摘要
地表径流是城市面源污染的主要来源，降雨径流所携带的污染物主要包括沉积于地面的有机物、营养盐及重金属等。其中，重金属具有高毒性、持久性、隐匿性和不可逆性，对水生态系统及人类健康存在潜在威胁。为了有效控制城市面源污染，需要系统性地研究地表沉积物中重金属的分布特征，及其随地表径流进入水体造成水质污染的特点和规律。由于重金属通常富集于颗粒物表面，地表沉积物的粒径分布和随水流迁移的特性与重金属径流污染密切相关，因此本文以径流颗粒的粒径表征和重金属负载特性研究为出发点，通过实验研究和理论分析，揭示城市地表径流导致重金属污染的过程规律，为城市面源污染控制提供理论依据。 研究工作依托国家“十二五”重大水专项课题，在宜兴城市核心区选择典型区域，针对地表沉积物和降雨期地表径流，通过采样分析和数据处理，获得第一手资料，在此基础上开展了径流颗粒粒径分布表征、地表径流重金属污染过程解析和影响因素分析，研究了城市地表径流重金属污染特性。论文的主要研究成果如下： (1)结合径流颗粒的粒径分布特点，基于液相中不同粒径分散相的光散射强度的差异性，提出了以单位质量颗粒的表观浊度(Tur)和总悬浮固体浓度(TSS)的比值Tur/TSS作为表征径流颗粒粒径分布的综合指标。粗分散体系对应于较低的Tur/TSS值，而细分散体系对应于较高的Tur/TSS值。地表沉积物和径流颗粒粒径分析测定及图像分析结果表明，＜10μm的纳米级和亚微米级颗粒的占比与Tur/TSS值相关性密切，通过Tur/TSS测定，可迅速把握降雨径流中分散颗粒的粒径分布特征。 (2)基于地表沉积物和径流颗粒的粒径分布差异性、典型重金属在不同粒径沉积物中负载特性的差异性，进行了地表径流重金属污染过程解析。研究发现，细颗粒极易被径流携带，其负载的重金属组分对径流污染贡献最大。以5种典型重金属为例，Cu、Pb和Zn在径流颗粒中的平均单位含量为地表沉积物的2.2~6.3倍，而Cr和Ni在径流颗粒和地表沉积物中的含量差别不大，表明Cu、Pb和Zn更容易在细颗粒中富集。以地累积指数Igeo和潜在生态风险指数RI为指标评价重金属径流污染水平，也发现Cu、Pb和Zn的径流污染风险高于Cr和Ni。另一方面，重金属径流污染水平也与Tur/TSS呈线性正相关关系。 (3)研究了车辆交通状况、道路坡度及降雨间隔期对地表沉积物重金属负载状况的影响。在典型交通路段，易于在细颗粒中富集的Cu、Pb和Zn随车辆流量的增大呈明显增大的趋势，其中Cu和Pb的负载与汽车流量关联性更强，Zn的负载与货车流量的关联性更强；路面坡度对地表沉积物粒径也有影响，平坦路面的沉积物中细颗粒的比例明显较高；降雨间隔期越长，地面沉积物量越大且细颗粒的比例更高。针对不同路段在不同情况下的颗粒物地表沉积特点，可采用适当的措施进行沉积物的清除，尤其应注重降雨间隔期较长时的沉积物清除，以降低降雨径流的重金属污染。 (4)基于颗粒物地表沉积和重金属径流污染的关系，研究提出了城市地表径流重金属污染控制的基本策略。首先，地表沉积物是重金属污染的源头，大量的颗粒物沉积会带来重金属径流污染的高风险，有效的对应措施是地表沉积物的及时清除；第二，研究结果表明降雨径流的Tur/TSS值越高，重金属污染的风险越大，因此高Tur/TSS径流的削减对重金属污染控制尤为重要，需要结合城市下垫面状况、道路坡度、降雨特征等确定重点控制区域；第三，基于地表沉积物的重金属负载特性，有效去除降雨径流，尤其是初期降雨径流中的颗粒物是重金属径流污染控制的重要末端措施，需要因地制宜地采用有利于颗粒物去除强化的相关技术。
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