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城市地表径流-灰尘-污染物输移研究进展

申红彬 徐宗学 吴保生

申红彬, 徐宗学, 吴保生. 城市地表径流-灰尘-污染物输移研究进展[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 450-462. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.015
引用本文: 申红彬, 徐宗学, 吴保生. 城市地表径流-灰尘-污染物输移研究进展[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 450-462. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.015
SHEN Hongbin, XU Zongxue, WU Baosheng. A review on the study of transports of runoff-sediment-pollutant systems on urban surfaces[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 450-462. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.015
Citation: SHEN Hongbin, XU Zongxue, WU Baosheng. A review on the study of transports of runoff-sediment-pollutant systems on urban surfaces[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 450-462. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.015

城市地表径流-灰尘-污染物输移研究进展

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.015
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2017YFC0405202

城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室开放基金 HYD2019OF02

详细信息
    作者简介:

    申红彬(1981-), 男, 河南安阳人, 讲师, 博士, 主要从事水文学、河流动力学方面的研究。E-mail:hongbinshen2012@163.com

  • 中图分类号: X52;G353.11

A review on the study of transports of runoff-sediment-pollutant systems on urban surfaces

Funds: 

the National Key R & D Program of China 2017YFC0405202

the Opening Foundation of Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology HYD2019OF02

图(5) / 表 (3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-05
  • 网络出版日期:  2020-04-07
  • 刊出日期:  2020-05-01

城市地表径流-灰尘-污染物输移研究进展

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.015
    基金项目:

    国家重点研发计划资助项目 2017YFC0405202

    城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室开放基金 HYD2019OF02

    作者简介:

    申红彬(1981-), 男, 河南安阳人, 讲师, 博士, 主要从事水文学、河流动力学方面的研究。E-mail:hongbinshen2012@163.com

  • 中图分类号: X52;G353.11

摘要: 城市地表"径流-灰尘-污染物"作为一个三相介质系统,相互作用机理十分复杂。分别从城市地表灰尘颗粒对不同种类污染物的吸附效应及时空分布规律、地表(坡面)降雨径流特性及过程模拟、地表径流-灰尘-污染物协同输移与削减等方面,总结与分析了现有的研究进展。从本质上来看,城市地表灰尘可视为由不同粒径泥沙颗粒组成的综合体,有必要基于泥沙运动力学理论加强对地表径流中灰尘颗粒运动规律的研究,并以灰尘颗粒对不同污染物的吸附、沉淀作用为纽带,探讨"径流-灰尘-污染物"的协同输移与削减机制。其中,如何有效扩展城市调查样本容量,比较研究不同下垫面径流动力特性,并从径流能量或功率角度出发,研究不同粒径灰尘颗粒的分组起动与输移规律,并建立在径流输送过程中的挟沙力方程,将是今后需要深入研究的问题。

English Abstract

申红彬, 徐宗学, 吴保生. 城市地表径流-灰尘-污染物输移研究进展[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 450-462. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.015
引用本文: 申红彬, 徐宗学, 吴保生. 城市地表径流-灰尘-污染物输移研究进展[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 450-462. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.015
SHEN Hongbin, XU Zongxue, WU Baosheng. A review on the study of transports of runoff-sediment-pollutant systems on urban surfaces[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 450-462. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.015
Citation: SHEN Hongbin, XU Zongxue, WU Baosheng. A review on the study of transports of runoff-sediment-pollutant systems on urban surfaces[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 450-462. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.015
  • 随着城市化水平的不断提高, 各种建筑及人工铺装地面等不断增多, 形成不同于天然地表的城市地表, 成为当今全球环境变化的重要影响因子。其中, 不透水地表的迅速增加, 造成雨水下渗量急剧减少、地表径流量大幅增大, 是当前水文环境变化的重要诱因。同时, 受高强度人类活动(城市工业、交通、商业、生活、环境污染等)影响, 不透水地表上积累了大量的灰尘、污染物, 并通过降雨径流冲刷进入受纳水体。目前城市地表降雨径流污染已经成为仅次于农业面源污染的第二大非点源污染[1]。以北美安大略湖为例, 雨水径流面源污染对总悬浮(灰尘固体颗粒)物(TSS)、生化需氧量(BOD)、总氮(TN)、总磷(TP)的贡献率分别达到了93%、78%、66%和45%[2]。其中, 地表灰尘既是典型的非点源污染源之一, 又是其他污染物最为重要的载体, 最多时能附着雨水径流中80%以上的污染物[3-4], 对地表污染物的迁移转化具有重要的影响。目前, 对于城市地表灰尘水环境污染的研究正日益引起人们的重视。

