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西安市路面径流污染特征及控制技术研究

作　者: 陈莹
导　师: 赵剑强
学　校: 长安大学
专　业: 交通环境与安全技术
关键词: 路面径流 污染特征 污染负荷 初期冲刷效应 沉淀特性 截污挂蓝 污染控制措施 城市
分类号: X522
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着城市化进程的加快和点源污染逐步得到有效控制,作为除生活污水和工业废水之外的第二大城市水污染源,城市地表径流逐渐成为城市水环境质量恶化的主要原因。路面径流作为城市地表径流中污染效应最强的部分,对受纳水体的影响十分严重。近年来,关于路面径流的研究成为环境科学、水文学、道路生态学、自然地理学等学科领域交叉研究的热点。本论文在对路面径流污染国内外研究现状、存在问题、污染控制必要性进行简要分析的基础上,在西安市城市主干道南二环路建立路面径流原位采样站,利用自制流量等比例采样装置,对2009年3月-2010年11月的多场径流进行采样测试,就西安市路面径流污染特征、污染负荷、排污规律及污染控制技术展开研究。西安市路面径流污染特征的研究结果表明：①西安市路面径流污染物事件平均浓度(Event Mean Concentration, EMC)变异大且污染严重,SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、Zn和溶解性Zn的EMC中值分别为1601mg/L、613mg/L、143mg/L、1.9mg/L、0.042mg/L、0.223mg/L和0.111mg/L, SS、COD的EMC中值远大于《污水综合排放标准》三级标准,是径流的主要污染物。②路面径流中Pb主要以颗粒态存在,46.2%的Zn和26.4%的COD呈溶解态。③颗粒物是许多其他污染物的载体,COD、Pb、Zn均与SS在显著性水平0.01时显著相关,相关系数分别为0.797、0.825和0.893。④表征降雨特征的各因子中,降雨量、最大降雨强度与污染物浓度呈负相关,降雨历时与除NH3-N之外的其他污染物呈负相关,相关性依次为降雨量>最大降雨强度>降雨历时,前期晴天时间与溶解性Zn和溶解性COD浓度正相关,但与其它指标不相关。⑤SS、COD及NH3-N等与大气降尘有关的污染物浓度随季节明显变化,而与交通排污有关的溶解态COD、重金属Pb、Zn和溶解态Zn的浓度季节差异不大。西安市路面径流次污染负荷的研究结果表明：①西安市路面径流SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、Zn和溶解性Zn的次污染负荷分别为4.56-778.39kg/hm2、2.22-308.7kg/hm2、0.76-52.33kg/hm2、0.01-1.39kg/hm2、0.05-33.09g/hm2、1.38-115.82g/hm2和0.27-86.12g/hm2,不同场次径流事件携带入受纳水体的污染物量差异大,对受纳水体造成冲击影响。②表征降雨特征的各因子中,降雨量与次污染负荷呈显著正相关,在显著性水平0.01时相关系数为0.734-0.943,最大降雨强度和降雨历时也与次污染负荷显著正相关,前期晴天时间与次污染负荷不相关。③利用多元回归方法建立了路面径流次污染负荷与降雨量、降雨历时、最大降雨强度、季节累积降雨量等影响因素的数学模型,所建立的数学模型可通过显著性检验,可用于对路面径流次污染负荷的预测。西安市路面径流年污染负荷及采样次数对年污染负荷估算准确性影响的研究结果表明：①西安市路面径流SS、COD、溶解态COD、NH3-N、Pb、Zn和溶解态Zn的年污染负荷分别为11090.29kg/(hm2.a)、3462.5kg/(hm2.a)、812.48kg/(hm2.a)、13.49kg/(hm2.a)、0.28kg/(hm2.a)、1.35kg/(hm2.a)和0.59kg/(hm2.a),具有较大的污染潜力。②由于EMC的宽幅变异性,当实测径流场次较少时,其EMC平均值不能准确表征路面径流污染的统计特征,用其代表地点平均浓度(Site Mean Concentration, SMC)计算年污染负荷误差较大。③随机抽样研究结果表明,当采样场次大于16场时,路面径流各污染指标随机抽样样本EMC均值与SMC的最大相对误差均小于30%,也即,若能保证至少实测16场径流,以其EMC平均值作为SMC计算的径流年污染负荷的最大相对误差在30%以内。西安市路面径流初期冲刷效应的研究结果表明：①径流过程污染物浓度变化规律与其赋存状态有关,SS、COD、Pb等以颗粒态为主的污染物的浓度随雨强变化剧烈波动；NH3-N、溶解态COD、溶解态Zn等以溶解态为主的污染物浓度受雨强影响较小,随径流过程逐渐下降。