悬浮沉积物 城市径流中挟带有大量的沉积物质,一般来说,老城区的土壤侵蚀程度要低于新城区,城区混合沉积物主要来源于交通工具锈蚀产生的碎屑物质、机动车产生的废气物、大气干湿沉降、轮胎和刹车摩擦产生的物质以及居民烟囱释放出的烟尘等,重点在工业区、商业区以及高速公路和建筑工
6、地等。营养物质 城市径流中含有大量的营养物质,这些营养物质随着地面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的危害。主要介绍两种典型的营养物质:(1)由于磷的化合物一般都是吸附在颗粒物上,因此建筑工地是磷的一个重要来源地。(2)氮的化学形态是可溶解的,不需要吸附在颗粒物上,它的主要来源是化肥的施用。耗氧物质 城市径流中携带有大量的有机物质如生活垃圾、树叶、草以及杂乱废弃物等,当这些物质腐烂时,它们会消耗掉水体中大量的氧气,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是最高的。细菌 一般来说,城市径流
7、中细菌的含量都是超过公众对水要求的健康标准。径流中粪便大肠杆菌的数量要比游泳健康标准高出2040倍。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。有毒污染物 城市径流中有毒污染物包括重金属、杀虫剂、多氯联苯(PCBS)和多环芳烃(PAHS)等。重金属是城市径流中一种最典型的有毒污染物。城市径流中重金属的首要来源是机动车。杀虫剂、多氯联苯(PCBS)和多环芳烃(PAHS)等,主要来源于草地、菜地施用农药、机动车辆排放的废气物以及大气的干湿沉降等。Hoffman等和Charles A.Menzie等研究发现滨岸沉积物中的多环芳烃主要来自于暴雨径流污染。城市降雨径流面源污染的污染特征 城市
8、降雨径流面源污染作为一种特殊的面源污染形式，有其特殊的性质，其污染征主要包括以下几点：（1）随机性。影响城市降雨径流面源污染的因素很多，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。（2）污染负荷时空变化大。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差异较大。污染负荷在时间上也存在一个明显的初期效应，即在一场降雨过程中，占总径流 20%或 25%的初期径流，冲刷排放了径流排污量 50%左右的污染物（
9、3）具有面源和点源的双重性。污染物晴天时在城市地表累积，降雨时则随地表径流而排放，具有面源间歇式排放特征。污染物自城市地表经由排水系统进入受纳水体，又具有集中排放的特征。国外研究进展 城市降雨径流污染作为一种很重要的非点源污染,在发达国家研究的历史较长。在整个的研究过程中,其内容主要包括3个方面:模型研究、初始冲刷的研究以及径流污染的治理和控制研究。模型研究早期的研究集中以土地利用对河流水质产生影响的认识为基础,对降水径流污染特征、影响因子、单场暴雨和长期平均污染负荷输出等方面进行了研究,其具体研究方法是建立统计模型,进而建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统计关系。著名模型有SWMM(城
10、市水管理模型)、STORM(城市地表径流数学模型)等。到20世纪80年代,美国农业部(USDA)研究所开发的CREAM(化学污染物径流负荷和流失模型),采用了美国农业部水土保持局开发的SCS水文模型来计算暴雨径流,充分考虑了污染物在土壤中的物理、化学形态和分布状况为城市径流污染模型的发展提供了很好的经验。同时非点源污染模型加强3S(GIS、GPS、RS)技术在其定量负荷计算、管理和规划中的应用研究。进入到20世纪90年代后,在对过去城市径流非点源污染模型多年应用经验进行总结的基础上,不断地完善和提高已建立的模型,推出新的模型。同时,与非点源污染负荷估算相关的流域开发方向、非点源污染管理模型和风
11、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3S等技术的应用,为城市非点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。初始冲刷的研究 初始冲刷(First Flush)是指当降雨开始后最先产生的径流,其污染物的含量是整个产流过程中最高的。初始冲刷发生时,会有大量的污染物随着径流排放到受纳水体中。初始径流中污染物的含量受到以下参数的影响:汇流面积、降雨强度、不透水区面积以及距上一次降雨时间间隔。然后根据曲线相对于对角线(与水平面成45度角)的偏差比