    对于城市地表灰尘水环境污染研究, 涉及降雨径流、地表灰尘、污染物质三相介质的输移与转化, 有必要根据系统研究的思路, 采用多学科交叉与集成的方法进行研究。目前国内外相关研究仍多较为分散。总体来看, 城市地表降雨径流多为水文学科研究范畴, 城市水体污染与治理长期为水环境学科所关注, 城市地表灰尘研究多集中于环境学科领域。其中, 环境学科主要关注地表灰尘对污染物的吸附效应以及污染物在地表径流中固(灰尘颗粒)-液(径流水体)界面的相态转化, 但因受专业领域限制, 对于地表灰尘颗粒随降雨径流迁移的动力机制, 研究深度尚有不足, 致使不少研究成果还处于经验阶段。

    城市地表灰尘为小于一定粒径(< 0.92 mm)、分散沉淀在不透水地表上的细小固体颗粒物[5]。从广义泥沙角度来看, 地表灰尘可以看作是由不同粒径泥沙颗粒组成的综合体[6]。以街道地表灰尘为例, 国外多以“road (deposited) sediment”表述[7-8]。结合泥沙学科, 从运动力学角度研究地表径流中灰尘颗粒运动, 将有助于深入认识地表灰尘颗粒的径流冲刷起动机制、合理描述地表灰尘颗粒随径流输移的过程、把握灰尘颗粒及吸附污染物的沉积削减规律。现今国内泥沙学科研究仍多关注流域坡面或河流床面上较大泥沙颗粒运动及生态环境效应[9-10], 而对城市地表上的细小灰尘颗粒研究较少。实质上, 泥沙颗粒粒径尺寸越小, 生化活性越强, 微观效应越大, 科学问题越多[11]。因此, 从泥沙运动力学角度研究城市地表径流中灰尘颗粒运动及其对污染物迁移转化的影响, 对于泥沙学科的发展也具有积极的意义。

    本文论述城市地表径流主要是指坡面径流, 对于城市地表“径流-灰尘-污染物”系统, 在总结现有研究成果的基础上, 对地表灰尘颗粒及吸附污染物的时空分布规律、地表降雨径流(主要为坡面径流)过程的模拟等进行了综述与分析, 并以地表灰尘颗粒运动(包括冲刷、输移、污染吸附、沉淀)为纽带, 重点关注“径流-灰尘-污染物”三相输移与削减的协同机制, 最后对从泥沙运动力学角度研究地表灰尘颗粒运动进行了探讨, 以期为相关研究工作提供思路与参考。

    • 城市地表灰尘颗粒来源组成复杂, 分为自然来源和人为来源, 包括大气沉降以及城市交通、建筑、工业等所产生非点源颗粒物质。按照来源距离远近, 可以分为远程、近程与当地, 风力作用与降雨径流是灰尘颗粒空间迁移的主要动力。比较城市地表灰尘颗粒与河流泥沙颗粒, 前者矿物成分主要包括石英、长石、方解石、白云石等, 粒径范围大致在0.001~0.92 mm之间;后者矿物成分主要包括石英、长石等, 并按粒径大小可以划分为漂石(≥200 mm)、卵石(200~20 mm)、砾石(20~2 mm)、沙粒(2~0.05 mm)、粉粒(0.05~0.005 mm)与黏粒(< 0.005 mm), 参见图 1。两者矿物成分相似, 粒径范围有所重叠。

