CN102930153A - 一种地表街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于城镇面源污染负荷估算技术领域的一种对地表街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势估算方法。该方法在对街尘单位面积质量、粒径组成、重金属的含量空间分布的动态平衡参数获取的基础上，利用分粒径的街尘冲刷方程模拟出基于降雨事件特征的径流中不同粒径街尘的冲刷比率，从而实现直接由街尘反演降雨冲刷径流污染，估算街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势。本发明解决了由于地表径流事件发生具有随机性和空间变异较大等造成的直接获取径流污染参数难度大的问题，同时又避免其他方法的繁琐操作，具有快速、简易的特征。

Description

一种地表街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势的估算方法

技术领域：

本发明属于城镇面源污染负荷估算技术领域，特别涉及一种对地表街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势估算方法。 

技术背景：

当前城市面源污染模型主要为复杂机理模型，如暴雨模型(STORM)、雨水管理模型(SWMM)等。这些模型存在以下缺陷：1）多采用指数冲刷方程等，没有充分考虑街尘粒径组成比例的变化可能给街尘降雨冲刷带来的影响，结果对降雨径流冲刷挟带的街尘不能进行准确模拟；2）模型需要参数众多，不易操作，不能很好的满足对污染负荷预测应用的实际要求。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种由地表街尘定量反演径流污染的新方法，并对街尘及其负载重金属的降雨冲刷污染潜在输出能力进行定量化估算。 

本发明所述的地表街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势的估算方法，其具体估算步骤如下： 

（1）街尘采样点布设： 

基于对影响街尘质量、粒径、及其负载的重金属的相关因素的分析，来划分不透水路面类型，确定街尘采样点分类布设，具体分为中心城区、郊区区县、乡镇、农村村庄、城中村五种类型不透水路面； 

（2）街尘样品采集： 

选用干式真空采样法采集街尘样品，同时测定采样面积；街尘样品风干后，拣出杂物并称重；利用干筛法进行街尘粒径分级并将其分别称重后，用封口袋装好用于重金属浓度分析及模拟降雨试验；街尘中重金属浓度测定分析采用EPA3052微波消解标准方法； 

（3）街尘及其负载的重金属的空间分布特征参数获取： 

根据步骤（2）的测量结果，计算街尘单位面积的质量、粒径及其负载的重金属浓度，获取街尘及其负载的重金属的空间分布特征参数； 

（4）街尘冲刷行为参数的获取： 

采用槽式摆喷头下喷式人工模拟降雨机模拟不同降雨特征下不同粒径街尘的冲刷行为，获取在不同的不透水路面类型下的不同粒径街尘的冲刷率参数F_w： 

$\mathrm{Fw}(\%)=\frac{M_{\mathrm{Fw}}}{M_{\mathrm{initial}}}\×100\%=\frac{\underset{0}{\overset{1}{\∫}}C\left(t\right)\×Q\left(t\right)\mathrm{dt}}{M_{\mathrm{initial}}}\×100\%$

式中，F_w表示街尘冲刷的质量百分比；M_Fw表示冲刷掉街尘的质量，质量单位为g；M_initial表示街尘的初始质量，质量单位为g；C(t)表示t时刻径流的颗粒物浓度，单位是mg/L；Q(t)表示t时刻径流的流量，单位是L/min；t时刻单位为分钟； 

（5）估算单位面积街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势： 

结合步骤（3）和（4）的结果，估算单位面积街尘的降雨冲刷污染潜势： 

$\mathrm{Rw}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\×{\mathrm{Fw}}_i$

式中Rw表示单位面积内不同粒径街尘对径流总的潜在输出能力，单位是g/m²；M_i表示单位面积内某一粒径段的街尘质量，单位为g/m²；F_wi表示单位面积内某一粒径段街尘的冲刷率质量百分比；n表示街尘粒径段划分的个数； 

估算单位面积街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势： 

$\mathrm{Pw}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\×C_i\×{\mathrm{Fw}}_i$

式中Pw表示单位面积内不同粒径街尘负载的某一重金属对径流总的潜在输出能力，单位是g/m²；M_i表示单位面积内某一粒径段的街尘质量，单位为g/m²；C_i表示单位面积内某一粒径段中某一重金属的浓度，单位是mg/kg；F_wi表示单位面积内某一粒径段街尘的冲刷率质量百分比；n表示街尘粒径段划分的个数； 

