城市径流污染简介.ppt

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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，污染物的排放途径及排放量

2、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，在降雨或灌溉过程中，随着地表

3、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的地表蓄水能

4、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，不易发生水土流失，这类土地

5、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地等。,

6、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,城市径流中

7、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

8、市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

9、物（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S

10、WMM(城市水管理模型)、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

11、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

12、角)的偏差比例来估算其强度。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。

13、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。,(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

14、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、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。

15、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。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

16、和轮胎与地表的磨损造成。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

17、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物量为区域最大累积量(Pm)。从污染物开始累积至达到最大累积量的过程是一个理想的完整的累积过程。在实际情况中,往往不能完成这样的完整过程,人为清扫或降雨冲刷等因素使沉降于地表的

18、污染物量减少,沉降悬浮过程受到干扰,只是重复性地向累积极值发展。,冲刷过程即在一场降雨过程中,依据降雨强度及历时,积累于地表的污染物质一部分或者全部被冲刷进入径流的过程。由于受到雨滴的侵蚀力及降雨径流的溶蚀作用,沉积于地表的污染物进入径流,其中一部分溶解其中,一部分是处于悬浮状态的悬移质,另一部分则是较大颗粒的推移质。悬浮颗粒物在随径流输移过程中同时受到重力和径流剪切力的作用,临界剪切力相对应于径流的临界流速(即颗粒物的起动流速),当实际流速大于临界流速时,地表累积物即随径流输移,当实际流速降低小于临界流速时,悬浮物将再次沉淀于地表。因此,冲刷过程也是悬浮沉淀再悬浮的动态过程(图1)。,污染物

19、的输送,地表污染物被雨滴或径流冲走，带到下水道系统中，再通过管网排入受纳水体。对于小型排水管网，污染物进入受纳水体所需的时间短，流速大，污染物的沉降，降解均可忽略。对于大型排水管网，情况不同，整个管网中径流污染物输出过程是各支管网污染物过程线叠加的结果。出口处污染过程线的形状，取决于排水系统的输送时间和各单元面积的峰现时间。若各支管的峰都重叠在一起，则出口处的过程有很高的峰;相反，若各支管的排水高峰相互错开，则出口处的过程线峰不高，但排洪历时较长。因此，计算城市流域污染物过程必须与雨洪径流计算结合在一起，建立统一的计算模型。,城市地表径流污染是城市水环境非点源污染的主要类型之一,它被称为狭义的

20、非点源污染。在降水过程中,雨水形成的径流流经城市地面(如商业区、居住区、停车场、街道等),并聚集一系列污染物质(如原油、氮、磷、重金属、有机物等),通过排水系统直接排入水体而造成水体的非点源污染。目前,城市降水径流污染已成为地表水环境污染的主要原因之一。城市地表径流是影响城市水环境质量的第二大污染源,也是仅次于农业面源污染的非点源污染源。,影响城市地表径流污染的因素,影响城市地表径流污染的因素包括:降雨特征、城市土地利用方式、大气污染状况、地表清扫状况、下水道状况,前期晴天时间等。降雨强度决定着淋洗、冲刷地表污染物的能量大小,降水量决定着稀释污染物的水量;城市土地利用方式决定着污染物的性质和累

21、积速率;大气污染状况决定着降雨初期雨水中污染物的含量;其中，前期晴天时间是主要因素。,（1）前期晴天时间对径流中颗粒物粒径分布的影响地表径流中颗粒物的粒径分布特征是影响地表径流污染物含量的重要因素,前期晴天时间是影响径流中污染特征的重要水文变量,因此,前期晴天时间对于径流中颗粒粒径分布的影响是研究城市降雨径流污染的重要方面。径流中的主要粒径范围40m的颗粒物随着前期晴天时间的增加,体积分数减少,这种差别主要因为刚降雨径流过程主要是40m的颗粒物在径流中随前期晴天时间的变化规律与上述情况相反.,（2）前期晴天时间对于径流污染物浓度的影响前期晴天时间是影响城市降雨径流水质的主要因素,决定晴天污染物

