汪楚喬,陳柔君,吳 磊,宋海亮,李先寧
(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210096)
隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展,農(nóng)村降雨徑流污染已經(jīng)成為農(nóng)村面源污染的一個(gè)重要問題,其徑流中包含的大量有機(jī)污染物、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),嚴(yán)重影響了受納水體的水環(huán)境質(zhì)量,需要對(duì)村落降雨徑流污染的形成規(guī)律進(jìn)行研究。
降雨徑流污染的形成包括污染物的積累、雨水的沖刷與徑流的輸移,徑流污染的形成基礎(chǔ)即降雨中污染的積累與沖刷,也是研究徑流污染的重點(diǎn),污染物的積累與沖刷過程研究對(duì)實(shí)現(xiàn)降雨徑流污染物的有效控制具有重要的理論意義[1]。污染物積累主要包括污染物在非降雨期在下墊面或大氣中的逐漸積累過程,影響積累速度的因素主要有下墊面特性、環(huán)境因素與不同地域特征[2]。降雨時(shí),積累在下墊面和大氣中的污染物在雨水淋洗及徑流沖刷等作用下,將貯備的固相和氣相污染物轉(zhuǎn)移至雨水徑流中。下墊面光滑程度、降雨強(qiáng)度與污染物類型都會(huì)影響雨水的沖刷速度[3]?,F(xiàn)有的研究中大都采用污染物的沖刷速率與降雨強(qiáng)度的指數(shù)衰減模型,研究結(jié)果顯示建立的模型能較準(zhǔn)確地描述沖刷轉(zhuǎn)移過程[3-4]。雖然下墊面沖刷和降雨過程具有實(shí)時(shí)關(guān)系,但是降雨徑流需要先匯集,從而導(dǎo)致了匯流時(shí)間差,為避免此時(shí)間差帶來(lái)的誤差,需要通過數(shù)據(jù)研究徑流與沖刷量的相關(guān)函數(shù)關(guān)系。選用合適的數(shù)學(xué)模型模擬降雨徑流與雨水沖刷的過程,才能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)降雨徑流中污染物的變化規(guī)律。
本研究利用宜興市周鐵鎮(zhèn)地表徑流水質(zhì)、污染特征方面的基礎(chǔ)資料,確定徑流的污染程度,建立各污染物之間的相關(guān)性,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地監(jiān)測(cè)的降雨數(shù)據(jù),獲取適合于該地區(qū)特征的相關(guān)參數(shù),建立徑流污染物的累積與沖刷模型,為太湖地區(qū)徑流污染評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)、管理和調(diào)控提供研究資料和依據(jù)。
本次試驗(yàn)選取的采樣點(diǎn)在周鐵鎮(zhèn)沙塘港村,是位于太湖西岸重污染區(qū)的典型村落。周鐵鎮(zhèn)位于宜興市東北部, 全鎮(zhèn)總面積為73.2 km2,總?cè)丝跒?.88萬(wàn)人。全鎮(zhèn)地形平坦,屬太湖水網(wǎng)地區(qū)。四季分明,氣候溫和,水源充沛,土地肥沃,特產(chǎn)豐富,素有“魚米古鎮(zhèn)”之稱。氣候?qū)俦眮啛釒喜考撅L(fēng)區(qū),年平均降水量為1 191.3 mm,年平均日照為1 941.9 h,年平均氣溫在15.6 ℃,鎮(zhèn)區(qū)用地基本不受洪水淹沒,最低水位為2.7 m,枯水位時(shí)主要河道亦能通航。
沙塘港村隸屬周鐵鎮(zhèn),位于太湖西濱,東南毗鄰太湖,南連新莊鎮(zhèn),西依萬(wàn)石、芳橋鎮(zhèn),北靠橫蕩河,橫蕩河由此處流入太湖。沙塘港村位于周鐵鎮(zhèn)東南2 km,地理位置優(yōu)越,水陸交通便捷。總面積為2.9 km2,有自然村落2個(gè),劃分村民小組18個(gè),總?cè)丝谟? 423人,現(xiàn)有村莊2.62×105m2,耕地面積2.49×106m2,山地面積3.00×105m2。村中地面硬化程度高于90%以上,基本全村每戶都有全硬化庭院,屋面特征明顯,有90%以上為瓦屋面,道路全硬化程度也高于90%以上。
