植物覆盖下垫面上污染物输移特性试验研究.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023收稿日期：2022-09-30基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFE0206200）作者简介：李海峰（1995），男，甘肃平凉人，硕士研究生，研究方向为水污染控制通信作者：孙三祥（1965），男，甘肃天水人，教授，硕士，研究方向为流体力学、市政工程E-mail：植物覆盖下垫面上污染物输移特性试验研究李海峰1,2，孙三祥1,2,3（1.兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 甘肃省黄河水环境重点实验室，甘肃 兰州 730070；3.兰州交通大学 寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730070）摘要：为了研究黄土区植物覆盖条件下降雨径流中污染物随时间的变化特性，选取兰州市植物覆盖下垫面来模拟降雨径流，并比较在大、中、小三种雨强下污染物的输移情况。建立植物覆盖下垫面上径流污染物的输移模型并讨论其对不同降雨强度的适应性情况，分析水样中浊度、CODcr、NH3-N、TP等污染物的输移情况。试验结果表明，径流污染物的浓度与有效降雨深度成e指数关系，其中参数冲刷系数k的取值范围为0.054 60.138 6。关键词：植物覆盖下垫面；三种雨强；污染物输移模型中图分类号：X522文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.041随着城市的高速发展，城市雨水的径流污染加重和水资源短缺问题日趋严峻。雨水作为新型的可利用资源，其径流雨水污染问题越来越受到国内外的关注。在美国、德国、日本等发达国家，随着影响城市水环境的重点污染源已经基本得到遏制，由城市降雨径流而造成的雨水面源污染也开始成为影响城市水环境的主要原因。城市降雨的径流污染问题随着城市化程度、交通、空气状况及人类活动等因素而变化1。在道路等下垫面上污染物的积累数量、降水强度、降水量等变化规律的随机性很强，这也造成了道路径流雨水水质变化规律的随机性很强2。目前对城市雨水径流污染物的研究主要集中在影响因素和水质分析评价等方面。但功能庞大的模型却因模拟条件的不同，准确度大大降低，增加了对径流物质定量分析的难度3。加拿大等国家也对降雨径流污染问题开展了科学的研究，主要体现在SS（悬浮物浓度）和COD（化学需氧量）污染，街道上降雨径流所排放的SS已达到欧洲城市污水处理厂的排放要求，CODcr的水平则有60%是超标的 4。Sansalone等5在对道路径流污染的进一步分析中发现，在初期雨水径流中大于20%的污染物数量超过了整个路面雨水径流污染物总数的80%。因此，对雨水径流污染物在地表下的输移规律的进一步分析研究和对下垫面土壤种类的研究显得更加关键。1研究方法1.1试验概况试验选在兰州市某研究所径流试验场进行。通过对径流试验场中收集来的模拟降雨径流中污染物的浊度、化学需氧量（CODcr）、TP、NH3-N等指标的试验分析，研究降雨径流中各相关指标的变化规律，并结合降雨径流污染物输移模型，探讨植物覆盖下垫面上降雨径流污染物的输移特性。1.2试验所用下垫面下垫面所种植物品种为四季青，覆盖度100%。1.3试验用水配置试验采用自来水加药品（酸性药物为磷酸二氢钾、中性药物为葡萄糖）来配制模拟降雨。采用自来水加药品来配制模拟降雨，具有容易得到、易于控制水体中各指标含量等优点。1.4取样及检测试验确保每一次模拟降雨的水质指标基本相同，并在1.88、1.22、0.42 mm/min共3种不同大小的雨强下进行，测试以3个不同大小的雨强进行径流试验，依据降雨径流的形成时间，按时间等比例的方法检测取样结果，该试验每一次共取得1 h的雨样，由于降雨前30 min雨水径流中各指标含量变化很大，因此前30 min每隔10 min取一次样，共取4次样，由于后期雨水径流中各污染物指标趋于稳定，因此每隔15 min取一次样，共取样2次，本试验共采样6次，降雨量用虹吸式雨量计来测量。