（6）估算某一区域内街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势： 

结合步骤（1）的分类和步骤（5）的结果，估算某一区域内街尘的降雨冲刷污染潜势： 

$R=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Rw}}_j\×A_j$

式中R表示某一区域内所有不透水路面类型上街尘降雨冲刷污染潜势，单位为g；Rw_j表示某一区域某种不透水路面类型的单位面积街尘的降雨冲刷污染潜势，单位是g/m²；A_j表示某一区域某种不透水路面类型的面积，单位为m²；j为不透水路面类型，具体分为中心城区、郊区区县、乡镇、农村村庄、城中村五种类型； 

估算某一区域内街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势： 

$P=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Pw}}_j\×A_j$

式中P表示某一区域内所有不透水路面类型上街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势，单 位为g；Pw_j表示某一区域某种不透水路面类型的单位面积街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势，单位是g/m²；A_j表示某一区域某种不透水路面类型的面积，单位为m²；j为不透水路面类型，具体分为中心城区、郊区区县、乡镇、农村村庄、城中村五种类型。 

上述所说的街尘单位面积质量、粒径组成、重金属的含量空间分布的参数，是一种动态平衡参数，由于在城镇中单位面积上街尘处于累积与清扫的动态平衡中，且接近于一种常数。并且，已有研究表明，晴天累积天数对单位面积上街尘质量影响可忽略。 

本发明在对街尘单位面积质量、粒径组成、重金属的含量空间分布的动态平衡参数获取的基础上，利用分粒径的街尘冲刷方程模拟出基于降雨事件特征的径流中不同粒径街尘的冲刷比率，从而实现直接由街尘反演降雨冲刷径流污染，估算街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势。本方法解决了由于地表径流事件发生具有随机性和空间变异较大等造成的直接获取径流污染参数难度大的问题，同时又避免其他方法的繁琐操作，具有快速、简易的特征。 

附图说明

图1为发明对地表街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势估算方法的实施流程图； 

图2实施例1的街尘采样点分布图； 

图3实施例1中单位面积街尘质量、粒径分布图（图中：UCA=中心城区；UVA=城中村；CSA=郊区区县；RTA=乡镇；RVA=农村村庄）； 

图4实施例1中单位面积不同粒径街尘中重金属的质量分布图（图中：UCA=中心城区；UVA=城中村；CSA=郊区区县；RTA=乡镇；RVA=农村村庄）。 

具体实施方式：

实施例1 

试验地点：以北京全境采集街尘样品（图2）。收集北京全境城乡环境梯度的大气干湿沉降数据、城市土壤和农业土壤重金属污染基础数据、交通行为、能源消耗数量和种类、土地利用类型、下垫面状况、人类活动类型、产业结构、面源污染源的数量/强度、道路强扫方式等各类基础资料，进行城乡环境梯度下街尘的单位面积质量、粒径组成、重金属等相关因素分析。 

1.街尘采样点布设： 

利用已有的北京市SPOT-5遥感影像的解译结果，结合野外调查提取研究区域不透水下垫面类型、面积等信息，进行样带梯度选取，最后在北京全境确定10条样带梯度中心城区—城中村—郊区区县—乡镇—农村村庄。主要选择道路和居民区2种主要土地利用类型，道路街尘采集下垫面以沥青路面为主，居民区街尘采集下垫面以水泥或方砖铺砌为主，并实时拍照和记录采样点的相关情况，为以后分析提供数据支持。 