考慮到試驗(yàn)結(jié)果的適用性和代表性,當(dāng)?shù)卮蟛糠执迓涠加械牡缆?、庭院、屋面這三種不同下墊面,在沙塘港村現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研,設(shè)立采樣點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)分析三種不同下墊面的降雨徑流。
試驗(yàn)中用內(nèi)配1 L聚乙烯采樣瓶的8000D型水質(zhì)自動(dòng)采樣器對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的降雨徑流進(jìn)行采樣,由于徑流污染物在降雨徑流形成初期迅速增加,故每個(gè)采樣點(diǎn)的采樣都是從開始產(chǎn)流一直到產(chǎn)流結(jié)束,根據(jù)降雨強(qiáng)度大小,采用不同的采樣間隔,如高強(qiáng)度降雨和降雨初期時(shí)采樣間隔為5 min,而降雨后期或者中小強(qiáng)度降雨情況采樣間隔一般適當(dāng)延長(zhǎng)為20~30 min。降雨量和降雨歷時(shí)采用YM-21型雨量計(jì)進(jìn)行測(cè)定,其他具體監(jiān)測(cè)方法同課題組之前研究[5-6]。
水樣采集后,立即送往現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室進(jìn)行分析,COD、SS、TN、TP測(cè)定方法均參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局推薦方法[7]。
為確定地表污染物的積累量,一般將地面污染物用真空吸塵器吸取,之后分析收集的污染物。但雨水的沖刷作用并不會(huì)使全部污染物轉(zhuǎn)移至雨水徑流,所以實(shí)際可沖刷轉(zhuǎn)移至降雨徑流中的污染物不能通過直接收集的方法反映[8]。另一方面,積累污染物的采集也存在著很大的不確定性,與下墊面的清掃、天氣、風(fēng)力等很多方面有關(guān),通過試驗(yàn)采集了不同下墊面的積累污染物,沒有發(fā)現(xiàn)明確的規(guī)律。因此,為增加模型模擬的精度,可以通過對(duì)沖刷過程的研究得到可沖刷污染物的量,將可沖刷污染物累積量應(yīng)用到?jīng)_刷模型中。
徑流污染物的沖刷速率可用含有降雨強(qiáng)度和污染物量的模型表示,存在著簡(jiǎn)單的線性關(guān)系[4,9],如式(1)。
(1)
其中:Ws—單位面積的沖刷速率,mg/(m2·min) ;S—平均降雨強(qiáng)度,mm/min;c—沖刷系數(shù),mm-1;M—地表殘留污染物量,mg/m2;t—降雨歷時(shí),min[10]。
沖刷系數(shù)采用以O(shè)such-Pajdzińska研究為基礎(chǔ)的修正公式[9],如式(2)。
(2)
降雨強(qiáng)度對(duì)污染物的沖刷速度影響很大,污染物的沖刷速率與降雨強(qiáng)度的指數(shù)衰減模型,可以較準(zhǔn)確的反映污染物的沖刷轉(zhuǎn)移過程[3-4,11]。由于降雨的匯集導(dǎo)致的匯流時(shí)間,需研究徑流與沖刷量之間的函數(shù)關(guān)系,以避免此匯流時(shí)間差導(dǎo)致的誤差。
考慮到未產(chǎn)生雨水徑流的降雨和降雨與徑流污染物沖刷存在著時(shí)間差的事實(shí),采用區(qū)域表面產(chǎn)流負(fù)荷代替實(shí)際降雨強(qiáng)度。最后可以得到降雨所形成的徑流污染物濃度,即濃度模型[12],如式(3)和式(4)。
C(t)=cM0exp[-cHef]
(3)
Hef=累積徑流量/匯流區(qū)域面積
(4)
其中:C(t)—徑流污染物質(zhì)量濃度,mg/L;c—沖刷系數(shù),mm-1;M0—地表初始污染物量,mg/m2;Hef—徑流產(chǎn)流深度,mm;t—降雨歷時(shí),min。
式(1)可作為徑流污染物沖刷的基礎(chǔ)模型。應(yīng)用到單場(chǎng)降雨,將式(1)變形,可得式(5)。
