污染物从城市地表至雨水管网末端的迁移过程研究

城市水资源短缺和水体污染的日趋严重使得雨水有效利用以及减少径流中污染物的排放成为城市可持续发展的重要议题，这使得探索污染物从城市表面迁移至雨水管网及其末端排放口最后到收纳水体的特征及过程变得非常重要。本课题基本按照预定目标研究了污染物从城市地表到雨水管网以及进一步到收纳水体城市湖泊中的污染特征，初步建立了污染物从城市地表到雨水管网的污染负荷估算模型。研究的主要结论包括以下几个方面：（1）北京市地表灰尘污染特征的研究表明，Cd、Cr 、Cu、Hg、Pb、Sb、Zn等元素远高于北京市背景值，其污染受城市人类活动影响较大。重金属分布状况与其周围的土地利用类型显著相关。Cu和Sb的浓度与交通活动相关性最为显著，Hg的污染受周边环境中医院和诊所的影响较大。地表灰尘中的重金属对周边人群造成一定的暴露风险，尤其Cr。对于非致癌风险，儿童所受到的风险显著高于成人，且对于儿童手口摄入是最主要的重金属摄入方式；对于成人，皮肤接触是Cd和Cr风险来源的最主要途径。（2）对雨水管网中水质水量随时间变化的研究表明，降雨发生后，非重金属污染物（SS、TN、NH3-N、COD、P）的浓度呈现随时间增长而降低的趋势，而重金属污染物（Cr6 、Cd、Cu、Mn、Pb）的浓度随时间变化的趋势并不明显；而SS与P两类污染物在降雨快要结束时浓度有突然增高的现象，说明降雨快结束时雨量减少导致流量的减小对污染物浓度影响较大。相同时间段内，管网中水流的污染情况劣于地表径流水质。（3）对雨水径流收纳水体城市湖泊的研究结果显示，总量超过一百毫米的情况下，降雨对河流污染物的最终效果表现为强烈的稀释效应。而断断续续的小雨造成的面源污染对受纳水体的影响要比大雨后严重约40%，不同地区的面源污染差异在断断续续的小雨后比大雨后的结果更加明显。相比之下，处在商业区的什刹海区域，径流汇流量更小，而北海公园和玉渊潭公园的汇流更多，不同城市社会经济特征、土地利用对非点源污染的影响是有差别的。人类活动对于城市湖泊的影响是不可避免的，降雨对湖泊水质的污染负荷影响显著，由于城市点源污染已得到良好的控制，城市水体的主要污染来源已经转变为人类活动在雨季通过降雨径流进入水体而形成的影响城市水体的质量的面源污染。（4）将对冲刷模型产生重要影响的因子包括前期干燥天数、颗粒物粒径、降雨量整合到污染物冲刷模型中，初步建立了城市地表污染物冲刷模型。 2100433B

城市水资源短缺和水体污染的日趋严重使得雨水有效利用以及减少径流中污染物的排放成为城市可持续发展的重要议题，这使得探索污染物从城市表面迁移至雨水管网及其末端排放口的过程变得非常重要。本课题首先全面监测污染物从地表迁移至雨水管网末端的整个过程：监测案例区域北京市某区域所有功能区地表颗粒物中污染物的浓度和负荷，选择其中三个代表性功能区监测不同时段进入雨水口的地表径流量和其中的污染物浓度，监测案例区域的雨水总排放口的流量和污染物浓度变化；然后利用监测数据针对不同的污染物选择、改进和率定污染物冲刷、输送模型，模型改进重点考虑不同污染物在不同粒径的地表颗粒物上的浓度不同，其在水中的溶解能力也不同，不同粒径的颗粒物受径流冲刷后被携带迁移的能力不同；最后探索不同降雨特征、土地利用布局和面积比例对污染物在雨水管网及末端排放口中浓度和总量的影响规律。本研究将为城市雨水利用以及非点源污染的控制提供科学参考依据。

从垂直单裂隙入手，研究裂隙的走向、开度、充填情况以及水流方向与垂直裂隙面成一定角度时对非饱和水流和污染物迁移的影响。基于前人的非饱和渗流实验，研制了一套适用于非饱和裂隙中溶质运移的实验装置，该装置能考虑不同水头、裂隙组数、不同岩性以及不同开度条件下裂隙介质中的溶质运移规律。实验过程中，探索应用电阻率方法来监测污染物迁移的浓度，为非饱和裂隙岩体中污染物迁移研究提供了一种新方法。同时采用对比法和概率统计等方法探讨了非饱和条件下完整岩体中水流和污染物迁移规律研究，非饱和条件下完整岩体中析出物的变化特征以及非饱和条件下裂隙岩体中水流和污染物迁移规律研究。研究结果显示，溶质在非饱和砂岩中运移时，可以将砂岩空隙中的固体颗粒、含矿物成分的液体、气体从固体基质孔隙中排挤出来，随着排出物含量和浓度的变化，示踪剂浓度也出现多个峰值。示踪剂到达完整岩样各观测断面的时间间隔不大，滞后性不明显，而垂直裂隙对溶质运移影响明显，溶质由于裂隙的存在，其滞后性显著。 分析了裂隙结构面中接触面积的影响，将裂隙分为完整贯通裂隙和非完整贯通裂隙。考虑孔隙度（面积接触率）及接触点大小等因素，建立相应的试验模型。通过试验及对比分析，在定流量注入情况下，裂隙内孔隙度及接触点尺寸对溶质运移的影响显著，随着孔隙度的减小，接触点大小对溶质运移的影响更趋于显著；并通过数模研究与实测结果进行对比。 这些研究结果对地下水污染物的控制、水电工程的渗控以及裂隙岩体中核废料的存贮等具有重要的理论意义和实用价值。 2100433B

从垂直单裂隙入手，研究裂隙的走向、开度、充填情况以及水流方向与垂直裂隙面成一定角度时对非饱和水流和污染物迁移的影响，重点讨论两组垂直交叉裂隙中非饱和水流和污染物通过裂隙交叉处后其水量和污染物通量的分配与裂隙开度的关系，探讨裂隙与岩体基质的相互作用，揭示非饱和水流和污染物在垂直网络裂隙中的迁移规律。研究大小不同的垂直裂隙模型以及模型大小相同，但裂隙几何特征不同时非饱和水力和弥散参数的尺度效应问题，探索新的数值模拟方法以解决常规数值模拟方法出现的数值弥散等问题。本研究以室内试验和数值模拟相结合，提出一套能用于垂直裂隙中非饱和水流和污染物迁移规律研究的试验和数值模拟方法，研究结果对地下水污染物的控制、水电工程的渗控以及裂隙岩体中核废料的存贮等具有重要的理论意义和实用价值。