      图  1  城市地表灰尘颗粒与河流泥沙颗粒比较示意

      Figure 1.  Comparison of sediments on urban-surface and river bed

      城市地表灰尘颗粒粒径大小在很大程度上决定了其可移动性和潜在污染效应。一般而言, 地表灰尘颗粒物粒径越小, 其表面积和表面吸附作用越大, 所吸附的污染物含量越高, 另外还受到吸附质微孔结构、有机质含量等因素的复杂影响。最早Day等[12]在《Nature》发表论文“Lead in urban street dust”, 使人们认识到城市地表灰尘与径流面源污染之间的联系。Sartor等[13]的研究表明, 小于43 μm粒径级别细小灰尘颗粒只占地表灰尘总重量的6%, 却具有较大的污染潜力, 可占重金属污染物的50%和N、P营养物质的33%~50%;Viklander[14]分析地表灰尘颗粒吸附重金属污染物的研究表明, 小于75 μm粒径级别的灰尘颗粒具有最大的污染物含量。Zhao等[15]对浙江新城PAHs(多环芳烃)污染研究发现, 40%街道灰尘粒径在250 μm以下, 而吸附PAHs量多达55%。

    • 城市地表灰尘及吸附污染物随时间的形成与发展是一个复杂的动力学过程, 可以分为累积与冲刷两个子过程。累积过程主要发生在非降雨期, 沉降在地表上的灰尘颗粒数量大于自然风力和人工清扫搬运量, 逐步累积形成一定的贮备负荷;冲刷过程主要发生在降雨期, 地表上大部分灰尘颗粒及吸附污染物被雨水径流冲刷带走, 剩余的灰尘颗粒及吸附污染物又成为下一次累积过程的初始值。Vaze和Francis[16]提出了城市地表灰尘及吸附污染物“累积-冲刷”的理论模型;Sutherland和Tolosa[17]基于连续方程提出的地表灰尘及吸附污染物“输入-输出”模型也蕴含了类似的概念。对于城市地表灰尘及吸附污染物的累积过程, 其最终累积量不是无限的, 随着时间的增长会逐渐趋于一个上限值, 相应累积速率为一级反应速率, 在初始时刻速度最快而后逐渐降低, 有关经验描述方法包括:线性函数、指数函数或对数函数等(见表 1)。Yuan等[18]以指数模型为基础, 得到了高速公路重金属分布的预测模型;Ball等[7]得出了悉尼街道灰尘的双累积曲线模型。对于城市地表灰尘及吸附污染物的冲刷过程, 影响因素较多, 主要包括降雨强度、地表性质、土地利用类型、灰尘及污染物性质等, 运动机理相对复杂, 一般可以采用指数模型进行描述(见表 1)。这些“累积-冲刷”模型方法曾在国外非点源污染项目MUNP(Management of urban nonpoint pollution)以及HSPF(Hydrology Simulation Program-FORTRAN)、STORM、SWMM(Storm Water Management Model)等城市水文水质模型中得到了广泛应用。

      表 1  城市地表灰尘颗粒及吸附污染物累积过程模型

      Table 1.  Accumulation model of sediment with absorbed pollutants on urban surface

      过程 模型 方程 变量意义说明
      累积过程 渐进性模型 Pb=Mb/(N+b) Pb为单位面积累积量;M为最大累积量;N为非饱和常数;b为干旱天数
      线性模型 Pb=αaβb α为地表特征因子;a为累积系数;β为径流系数
      指数模型 Pb=M[1-exp(-Neb)] Ne为累积效率
      对数模型 Pb=alnb+c ac为模型参数
      能量模型 Pb=abc ac为模型参数
      冲刷过程 指数模型 Pt=P0[1-exp(-cIt)] Pt为单位面积冲刷量;P0为开始时刻累积量;c为冲刷系数;I为降雨强度;t为时间

