现代城市地表沉积物形成过程中的地表雨水径流外文翻译资料

 2022-08-08 20:24:45

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现代城市地表沉积物形成过程中的地表雨水径流

安德里安·塞莱兹涅夫1，伊利亚·亚莫申科1，乔治·马利诺夫斯基1，达里亚·基塞莱瓦2，叶卡捷琳娜·伊尔加舍瓦1，阿纳斯塔西亚·兰斯卡亚2，亚历山大·泰特林1

1俄罗斯科学院乌拉尔分院工业生态学研究所，俄罗斯叶卡捷琳堡S.Kovalevskoy街20号，620219

2俄罗斯科学院乌拉尔分院扎瓦利茨基地质地球化学研究所，地址：俄罗斯叶卡捷琳堡Akademika Vonsovskogo街15号，620016

摘要：地表径流是城市泥沙梯级的主要来源、输移、沉积和贮存机制之一。城市地表沉积泥沙是城市污染物的输送介质和非点源。本研究的目的是在考虑季节因素的情况下，描述地表雨水径流在城市环境中现代地表沉积物积累中的作用。以俄罗斯叶卡捷琳堡市为例进行研究。探讨了地表雨水径流在城市地表沉积物形成中的作用。在城市地区，冬季冰雪混合物在其中积累地表径流和污染物。寒冷时期积雪中积累的大量水分有助于春季形成大量的雪泥混合物。春季活跃的融雪作用导致了雪泥的形成和沉积物质的迁移。

  1. 介绍

现代沉积作用是在城市环境中不断发生的。自然过程和人为过程都参与了城市沉积物的形成和积累。自然因素包括：建筑材料的风化、道路路面在潮湿条件下的冻融；雨水地表径流影响下的土壤侵蚀。自然因素的影响与季节性和气象条件有关[1，2]。人为影响包括地面开挖和其他与土壤和路面退化相关的工程。路面被车轮磨损了。在景观管理不善的情况下，城市沉积物的累积量显著增加。灰尘和细侵蚀物质的增加成为城市地区的一个重大问题[3，4]。城市表层沉积物成为污染物在城市中迁移的媒介。沉积物中的潜在有害元素和干颗粒物能代表城市人口的环境风险因素[5]。不同类型的地表沉积物和其他人为地面沉积物代表了城市地区地层的上层[6]。

城市泥沙梯级代表一个连接泥沙来源、输运机制、泥沙沉积和储存的概念[7]。泥沙串级是污染物转移和贮存的载体。城市泥沙梯级的源成分代表城市环境中所有类型的颗粒生成物质[8]。城市沉积体系是全球废物和污染运输的重要组成部分[9，10]。城市泥沙串级模型包括城市地表的泥沙冲刷、通过排水和下水道系统、河流和城市分水岭向河流、水体、海洋的转移[8，11]。

本研究旨在探讨地表雨水径流在城市环境中现代地表沉积物累积中的作用。本研究以俄罗斯叶卡捷琳堡市为例，该市气候相对寒冷，冬季漫长。

  1. 材料和方式

叶卡捷琳堡是俄罗斯第四大城市，人口约150万。该市位于中部乌拉尔山脉东麓（北纬56°50，东经60°35）。这座城市在20世纪中叶苏联工业化时期迅速发展起来。

叶卡捷琳堡属温带大陆性气候。稳定的负气温通常在10月中旬出现，持续120天。积雪从10月底开始，4月初开始融化。

为了研究地表径流对现代地表沉积物形成的影响，在一系列现场、实验室和分析研究的基础上，构建了一个具体的研究设计。研究计划包括在一年中不同季节对城市居民区的环境分区进行抽样。在叶卡捷琳堡的不同地理区域随机选择了六个典型的城市居住区。四分之一位于不同建设年份，不同的岩石基质地区。每个街区由多层公寓楼、庭院和街道相邻部分组成。2017年冬季采集了19个样本（图1），春季（31个样本）、夏季（27个样本）和秋季（13个样本）采集了城市表层土（上层5cm）和地表沉积沉积物样本。

采集了道路、场内通道、停车场、人行道和道路两侧储存的脏雪堆中的雪泥样本。在停车场、过道和庭院、道路和人行道的局部水坑沉积物中采集了城市地表沉积物样品。在草坪区采集了表土样本。

为了描述可能影响沉积物形成的因素，对居住区进行了现场描述性调查：车辆数量、清洁、受干扰区域比例、冬季堆雪储存、暖季土方工程等。

通过倾析和筛分，对从融化的雪泥中获得的土壤、沉积物和固体物质样品进行粒度分级[12]。获得了以下对样品质量的影响的粒度组分：0.002-0.01 mm、0.01-0.05 mm、0.05-0.1 mm、0.1-0.25 mm、0.25-1 mm和gt;1 mm。在地质分析中心用X射线衍射法分析了粒度亚样品，以供集体使用。用电感耦合等离子体质谱法测定了所采集样品的粒径组分中元素的总浓度。测定了所有样品的pH值和有机质含量。