2.街尘样品采集： 

北京全境街尘采集选择在春季（首场暴雨来临之前），2年共2次，每次样品采集216个。街尘收集区域的宽度由道路（主要交通道路、辅路）中心线到马路牙的距离决定，长度由采集样品分析需要样品质量确定。街尘采集采用真空吸尘器（型号为Philips FC8264），收集街尘量为0.8～1.5kg，并测定采样面积（5～20m²）。Philips FC8264吸尘器采用了高效空气过滤器，具有强效的微粒过滤作用，对于粒径介于0.1～0.3μm的颗粒有效率达到99.998%，能保证采集街尘样品颗粒粒径组成的最小损失。街尘样品风干后，拣出杂物并称重计算各采样点街尘的总质量及单位面积质量。采样过程需要详细调查采样区地面清扫情况和地面质地及破损状况等。利用干筛法将样品依次过44、62、105、149、250、450、1000μm的筛子，除预留一部分做降雨冲刷模拟实验外，将分成的8部分分别称重计算各粒径街尘中颗粒物的组成比例，然后磨细，过100目后密封装袋以备分析。街尘中重金属测定分析采用EPA3052法。不同粒径街尘中重金属浓度见表1。 

3.街尘及其负载重金属的空间分布特征参数获取： 

根据步骤3，计算街尘单位面积的质量、粒径及其负载的重金属浓度，获取其空间分布特征参数（见图4）。 

4.街尘冲刷行为参数的获取： 

采用槽式摆喷头下喷式人工模拟降雨机真实情景模拟不同降雨特征下不同粒径街尘的冲刷行为（见图3），使用前需调试模拟降雨装置来校正降雨强度和雨滴分布，街尘冲刷模拟区域面积为1.5m×2.0m。下垫面类型为沥青和水泥不透水面，参数主要考虑粗糙度（构造深）和坡度。试验用水按北京市雨水的pH、电导率等基本理化指标进行调整和配置。模拟冲刷采用的街尘样品需先进行密度、粒度、有机质含量等分析，保证样品代表性。最后，根据街尘在城乡梯度下的真实粒径组成和单位面积质量等来模拟不同降雨特征与粒径组成交互影响的街尘冲刷行为。分单粒径、多粒径组合进行不同降雨强度、历时来模拟。降雨强度、径流采集时间、下垫面、街尘粒径段划分等具体参数见表2。每个径流水样进行激光粒度分析和悬浮颗粒物后，进行沉淀、离心，然后将沉积物样品在低于40℃条件下烘干待测。利用下式获取在一定路面特征条件下的单粒径街尘的冲刷率参数Fw： 

$\mathrm{Fw}(\%)=\frac{M_{\mathrm{Fw}}}{M_{\mathrm{initial}}}\×100\%=\frac{\underset{0}{\overset{1}{\∫}}C\left(t\right)\×Q\left(t\right)\mathrm{dt}}{M_{\mathrm{initial}}}\×100\%$

式中，F_w表示街尘冲刷的质量百分比；M_Fw表示冲刷掉街尘的质量，质量单位为g；M_initial表示街尘的初始质量，质量单位为g；C(t)表示t时刻径流的颗粒物浓度，单位是mg/L；Q(t)表示t时刻径流的流量，单位是L/min；t时刻单位为分钟。 

表2人工降雨模拟街尘冲刷实验的部分参数设定 

利用上式获取单粒径街尘的冲刷率参数F_w，见表3。 

表3不同降雨特征下不同粒径街尘的冲刷行为/F_w

5.估算街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势： 

利用降雨事件特征的径流中不同粒径街尘的冲刷比率F_wi，结合街尘在城乡梯度下的真实粒径组成、单位面积质量、相应重金属浓度，即可获得基于降雨事件特征的单位面积街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势： 

$\mathrm{Pw}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\×{\mathrm{Fw}}_i$

式中Pw表示单位面积内不同粒径街尘负载的某一重金属对径流总的潜在输出能力，单位是g/m²；M_i表示单位面积内某一粒径段的街尘质量，单位为g/m²；C_i表示单位面积内某一粒径段中某一重金属的浓度，单位是mg/kg；F_wi表示单位面积内某一粒径段街尘的冲刷率质量百分比；n表示街尘粒径段划分的个数。 

利用上式估算单位面积街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势，见表4。 

表4.估算单位面积街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势/Pw_j

6.不同降雨事件下北京内街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势，计算公式如下： 

$R=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Rw}}_j\×A_j$

式中P表示北京内所有不透水路面类型上街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势，单位为g；Pw_j表示北京内某种不透水路面类型的单位面积街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势，单位是g/m²；A_j表示北京内某种不透水路面类型的面积，单位为m²；j为不透水路面类型，具体分为中心城区、郊区区县、乡镇、农村村庄、城中村五种类型。 