      城市地表灰尘及吸附污染物的空间分布规律相对复杂, 主要受城市功能分区以及不同类型下垫面单元特性的影响。对于世界范围内的不同城市, 受地理位置、气候变化、社会经济发展水平以及人类生产生活方式等不同因素影响, 不同功能区地表灰尘吸附污染物的空间分布规律会有所差异。常静等[19]对中国上海市不同功能区(分为交通区、校园区、广场区、居住区)地表灰尘颗粒及吸附污染物分布调研表明, 交通区地表灰尘累积量最多, 吸附污染物TP较多、TN较少, Zn、Pb及Cu重金属含量较高, 超出上海市土壤背景值10倍左右;张蕾和周启星[20]分析城市特殊用途区(如仓库、机场、动物园等)地表污染物分布规律指出, 动物园地表污染物主要为N、P等营养物质;Al-Rajhi和Seaward[21]对沙特阿拉伯Riyadh市不同功能区(分为市区、郊区、乡村区、老工业区、新工业区和交通要道区)地表灰尘吸附重金属污染物含量分析表明, 老工业区地表灰尘中各种重金属含量均较高, 而交通要道区地表灰尘中Pb含量明显较高, 主要来源于汽车尾气排放。对于城市地表不同类型下垫面单元(屋顶、街道、停车场、庭院等), 一般认为街道灰尘颗粒及吸附污染物是主要面源污染来源, 屋顶因清扫频率较低, 其灰尘颗粒及吸附污染物量也不容忽视[22]。王小梅[23]对北京市不同功能区(交通区、居住区、商业区)内街道灰尘颗粒及吸附重金属污染物分布调研表明, 交通区内街道灰尘颗粒及吸附重金属污染物含量最高, 且小粒径灰尘颗粒(< 105 μm)所占比例较高。

    • 城市地表降雨径流(主要指坡面径流)是激发地表灰尘及吸附污染物从静态到动态的关键动力因子。坡面径流作为一种特殊的浅层水流, 沿程不断有动量源与质量源汇入, 运动规律十分复杂。长期以来, 人们对于坡面径流的水动力学特性尚未取得统一认识[24] : ①水流流区作为研究坡面径流水动力学特性的基础, 不同学者对于坡面径流的流区还存在着很大争议, 存在混合流、扰动流、伪层流、过渡流、交替流、层流失稳区(滚波流区)等不同概念[25-31], 明确相关概念对于认识地表灰尘颗粒随径流冲刷运动的紊动能量来源具有重要意义;②坡面阻力作为坡面径流水力学特性研究的核心问题, 包括Darcy阻力系数、Manning糙率与Chezy阻力系数, 目前对究竟选用哪种阻力系数来表征坡面径流的阻力特性尚无定论;③坡面流速的计算表达式一般可以表示为V=kqdJe, 其中V为坡面流速, q为单宽流量, J为坡度, k为地表综合阻力系数, de为指数。不少学者得到指数de的值往往存在较大差异, 综合受到试验下垫面类型、径流所处流区等不同条件的影响, 一般d值介于0.40~0.67之间, e值介于0.18~0.33之间。这些均是坡面径流研究的基本问题。

      城市化地区因人工地表种类较多, 表面粗糙特性各异, 且新类型不断涌现, 对其阻力特性、流速参数等问题, 需要不断地开展跟进研究。现有城市雨洪模型尚多采用Manning糙率或Chezy阻力系数, 不透水与透水区域Manning糙率取值分别在0.001~0.015、0.1~0.3之间[32-34], 变化范围较大。另外, 城市中密集分布的建筑[35]、不同的路网结构[36]等也会对地表蓄水、水流阻力及径流汇集等产生重要影响。

