雨水利用中的径流水质研究进展

cygyc-gc · 发表于 2006-12-9 10:06:21

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雨水利用中的径流水质研究进展*

孙常磊1 汪志荣1,2 张传雷1

（1. 西安理工大学水资源研究所，陕西西安710048；2．中国科学院水利部水土

保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨陵712100）

摘要：对国内外雨水径流水质研究的四个方面：降雨径流污染过程的研究、雨水径流水质、降雨径流模型和降雨径流污染控制方案研究情况进行了综述，提出了雨水径流水质研究在中国的发展方向。 关键词：雨水径流水质污染进展 Advance in research on runoff pollution in rainwater application Sun Changlei1，Wang Zhirong1,2，Zhang Chuanlei1.1. Institute of Water Resources, Xi’an University of Technology, Xi’an Shanxi 710048；2. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling Shanxi 712100 Abstract: An extensive review on rainfall runoff pollution is presented .In general, the research on runoff pollution in rainwater application involves the four facets, which are the process of rainfall runoff pollution, the rainwater quality of runoff, the rainfall runoff model and the control measures of rainwater runoff pollution. The direction of study on rainwater quality is put forward. Keywords: Rainwater Runoff Water quality Pollution Advance 近年来，随着雨水利用在全世界范围内的广泛实施，人们更关注收集到的径流雨水水质能否满足使用要求。雨水径流水质状况的好坏直接影响着雨水利用途径和成本问题，现已成为人们努力研究和要解决的问题。对雨水径流水质的污染状况，自20世纪60年代起国内外许多学者做了大量的研究和试验工作，主要集中在降雨径流污染过程研究、雨水径流水质状况研究、降雨径流模型和降雨径流污染控制方案研究四个方面。 1 降雨径流污染过程的研究 降雨径流污染是指降雨淋洗大气、冲刷地面与土壤中的污染物，使其进入地表水和地下水而造成水环境污染。为了研究方便，一般根据雨水降落过程所经历的不同区域把降雨径流污染分为淋洗大气污染、地表径流污染。 1.1淋洗大气污染近年来生活、生产中的燃煤燃气及燃油量不断增加，居住区、工厂、汽车等排放的废气、粉尘等造成了严重的大气污染，雨水在降落过程中对大气起到淋洗的作用，空气中的粉尘颗粒物、可溶性的有害气体就随着雨水降落至地面，对本来水质很好的雨水造成污染，最明显的就是酸雨的产生。李天杰[1]对上海市1984~1988年收集的城市降水资料研究表明，雨水的酸化程度与气温和气压有关，气体的溶解度随气温升高而减少，故盛夏pH值相对增大；其空间变化为：不同功能区降水pH值不同，以工业集中区较高，原因可能是工业区上空大量的烟尘基本是碱性的，可能超过了NOX、SO2的影响。另外酸雨的形成与地面土壤和扬尘还有一定的关系。就我国南北方比较而言，北方的土壤和扬尘大致偏碱性，会中和雨中的酸性物质，而南方的土壤和扬尘基本上呈酸性，会促进酸雨的形成。