利用上式估算街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势，见表5。 

表5.北京内所有不透水路面类型上街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势 

Claims (1)

1.一种地表街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势的估算方法，其特征在于，其具体估算步骤如下：

（1）街尘采样点布设：

基于对影响街尘质量、粒径、及其负载的重金属的相关因素的分析，来划分不透水路面类型，确定街尘采样点分类布设，具体分为中心城区、郊区区县、乡镇、农村村庄、城中村五种类型不透水路面；

（2）街尘样品采集：

选用干式真空采样法采集街尘样品，同时测定采样面积；街尘样品风干后，拣出杂物并称重；利用干筛法进行街尘粒径分级并将其分别称重后，用封口袋装好用于重金属浓度分析及模拟降雨试验；街尘中重金属浓度测定分析采用EPA3052微波消解标准方法；

（3）街尘及其负载的重金属的空间分布特征参数获取：

根据步骤（2）的测量结果，计算街尘单位面积的质量、粒径及其负载的重金属浓度，获取街尘及其负载的重金属的空间分布特征参数；

（4）街尘冲刷行为参数的获取：

采用槽式摆喷头下喷式人工模拟降雨机模拟不同降雨特征下不同粒径街尘的冲刷行为，获取在不同的不透水路面类型下的不同粒径街尘的冲刷率参数F_w：

$\mathrm{Fw}(\%)=\frac{M_{\mathrm{Fw}}}{M_{\mathrm{initial}}}\×100\%=\frac{\underset{0}{\overset{1}{\∫}}C\left(t\right)\×Q\left(t\right)\mathrm{dt}}{M_{\mathrm{initial}}}\×100\%$

式中，F_w表示街尘冲刷的质量百分比；M_Fw表示冲刷掉街尘的质量，质量单位为g；M_initial表示街尘的初始质量，质量单位为g；C(t)表示t时刻径流的颗粒物浓度，单位是mg/L；Q(t)表示t时刻径流的流量，单位是L/min；t时刻单位为分钟；

（5）估算单位面积街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势：

结合步骤（3）和（4）的结果，估算单位面积街尘的降雨冲刷污染潜势：

$\mathrm{Rw}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\×{\mathrm{Fw}}_i$

式中Rw表示单位面积内不同粒径街尘对径流总的潜在输出能力，单位是g/m²；M_i表示单位面积内某一粒径段的街尘质量，单位为g/m²；F_wi表示单位面积内某一粒径段街尘的冲刷率质量百分比；n表示街尘粒径段划分的个数；

估算单位面积街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势：

$\mathrm{Pw}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\×C_i\×{\mathrm{Fw}}_i$

式中Pw表示单位面积内不同粒径街尘负载的某一重金属对径流总的潜在输出能力，单位是g/m²；M_i表示单位面积内某一粒径段的街尘质量，单位为g/m²；C_i表示单位面积内某一粒径段中某一重金属的浓度，单位是mg/kg；F_wi表示单位面积内某一粒径段街尘的冲刷率质量百分比；n表示街尘粒径段划分的个数；

（6）估算某一区域内街尘及其负载的重金属降雨冲刷污染潜势：

结合步骤（1）的分类和步骤（5）的结果，估算某一区域内街尘的降雨冲刷污染潜势：

$R=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Rw}}_j\×A_j$

式中R表示某一区域内所有不透水路面类型上街尘降雨冲刷污染潜势，单位为g；Rw_j表示某一区域某种不透水路面类型的单位面积街尘的降雨冲刷污染潜势，单位是g/m²；A_j表示某一区域某种不透水路面类型的面积，单位为m²；j为不透水路面类型，具体分为中心城区、郊区区县、乡镇、农村村庄、城中村五种类型；

估算某一区域内街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势：

$P=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Pw}}_j\×A_j$

式中P表示某一区域内所有不透水路面类型上街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势，单位为g；Pw_j表示某一区域某种不透水路面类型的单位面积街尘负载的重金属降雨冲刷污染潜势，单位是g/m²；A_j表示某一区域某种不透水路面类型的面积，单位为m²；j为不透水路面类型，具体分为中心城区、郊区区县、乡镇、农村村庄、城中村五种类型。

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