22、累积的重要参数,SWMM模型将晴天天数作为重要的因素考虑,对于降雨径流污染负荷具有重要的影响。初期径流污染物浓度与前期晴天时间呈显著相关.因为前期晴天时间是影响晴天污染物积聚的重要参数,不透水性区域的污染负荷主要取决于晴天垃圾的积聚,大气的干、湿降尘以及交通车辆产生的污染,由于地表沉积物的截留、吸附作用,充当了污染物的存贮器,经过一个较长时间的污染物积聚过程,最后受降雨的冲刷,地表储存的污染物释放进入地表径流.因此,降雨径流污染在较长时间尺度表现为晴天累积、雨天排放的特征,径流中携带的污染物随着晴天累积天数的线性增加而直线增加,说明前期晴天时间可用来指示城市地表污染物的累积程度,并预测初期径流

23、中的污染负荷.,（3）前期晴天时间对于污染物形态影响城市地表径流污染物浓度和形态取决于水文参数,降雨特征、前期晴天时间是影响城市降雨径流污染物的量,也影响着污染物的形态,前期晴天时间越长,初期地表径流中的溶解态污染物会增加，所以前期晴天时间是决定污染物溶解态含量的重要因素。,城市降雨径流污染的治理对策,1.非工程性措施非工程措施是通过加强管理来达到控制污染的目的。它强调源头控制;强调自然与生态措施;强调非工程方法。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，减少垃圾的堆放，控制大气污染，减少污染物的沉降，加强对施工现场、机修厂、停车场的管理，控制城市绿地肥

24、料、农药的使用等。除了制定合理的政策法规和实施科学的管理化，还应注重对公众进行宣传教育。,工程性措施（1）对源头的控制源头控制除了管理上的措施(即非工程措施)外，还要注重从工程上对径流污染物进行处理削减。街道径流一般直接流入排水管网，选择合适的雨水口对削减污染物很有帮助。落底式雨水口可以有效地截留径流中可沉降固体和大的悬浮固体等;另外，可以采用水质型雨水口，水质型雨水口也称作沉淀或油类分离器，用来去除道路径流中的沉淀物和油类。对小区路面径流的控制，首先提高小区内绿地面积，扩大透水性，减少不透水比例，并对小区内的径流进行收集简单处理，回用于浇灌绿地，喷洒路面等。屋面径流的污染程度受大气降尘和屋面

25、材料的影响，其径流可以通过绿地或人工土层的处理渗透到地下，能减少城区雨洪负荷和雨水径流对受纳水体的污染。,（2）对污染物扩散全程的控制根据雨水径流污染物输送和扩散机理，采取适当的措施，能减少污染物排入地下或地表水体的数量。对于不进入下水道的径流，利用天然渠道和人工湿地，建立林草缓冲带，能削减输送途中的污染物数量。城区雨水排水系统是污染物扩散的主要途径，雨水管道的规划和管理应与城市径流的源控制系统和终端处理系统相结合。,中国许多城市旧区的排水体系为合流制，雨水和污水在排水管中同行，由于雨水的波动性大等特点会严重影响城市污水处理厂的正常运行，所以合流制管道直排的情况比较多。目前在旧合流制管渠系统的

26、改造中，常用的是截留式合流制，这种排水系统在截留干管的适当位置设置溢流井，可以截留初期雨水和街道冲洗废水输送到污水处理厂。分流制排水体制优于合流制。中国城市新建区的排水系统一般采用分流制。,3终端处理终端处理是指通过自然生态技术或人工净化技术来降解带入水体的径流污染物。主要措施包括:拦水蓄水塘、雨水调节池和人工湿地等。拦水蓄水塘中污染物的负荷量极高，水塘可以利用塘内浮游动物、水生植物和微生物组成的生态系统对径流雨水中的污染物进行降解消化，提高塘内蓄水的水质，同时改善了周围的生态环境。雨水调节池是应用较为广泛的径流控制措施，它可以利用物理、化学和生物的方法对径流污染进行有效治理。雨水调节池一般包