根据水量平衡方程[13]，按2017年各季（2016年11月至2017年12月）计算城市地表径流：

Ds = Pr – E,

其中Pr是来自网站rp5.ru（http://rp5.ru/archive.php?wmo_id=28440）的叶卡捷琳堡气象站的月平均大气降水量，WMO_ID=28440，E——蒸发值。蒸发量的计算公式为：E=0.37∙n∙d，其中n是该时段的天数，d（mm Hg）-该时段2m高度的平均空气湿度亏缺[14]。研究期间的空气湿度亏缺被计算为水蒸气的饱和分压差。计算了饱和水蒸气压力和相对空气湿度对水汽分压的影响。用干湿表测定了负空气温度和正空气温度下饱和水蒸气的平衡压力。

图1、道路、院内通道及人行道处有积雪淤泥，路边有脏雪堆。

  1. 结果和讨论

所采集样品中粒径组分的平均含量（图2）显示了所研究环境分区中粒径组分的季节性变化。各季节最易输送的粉尘组分（0.002-0.05mm）含量无显著差异。在道路区域和砌块外未铺砌表面上观察到的粉尘颗粒含量最高（0.002-0.1 mm）。草地覆盖层破损或缺失的地区是一个强烈的灰尘来源。庭院外区域沉积物中存在大于1 mm的部分，这与冬季使用细粒碎石（筛网）和碎石碎片作为人行道和道路的防冰材料有关。

图2、不同粒度组分对不同季节采集的样品固相质量浓度（部分）的贡献，具有标准误差。

样品的矿物和元素组成一年四季都是一样的。采集样品的固体材料矿物是建筑业（包括道路建设）所用岩石的成分：花岗岩、辉长岩、角闪石、蛇纹石。总的来说，样品中约四分之三的固体沉积物材料为构成建筑材料的矿物。一般来说，尘埃部分是较大颗粒的碎片。

暖季表层沉积物有碱化趋势，冷季表层沉积物样品有中和趋势。由于土壤中的淋溶物质，碱化与表层沉积物中有机质含量的增加有关。

表1显示了2017年各季的降水量、蒸发量和地表径流值。地表径流随季节而变化。最大地表径流出现在冬末，秋季以后逐渐减少。

表1、降水量（Pr）、蒸发量（E）和地表径流（D）的季节值。

季节

降水量（毫米）

蒸发量（毫米）

地表径流（毫米）

冬季

138

34.2

0（103.8）

春季

165.8

107.0

58.8

夏季

260.0

110.7

39.3

秋季

65.0

50.2

14.9

冬季形成的雪泥可以保护城市地表含固体泥沙的雨水径流。春季活跃的融雪有利于雪泥的形成和沉积物质的迁移。地表雨水径流转移地表沉积物质，其表现为建筑材料、道路表面和侵蚀土壤的磨损产物。

  1. 结论

城市地表沉积物形成的主要机制是大气暴雨径流对土壤、路面等不同粒级物质的侵蚀。在气候条件恶劣的大城市中，每年秋春两季的水蚀和风蚀对地表污泥的形成有着显著的影响。在寒冷的一年中，大量的水在雪中积累，春季融雪地表径流的增加导致了水的侵蚀和大量的雪泥的形成，这在2017年春季得到了明显的证明（在互联网上搜索关键词为“泥，叶卡捷琳堡，Spring（俄语）提供了260万页的搜索结果。

这项研究得到了俄罗斯科学基金会（批准号：18-77-10024）的支持。

引用：

1. EPA-841-B-05https://www.epa.gov/sites/production/files/201509/documents/urban_intro.pdf, (2005)

2. R. Hilliges, A. Schriewer, B. Helmreich, J of Env Management, 128, 306-312 (2013)

3. E. Apeagyei, M.S. Bank, J.D. Spengler, Atmospheric Env, 45(13), 2310-2323 (2011)

4. P.N. Owens, K.A. Caley, S. Campbell, A.J. Koiter, I.G. Droppo, K.G. Taylor, J Soils Sediments, 11(6), 1040-1051 (2011)

5. C.A. Breed, J.M. Arocena, D. Sutherland, Atmos Environ, 36,1721-1731 (2002)

6. C. Le Guern, V. Baudouin, B. Sauvaget, M. Delayre, P. Conil, J Soils Sediments, 18(2), 373-379 (2018)

7. K.G. Taylor, P.N. Owens, J Soils Sediments, 9(4), 281-303 (2009)

8. D. Butler, J. W. Davies, Urban drainage. 3rd ed. (Spon Press, London, 2011)

9. S. Basha, J. Jhala, R. Thorat, S. Goel, R. Trivedi, K. Shah, G. Menon, P. Gaur, K. H. Mody, B. Jha, Atmospheric Research, 97(1-2), 257-265 (2010)

10. Y.G. Zhu, Y. Zhao, B. Li, C.L. Huang, S. Y. Zhang, S. Yu, Y.S. Chen, T. Zhang, M.R. Gillings, J.Q. Su, Nat Microbiol, 2, 16270 (2017)

11. M. Murakami, M. Fujita, H. Furumai, I. Kasuga, F. Kurisu, J of Hazardous Materials, 164(2-3), 707-712 (2009)

12. A. Seleznev, M. Rudakov, Carpathian J of Earth and Env Sci, 14(1),95-106 (2019)

13. L. Bengtsson, Hydrologi – Teori och processer. (Dept of Water Resources Engineering Lund University. Translated by Rolf Larsson, 2004)

14. B.B. Bogoslovskij, A.A. Samohin, K.E. Ivanov, D.P. Sokolov, Obshchaya gidrologiya (gidrologiya sushi) (Gidrometeoizdat, 1984) (in Russian)

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