典型地表初期沖刷特性分析

典型地表初期沖刷特性分析

雨水徑流污染是指雨水徑流磨損引起的污染，其中污染物質(zhì)進(jìn)入水體，導(dǎo)致雨水徑流污染。雨水徑流具有隨機(jī)性、非連續(xù)性、突發(fā)性、難控性等特點,對城市水環(huán)境造成很大威脅。國外從20世紀(jì)70年代起就對城市雨水徑流污染及其控制展開了大量研究,主要集中在污染物時空分布、初期沖刷效應(yīng)(firstflusheffect)與徑流模型開發(fā)等方面。國內(nèi)自20世紀(jì)80年代開始對非點源污染開展研究,在雨水徑流的污染規(guī)律和徑流水質(zhì)特性及主要影響因素方面取得了一定的成果,但城市雨水徑流作為一種非點源污染仍沒有引起人們足夠的重視。隨著城市化的快速發(fā)展,城市不透水路面面積所占的比例越來越高,一方面阻斷了徑流的自然下滲過程,另一方面城市地表因為交通、工業(yè)生產(chǎn)及其他活動影響沉積大量污染物,當(dāng)產(chǎn)生雨水徑流時,污染物會隨之轉(zhuǎn)移到水體和土壤中,對整個環(huán)境造成危害。城市中不同地表因地面污染狀況的不同,其雨水徑流的污染程度有很大差異[11,12,13,14,15,16,17]。了解不同地表徑流污染特性,可有針對性對其采取控制措施,提高徑流污染控制的效果。國內(nèi)外學(xué)者對城市雨水徑流污染作了大量的檢測和研究,結(jié)果顯示:雨水徑流的污染物濃度隨時間的變化呈遞減趨勢,污染物的濃度峰值常常出現(xiàn)在徑流初期。在降雨過程中,雨水徑流所攜帶的污染物大部分集中在初期幾毫米的雨水中,源頭比較小的匯水面積上普遍存在初期沖刷現(xiàn)象。本文對城市不同地表雨水徑流的濃度初期沖刷、質(zhì)量初期沖刷和顆粒物沖刷特性進(jìn)行了實驗分析,以期為城市雨水徑流污染控制提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。1實驗方法1.1車道、節(jié)拍和高架本實驗在北京市某城區(qū)挑選了校園、自行車道、商業(yè)街和高架橋4個不同路面(均為瀝青路面)。在其雨水口處收集徑流雨水,并按照不同的時間間隔用聚乙烯瓶采樣。1.2降雨特征和降雨復(fù)配實驗對2010年6月—9月的4場降雨進(jìn)行了測定分析,盡管降雨條件不同,但雨水徑流的沖刷規(guī)律相似,本文選擇2010年6月13日的一場典型降雨作為分析對象,該場降雨歷時70min,本次降雨距上次降雨時間間隔為12d。為充分觀測降雨歷時中污染物的濃度變化情況,產(chǎn)流后前30min內(nèi),根據(jù)降雨強(qiáng)度大小,每隔1~10min采集1個水樣;產(chǎn)流30min以后,每隔10~15min采集1個水樣。本次降雨雨量主要集中在前30min,各下墊面采樣時間也主要集中在產(chǎn)流后30min以內(nèi)。1.3粒度分布檢測方法對校園、自行車道、高架橋和商業(yè)街采集的雨水徑流水樣的COD、SS、TN、TP和顆粒物粒度分布進(jìn)行檢測,檢測方法分別采用COD快速消解儀法、SS重量法、TN堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、TP鉬酸銨分光光度法、BT2000激光粒度分析儀。2結(jié)果與分析2.1校園初期雨水徑流污染狀況濃度初期沖刷(concentrationfirstflush)是指初期雨水徑流中污染物濃度明顯高于后期徑流,它是基于濃度過程曲線的初期沖刷現(xiàn)象。針對源頭小匯水面濃度初期沖刷現(xiàn)象,可采用各類源頭控制措施達(dá)到高效率的控制初期雨水,有效控制徑流污染的目的。不同地表各污染物濃度沖刷變化曲線如圖1所示。通過對圖1分析可知高架橋初期雨水徑流中COD、SS和TP濃度均明顯高于其他地表。通過污染源分析表明因輪胎磨損、汽車尾氣、道路老化等會產(chǎn)生大量的污染物質(zhì),所以高架橋初期雨水徑流污染較為嚴(yán)重,其初期雨水徑流中SS高達(dá)2870mg/L,為校園初期雨水徑流中SS值的5倍多,據(jù)報道北京市SS平均值僅為734mg/L,SS濃度主要與路面的坡度、車流量狀況及清掃頻率等因素有關(guān)。自行車道初期雨水徑流中污染物的濃度值與商業(yè)街污染水平相當(dāng),主要是由于自行車道與機(jī)動車道間沒有綠化帶,受機(jī)動車道車流量影響較大,所以自行車道徑流污染也較嚴(yán)重。表1為實驗測定結(jié)果與蘇州市典型地表的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果比較,蘇州研究結(jié)果表明商業(yè)區(qū)的污染狀況較工業(yè)區(qū)和居民區(qū)嚴(yán)重,本實驗商業(yè)街雨水徑流中各污染物濃度隨時間的變化幅度很大,在雨水徑流后期中COD僅為11mg/L,該值遠(yuǎn)低于《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-2002)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)(50mg/L)。