1.5试验方法收集来的水样经过预处理后，放在冰箱低温保存。取适量水样测量水样中的浊度、化学需氧量（CODcr）、NH3-N、TP等指标，具体的方法见表1。1.6污染物的输移模型建立大量的试验研究表明，降雨所导致的径流污染物附着于植物所覆盖下垫面上的冲刷扩散速度和所累积下来的径流污染物数量成正比，污染物的冲刷扩散速度也可使用一种含有降雨强度的模型来进行描述：W=KM（1）式中：W为下垫面单位面积内对表面污染物颗粒的最大冲刷速度，（mg min）/m2；M为单位面积下垫面上各种污染物浓度的相对总量，mg/m2；t为降雨所持续的时间，min；K为衰减系数。衰减系数与众多因素相关，假定k与平均降雨强度R成正比，则W=kRM（2）式中：k为冲刷系数，为经验值；R为历年平均降雨强度，mm/min。运用式（2）测算雨水径流中污染物的冲刷量并不能直接考虑实际未产生雨水径流中的有效降雨，因此不能充分解释降雨冲刷与有效径流污染物冲刷存在显著差异的事实，可以使用有效径流降雨强度来代替实际径流降雨强度。有效的降雨强度在某个数值尺度上与该区域面上降雨的总产流速度相等，可用降雨tr代替降雨历时t。那么式（2）即可化为W=kRefM（3）其中Ref=Q（tr）A（4）tr=6.94L0.6n0.6R0.4S0.3（5）式中：Ref为有效的径流降雨强度，mm/min；Q（tr）为径流量，L/min；A为汇水坡面总面积，m2；L为总汇水坡面长度，m；S为坡表1几种污染物常规测量方法检测指标浊度化学需氧量（CODcr）NH3-NTP方法浊度仪测量重铬酸钾快速密闭催化消解法纳氏试剂亮度法过硫酸钾消解-钼锑抗分光亮度法所用规范标准GB/T 132001991GB/T 119141989GB/T 118941989GB/T 118931989 80人 民 黄 河2023年S1度；n为粗糙度。由式（3）和式（4）得M=kM0e-kQ（tr）Atr（6）令Hef=VA（7）V=Q（tr）tr（8）式中：V为径流产生量，L；Hef为有效的降雨深度，mm。由式（3）、式（6）式（8）可得W=kM0Q（tr）Ae-kHef（9）污染物的输移浓度为C=WAQ（tr）（10）式中：C为降雨地表径流过程中有机污染物的总浓度，mg/L。由式（9）式（10）可得C=kM0e-kHef（11）将式（11）整理得lnC=lnkM0-kHef（12）由此可以看出径流污染物的浓度与有效的降雨深度成指数关系。2结果与讨论2.1选取降雨强度进行试验模拟降雨强度为1.88、1.22、0.42 mm/min共3种不同雨强情形下降雨径流中污染物的浊度、化学需氧量（CODcr）、TP、NH3-N并探讨它们的输移规律。2.2降雨径流中污染物随时间变化规律降雨发生后的径流污染物及其排放总量变化主要取决于降雨区域的径流历时、降雨强度、降雨量以及降雨地区连续两场降雨时间间隔。试验所得降雨径流中污染物随时间变化如图1所示。由图1可知：各段污染物浓度水平随降雨及径流时间的变化趋势比较相似，在降雨刚开始的时候，降雨径流对下垫面上的污染物的冲刷作用越来越明显，这就使得污染物浓度随降雨径流的冲刷快速上升，并且很快达到峰值，之后降雨径流中污染物的浓度开始快速下降并逐渐趋于稳定，由图1可以看出在3060 min时四季青下垫面表面的污染物总量趋于稳定。雨强越大各污染物浓度的峰值越提前，在降雨强度为1.88mm/min 时，降雨径流开始后 10 min 时浊度达到 469.1 NTU，CODcr达到 291.7 mg/L，NH3-N 和 TP 分别达到 0.385 mg/L 和0.520 mg/L，各指标明显高于雨强较小的两组，其原因可能是降雨前期干旱天气过长植物覆盖下垫面上积累的污染物过多，在较大降雨径流的冲刷下污染物很快随径流一起流到出水口，污染物浓度在10 min时达到最大。