ln[C(t)]=ln(cM0)-cHef
(5)
由式(5)可知,有效降雨深度與徑流污染物濃度為線性關(guān)系,函數(shù)公式結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,可以為一些相關(guān)的模擬計(jì)算提供基礎(chǔ)。
模型中實(shí)測(cè)的降雨資料來(lái)自對(duì)宜興市周鐵鎮(zhèn)沙塘港村屋面、庭院、道路3中不同下墊面降雨徑流水質(zhì)進(jìn)行的監(jiān)測(cè),測(cè)定的水質(zhì)指標(biāo)為COD、TP、TN和SS,9場(chǎng)降雨事件的特征見課題組之前研究[6]。將9場(chǎng)降雨分為中小強(qiáng)度降雨(<0.1 mm/min)和高強(qiáng)度降雨(>0.1 mm/min)兩種條件。
根據(jù)前期研究數(shù)據(jù),當(dāng)?shù)氐?種下墊面中屋面、庭院和道路都具有較明顯的初期沖刷效應(yīng)。對(duì)9場(chǎng)采集的降雨徑流采用式(5)檢驗(yàn)?zāi)P途取?/p>
對(duì)一場(chǎng)中小強(qiáng)度降雨(降雨量為3.2 mm,降雨時(shí)間為60 min)的徑流采用式(5)檢驗(yàn)?zāi)P途龋Y(jié)果如圖1所示。
圖1 小強(qiáng)度降雨條件下污染物沖刷規(guī)律模擬結(jié)果Fig.1 Simulation Results of Different Pollutants Wash-Off Characteristics under Low Rainfall Intensity
對(duì)一場(chǎng)高強(qiáng)度降雨(降雨量為20.7 mm,降雨時(shí)間為60 min)的徑流采用式(5)檢驗(yàn)?zāi)P途龋Y(jié)果如圖2所示。
由圖1和圖2可知,有效降雨深度Hef與降雨徑流污染物濃度ln[C(t)]具有較好的線性關(guān)系。從相關(guān)系數(shù)R2的值來(lái)看,庭院和道路徑流模擬的精度與屋面相比要稍低,而道路徑流模擬的精度與庭院相比也略低。其原因是屋頂無(wú)人類活動(dòng),造成污染物沖刷的因素主要為降雨。而在地面徑流中,庭院和道路上都有較多人類活動(dòng)產(chǎn)生的影響,且道路上還有較多車輛活動(dòng),兩者的共同作用會(huì)進(jìn)一步降低模型精度。
圖2 高強(qiáng)度降雨條件下污染物沖刷規(guī)律模擬結(jié)果Fig.2 Simulation Results of Different Pollutants Wash-Off Characteristics under High Rainfall Intensity
分別計(jì)算中小降雨強(qiáng)度(<0.1 mm/min)和高降雨強(qiáng)度下徑流污染物的沖刷系數(shù),結(jié)果如表1所示。由表1可知,COD、SS、TP與TN的沖刷系數(shù)都是正值,沖刷系數(shù)之間沒有明顯差異,這主要是由于COD、TP與TN在顆粒物上具有較高的附著性[9,13],所以污染物濃度受沖刷過程影響非常大。Lee等[14]在研究韓國(guó)城市降雨徑流時(shí)發(fā)現(xiàn),降雨徑流中COD、SS、N、P的初期沖刷效應(yīng)與降雨強(qiáng)度存在相關(guān)關(guān)系,而且會(huì)隨著流域面積的減小而增大。羅專溪等[15]在研究川中丘陵區(qū)村鎮(zhèn)降雨特征時(shí)發(fā)現(xiàn),村鎮(zhèn)降雨徑流中TN、TP、COD、SS與降雨特征存在較好的相關(guān)性,且降雨初期徑流中N、P污染有較高的濃度,隨降雨量和徑流量的增大而產(chǎn)生了污染源的耗竭效應(yīng),但COD和SS隨著降雨強(qiáng)度和降雨量等產(chǎn)生明顯的耗竭效應(yīng)。
