城市降雨径流非点源污染分析与研究进展.pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 城市降雨径流非点源污染分析与研究进展 王和意,刘 敏,刘巧梅,侯立军 (华东师范大学地理系教育部地理信息科学重点实验室,上海 200062) 摘要:城市降雨径流污染已经成为非点源污染的一个新生点,通过对城市降雨径流污染的概念、 污染物来源及成分分 析,系统地整理了有关国内外城市降雨径流污染研究的资料,为我国的城市降雨径流污染的研究提供科学的理论依据。 关键词:城市降雨径流;非点源污染;模型;初始冲刷 中图分类号:X

2、52 文献标识码:A 文章编号:1002 - 1263(2003)06 - 0283 - 03 Analysis and Research Progress on Urban R ainfall Runoff Non2point Source Pollution WANG He2yi , LIU Min , LIU Qiao2mei ,HOU Li2jun (Department of Geography , Key Laboratory of Geographic Information Science of the Ministry of Education , East China No

3、rmal University , Shanghai 200062 ,China) Abstract : Urban rainfall runoff pollution is a hotspot of research on nonpoint resource pollution.On the basis of ex2 pounding the conception ,the source of contamination and analysis of components ,the present paper summarizes the current situation of the

4、study of urban rainfall runoff pollution at home and abroad ,which can provide scientifically theoretical reference for the research of urban rainfall runoff pollution in China. Key words : urban rainfall runoff ; non2point source pollution; modeling; first flush 早在1981年美国就预计城市径流带入水体 的BOD量约相当于城市污水处理

5、后的BOD排放 总量,其中129种重点污染物中有约50 %在城市 中出现1。1990年美国的EPA公布了不同污染 物如农业、 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)的贡献之比,其中城市 雨水占到了9 %2。美国EPA(1993年)已经把城 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。因此对国内重视的城市降雨径流污染 开展研究很有必要。 1 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

6、毒污染物等。 1. 1 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 地等。 1. 2 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。在此主要介绍两种典型 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

7、的一个重要来源地3。 (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4。 1. 3 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。 1. 4 细菌 一般来说,城市径流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。 382 第16卷6期 2003年12月 城市环

8、境与城市生态 URBAN ENVIRONMENT 上海市环保局项目(SEP02 - 1) ;上海市重点学科建设项目资助(SHK D001) 收稿日期:2003 - 07 - 28 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 1. 5 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(P

9、AHS)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PAHS主要来自于暴 雨径流污染5 ,6。 2 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。 2. 1 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

10、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7。著名模型有SWMM (城市水管理模 型)、STORM(城市地表径流数学模型)等8。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9,充分考虑了污染物在土壤中 的物理、 化学形态和分布状况10,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11。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

11、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12。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技术及GRASS GIS、ARC/ INFO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。 2. 2 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

12、流过程 中最高的13。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)的偏差比例来估算其强度14。由于研究的复 杂性,对于初始冲刷在定义上仍存有分歧1517。 Deletic的研究中18,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 ( Water Quality Character )。 Lee等研究表明初始冲刷可以用一种数

13、据分 析方法来计算19。 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17。 2. 3 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 染源和汇的管理和控制。其研究途径包括两个方 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20。

14、(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21 ,22。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27。另外,采用 天然渠道、 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、

15、 机修厂、 停车场废弃物的管理, 482 城市环境与城市生态 16卷6期 2003年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 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。 3 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24、 水量单位线和

16、污染物负荷的研究以及 地表物质累积规律25 ,26。同时由于研究的需要, 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27。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。 4 未来发展的趋势 根据目前国内外城市降水径流污染的研究状 况,未来在这方面的研究具有如下的特征 :(1) 城市 降水径流污染研究会越来越受到人们的重视。(2) 城市降水径流污染模型与GIS技

17、术的结合是未来研 究城市降水径流污染的重点。(3)初始冲刷的研究 能够具体地分析城市径流的污染物来源和分布特 征,可以为径流污染的治理和控制提供科学的依据, 其研究精确度与适应的范围有待于进一步检验。 (4)对城市径流污染源和汇的管理控制仍然是重要 的治理方向,其中生物技术、 污染物的总量控制将会 在控制和治理中发挥重要的作用。 参考文献 1 汪慧贞,李宪法.北京城区雨水径流的污染及控制J .城市 环境与城市生态,2002 ,15(2) :16 - 18. 2 EPA. USA. Meeting the Environment Challenge M. USA: EPA , 1990.46.

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