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城市雨水径流污染物输移规律研究

王宝山  
【摘要】:随着城市的快速发展,降雨形成的径流污染负荷不断升高,由此导致的面源污染成为自然水体的重要污染源。现阶段对降雨径流的研究主要集中于降雨洪峰过程对城市发展的影响,缺少降雨径流污染特征的研究,对降雨径流污染物的冲刷及输移规律的研究较少,缺乏用于指导雨水径流污染控制的相关理论与技术方法。 论文通过引进径流产流负荷的概念,建立了雨水径流污染物冲刷模型,实现了对雨水过程径流水质的模拟,并结合概率分布模型对降雨污染负荷进行了评价。基于降雨径流量和污染输送过程,对降雨径流污染物的输移规律进行了研究,建立了降雨径流污染初期冲刷效应定量评价模型,实现了对初期冲刷效应强度的定量评价。在径流污染物输移规律和初期冲刷效应研究的基础上,提出了雨水径流污染控制参数计算公式。最后,开发了雨水径流污染生态绿地控制技术,为径流污染控制提供了一条新的途径。论文主要成果包括以下方面: (1)建立了雨水径流污染物冲刷模型 以径流产流负荷替代降雨强度校正了传统的径流污染物冲刷模型,在此基础上建立了雨水径流污染物浓度模型: C(t)=M_0×(0.01+α/(1.1-exp(-H_(ef)/b)×R_(ef)~α)×exp[(-0.01×H_(ef)+(∫_0~t-α/(1.1-exp(-H_(ef)/b))×R_(ef)~(1+α)dt)] 校正后的冲刷模型能够消除降雨过程和径流输送之间的时间差,提高了降雨径流污染物浓度模型的精度。雨水径流浓度模型对径流污染物浓度模拟结果与实测结果拟合性较好,冲刷模型可用于径流污染冲刷规律研究。建立的雨水径流污染物水质模型,有助于对雨水径流污染输移规律的深入研究。 (2)提出了地表积累污染物的计算方法 吸尘器收集的地表积累污染物不能代表实际可冲刷转移至径流中的污染物,因此在提出了地表可冲刷污染物积累量概念,在污染物冲刷模型的协同下实现了可冲刷污染积累量的计算。 与吸尘器收集的全部积累污染物量相比,可冲刷污染物积累量代表了地表可被冲刷转移至雨水径流中的污染物,因此可冲刷积累量远小于吸尘器收集获得的污染物积累量。污染物可冲刷积累量可以直接应用于径流污染物冲刷模型,减小了因地表积累污染物难以定量所带来的模拟误差。 (3)实现了雨水径流污染负荷的评价 基于概率分布模型,建立了雨水径流污染负荷累积概率模型和平均浓度数学期望模型,模型可应用于雨水径流污染负荷状况的评价,并实现了降雨径流污染平均浓度的预测。 雨水径流污染负荷模型的评价结果表明,西安市主城区年雨水径流COD负荷相当于2500万m~3城市市政污水,是不可忽视的城市水环境污染源。降雨量与雨水径流污染物平均浓度显现负相关过程,随着降雨量的增加雨水径流污染物平均浓度产生下降趋势,初期降雨是雨水径流污染形成的主要时期,是城市雨水径流污染控制的最佳实施期。 (4)对雨水径流污染物输送过程进行了模拟 基于降雨—净雨转化模型,通过对净雨强度的恒定化处理,在坡面流的圣维南方程组基础上,实现了降雨径流量的模拟。结合雨水径流污染物冲刷模型,对汇流面雨水径流污染物输移规律进行了研究。以汇流区域污染物输移模型为基础,利用Muskingum流量方程,建立了雨水管道雨水径流污染物流量和浓度模型,模型能够对大区域(含雨水管道)雨水径流污染物输移进行模拟。雨水径流污染物的输移过程研究为雨水径流污染控制提供了技术依据。 (5)建立了雨水径流初期冲刷效应定量评价模型 以雨水径流量和污染物输送过程为基础,建立了雨水径流初期冲刷效应间隙函数,从而提出了雨水径流污染初期冲刷效应定量评价模型: SFF=∫_0~1[f(F)-F]dF 雨水径流污染初期冲刷效应间隙函数存在峰值区域,峰值区域代表的径流深度是雨水径流污染控制的高效区,雨水径流污染物的控制以峰值前径流控制为主。评价模型实现了对雨水径流和季节性初期冲刷效应的定量评价,从而可以针对性的采取相应的污染控制措施,为雨水径流污染物的高效控制提供了理论技术依据。 (6)开发了雨水径流污染生态绿地控制技术 在雨水径流污染输移和初期冲刷效应研究的基础上,提出了雨水径流污染控制参数。开发了雨水径流污染物生态绿地控制技术,雨水生态绿地中设置了沉水厌氧区,创造了持续稳定的厌氧环境,促进了反硝化过程。雨水生态绿地中植物吸收只去除了积累TN的20%,但雨水生态绿地中未发生明显的TN积累,因此沉水厌氧区的设置对TN的去除发挥了重要的作用。同时,沉水厌氧区的蓄水通过毛细作用到达土壤表层供给生物生长,提高了土壤含水率,雨水生态绿地中的植物显示了更加优越的景观功能。雨水生态绿地在雨水径流污染控制的基础上,实现了雨水利用,可以广泛的应用于雨水径流污染的控制。 论文通过雨水径流污染物输移规律的研究,提出了相应的污染控制方案和技术方法,从而为雨水径流污染物的控制提供了理论技术支持。


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