隨降雨時(shí)間的延長(zhǎng),懸浮顆粒物的沖刷轉(zhuǎn)移速率逐漸降低,所以污染物的沖刷系數(shù)都為正值,與懸浮顆粒物之間差異性較小。在中小強(qiáng)度降雨條件下,TN的沖刷系數(shù)較高,可能是由于TN中溶解性成分較多,而溶解性污染物更易被沖刷至徑流中[16]。高強(qiáng)度降雨條件下的沖刷系數(shù)小于中小強(qiáng)度降雨條件下的沖刷系數(shù),原因是降雨強(qiáng)度的增加使得地面可沖刷的污染物量增加。當(dāng)有效降雨深度增大到10 mm時(shí),地表貯備的污染物已接近輸送完成,此時(shí)徑流污染物濃度也逐漸穩(wěn)定,沖刷規(guī)律在此時(shí)不能表示污染物變化,所以引起求出的平均沖刷系數(shù)偏小。在有效降雨深度大于10 mm時(shí),適宜直接用穩(wěn)定的終端濃度表示污染物濃度。同時(shí)由于降雨初期的3 mm徑流是導(dǎo)致降雨污染的主要過程[17-18],式(5)可直接應(yīng)用于中小降雨強(qiáng)度沖刷系數(shù)的計(jì)算,而在高強(qiáng)度降雨條件下,由于降雨量增加很快,當(dāng)采樣間隔為5 min、徑流量達(dá)到3 mm時(shí),采樣數(shù)少,難以據(jù)此求出沖刷系數(shù),故還需對(duì)高強(qiáng)度降雨過程進(jìn)一步研究。
表1 9場(chǎng)降雨事件中不同下墊面降雨徑流污染物沖刷系數(shù) Tab.1 Wash-Off Transport Coefficients of Pollutants on Different Underlying Surfaces in 9 Rainfall Events
隨著中國(guó)農(nóng)村地區(qū)向城鎮(zhèn)化發(fā)展速度的加快,雨水徑流污染物濃度不斷升高,形成更嚴(yán)重的水環(huán)境污染。不同下墊面原始污染物積累量對(duì)預(yù)測(cè)雨水徑流污染物沖刷過程有較大影響,如何取得或測(cè)定污染物的積累量,對(duì)無(wú)序排放污水污染控制非常重要。
1.4節(jié)中提到雨水的沖刷作用并不會(huì)使全部污染物轉(zhuǎn)移至雨水徑流,所以實(shí)際可沖刷轉(zhuǎn)移至徑流中的污染物不能很好地通過真空吸塵器收集的方法反映。但是可以通過污染沖刷量來(lái)對(duì)可沖刷污染物的公式進(jìn)行推導(dǎo),同時(shí)以此為基礎(chǔ)研究不同下墊面的可沖刷污染物積累量。
不同下墊面中的污染物經(jīng)過沖刷過程轉(zhuǎn)移到降雨徑流中表現(xiàn)為徑流中污染物,所以理論上,通過監(jiān)測(cè)徑流量和污染物濃度的數(shù)據(jù),可得到不同下墊面可轉(zhuǎn)移沖刷的污染物量。故可轉(zhuǎn)移沖刷的污染物濃度可在式(5)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)得到,根據(jù)式(5),對(duì)Hef和ln[C(t)]進(jìn)行線性模擬可以得式(6)。
(6)
對(duì)所監(jiān)測(cè)的9場(chǎng)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分為中小強(qiáng)度降雨(<0.1 mm/min)和高降雨強(qiáng)度兩種條件,并計(jì)算其可沖刷污染物積累量,結(jié)果如表2所示。
表2 9場(chǎng)降雨事件中降雨徑流可沖刷污染物積累量Tab.2 Accumulation Amounts of Washed-Off Pollutants of Rainfall Runoff in 9 Rainfall Events
由表2可知,高強(qiáng)度降雨對(duì)地表污染物的沖刷大于中小強(qiáng)度降雨,高強(qiáng)度降雨沖刷得較徹底。地表顆粒污染物的積累量可以達(dá)到較高的值,中小強(qiáng)度降雨只能將地表部分污染物沖刷至徑流中,屋面、庭院、道路在高降雨強(qiáng)度下SS的可沖刷污染物積累量M0分別為359、422、507 mg/m2,而中小降雨強(qiáng)度下沖刷的分別為191、192、375 mg/m2。同時(shí)地表積累的溶解性污染物更易轉(zhuǎn)移至雨水徑流中,屋面、庭院、道路在中小降雨強(qiáng)度下沖刷的TN分別為40.23、20.85、26.24 mg/m2,而高降雨強(qiáng)度下沖刷的分別為55.98、48.6、33.7 mg/m2。