    • 城市地表降雨径流模拟可以根据汇流描述方法的不同分为水文学(如等流时线法、单位线法、线性水库法与非线性水库法等)与水动力学方法, 并按照是否将全流域作为一个整体来考虑分为集总式和分布式两类。自1969年Freeze和Harlan[37]提出建立“一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图(FH69蓝图)”以来, 随着计算机、地理信息系统(GIS)以及数值计算等相关技术的发展, 基于水动力学微分方程的分布式水文物理模型获得蓬勃的发展与应用[38-40]。城市地区一般空间尺度较大, 汇水区域多为人工划定, 水动力学分布模型往往需要划分数量巨大的网格单元, 复杂密集的建筑、街道交叉口等也会对网格划分带来影响[35], 不少模型参数需要率定, 从实际模拟效果来看, 计算精度也受到了限制, 离大范围推广应用尚有待于进一步完善。Mignot等[41]对城市二维地表径流模型的多个模型参数、地形参数及网格变化等进行了敏感性分析, 以期为模型网格疏密程度、边界条件数据收集及处理、地表摩阻系数等选择提供建议。分布式水文概念模型则是对城市研究区域按集水口划分为不同的排水小区, 每个排水小区作为一个计算单元, 应用水文学方法计算各个集水口的入流过程, 最后通过管网或河道汇流叠加演算至流域出口, 模拟方法相对简单实用, 并可以得到较高的模拟精度[42]。现今通用的模型多为将水文学与水力学方法相结合, 一些模型在采用水文学方法(如等流时线法、单位线法等)模拟径流过程的同时引用水力学成果来确定汇流速度参数[43], 而另外一些模型则在采用水力学方法进行径流模拟时, 借助水文学方法来调整有关参数[44]。芮孝芳和黄国如[43]认为具有物理基础的松散型分布式水文模型是一种具有发展前景的有效模拟方法。

    • 城市地表灰尘颗粒及吸附污染物在降雨径流冲刷作用下, 完成由固相向液相转化的过程。其中, 部分污染物因溶解、解吸作用呈溶解态, 直接随水流运动, 剩余部分污染物仍吸附于灰尘颗粒表面呈颗粒态, 并以悬移、推移等形式随水流运动。不少监测结果表明, 城市地表降雨径流中灰尘颗粒与污染物浓度变化过程相似(参见图 2[45]), 具有明显的吸附相关性, 并且这种吸附效应能够持续相当一段时间(可大于24 h)[46-47], 绝大多数污染物的迁移转化过程都受到灰尘颗粒运动的强烈影响。在城市地表径流-灰尘-污染物输移过程中, 往往出现初期雨水径流中灰尘颗粒及污染物浓度高于后期的现象, 称之为初期冲刷效应[48], 并可采用累积灰尘颗粒或污染物负荷占总灰尘颗粒或污染物负荷的比值除以累积径流量负荷占总径流量的比值(Mass first flush, MFF)建立量纲一累积曲线M(V)表示(参见图 3)。当MFF曲线在斜率为1.0的直线之上时, 说明存在初期冲刷效应。初期冲刷效应的强弱主要受到降雨强度分布、降雨持续时间等因素影响, 不同粒径地表灰尘颗粒的迁移行为也会有所差别, 主要表现为细粒径灰尘颗粒更趋向于前期冲刷并对降雨强度的增加反应敏感。王小梅[23]基于冲刷指数方程, 结合试验资料对不同粒径组成地表灰尘颗粒冲刷系数c值率定分析表明, 冲刷系数最大与最小值最大可相差近6倍(参见图 4)。以往建立的面源污染模型(如STORM、SWMM等)冲刷指数方程中多未考虑地表灰尘颗粒输移的粒径效应, 这会造成一定的模拟误差。

      图  2  地表径流-灰尘-污染物协同输运现象[45]

      Figure 2.  Cooperate effect of runoff-sediment-pollutants system transport

      图  3  初始冲刷效应描述曲线

      Figure 3.  MFF curve to describe the first flush phenomena

      图  4  不同粒径组成灰尘颗粒冲刷系数

      Figure 4.  Variation of the flush coefficient for urban sediment with different diameter composition

