污染物從城市地表至雨水管網(wǎng)末端的遷移過(guò)程研究

城市水資源短缺和水體污染的日趨嚴(yán)重使得雨水有效利用以及減少?gòu)搅髦形廴疚锏呐欧懦蔀槌鞘锌沙掷m(xù)發(fā)展的重要議題，這使得探索污染物從城市表面遷移至雨水管網(wǎng)及其末端排放口最后到收納水體的特征及過(guò)程變得非常重要。本課題基本按照預(yù)定目標(biāo)研究了污染物從城市地表到雨水管網(wǎng)以及進(jìn)一步到收納水體城市湖泊中的污染特征，初步建立了污染物從城市地表到雨水管網(wǎng)的污染負(fù)荷估算模型。研究的主要結(jié)論包括以下幾個(gè)方面：（1）北京市地表灰塵污染特征的研究表明，Cd、Cr 、Cu、Hg、Pb、Sb、Zn等元素遠(yuǎn)高于北京市背景值，其污染受城市人類(lèi)活動(dòng)影響較大。重金屬分布狀況與其周?chē)耐恋乩妙?lèi)型顯著相關(guān)。Cu和Sb的濃度與交通活動(dòng)相關(guān)性最為顯著，Hg的污染受周邊環(huán)境中醫(yī)院和診所的影響較大。地表灰塵中的重金屬對(duì)周邊人群造成一定的暴露風(fēng)險(xiǎn)，尤其Cr。對(duì)于非致癌風(fēng)險(xiǎn)，兒童所受到的風(fēng)險(xiǎn)顯著高于成人，且對(duì)于兒童手口攝入是最主要的重金屬攝入方式；對(duì)于成人，皮膚接觸是Cd和Cr風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源的最主要途徑。（2）對(duì)雨水管網(wǎng)中水質(zhì)水量隨時(shí)間變化的研究表明，降雨發(fā)生后，非重金屬污染物（SS、TN、NH3-N、COD、P）的濃度呈現(xiàn)隨時(shí)間增長(zhǎng)而降低的趨勢(shì)，而重金屬污染物（Cr6 、Cd、Cu、Mn、Pb）的濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)并不明顯；而SS與P兩類(lèi)污染物在降雨快要結(jié)束時(shí)濃度有突然增高的現(xiàn)象，說(shuō)明降雨快結(jié)束時(shí)雨量減少導(dǎo)致流量的減小對(duì)污染物濃度影響較大。相同時(shí)間段內(nèi)，管網(wǎng)中水流的污染情況劣于地表徑流水質(zhì)。（3）對(duì)雨水徑流收納水體城市湖泊的研究結(jié)果顯示，總量超過(guò)一百毫米的情況下，降雨對(duì)河流污染物的最終效果表現(xiàn)為強(qiáng)烈的稀釋效應(yīng)。而斷斷續(xù)續(xù)的小雨造成的面源污染對(duì)受納水體的影響要比大雨后嚴(yán)重約40%，不同地區(qū)的面源污染差異在斷斷續(xù)續(xù)的小雨后比大雨后的結(jié)果更加明顯。相比之下，處在商業(yè)區(qū)的什剎海區(qū)域，徑流匯流量更小，而北海公園和玉淵潭公園的匯流更多，不同城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征、土地利用對(duì)非點(diǎn)源污染的影響是有差別的。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于城市湖泊的影響是不可避免的，降雨對(duì)湖泊水質(zhì)的污染負(fù)荷影響顯著，由于城市點(diǎn)源污染已得到良好的控制，城市水體的主要污染來(lái)源已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿祟?lèi)活動(dòng)在雨季通過(guò)降雨徑流進(jìn)入水體而形成的影響城市水體的質(zhì)量的面源污染。（4）將對(duì)沖刷模型產(chǎn)生重要影響的因子包括前期干燥天數(shù)、顆粒物粒徑、降雨量整合到污染物沖刷模型中，初步建立了城市地表污染物沖刷模型。 2100433B