27、括蓄水池和沉淀池，为了回用往往后续需增加储水池等，处理流程一般为:蓄水池出水加药反应沉淀池中沉淀，再经过滤，消毒等措施储存回用。有研究表明，在排污口用储水盆地，化学絮凝剂、淤泥吸收和沙土过程的办法来处理污水中的SS、COD、BOD和有机质，其去除率可达90%。人工湿地处理城市雨水的研究日趋增多。同济大学的杨敦等人模拟研究了潜流式人工湿地处理系统控制暴雨径流污染的问题，结果表明，这种湿地对仰、COD、TN的去除率分别可达80%、90%、95%，说明在中国条件适宜的地区建立人工湿地系统对径流产生的非点源污染有较好的净化作用。,城市降雨径流污染治理实施的原则目前中国在对待城市雨水的问题还停留在老的观

28、念上，在城市降雨径流污染控制方面存在以下不足:(1)对城市降雨径流污染的研究相对滞后，不能为控制技术提供充分的理论依据;(2)重终端治理轻源头控制，偏向靠“雨污分流”来解决污染;(3)重人工措施轻自然措施，重技术(工程)方法而忽视非技术管理;(4)注重技术措施的可行性，忽视经济效益和社会效益，导致投资的效益差和不可持续性等。,对此，提出城市降雨径流污染控制实施的几项原则，以期城市降雨径流污染治理有更好的效果。1.根据实际区域具体情况，优化选用最佳控制方案不同的区域有不同的径流水质特征和污染治理目标，应根据区域具体情况优先选用适合该区域的控制措施。对于繁多径流污染的控制措施，决策过程可分两步:首

29、先根据实际区域具体情况对各种措施进行筛选，确定使用的措施;第二步根据先前筛选的结果建立可行性方案，然后依据所需的目标建立数学模型，最终确定适合当地情况的最佳方案。,2技术措施和非技术措施相结合，实行综合治理，突出重点城市降雨径流污染有其自身的特征，仅仅依靠技术措施很难控制。应坚持技术措施和非技术措施并重的原则，防治结合，才能综合有效的控制。,3将城市降雨径流污染控制与城市雨水利用、水生态环境改善相结合雨水作为一种宝贵的资源，在城市水循环系统和流域水环境中起着非常重要的作用。将雨水净化回用或渗透补充地下水，能有效地补充城市水源，同时对生态环境也起到改善和保护的作用。,4最佳控制方案应兼顾经济效益

30、、社会效益和环境效益城市降雨径流污染控制，在技术措施上尽可能采用自然和生态的措施，符合可持续发展的原则。在经济上应兼顾近期目标和长远目标，资金等条件有困难时可考虑分期实施。方案比选和决策时不应只限于经济效益，还要考虑社会效益和环境效益等方面，最佳控制方案应突出系统的观点，标本兼治，力求技术效益、经济效益、社会效益和环境效益协调统一。,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

31、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。,实验方案,采样点的选择：（1）按照下垫面类型，按照屋面、路面和草坪等城市中主要的土地使用类型进径流水质的采样分析。（2）按照工业区,居住区,交通要道,商业区、文教区等进行采样分析,监测内容：城市径流中各种形态的氮、磷，如氨氮，硝态氮，亚硝态氮，总氮，总磷，溶解性正磷酸盐等；以及铜、锌、镍、镉、汞、砷、铁、锰、铬等金属在城市径流中的含量。,通过比较降雨径流中氮、磷营养盐以及各种重金属的平均浓度,着重分析其输出特征,为城市非点源污染负荷定量估算及控制措施制定提供科学依据。,谢 谢！,