降雨强度为0.42 mm/min时，在降雨径流开始后20 min浊度达到205.6 NTU，CODcr达到147.2 mg/L，NH3-N和TP分别达到0.338 mg/L和0.218 mg/L，可以看出在降雨强度达到0.42 mm/min时污染物浓度峰值延后，其原因是降雨强度的减小使降雨径流减小，从而对污染物的冲刷减少，导致在雨强0.42 mm/min时污染物的浓度最大值出现在径流开始后的20 min。在降雨后期，植物覆盖下垫面上的污染物已被冲刷殆尽，各污染物的浓度变化趋于平缓，在1 h后达到最小值并逐渐趋于稳定。2.3模型的检验选取两场雨强约为1.88 mm/min和1.22 mm/min的降雨验证模型的稳定性。通过模拟可知，有效的降雨深度Hef与径流污染物浓度的对数值总体上成良好的线性关系。对降雨强度1.88 mm/min和降雨强度1.22 mm/min两场降雨的浊度、CODcr、NH3-N和TP模型的相关系数分别为0.938、0.952、0.973、0.936和0.456、0.967、0.497、0.836，从相关系数来看，雨强为1.88 mm/min 时的污染物浓度径流模型的精确度极好，而雨强为 1.22mm/min时降雨浊度和NH3-N径流模型的精确度稍差，极有可能是在降雨前期植物覆盖下垫面上污染物积累过程的差异造成。结合线性回归的知识可知冲刷系数k的取值范围为0.054 6 0.138 6。2.4降雨径流中各污染物之间的相关性讨论大量的试验研究表明：降雨径流中各污染物之间都有一定的相关性，从理论上看，不溶性污染物颗粒和可溶性污染物颗粒都包含在总污染物固体颗粒之中，所以降雨径流中各个污染物的浓度和总污染物浓度之间有一定的关系。本试验重点分析了浊度与CODcr、浊度与NH3-N、浊度与TP、NH3-N与TP之间的相关性。结果表明：植物覆盖下垫面上，在大、中、小雨强情形下，浊度与CODcr、浊度与NH3-N、浊度与TP、NH3-N与TP之间的相关性良好，只是浊度与CODcr在降雨强度为1.22 mm/min时的相关性不好，相关系数为0.348。在其他雨强情形下相关系数的平均值为0.868，展现出良好的线性关系。3结论（1）本文提出的不同雨强情形下污染物冲刷规律的模型对于兰州地区植物覆盖下垫面较大雨强情形下适应性良好。（2）本试验所用植物覆盖下垫面在大、中、小雨强（分别为1.88、1.22、0.42 mm/min）冲刷下污染物输移的规律基本相似，在降雨开始阶段，降雨径流中污染物的浓度急剧上升并很快达到峰值，随着时间的推移，降雨径流中的污染物浓度开始衰减，在1 h后达到最小值，并基本保持不变。（3）有效降雨深度Hef与污染物浓度的对数值ln C（t）成负相关关系。参考文献：1 李立青，尹澄清，何庆慈，等.城市降水径流的污染来源与排放特征研究进展 J.水科学进展，2006，17（2）：288-294.2 王书吉，姚兰，孙红.城市道路雨水污染物浓度随产流过程变化规律研究 J.水科学与工程技术，2006（5）：13-15.3 李俊奇，车武.德国城市雨水利用技术考察分析 J.城市环境与城市生态，2002，15（1）：47-49.4 冯玮隽，李泽琴，Gregory Goblick.城市雨水径流环境污染控制研究进展 J.南水北调与水利科技，2006，4（4）：35-37.5SANSALONE J J，BUCHBERGER S G.Partitioning and FirstFlush of Metals in Urban Roadway Storm Water J.Journal ofEnvironmental engineering，1997，123（2）：134-143.【责任编辑张帅】图1降雨径流中各污染物浓度随降雨时间的变化规律（a）浊度（b）CODcr（d）NH3-N（c）TP 81