城市地表污染物累積模型研究

邊 博

(江蘇省環境科學研究院,南京210036)

城市面源污染是城市水環境的主要問題之一,降雨沖刷地表產生攜有大量污染物的徑流進入水體,對城市水體造成了嚴重危害[1-2],因此,模擬城市面源水質對于城市面源污染管理具有重要作用。城市面源水質受到降雨特征、天氣情況、功能區和地表特征等因素綜合影響,這些影響因素難以有效的量化,模擬污染物復雜變化的過程復雜[3-4]。

在國外研究中,建立起了污染物在城市面源系統中遷移的概念性模式,認為地表沉積物是面源污染的主要來源。研究表明城市地表污染物排放表現為晴天累積、雨天排放的特點,即晴天時地表污染物的累積過程和雨時被雨水沖刷、脫離地面進入徑流的過程[5-6],認為污染物累積的關系可歸結為線性關系、冪函數關系和雙曲線關系[7-8]。地表污染物的凈累積率(輸入率減損失率)并不是一個常數,其速度在初始時最快,而后逐漸降低,污染物的累積隨著無雨期或清掃間隔時間的增長而呈現一些特征。城市不同的土地利用類型污染物累積速率不同,與該區的污染狀況有很大關系[9],對以時間為自變量的累積模型,污染物的累積系數為一級反應速率,污染物的累積量不是隨無雨期的增長而無限增加[10],這種變化關系可用函數關系表示,國外重要的SWMM模型就應用了該理論[11]。

在中國研究中,常靜研究了上海市區主要交通區及校園地表重金屬的累積過程,發現符合“S”型增長曲線,具有較好擬合效果[12]。吳春篤應用了冪函數、指數函數和飽和函數法計算了鎮江地表污染物的累積量,結果表明污染物累積模型對徑流污染物固體懸浮物和化學需氧量計算結果影響較小[13]。由于影響污染物累積因素較多,且隨機性較大,中國主要基于污染物累積最大限量現象和累積速率隨累積時問遞減線性設計累積方程,但是計算樣點的復雜情況的影響較大,擬合曲線僅在于探討累積過程,未涉及累積動態變化過程,累積模型多以簡單的函數關系表示,函數關系存在一定的地域性,不具有推廣性[14]。

綜上所述,關于城市地表污染物累積的研究,主要集中于發達國家,在工業類型和污染狀況不同的發展中國家,研究較少。同時城市不同土地利用類型的功能分區,構成了復雜的城市區域,具有各自的特點,這些特點影響著地表污染物的分布特點和污染特征。城市地表污染物累積是一個高度隨機性的過程,機理難以被精確的描述,難于用復雜的數學公式來模擬。因此,從地表污染物“貯存-輸入-輸出”動態平衡入手,通過質量平衡來推算污染物累積量,從而研究不同土地利用類型地表污染物累積規律,為城市降雨徑流污染的成因分析,污染負荷的準確計算以及污染控制管理提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 功能區和采樣點的選取

在研究區域內選擇一塊面積不大,能代表研究區域各類特征的封閉或半封閉的小試驗區,監測地表污染物。城市面源污染的產生與人類的活動密不可分,由于人類活動存在差異性,其產生的污染物程度也不一樣,因此按照土地利用類型在采集樣品。鎮江古運河流域主城區已形成商業區、居民區、河濱公園、交通主干道等土地利用類型布局,商業區位于市中心,旁邊有交通干道;居民區為老住宅區,區內道路為臨時停車場;河濱公園處于老城區,毗鄰城市交通要道;選取市區重要的主干道:中華路和電力路作為交通區。

1.2 地表污染物采集

2006-03開始布點采樣見圖1,采樣時間遠離道路清掃時段,在1m2范圍內,用干凈的細毛刷分別采集裝入樣品袋。必須確保每次樣品都采集于相同的路面面積和區域,地表沉積物大多分布在靠近路邊坎的一定范圍內,占總體質量88%的固體顆粒分布在距離邊石的30cm范圍內,95.9%分布在距離邊石50cm范圍內[15]。因此多在距離邊坎范圍較近的區域,首先設置一定面積的木質框架置于路面確保每次采集的地表灰塵面積范圍一致,其次保證每次采集的路面區域一致,獲得地表沉積物在無雨期的累積過程[16-17]。

圖1 采樣點分布示意圖

1.3 城市地表污染物累積模型建立方法

地表污染物晴天時在地表的累積過程及雨時的沖刷過程,由于受多種因素的影響,模擬具有一定的難度,地表污染物累積基于“污染物在晴天時積累于地表,雨時被沖刷”建立。城市絕大部分地表為不透水表面,模型均以不透水地面為對象,根據“貯存-輸入-輸出”平衡,在不透水地面上污染物的累積量可以用簡單的質量平衡公式來表示[9]:

上式中,PT—某區域地表污染物的總累積量;PR—上次降雨沖刷地表殘留污染物的量;PC—晴天污染物累積量;PI—污染物全部輸入的總和;PO—污染物全部損失的總和。全部輸入項包括大氣輸入、垃圾的累積、植被殘體以及交通的影響等。輸出主要為受風力(包括天然的和交通運輸產生的風力)污染物二次懸浮、街道清掃等。對地面和路緣儲存的污染物的累積和去除作用有關聯的因素很多,況且許多因素的表述參數不易確定。因此,不妨將影響污染物輸出過程的因素定義為污染的去除速度參數,從而質量平衡公式表述為:

其中PC為某區域地表污染物質量隨時間的累積量,g;M為來自于大氣降塵,交通釋放等降落于某區域的污染物質量,g/m2?d;A為區域的面積,m2;k1為污染物轉化系數;k2為污染物的去處速度系數d-1。

其中t為前期晴天數。

2 結果

2.1 城市地表污染物累積模型

當前期晴天數t較大時,e-k2t接近于零,區域里污染物輸入和損失達到平衡時,地表積累的最大污染量為假設最大污染量為事實每次降雨都難以將地表污染物完全沖刷干凈,設最近一次降雨后地面殘留污染物量為那么,污染物的積累速率隨初期殘留負荷的存在而呈比例減小,經歷時間t以后,區域內地表污染物的總量可表示為:

當t較大時,即累積時間無限延長,e-k2t接近于零,區域內的污染物輸入和損失達到平衡時所累積的污染物的最大量為Pmax。但是,由于人為清掃和降雨情況的存在,地表污染物的累積時間并不能無限延長,污染物累積量也難以達到最大值Pmax,而是按照清掃頻率和降雨周期性增長假設,經歷S d后(即1個周期),地表污染物的累積量達到最大Pmax值,經過上述公式的推導,獲得地表污染物累積量隨時間的變化關系

式中:PT為某區域地表污染物質量隨時間的累積量,g;Pmax為地表污染物的周期性最大累積量,g;M為來自于大氣降塵,交通釋放等降落于某區域的污染物質量,g/m2?d;A為區域的面積,m2;k1為污染物轉化系數;k2為污染物的去處速度系數 d-1;t為前期晴天數,d;S為污染物達到積累最大量的周期性時間,d。

2.2 城市地表污染物累積模型參數確定

1)參數 Pmax和S的確定

目前,城市環境衛生管理中,道路和住宅小區的清掃都有一定的規定或要求,城市道路1 d清掃1～3次(機器掃或人工掃),對住宅小區的清掃也有2～3 d清掃一次。重要的道路也不定期清掃,在未降雨情況下,地面污染物累積總量實際在一定時間達到最大值,其后一般不再增長,地表污染物的累積總是呈現周期性變化,從圖2可以看出不同土地利用類型沉積物的累積變化關系,可以確定最大累積量和周期時間。

圖2 地表沉積物隨前期晴天數的變化關系

2)參數k1M和k2的確定

式7為非線性函數,函數中將參數k1M合成一個參數Pm,PM和k2根據已知數據應用Origin非線性擬合出響應函數的系數,通過 Analysis→Non-Linear CurvEFit→Advanced Fitting Tools或者Fitting Wizad,高級模式還可利用 Function→new可以自定義擬合函數。氮和磷是水體富營養化的關鍵因子之一,它們在地表沉積物中含量水平是面源中氮和磷的主要來源之一,地表沉積物作為它們的主要載體,鎮江不同土地利用類型地表沉積物中氮,磷含量變化范圍各自2.28～6.31mg/g,2.76～5.1mg/g,商業區的地表沉積物中氮,磷的含量最高,通過不同土地利用類型單位面積上采集沉積物的量,可獲得不同土地利用類型單位面積污染負荷與前期晴天數的變化關系見圖3,確定出鎮江城市地表污染物的累積模型的參數值。

圖3 不同土地利用類型污染物負荷與前期晴天數關系

2.3 城市地表污染物累積模型與其他模型比較

城市面源水質模型基于描述污染物晴天累積,雨天排放的過程形成方程,模擬復雜變化條件下的污染物形成過程,地表污染物累積模型輸出項一方面可計算污染物累積量,另一方面主要作為建立城市地表污染物沖刷模型的輸入項,認為地表污染污染物的沖刷速率與累積污染物的量成正比,建立城市地表污染物沖刷模型。同時,國外對地表污染物的計算關系可歸結為3種形式:即線性關系、冪函數關系和雙曲線關系[18-19],各函數表達關系如下:

線性關系:Pt=at+b,冪函數關系:Pt=atb,雙曲線關系

城市地表污染物的累積率并不是一個常數,各模型參數確定較難,在實際計算地表污染物累積量時,很少比較研究不同累積模型對于研究對象的適用性,本文以地表污染物累積三種常用函數關系,模擬實測的鎮江代表性功能區(商業區和交通區)的污染負荷,不同函數關系的參數值和相關系數見表1。由表中可知,本文建立的城市地表污染物累積方程(表4中R2系數簡寫為累積),擬合精度最好,其次是雙曲線函數關系,線性關系和冪指數關系擬合進度最差,主要原因為地表污染物累積速度在初始時最快,而后逐漸降低,污染物的累積有一個上限,隨著無雨期或清掃間隔時間的增長逐漸趨于上限值,而不再隨時間的增加而增加,線性關系和冪指數關系是一種上限值不定的模型,在無雨期歷時較長時計算不精確。不同土地利用類型污染物的累積不是無限的,會隨無雨期的增長而逐漸趨于一個上限值,該文建立的城市地表污染物累積指數模型能夠合理的反映地表污染物的累積特征,較準確的預測鎮江城市地表污染物的累積量,模型的輸出可作為城市地表污染物沖刷模型輸入。

表1 不同土地利用類型地表污染物累積方程參數值

續表1

3 結論

選擇鎮江具有代表性的土地使用類型,實測城市地表污染物,揭示了地表污染物累積隨著晴天時間的增長逐漸趨于上限值并呈周期性變化,根據“貯存-輸入-輸出”平衡原理,引入污染物輸入速度系數和去除速度系數,建立地表污染物累積模型,通過實測數據以及非線性擬合,確定了不同土地利用類型的污染物累積模型。

地表污染物累積指數模型與雙曲線函數關系,線性關系和冪指數關系方程比較,城市地表污染物累積方程計算精度較高,能夠合理的反映地表污染物的累積特征,較準確的預測鎮江城市地表污染物的累積量,模型的輸出可作為城市地表污染物沖刷模型輸入。引入污染物輸入速度系數和去處速度系數,建立了地表污染物累積指數模型。

[1]BO BIAN.ParticlEsizEdistribution and pollutants in road-deposited sediments in different areas of Zhenjiang,China[J].Environ Geochem Health,2009,31:511-520.

[2]HERNGREN L G,ASHANTHA A A.Godwin.Analysis of heavymetals in road-deposited sediments[J].Analytica Chimica Acta,2006,571:270-278.

[3]ZOPPOU C.Review of urban storm watermodels[J].Environmentalmodelling and Software,2001,16(3):195-231.

[4]CHEN J,ADAMS B J.Analytical urban storm water qualitymodels based on pollutant builduPand washoff processes[J].Journal of Environmental Engineering,2006,132(10):1314-1330.

[5]CHARLESWORTH Sm,LEES J A.ThEdistribution of heavymetals in deposited urban dusts and sediments,Coventry,England[J].Environmental and Geochemistry and Health,1999(21):97-115.

[6]BALL JE,JENKS R,AUBOURG D.An assessment of thEavailability of pollutant constituents on road surfaces[J].SciencEof thETotal Environment,1998,209:243-254.

[7]NURDAN S,DUZGOREN-AYDIL.Sources and characteristics of lead pollution in thEurban environment of Guangzhou[J].SciencEof ThETotal Environment,2007,385(1-3):182-195.

[8]CHIEW F H S,McMahon T A.Modelling runoff and diffusEpollution loads in urban areas[J].Water SciencEand Technology,1999,39(12):241-248.

[9]ALLEY Wm,SMITH PE.Estimation of accumulation parameters for urban runoff qualitymodelling[J].Water Resources Research,1981,17(6):1657-1664.

[10]VAZEJ,FRANCIS H S.Experimental study of pollutant accumulation on an urban road surface[J].Urban Water,2002,4:379-389.

[11]TSIHRINTZIS vA,HAMID R.Modeling andmanagement of urban stormwater runoff quality:A review[J].Water Resourcesmanagement,1997,11(2):137-164.

[12]常靜.城市地表灰塵一降雨徑 流系統污染物遷移過程與環境效應[D].上海:華東師范大學,2007.

[13]吳春篤,汝梅,黃衛東,等.鎮江城市道路雨水徑流污染預測[J].中國科學技術大學學報,2008,38(4):337-341.

[14]陳橋,胡維平,章建寧.城市地表污染物累積和降雨徑流沖刷過程研究進展[J].長江流域資源與環境,2009,18(10):992-996.

[15]DELETIS A.B.D.W.ORR.Pollution builduPon road surfaces[J].Journal of environmental engineering,2005,131(1):49-59.

[16]VAZE,J.H.S.FRANCIS,Experimental study of pollutant accumulation on an urban road surface[J].Urban Water,2002(4):379-389.

[17]ADACHI,K.Y.TAINOSHO,SinglEparticlEsediments characterization of size-fractionated road[J].Applied Geochemistry,2005,20:849-859.

[18]李立青,尹澄清;何慶慈,等.城市降水徑流的污染來源與排放特征研究進展[J].水科學進展,2006,17(2):288-294.

[19]BARBED E,CRUISEJ F,MO X.Modeling thEBuilduPand Washoff of Pollutants on Urban Watersheds[J].Water Resources Bulletin-AWRA,1996,32(3):511-519.