      污染物质在溶解液态与颗粒固态之间的相态转化对其在随径流输移过程中形态的改变和量的分布具有重要的影响[49]。Engstrom[50]、Prestes等[51]对于降雨径流中污染物固相(颗粒态)与液相(溶解态)之间的分配规律进行了研究, 并采用固-液分配系数来进行表示。不同水体的水化学介质条件与动力混合条件是影响污染物固-液分配系数的重要因素, 地表径流中灰尘颗粒物浓度与固-液分配系数之间存在显著的负相关关系, 具有明显的“颗粒物浓度效应”[49]

    • 城市不透水地表增多引发内涝及面源污染现已成为城市安全运行和生态环境的主要威胁, 如何有效削减地表径流与面源污染就成为一个重要的问题。地表径流水量与水质控制涉及一系列的物理、化学和生物过程, 作用机制包括滞蓄、沉淀、吸附、入渗、降解等(见表 2[52]), 削减设施包括植草沟、下凹绿地、植被过滤带等。图 5为街道灰尘及吸附污染物经降雨径流冲刷进入削减设施示意图。有关研究表明, 城市地表降雨径流中溶解态污染物的削减主要依靠径流下渗实现, 颗粒态污染物的削减主要依靠灰尘颗粒吸附沉淀实现[53]。径流下渗造成径流量减少、输沙能力减弱也会促使灰尘颗粒沉淀。因此, 地表径流(下渗)削减与灰尘颗粒(沉淀)削减、污染物削减之间应具有一定的相关协同性, 反映在表 2中为沉淀(或过滤)与入渗的水质控制效果基本相同。实际监测也表明, 不少渗滤控制设施(如植草沟、植被过滤带等)往往同时表现出良好的径流、灰尘颗粒物及污染物削减效应[54-55]。由于径流下渗对溶解态污染物削减及颗粒态污染物沉降均具有重要的影响, 有学者甚至将下渗作用作为去除污染物的主要机制[56]。不过, 灰尘颗粒沉淀仍是联系径流下渗与颗粒态污染物削减之间的重要纽带。为此, 美国弗吉尼亚大学最先开始在AnnAGNPS中增加了基于灰尘颗粒沉淀功效的径流污染物控制削减设施模拟及优化分析, 并应用于弗吉尼亚州一些高速公路面源污染控制项目中。美国Florida大学开发的VFSMOD模型[57-60]主要用于模拟植被过滤带对径流中灰尘固体颗粒物的沉淀削减效应。

      表 2  不同水量水质控制机制及作用效果[52]

      Table 2.  Different control mechanism and effects for water quantity and quality

      控制对象 滞蓄 沉淀 吸附 入渗 微生物降解 过滤 植物吸附 蒸发蒸腾及挥发
      径流量 不适用 中/高 不适用 不适用
      洪峰 不适用 中/高 不适用
      流速 中/高 不适用 不适用
      BOD5
      COD 低/中 低/中 低/中 低/中
      SS 低/中 中/高 不适用 不适用
      大肠杆菌 中/高 低/中 不适用 不适用
      N 低/中 不适用
      P 不适用
      Cd 不适用 不适用
      Cu 不适用 低/中 不适用
      Ni 不适用 低/中 低/中 低/中 不适用
      Pb 不适用 中/高 中/高 中/高 不适用
      Zn 不适用 不适用
      Cr 不适用 低/中 低/中 不适用
      Pt 不适用 中/高 中/高 不适用
      PAHs 中/高 中/高 中/高 中/高 中/高
      PCB28