②西安市路面径流污染严重,降雨数小时后的末期径流中SS和COD分别为358-422mg/L和179-367mg/L,末期径流仍具有较高的污染水平。③路面径流初期冲刷现象并非普遍存在,与污染物的赋存状态和场次降雨特征密切相关。溶解态污染物易于出现初期冲刷现象,颗粒态污染物是否出现初期冲刷与场次降雨特征有关。④测试的3场径流事件初期30%的径流携带的SS、COD、溶解性COD、NH3-N、Pb、Zn和溶解性Zn的负荷占场次径流总负荷的比例分别为21.8%-50.0%、25.5%-49.3%、36.3%-52.6%、52.6%-66.7%、26.8%-45.0%、27.2%-63.4%和36.2%-62.6%,表明仅对初期径流进行治理无法实现对西安市路面径流污染的有效控制。西安市路面径流污染控制技术的研究结果表明：①西安市径流污染需从非工程管理措施和工程技术措施角度、从污染物产前、产中和产后多个层面、从污染物源头消减、输移途径控制和终端治理多个环节开展系统治理。②沉淀可有效去除径流中的颗粒物,沉淀60min和2h,SS的平均去除率为60.2%和72.5%；不同场次径流达到相同的颗粒物沉降去除率其表面负荷变化大,要达到45%、60%和80%的沉淀去除率,表面负荷分别为1.1-9.3cm/min、0.6-5.9cm/min和0.1-2.7cm/main,沉淀去除率每提高10%,对应的表面负荷减少1.3-3倍。③不同场次径流中颗粒物粒径分布呈宽幅变化,d10、d50、d90分别为3-23μm、17-56μm和40-65μm,表明径流中颗粒物以细颗粒为主,应对3-65μm粒径颗粒的污染效应及迁移转化规律予以关注。④若需保证在5年一遇的暴雨流量下截污网袋不发生溢流,由130g/m2、150g/m2和300g/m2土工布制作的截污网袋需至少保证75mm、94mm、175mm的有效过滤高度,网袋对SS的平均去除率分别为56.0%、69.4%和76.5%。

全文目录


摘要  5-8
Abstract  8-21
第一章 绪论  21-42
  1.1 研究背景  21-24
    1.1.1 城市化对环境的影响  21
    1.1.2 城市地表径流污染的概念  21
    1.1.3 城市地表径流污染机制  21-23
    1.1.4 城市地表径流污染特征  23
    1.1.5 城市路面径流——城市地表径流中备受关注的部分  23-24
  1.2 国内外研究现状  24-36
    1.2.1 国外研究现状  24-29
    1.2.2 国内研究现状  29-34
    1.2.3 存在的问题  34-36
  1.3 课题的提出  36-39
    1.3.1 城市路面径流污染的危害  36-37
    1.3.2 西安市径流污染控制和雨水资源利用的迫切性  37-38
    1.3.3 课题的提出  38-39
  1.4 论文研究构架  39-41
    1.4.1 研究内容和研究方法  39-40
    1.4.2 技术路线  40-41
  1.5 研究意义  41-42
第二章 城市路面径流污染基础理论  42-52
  2.1 城市路面径流污染的范畴  42
  2.2 次降雨的概念和分类  42
    2.2.1 次降雨的概念  42
    2.2.2 次降雨级别的划分  42
  2.3 城市地表径流污染强度的表征和测试计算方法  42-47
    2.3.1 径流污染强度的表征  42-44
    2.3.2 次降雨径流污染浓度的测试计算方法  44-47
  2.4 地表径流污染负荷  47-50
    2.4.1 地表径流污染负荷的概念  47
    2.4.2 地表径流污染负荷的理论计算方法  47-48
    2.4.3 地表径流污染负荷的近似计算方法  48-50
  2.5 初期冲刷效应  50-52
    2.5.1 初期冲刷效应的概念  50-51
    2.5.2 初期冲刷效应的判据  51-52
第三章 城市路面径流污染特征研究  52-79
  3.1 研究区域概况  52-55
    3.1.1 自然环境  52-53
    3.1.2 气候特征  53
    3.1.3 城市道路状况  53-54
    3.1.4 机动车保有量  54-55
  3.2 研究方法  55-60
    3.2.1 采样地点  55
    3.2.2 采样方法  55-56
    3.2.3 采样径流场次  56
    3.2.4 场次降雨特征  56-59
    3.2.5 污染指标  59
    3.2.6 水质分析方法  59-60