总之，影响酸雨的因素很多，酸雨的类型也呈现多种，其原因有待进一步研究。 1.2地表径流污染雨水降落于地面后，部分雨水通过下渗补给地下水，超渗部分就会形成径流沿地面流动。雨强越大，历时越长，形成的径流量越多，对地表的冲刷也更厉害，势必携带累积于地表上的各种污染物通过下水道或直接进入江河湖泊，对地表水和地下水造成污染。在农村地区，降雨对地表的冲刷主要表现为对裸露土壤的冲刷，附着在土壤颗粒上的污染物如化肥、农药、牲畜的粪便等就随着土壤颗粒被雨水径流或灌排水携带至水体中。据研究，农田降雨径流水质污染负荷在一定程度上与流域土地利用状况、气候状况、地形特点、排水区的土壤类型和耕种强度等有关[2]，控制农药、化肥的施用量和改善田间灌排水条件，有助于控制农田径流污染。在城市里，不透水下垫面面积成上升趋势，在同样的降雨情况下，与城郊及农村相比，峰现时间提前，洪峰量提高，对累积于地表的污染物的冲刷更彻底，降雨过程中最初排放的30%的水量就运送了80%的总污染量，因此美国环保局已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[3]。 2 雨水径流水质状况研究 对雨水径流的水质研究是进行雨水利用的前提，就目前的研究来看，主要集中在农村和城市两个方面。在城市内主要是利用城市内的大范围的不透水面进行收集，其研究内容主要集中在道路雨水水质及其对受纳水体的影响和建筑屋顶集流水质问题上。 2.1农村集蓄雨水水质状况 农村广大地区的空气质量较好，降雨淋洗大气对雨水的影响很小，是相当好的软水资源，集雨工程收集到的雨水水质状况主要和集雨面材料以及集雨的输流和保存情况有关，集雨系统的管理措施也会影响到存储雨水的水质。我国农村的集雨工程主要有甘肃的“121雨水集流工程”、内蒙古的“112”集雨节水灌溉工程、宁夏的“窖水蓄流”工程和陕西的“甘露”工程等。这些工程主要是收集集雨面雨水径流，储存到地下水窖，供家庭饮用和农作物的关键用水，其水质的好坏直接影响着人们的生产和生活。刘洪亮等[4]对地窖水的水质研究发现，由于储存期过长而使地窖水中微生物、耗氧量和氨氮等经常超标，色度和浊度较大。定西地区卫生防疫站在1998年和1999年对5个县的部分水泥窖进行了现场卫生学调查，并对水质进行了监测。其按农村实施的《生活饮用水卫生标准准则》对各污染指标进行检验，基本达到农村饮用水卫生标准[5]。武福学等[6]提到：采用新建混凝土集流面和水窖集蓄的雨水在半年之内pH值偏高，但其平均值在允许的范围内；监测的20种卫生指标除细菌总数和总大肠菌群超标外，其余18种指标完全达到了农村生活饮用水卫生标准，其中15种指标达到了二级水质标准。可见，我国的水泥窖蓄水的水质大部分还是比较好的，只要管理、储存得当不会对人畜造成影响。 2.2城市路面径流水质状况研究城市路面径流污染是城市地表径流污染源的主要组成部分，现已成为国内外非点源污染研究的热点问题。 2.2.1路面径流中污染物的成分、含量及影响其含量的因素研究在确定污染物成分含量和影响因素方面的研究目前较多。Sansalone[7] (1997)认为城市路面径流中的污染物通常有固体物质、营养物质、重金属、油和脂、细菌、除冰盐等。Gjessing等[8]测定了挪威公路路面径流中PAHs和重金属的含量，并分析了各种污染物的来源及其在受纳水体中的分布情况；Viklander[9] (1998)测试了沉积于瑞典街道上沉积物的颗粒级配及重金属的含量，并分析了其与交通流量及周围区域环境的关系。Drapper等[10]对澳大利亚布里斯班市12场降雨在公路上21个测点的路面径流进行了18个月的测试研究，分析了径流中SS、凯氏氮（TNK）、总磷、重金属等污染物的浓度，并研究了径流中污染物的浓度与交通量、路面类型、测点特征之间的关系，但由于每场降雨的特点和天气条件又不尽相同，因此所确定的关系对其他地区可能不适用，但其研究方法和研究思路是可借鉴的。国内，蒋海燕等[11]对上海城区及郊区的60个典型代表点（工业区、居住区、交通要道、商业区）进行了氮化合物及总无机氮的测定。