      图  5  街道径流-灰尘-污染物进入削减设施示意

      Figure 5.  Reduction facilities of road runoff-sediment-pollutants

    • 城市地表灰尘本质为由不同粒径泥沙颗粒组成的综合体, 地表降雨径流(主要指坡面径流)作为地表灰尘颗粒运动的主要动力, 从泥沙运动力学角度来看, 地表径流中灰尘颗粒输移的主导动力是径流动能, 促使灰尘颗粒沉降的主要驱动力是重力。坡面径流挟沙力是研究地表灰尘颗粒输移的重要基础[61]。当径流输沙率小于径流挟沙力时, 径流具有的多余能量将继续冲刷地表灰尘, 使径流输沙率持续增大以逐渐趋近径流挟沙力;反之, 当径流输沙率大于径流挟沙力时, 则部分灰尘颗粒将发生沉降, 使径流输沙率持续减小以逐渐趋近径流挟沙力。相比河流挟沙力方程, 坡面径流因其特殊水动力学特性, 挟沙力机理相对更为复杂。从水流功率或能量观点出发, 通过改进、修正河流挟沙力方程, 并经试验验证, 是分析研究坡面径流挟沙力的重要途径, 表 3为部分学者及模型提出的坡面径流挟沙力方程[61-62]。其中, 水流功率指标更能准确模拟坡面径流挟沙力, 如EUROSEM(European Soil Erosion Model)[63]、LISEM(Limberg Soil Erosion Model)[64]等模型均采用水流功率指标模拟坡面径流挟沙力。

      表 3  坡面径流挟沙力方程

      Table 3.  Equations of sediment transport capacity for overland flow

      学者/模型 径流挟沙力方程 变量意义说明
      ANSWERS[65] $ {T_{\rm{c}}} = \left\{ \begin{array}{l}146J{q^{0.5}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} q < 0.046\\14{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 600J{q^2}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} q > 0.046\end{array} \right.$ Tc为径流挟沙力;q为单宽流量;J为坡度
      Julien和Simons[66] Tc=αJβqγ αβγ为参数
      WEPP[67] Tc=Ktτ3/2 Kt为泥沙传输系数;τ为水流剪切应力
      Zhang等[68] ${T_{\rm{c}}} = 0.024\sum\limits_{i = 1}^n {d_{50i}^{ - 0.313}{p_i}} {\tau ^2} $ n为泥沙分粒径的个数;d50ii粒径组泥沙中值粒径;pi为某粒径组泥沙占比
      EUROSEM[63]LISEM[64] Tc=sm(P-Pc)λ γs为泥沙容重;P为单位水流功率;Pc为临界单位水流功率;mλ为与泥沙中值粒径有关的参数
      GUEST[69] Tc=[γsF(E-E0)]/[(γs-ρ)gHωa] F为效率系数;E为水流功率;E0为临界水流功率;ρ为水流密度;H为水深;g为重力加速度;ωa为平均沉速

      城市地表下垫面种类较多, 不同下垫面阻力特性、透水性能有所区别, 导致同场降雨条件下不同下垫面径流特性与挟沙能力不尽相同。对于地表径流与面源污染削减设施, 以植被过滤带为例, 从径流挟沙力变化角度来看, 不透水地表灰尘及吸附污染物随径流进入植被过滤带后, 因径流下渗、植被增大水流阻力, 造成径流动力作用减弱、挟沙力下降, 径流中灰尘颗粒及吸附污染物沉淀, 是植被过滤带能够实现减污效果的力学本质原因。另外, 对于城市不透水地表上灰尘颗粒的冲刷输移, 还应考虑地表细灰尘颗粒补给有限性和持续减少对输沙率衰减过程的影响, 这可能是造成地表灰尘颗粒与污染物浓度初期冲刷效应的原因之一。对于污染径流中的有机灰尘颗粒, 还应考虑灰尘颗粒吸附的污染物作用对灰尘颗粒本身沉降特性的影响。研究表明, 离子类污染物会对细小颗粒的絮凝沉淀产生显著影响[70-72];营养物质过剩情况下颗粒表面微生物活动形成生物膜也会强烈改变颗粒本身的物理化学特征和力学性质, 使得自然水体中沉积物的稳定性增强, 称为“生物稳定性”。方红卫等[73]实验结果表明, 生物膜极大地改变了颗粒物的表面特性, 使得颗粒下沉阻力增大。Andersen和Pejrup[74]分析实测资料认为, 水体中生物群落结构和组成也会对颗粒物的沉降产生重要影响。