  3.3 城市路面径流污染强度  60-66
    3.3.1 城市路面雨水径流污染强度  60-66
    3.3.2 城市路面融雪径流污染强度  66
  3.4 城市路面径流污染物浓度影响因素  66-69
    3.4.1 影响因素  66-67
    3.4.2 分析结果  67-68
    3.4.3 与相关研究的比较  68-69
  3.5 城市路面径流污染物的相关性  69-72
    3.5.1 研究意义  69
    3.5.2 相关性研究  69-70
    3.5.3 回归分析  70-71
    3.5.4 与相关研究的比较  71-72
  3.6 城市路面径流污染物赋存状态  72-74
    3.6.1 径流污染物固-液界面过程  72
    3.6.2 污染物赋存状态  72-73
    3.6.3 与相关研究的比较  73-74
  3.7 路面径流污染物浓度的季节变化  74-77
    3.7.1 方差分析结果  74-75
    3.7.2 季节变化  75-76
    3.7.3 致因分析  76-77
  3.8 小结  77-79
第四章 城市路面径流污染负荷研究  79-105
  4.1 城市路面径流次污染负荷  79-84
    4.1.1 次污染负荷估算方法  79
    4.1.2 次污染负荷估算结果  79-82
    4.1.3 次污染负荷影响因素分析  82-83
    4.1.4 与相关研究结果的比较  83-84
  4.2 路面径流次污染负荷数学模型  84-89
    4.2.1 概述  84-85
    4.2.2 多元线性回归方法  85-87
    4.2.3 数学模型构建  87-89
  4.3 城市路面径流年污染负荷  89-91
    4.3.1 年污染负荷估算方法  89-90
    4.3.2 年污染负荷估算结果  90
    4.3.3 与相关研究的比较  90-91
  4.4 采样次数对路面径流年污染负荷估算准确性的影响  91-104
    4.4.1 研究方法  92-93
    4.4.2 研究结果  93-104
  4.5 小结  104-105
第五章 城市路面径流初期冲刷效应研究  105-119
  5.1 初期冲刷效应概述  105
  5.2 研究方法  105-107
    5.2.1 采样、测试方法  105-106
    5.2.2 初期冲刷效应的判别方法  106-107
  5.3 初期冲刷效应研究  107-117
    5.3.1 场次降雨特征  107-109
    5.3.2 路面径流污染物浓度变化过程  109-114
    5.3.3 M(v)曲线的绘制  114
    5.3.4 初期冲刷效应的判定  114-116
    5.3.5 初期冲刷效应影响因素分析  116-117
  5.4 小结  117-119
第六章 西安市路面径流污染控制技术研究  119-144
  6.1 路面径流污染控制技术概述  119
  6.2 西安市路面径流污染系统控制策略  119-125
    6.2.1 西安市路面径流污染系统控制策略框架  119-120
    6.2.2 西安市路面径流污染控制非工程措施  120-122
    6.2.3 西安市路面径流污染控制工程措施  122-125
  6.3 路面径流沉淀性能及径流沉淀池设计参数研究  125-134
    6.3.1 研究内容与研究方法  126-127
    6.3.2 路面径流沉淀性能  127-128
    6.3.3 颗粒物粒径分布及影响因素  128-131
    6.3.4 路面径流沉淀池设计参数研究  131-133
    6.3.5 径流沉淀池在国外的应用  133-134
  6.4 雨水口截污装置设计与实验研究  134-143
    6.4.1 截污装置设计  135-137
    6.4.2 截污网袋透水性能和截污效果  137-142
    6.4.3 保证工作区高度估算  142-143
  6.5 小结  143-144
结论  144-147
  1 结论  144-146
  2 研究展望  146-147
参考文献  147-165
攻读博士学位期间发表的论文  165-167
致谢  167

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境污染及其防治 > 水体污染及其防治 > 河流
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