12、例来估算其强度。由于研究的复杂性,对于初始冲刷在定义上仍存有分歧。Deletic的研究中，把初始冲刷产生的标准由降雨事件中占整个产流20%的最先产生径流的总污染物负荷(FF20)来确定。因此可以用累积曲线来表示待测水质指标WQC(WaterQuality Character)。Lee等研究表明初始冲刷可以用一种数据分析方法来计算。通过用这种方法研究表明汇流区域面积越小,其初始冲刷现象就会越明显。同时在暴雨过程中不同功能区污染物单位负荷量的大小顺序如下:高密度的居民区低密度的居民区工业区未开发的区域。管理和控制研究 城市非点源污染的管理和控制研究集中于污染源和汇水面的管理和控制。其研究途径包括两
13、个方面:一是将非点源污染物的排放控制在最低限度;另一个就是对污染物扩散途径的控制。在这两方面以美国的“最佳管理措施”(BMPs)最具有代表性。美国EPA把BMPs定义为:任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序,包括工程、非工程措施的操作和维护程序。(1)工程的方法 指兴建工程措施来达到控制污染,如修建沉淀池、渗漏坑、多孔路面、蓄水池和处理污染的建筑物等。这些方法对控制径流污染有很好的效果。利用土壤过滤城市雨水也是现在发达国家控制措施之一。对现有排水系统,可采取的污染控制措施主要有:雨水截流井、线内贮存和线外贮存,它们对分流制系统的雨水和合流制系统的污染控制都适用。另外,采用天然渠道
14、、人工湿地、沙层过滤和缓冲带等也成为城市径流污染控制的重要手段。(2)非工程方法 指用加强管理来达到控制污染,其具体的措施有分流制小区域水处理,增大城市绿化面积,污水管道混接的清理,清扫街道,加强对施工现场、机修厂、停车场废弃物的管理,控制城市绿地肥料、农药的使用等。除了制定合理的政策法规和实行科学的管理外,目前国外主要是集中采用教育的方法。国内研究状况 20世纪80年代,我国城市非点源污染研究仅局限于城区径流污染的宏观特征和污染负荷定量计算模型的研究。其中污染负荷定量计算模型研究的方向有3个方面:径流量与污染负荷相关性分析、水量单位线和污染物负荷的研究以及地表物质累积规律。同时由于研究的需要
15、,遥感技术以及人工模拟实验技术都运用到城市非点源污染研究领域。到20世纪90年代后,分雨强计算城区径流污染负荷为城市径流污染负荷定量计算提供了新的研究方法。随着3S技术在城市非点源污染研究中的应用,推进了非点源污染的量化工作,提高了城市降水非点源污染负荷模型的精度.在城市径流污染的管理和控制方面,国内没有完善经验。污染物的集聚过程 地表污染物的含量受大气降尘、土地利用、交通、人口密度等因素的影响。大气降尘除微粒外，还含有很多其它污染物。土地利用对地表污染物的影响是多方面的。交通对于城市或邻近公路地区污染物的沉积率有很大影响。许多有毒金属，特别是铅，经常是由于汽车废气以及零件和轮胎与地表的磨损造
16、成。路面的污染物还与城市的工业种类以及附近地区的地质条件有关。街道垃圾中的微粒大多来自附近土壤和工业粉尘，并通过空气传送到路面上来。因此，我们在分析地表污染物的集聚过程时，必须考虑以上这些因素。累积与冲刷过程 城市区域是人类活动最为剧烈的社会区域,形成了以不透水硬质下垫面为主要类型的城市用地状况,污染物类型多样、量较大、分布随机等特点,导致了其特有的污染物源汇特征。城市地表污染物表现为晴天累积于地表,雨天被冲刷进入排水系统,汇集后排入水体的特征。人类活动产生的各种颗粒态污染物基本上首先存在于城市大气环境,在各种外界因素的影响下,部分将逐步沉降至不透水下垫面并积聚,这个沉降的过程即城市地表污染物的累积过程。据研究，累积过程并非于污染物沉降至地面而终止,而是一个沉降悬浮再沉降的动态过程。颗粒物在重力的作用下沉降,较大颗粒首先沉降,较小颗粒物悬浮于空气中在风等外力作用下发生碰撞并聚集直至无法克服重力作用沉降至地表,而已经沉降的颗粒物因路面碾压使粒径变小,在自然风和交通风等作用下可能悬浮再次进入大气环境。因此,城市地表污染物处于沉降悬浮再沉降的动态过程,直至达到平衡状态,此时区域代表积聚的污染