    • Al Wadaey等[75]报道认为, 植被过滤带可以削减50%以上径流、颗粒物与污染物P的总量, 但是对于污染物P的浓度削减没有效果。吴鹏等[56]分析认为是由于径流对颗粒物输运具有选择性, 径流中粗颗粒与过滤带上细颗粒之间存在交换效应, 具体表现为径流中粗粒径颗粒优先沉降、过滤带上细粒径颗粒冲刷悬浮, 而细粒径颗粒往往对污染物P具有更高的吸附效应, 甚至导致出流污染物P浓度增大。这就涉及到地表不同粒径灰尘颗粒在径流冲刷作用下的分组起动与输移问题。

      以往泥沙研究在河床泥沙颗粒起动规律方面已经取得了很多有价值的成果。Shields[76]建立了著名的泥沙起动拖曳力曲线。Buffington和Montgomery[77]基于泥沙起动剪切应力指标, 结合对数流速分布公式, 转换成为泥沙起动流速公式。张小峰和谢葆玲[78]进一步推导建立了泥沙起动流速与起动概率之间的关系。另有部分学者[79-81]考虑了床面渗流作用对泥沙起动的影响。相比之下, 城市地表径流因水深较小, 灰尘颗粒粒径较小、运动规律较为复杂, 宜从水流能量或功率角度, 研究地表不同粒径灰尘颗粒在降雨径流冲刷作用下的分组起动与输移规律。栾莉莉等[62]、Zhang等[68]曾基于水流功率理论建立坡面径流挟沙力方程, 通过试验数据率定, 发现方程系数随颗粒粒径增大而呈幂函数形式减小。

    • (1) 城市地表灰尘颗粒及吸附污染物时空分布规律复杂, 受城市地理位置、社会经济发展水平、功能分区、下垫面种类等多种因素的影响。中国目前对于城市地表灰尘颗粒及吸附污染物时空分布规律的调研, 主要集中在北京、上海、南京、西安、广州等大城市, 样本容量、覆盖范围明显不足, 尚有待于对更多城市开展地表灰尘颗粒及吸附污染物时空分布规律调研工作。

      (2) 随着中国海绵城市建设的开展, 用于地表径流与面源污染削减的渗滤设施不断增多, 这些设施下垫面渗透特性、阻力特性各异, 不透水地表“径流-灰尘-污染物”汇入不同渗滤设施后, 其径流动力特性的变化机制以及灰尘颗粒与吸附污染物的沉淀效应仍有待深入研究。

      (3) 城市地表径流挟沙力是研究径流中灰尘颗粒输移规律的基础。相比河流挟沙力方程, 坡面径流水动力学特性更为特殊, 挟沙力机理更为复杂。如何基于泥沙运动力学理论, 从径流能量或功率角度出发, 改进或建立地表径流挟沙力方程是一个重要的问题。

      (4) 城市地表降雨径流对不同粒径灰尘颗粒具有输移选择性, 粗细灰尘颗粒在输移过程中的沉降与悬浮交换会对污染物浓度变化产生一定的影响。如何从径流能量或功率角度出发, 研究不同粒径灰尘颗粒的分组起动输移规律是一个重要的问题。此外, 不透水地表灰尘颗粒持续冲刷过程中细颗粒补给量有限性与持续减少对输沙率衰减过程的影响也有待考虑, 以用于解释灰尘颗粒及污染物浓度的初期冲刷效应。

      (5) 城市地表径流中污染物依在水体中的赋存状态分为溶解态与颗粒态。对于地表径流与面源污染削减的渗滤设施, 在不同灰尘颗粒与污染物含量组合条件下, 径流下渗引发溶解态污染物削减与灰尘颗粒沉淀引发颗粒态污染物削减的相对重要性尚有待进一步研究。这涉及到灰尘颗粒对不同种类污染物吸附作用的大小, 即污染物的固-液相态分配问题。

参考文献 (81)

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