屋面的污染來(lái)源中有很大一部分為大氣干沉降產(chǎn)物,已有研究表明太湖流域大氣干沉降產(chǎn)物中TN量要遠(yuǎn)高于TP量[19],故本研究中屋面沖刷TN量大而TP量相對(duì)較少,而道路和庭院污染物來(lái)源就更加復(fù)雜,主要跟大氣污染狀況、風(fēng)速和人類活動(dòng)(包括交通量和地面清掃等)有較大關(guān)系。經(jīng)試驗(yàn)所在現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)氐缆范ㄆ谟星鍜?,而庭院為較臟的時(shí)候才進(jìn)行清掃,這對(duì)負(fù)載COD、TN、TP的顆粒物濃度都會(huì)產(chǎn)生影響,因此研究可沖刷污染物的積累量有著重要的意義,尤其是在中小降雨強(qiáng)度條件下可以提高模型的模擬精度。
將以上得到的中小強(qiáng)度條件下的沖刷系數(shù)c和可沖刷污染物積累量M0帶入式(3),可分別得到屋面、庭院、道路3種下墊面的COD、SS、TN和TP濃度隨有效降雨深度的變化規(guī)律,并選取一場(chǎng)小降雨強(qiáng)度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與之進(jìn)行比較,如圖3所示。圖3(a)、圖3(b)、圖3(c) 分別為屋面、庭院、道路下墊面COD、SS、TN和TP濃度隨有效降雨深度的變化規(guī)律及小降雨強(qiáng)度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
圖3 中小降雨強(qiáng)度條件下徑流污染物濃度變化模擬Fig.3 Simulations of Concentration Changes of Pollutants under Low and Moderate Rainfall Intensity
由圖3可知,污染物濃度模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較吻合,顯示了較高的模擬精度,由于累計(jì)徑流深度的不斷增加,沖刷系數(shù)到達(dá)高值后出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在污染物的沖刷過程中,沖刷系數(shù)c是不恒定的,由式(5)可知,沖刷系數(shù)受產(chǎn)流負(fù)荷的影響較大,產(chǎn)流負(fù)荷會(huì)在徑流初期增加速度很快,沖刷系數(shù)因而升高。模擬采用的是小降雨強(qiáng)度條件下的沖刷系數(shù)和可沖刷污染物積累量的平均值,因此存在著一定的誤差,在后期的使用時(shí)可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試,使其最大限度的符合實(shí)測(cè)值。由于一年中小強(qiáng)度降雨所占的比例較大,所以建立的累積與沖刷模型具有實(shí)用意義。
(1)公式ln[C(t)]=ln(cM0)-cHef可直接應(yīng)用于中小降雨強(qiáng)度參數(shù)的計(jì)算。中小降雨強(qiáng)度條件下,屋面COD、SS、TN和TP的沖刷系數(shù)分別為0.82、0.83、0.92 mm-1和0.86 mm-1;庭院COD、SS、TN和TP的沖刷系數(shù)分別為0.60、0.87、0.97 mm-1和0.91 mm-1;道路COD、SS、TN和TP的沖刷系數(shù)分別為0.77、0.63、0.83 mm-1和0.56 mm-1。
(2)利用濃度模型對(duì)不同下墊面徑流污染物濃度變化規(guī)律進(jìn)行了模擬,模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合性較好,建立的模型可用于太湖流域村落不同下墊面中小降雨強(qiáng)度條件下降雨徑流污染沖刷規(guī)律的表達(dá)。
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