施为光[12]研究了成都市街道地表物中的重金属含量状况，着重对重金属污染、重金属粒径分级含量及重金属累积情况进行了较为详细的探讨，得出大部分金属分布在粒径较小的颗粒上的结论，这与国外城市径流污染研究报道的结果相一致。长安大学陈莹[13]提出公路路面径流中污染物的浓度是交通状况、大气降沉、周围土地利用方式、降雨状况、降雨前晴天累计天数、路面清扫状况等因素综合作用的复杂函数。其对数次降雨径流采样分析表明，公路径流中各污染指标的最大值可达到：SS=813 mmol/L、COD=412 mg/L、BOD5=72 mg/L、Pb总=0.77 mg/L、Zn总=1.34 mg/L，公路路面径流水COD的浓度高值与典型生活污水相似，SS的高值是典型生活污水的4倍左右，可见公路路面径流对受纳水体可造成严重的SS和重金属污染。 2.2.2污染物从路面到受纳水体的迁移过程分析研究引起路面径流污染的重要污染源是机动车辆的运行，其排放的污染物质如轮胎颗粒、筑路材料颗粒、燃料燃烧排放物、发动机油料和所运送物资的泄漏物等，这些物质晴天累积于路面，雨天即被径流冲刷进入水体。国外对污染物的迁移过程进行了大量的研究，如Huber和Dickenson提出了污染物在晴天的累积模式，该模式认为污染物在晴天的累积量是时间的指数函数[14]；Metcalf和Eddy等提出地表污染物的冲刷模型，该模型认为径流过程中不透水地表表层沉积物的冲刷速率与沉积污染物的量成正比[15]。 Deletic等[16] (1998)采用自动监测设备对城市地表雨水口处径流雨水水质的pH、温度、浊度及电导率进行了连续测定，获得了大量的数据，并给出了固体排放速率与地表径流量的相关式。Sansalone等[7]（1997）报道了城市道路路面径流中重金属污染物的测试研究结果，分析了溶解态及非溶解态金属的径流排放特征。目前，国外许多国家通过对多年暴雨径流监测数据进行统计分析和计算机模拟，建立了很多用于描述径流过程的数学模型，常见的有SWMM、NPS、 MOSQITO、FLUPOL等。 2.2.3污染物质对受纳水体水质的影响研究污染物质随径流进入水体后对水体水质的影响很大，水体的许多物理、化学性质随之改变，据Ellis的研究[17]，受纳水体中金属含量的35%～75%来自于公路路面径流，其中来自公路路面径流的Cd、Cu、Pb和Zn含量分别占水体总含量的46%、78%、47%、13%；Stotz[18]的研究认为，公路路面径流中PAH5的含量是未受污染的河水或湖泊水的50～60倍；长安大学的陈莹[13]对西安临潼高速公路路面径流污染特性及其对受纳水体水质影响进行了探讨，指出污染负荷法和数学模型计算法是评价公路路面径流对受纳水体水质影响的有效方法。 2.3城市屋面雨水径流水质状况国外也是近年才开始注意屋面径流的污染，法国的研究者[19]对巴黎市中心3种材料（瓦、石板和锌版）屋面降雨径流水质状况进行了分析。研究肯定了屋面径流有一定的污染，主要表现为初期的SS和COD污染，并发现由金属屋面产生的一些重金属甚至超过街道径流。刘宏宇等[20]对北京的屋顶雨水径流水质进行了研究，得出屋面径流水质随时间的变化规律，材料（主要是新旧油毡对比）和地理位置对屋面径流水质的影响，以及降雨强度、降雨间隔时间、日晒、温度、不同月份的雨水径流水质变化情况，确定了屋面径流初期弃流量为最初的2 mm降雨，认为北京市屋面、道路径流水质有明显的随机性和波动性，随着温度的升高，水质恶化现象加重。在一次降雨过程中，初期径流污染严重，而后期的径流水质逐渐趋于稳定，屋面径流COD终值一般在60~80 mg/L，SS在20~50 mg/L。沥青油毡类屋面的径流污染物浓度要比瓦屋面高些。降雨强度和降雨量越大径流浓度越小。 3 降雨径流模型研究 降雨径流模型是非点源污染模型的子模型，用来解决各类流域的产汇流问题。人们于20世纪70年代初开始利用数学模型定量化评估降雨径流污染的潜在危害。最初利用数学模型进行降雨径流模拟的是美国加州的Hydrocomp公司，其为EPA研制农药输移和径流模型（PTR），进行农田径流污染研究。