城市水資源短缺和水體污染的日趨嚴(yán)重使得雨水有效利用以及減少?gòu)搅髦形廴疚锏呐欧懦蔀槌鞘锌沙掷m(xù)發(fā)展的重要議題，這使得探索污染物從城市表面遷移至雨水管網(wǎng)及其末端排放口的過(guò)程變得非常重要。本課題首先全面監(jiān)測(cè)污染物從地表遷移至雨水管網(wǎng)末端的整個(gè)過(guò)程：監(jiān)測(cè)案例區(qū)域北京市某區(qū)域所有功能區(qū)地表顆粒物中污染物的濃度和負(fù)荷，選擇其中三個(gè)代表性功能區(qū)監(jiān)測(cè)不同時(shí)段進(jìn)入雨水口的地表徑流量和其中的污染物濃度，監(jiān)測(cè)案例區(qū)域的雨水總排放口的流量和污染物濃度變化；然后利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)針對(duì)不同的污染物選擇、改進(jìn)和率定污染物沖刷、輸送模型，模型改進(jìn)重點(diǎn)考慮不同污染物在不同粒徑的地表顆粒物上的濃度不同，其在水中的溶解能力也不同，不同粒徑的顆粒物受徑流沖刷后被攜帶遷移的能力不同；最后探索不同降雨特征、土地利用布局和面積比例對(duì)污染物在雨水管網(wǎng)及末端排放口中濃度和總量的影響規(guī)律。本研究將為城市雨水利用以及非點(diǎn)源污染的控制提供科學(xué)參考依據(jù)。

從垂直單裂隙入手，研究裂隙的走向、開(kāi)度、充填情況以及水流方向與垂直裂隙面成一定角度時(shí)對(duì)非飽和水流和污染物遷移的影響?；谇叭说姆秋柡蜐B流實(shí)驗(yàn)，研制了一套適用于非飽和裂隙中溶質(zhì)運(yùn)移的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置能考慮不同水頭、裂隙組數(shù)、不同巖性以及不同開(kāi)度條件下裂隙介質(zhì)中的溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，探索應(yīng)用電阻率方法來(lái)監(jiān)測(cè)污染物遷移的濃度，為非飽和裂隙巖體中污染物遷移研究提供了一種新方法。同時(shí)采用對(duì)比法和概率統(tǒng)計(jì)等方法探討了非飽和條件下完整巖體中水流和污染物遷移規(guī)律研究，非飽和條件下完整巖體中析出物的變化特征以及非飽和條件下裂隙巖體中水流和污染物遷移規(guī)律研究。研究結(jié)果顯示，溶質(zhì)在非飽和砂巖中運(yùn)移時(shí)，可以將砂巖空隙中的固體顆粒、含礦物成分的液體、氣體從固體基質(zhì)孔隙中排擠出來(lái)，隨著排出物含量和濃度的變化，示蹤劑濃度也出現(xiàn)多個(gè)峰值。示蹤劑到達(dá)完整巖樣各觀測(cè)斷面的時(shí)間間隔不大，滯后性不明顯，而垂直裂隙對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移影響明顯，溶質(zhì)由于裂隙的存在，其滯后性顯著。 分析了裂隙結(jié)構(gòu)面中接觸面積的影響，將裂隙分為完整貫通裂隙和非完整貫通裂隙?？紤]孔隙度（面積接觸率）及接觸點(diǎn)大小等因素，建立相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｍㄟ^(guò)試驗(yàn)及對(duì)比分析，在定流量注入情況下，裂隙內(nèi)孔隙度及接觸點(diǎn)尺寸對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響顯著，隨著孔隙度的減小，接觸點(diǎn)大小對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響更趨于顯著；并通過(guò)數(shù)模研究與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 這些研究結(jié)果對(duì)地下水污染物的控制、水電工程的滲控以及裂隙巖體中核廢料的存貯等具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 2100433B

從垂直單裂隙入手，研究裂隙的走向、開(kāi)度、充填情況以及水流方向與垂直裂隙面成一定角度時(shí)對(duì)非飽和水流和污染物遷移的影響，重點(diǎn)討論兩組垂直交叉裂隙中非飽和水流和污染物通過(guò)裂隙交叉處后其水量和污染物通量的分配與裂隙開(kāi)度的關(guān)系，探討裂隙與巖體基質(zhì)的相互作用，揭示非飽和水流和污染物在垂直網(wǎng)絡(luò)裂隙中的遷移規(guī)律。研究大小不同的垂直裂隙模型以及模型大小相同，但裂隙幾何特征不同時(shí)非飽和水力和彌散參數(shù)的尺度效應(yīng)問(wèn)題，探索新的數(shù)值模擬方法以解決常規(guī)數(shù)值模擬方法出現(xiàn)的數(shù)值彌散等問(wèn)題。本研究以室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，提出一套能用于垂直裂隙中非飽和水流和污染物遷移規(guī)律研究的試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究結(jié)果對(duì)地下水污染物的控制、水電工程的滲控以及裂隙巖體中核廢料的存貯等具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。