校園綠化率較高,且日常清掃及時衛(wèi)生狀況良好,路面污染物較少,故徑流污染程度較輕,但校園初期雨水徑流中TN達(dá)到26.04mg/L,約為高架橋初期雨水徑流中TN的2倍,初步分析校園雨水徑流中的氮元素主要是來源于綠化帶施肥。雖然不同地表雨水徑流水質(zhì)差異很大,但濃度初期沖刷現(xiàn)象都很明顯,隨著降雨歷時的延長,各污染物濃度呈遞減趨勢。校園、自行車道、商業(yè)街和高架橋路面的污染狀況因功能分區(qū)的不同有很大差異,通過對其雨水徑流中COD、SS、TN和TP等水質(zhì)指標(biāo)的檢測分析,不同地表雨水徑流的水質(zhì)優(yōu)劣順序依次為:校園>商業(yè)街>自行車道>高架橋,由此可見城市雨水徑流中大部分污染物來自城市道路。2.2地表主要污染物質(zhì)量沖刷變化曲線用濃度初期沖刷來描述雨水徑流污染具有簡單、直觀的優(yōu)點,但同時也具有明顯的局限性。濃度初期沖刷僅考慮污染物濃度隨時間的變化,卻沒有考慮雨量、雨強(qiáng)等因素的變化對整個徑流過程污染物的分布的影響,因此用濃度初期沖刷不能十分準(zhǔn)確地反映初期沖刷現(xiàn)象。于是,隨著研究的深入,有關(guān)學(xué)者提出質(zhì)量初期沖刷(massfirstflush)的概念。質(zhì)量初期沖刷是指雨水徑流初期污染物的累積輸送速率大于徑流量累積輸送速率,即在降雨初期,占徑流總量比例較小的初期雨水徑流中攜帶了占本次降雨事件污染負(fù)荷較大比例的污染物。在質(zhì)量沖刷變化曲線中對角線表示整個降雨過程中徑流污染物均衡遷移,即污染物排放速率在本此降雨事件中不變,作為初期沖刷存在與否的判別線,當(dāng)曲線前段位于對角線上方時,即初期徑流中污染物排放率大于徑流排放率,存在質(zhì)量初期沖刷現(xiàn)象,且曲線前段越高于判別線,初期沖刷現(xiàn)象越明顯、越強(qiáng)烈;曲線前段位于對角線下方時,即污染物排放率小于徑流排放率,初期沖刷現(xiàn)象不存在。各地表雨水徑流的主要污染物質(zhì)量沖刷變化曲線如圖2所示。由圖2不同地表主要污染物質(zhì)量沖刷變化曲線可知:除TN質(zhì)量沖刷曲線外,校園、高架橋、自行車道、商業(yè)街質(zhì)量沖刷曲線前段均位于對角線上方,說明初期徑流中污染物排放速率大于徑流排放速率,都存在初期沖刷現(xiàn)象。這是由于各下墊面均為較平整的瀝青路面,且都屬于源頭小匯水面,在降雨過程中徑流一旦形成,匯水面上的污染物在短時間內(nèi)被雨水徑流沖刷排放。高架橋質(zhì)量沖刷變化曲線前段斜率略高于其他地表,說明高架橋初期沖刷現(xiàn)象比其他地表更明顯,這是因為高架橋取樣點處位于下坡路段,其路面污染物更容易被雨水徑流所沖刷;自行車道質(zhì)量沖刷曲線前段偏離判別線幅度較小,相對于其他地表初期沖刷現(xiàn)象較弱,其曲線后段位于對角線下方,污染物排放率小于徑流排放率。COD是各地表雨水徑流的主要污染物,且COD濃度較高,因此以COD為研究對象,通過分析不同地表COD質(zhì)量沖刷變化曲線圖可知:控制不同地表20%左右的初期雨水徑流量就可以控制其污染總量的40%~60%。2.3地面雨水徑流中各粒度分布特性雨水徑流中顆粒物的粒徑與污染物的濃度存在一定的相關(guān)性,表2為不同污染物在不同粒徑范圍的百分比。從表2中可知污染物主要集中在246μm以下的小顆粒上。雨水徑流中污染物按其存在狀態(tài)可分為溶解態(tài)和顆粒態(tài),根據(jù)粒徑與污染物的相關(guān)性,可以通過雨水徑流中顆粒物的粒徑大小在徑流過程中的變化,來研究顆粒態(tài)污染物在雨水徑流中的分布狀況。在雨水徑流中粒度的分布是按照顆粒個數(shù)百分比進(jìn)行比較,D50和D90數(shù)分別表示占50%、90%顆粒個數(shù)的粒徑大小,D50也稱為中粒徑。圖3是不同地表雨水徑流中D50和D90沖刷變化曲線。通過對不同地表雨水徑流中D50、D90沖刷變化曲線分析可得:校園和自行車道在整個降雨過程中D50、D90粒徑大小相近,分別為30μm和50μm左右,且變化幅度都很小。高架橋和商業(yè)街在降雨初期D50、D90粒徑有明顯減小,但后期均出現(xiàn)較大幅度的波動,其粒徑明顯大于校園和自行車道。校園和自行車道顆粒物粒徑相對較小,降雨期間下墊面人類活動帶入顆粒物也較少,所以,顆粒物沖刷主要集中在初期。而高架橋和商業(yè)街在雨水過程中其路面不斷有車輛經(jīng)過,由車輛帶來的顆粒污染物會持續(xù)的進(jìn)入徑流,所以顆粒物沖刷波動較大。3地表徑流污染防治方法(1)不同地表濃度初期沖刷和質(zhì)量初期沖刷現(xiàn)象都很明顯。建議對初期雨水徑流進(jìn)行收集處理,以有效削減雨水徑流的污染負(fù)荷。(2)控