山地城市雨水径流与污染物迁移转化规律研究

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在城镇化快速发展的过程中,一系列生态环境问题凸显,为解决“经济-社会-环境”之间的矛盾,世界各地均提出了针对性的城市管理策略。就山地城市而言,独特的坡度、下垫面和用地情况等因素导致其面源污染负荷较高,使得水环境质量急剧下降,影响城市的可持续发展能力。为解决这一问题,本文以重庆市悦来新城面源污染控制区内大气环境及典型下垫面(山地城市道路、公园、公共建筑及住宅小区)为研究对象,根据地形地貌和排水系统现状,划分城市面源汇水单元,采用自动取样监测和人工取样监测、室内分析相结合的方法,确定污染物参数,进而开展山地城市的城市面源污染干湿沉降监测,研究山地城市快排快泄的“产-汇-流-滞-排”全过程径流与污染物迁移转化规律,旨在为制定面源污染治理和雨洪控制工程的技术方案提供数据支撑与理论依据。主要结论如下:(1)重庆市悦来新城的空气质量受温度、风速等因素影响而呈现显著的季节性特征,同时与大气干湿沉降污染物通量存在较强的相关性。从空气质量来看,PM10与PM2.5日均浓度污染占主体地位,NO2次之。从影响因素来看,大气污染物浓度与温度、环境风速呈显著的负相关,春季以外季节的大气气压对大气污染物浓度的影响可忽略不计。另外,悦来新城大气颗粒悬浮物中氮素的主要成份是无机氮(NO3-+NH4+);TP的浓度相比TN的浓度要低两个数量级。大气氮素沉降以湿沉降为主,占总沉降通量的61.24%;磷素沉降以干沉降为主,占总沉降通量的52.25%。悦来新城大气湿沉降的NO3--N、NH4+-N、TN、TP和ON的沉降通量分别是7.55、11.88、21.85、0.81、2.42 kg/(hm2·a),而干沉降的NO3--N、NH4+-N、TN、TP和ON的沉降通量分别是4.26、6.39、13.83、0.88、3.17 kg/(hm2·a)。(2)山地城市道路的降雨径流污染物受降雨强度、坡度、汇水面积等多个因素影响。首先,由于小降雨强度事件中降雨径流的冲刷效应高于雨量的稀释效应,因此其污染物浓度显著高于中、大降雨强度事件中的浓度,但污染物峰值均出现在降雨初始时刻及降雨量峰值后1020min。NH4+-N是道路径流水中TN的主要形式,而NO3--N的浓度较低。其次,山地城市道路的坡度越大,初期冲刷效应越显著,道路旁生物滞留带的土壤渗透性越差,整体初始冲刷效应强度呈现TN>TSS>COD>TP的特征,故推荐控制FF值为30%40%。另外,降雨强度一定的情况下,道路径流流量不仅与坡度有关,更与汇水面积呈现较强的相关性。(3)会展公园(典型山地公园)径流中TSS、COD、TP等污染物指标的变化趋势与山地城市道路类似,但TN、叶绿素a的波动性较强,其中NO3--N是公园径流雨水中TN的主要形式,占比为42%65%,而NH4+-N的浓度相对较低。公园降雨径流流量受降雨强度影响较大,但流量峰值与降雨峰值相比存在明显的滞后性。另外,公园降雨径流只在降雨强度较大时出现冲刷效应,且与道路污染物的冲刷效应基本一致。(4)山地城市公建及小区的雨水径流组织尤其重要。国博中心(典型公共建筑)的6个雨水调蓄池及住宅小区的5个雨水调蓄池中的水质均满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》GB/T 18920-2002中道路清洗和城市绿化用水标准。国博中心与住宅小区氮磷污染物有着不同的来源,其中住宅小区以颗粒性氮磷为主,而国博中心的氮磷来源则比较复杂。同时,受雨水调蓄池集水面积差异以及不透水集水面积占比差异影响,国博中心雨水调蓄池的回用率显著高于住宅小区。(5)三种典型山地城市下垫面(道路、公园、公建及小区)的污染负荷通量及年均负荷水平差异较大。山地城市道路TSS、COD、NO3--N、NH4+-N、ON、TN和TP的污染负荷通量分别为3120.31、567.35、9.94、10.04、5.27、25.28和5.54kg/(hm2.a)。典型公园下垫面TSS、COD、NO3--N、NH4+-N、ON、TN、TP和叶绿素a的污染负荷通量分别为456.15、226.95、3.37、4.13、1.06、8.56、1.10和0.06 kg/(hm2.a)。公共建筑下垫面TSS、COD、NH4+-N、TN和TP的污染负荷通量分别为576.63、37.12、8.55、26.33和0.68 kg/(hm2.a)。住宅小区下垫面TSS、COD、NH4+-N、TN和TP的污染负荷通量分别为559.82、21.05、1.17、17.74和1.13kg/(hm2.a)。(6)重庆市悦来新城的面源污染本底值总量主要为大气干沉降,但面源污染的主要直接输入形式则是降雨径流。悦来新城的地表水环境虽已达到重庆市批复的水功能区划要求,但面源污染作为影响水环境质量的重要因素,仍需采取相应的技术措施及政策指导来应对该威胁。
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