后来出现的暴雨雨水管理模型（SWMM）、通用土壤流失方程（USLE）和存储处理与溢流模型（Storm），被广泛用于降雨径流污染负荷的定量计算。我国在降雨径流模型研究方面提出了许多有特色的产汇流计算方法或模型。最具代表的产流模型有蓄满产流模型、超渗产流模型和综合产流模型[21]。目前在城市雨水径流模型研究方面的主要工作是将国外一些著名的模型在我国试用，如岑国平在北京百万庄小区应用了ILLUDAS模型，曹韵霞等[22]在北京太平湖和安定门小区应用了SWMM模型；另外研制了一些城市雨水径流模型，徐向阳提出一个用于城市防洪和排水规划设计的雨洪模型，岑国平等[23]提出城市雨水道计算模型(SSCM)，刘曼蓉[24]对南京市城北地区的暴雨径流污染研究中提出了暴雨径流污染的概化模型和统计相关模型；赵剑强[25]在研究西安南二环路面径流排污规律时，提出了描述地表径流排污过程的污染物浓度预测计算模式。但城市雨水径流模型在实际规划、设计和管理工作中应用很少，尚需进一步研究和推广。综观国内外提出的降雨径流污染模型，主要存在以下几方面的问题：（1）考虑污染物迁移转化机理的非点源污染模型中，研究性的模型多，应用性的模型少。（2）大多数模型只能适应于很小的流域面积，不便于推广应用。（3）从应用角度看，模型过于复杂，参数太多，率定困难，且应用的效果也不理想。（4）各模型对实测资料的依赖程度高，很难应用于无资料或资料条件较差的流域。 4 降雨径流污染控制方案研究 为了控制雨水径流污染，Maestr等[26]研究认为，植被控制、湿式滞留池、渗滤系统和湿地是几种暴雨径流管理控制的有效措施；Sansalone等[7]的研究表明，渗滤系统PET(Partial Exfiltration Trench)可以有效去除公路路面径流中的重金属、SS和PAH5；Yousef 等的研究表明，植草渠道对重金属，尤其是对离子状态的重金属有很好的截留效果； Gwrdine和Adams分析了各种控制措施对污染物的去除机理、设计方法及处理效率，认为渗滤系统中的渗坑是一种最有效的方法，设计合理维护良好的渗坑对污染物的去除效率可达98％；Sarter和Gaboury的研究认为路面清扫工作、冰雪季节控制除冰剂的使用对控制径流污染有很大的意义。在德国最典型的控制措施是修建大量的雨水池截留处理合流制和分流制管系的雨水，以及采取分散式源头生态措施消减和净化雨水。美国控制非点源污染配套的城市雨水资源管理和污染控制第二代BMP方案更强调与植物、绿地、水体等自然条件和景观结合的生态设计和非工程性的各种管理方法[2]。渗滤系统需要占用大片的土地，对我国土地资源紧张的大部分城市来说是不现实的，但却可结合景观用水进行。现今北京已把城市雨洪利用纳入到城区的生态小区的建设中，通过屋顶花园到高花坛、低绿地、浅沟渗渠渗透或蓄水池储存的模式，来控制和利用雨洪资源，得到很好的效果。 5 结语总的来说，国内外在雨水利用方面的研究进程大不相同，我国在这方面的研究起步较晚，尤其在城市的雨水利用方面更无经验可谈。目前国内有待进一步研究的主要问题有：（1）目前，研究仅限于外界各影响因素对雨水径流水质的定性影响，并未作进一步定量分析，不能很好地掌握各种外部环境下雨水径流水质变化规律。因此，系统地进行城市雨水径流水质污染分析是必要的。（2）针对我国大部分城市的降水比较集中、径流量比较大、水质污染严重的问题，应加大雨水径流的储蓄和处理研究，提出符合我国国情的处理径流水质的最佳措施。（3）我国对雨水径流污染控制方面的研究较少，没有形成完整的体系，借鉴国外有效的污染控制管理经验，并结合我国国情制定出有效的控制措施和法案法规，有助于促进我国在雨水利用方面的研究和应用。 参考文献 1 李天杰. 上海市区城市化对降水的影响初探. 水文，1995，（3）：34~41 2 王晓峰，王晓燕. 国外降雨径流污染过程及控制管理研究进展. 首都师范大学学报(自然科学版) ，2002，23(1):91~101 3 USEPA. 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