城市面源产污过程分析方法

1、面源污染控制原理及技术硕士课程论文城市面源产污过程分析方法摘要：伴随着点源污染控制的不断完善和城市化的快速推进，面源污染已成为城 市水体污染的重要污染源。目前，城市面源产污过程定量化分析方法主要为数学 模型。本文在概述城市面源污染特点和产污机理的基础上，总结了城市面源产污 模型研究进展及常用模型，探讨了城市面源产污模拟存在的问题，展望了今后城 市面源产污模拟研究方向。研究城市面源产污模拟对制定面源污染控制对策具有 重要指导意义。关键词：城市面源、产污模拟、数学模型1城市面源污染特点及产污机理城市面源污染指城市地面污染物、粉尘、固体颗粒、金属等腐蚀残留物、地 面生活垃圾、污水管网泄露或漫流、交通

2、运输中汽车尾气排放的铅及轮胎磨损物 以及大气中的悬浮颗粒等在降雨事件作用下，经初次冲刷、产流、汇流进入雨井 等地下污水或雨水管网系统，并最终进入受纳水体，而引起的水体污染1。城市 面源污染相对于点源的规律性、稳定性和集中排放的特点，具有随机性、复杂难 于跟踪、污染源范围广、污染物复杂、间歇性发作等特点。城市面源污染物主要 有固体悬浮沉积物、营养物质、耗氧物质、细菌及有毒污染物等。因其污染物种 类复杂，毒性大，不易简单的进入污水处理系统进行处理，对水生环境、地下水 和人体健康危害巨大，现已成为世界各国环境治理考虑的重要和关键性问题。城市面源污染的成因复杂，影响因素众多。其主要影响因素可以概括为三

3、大 类：气候状况，包括降雨量、降雨强度、历时、时空分布、十期长度、大气污 染状况；污染物特征，包括污染物的种类、胶体形态、属性特征以及污染物的 采样和测量方法；城市特征，包括城市不透水面积、土地利用类型、城市地表 清扫频率及效果、雨污排放方式。降雨是城市面源污染形成的动力因素，而降 雨形成的径流是面源污染物迁移的载体。降雨径流包括产流、汇流、产污、集污 四个过程。影响产流的因素有截流、填洼、下渗，随着城市不透水面积率增大， 雨水因填洼下渗减少，当地面100%为不透水面积时，水分填洼下渗甚至可能减 少到零3。汇流是从屋顶、路面和一些人工铺砌面上产生的面流，进入人工砌筑 的边沟、渠道，再汇入下水道

4、系统或受纳水体的过程，影响因素主要有土地利用 类型、不透水面积大小以及下垫面状况：城市面源污染在不同土地利用类型上的 分布差异很大，Lee和Bang4研究发现，污染物单位负荷高密度居住区最大，其 次是低密度居住区，然后是工业区，未开发区的负荷最低；城市化带来城市不透 水面积的增加，降低了下渗率，增加了暴雨径流量，也缩短了径流峰值形成的时 间，从而加大了径流对地表污染物的冲刷；不透水面对水体的影响力大小也会 因为土地利用类型的不同而改变，比如直接连结城市水体的不透水面比连结到草 地的不透水面对城市面源污染的贡献率大。在产流、汇流的过程中，产污、集 污也随之发生。污染物在地表径流中的迁移转化主要有

5、溶解和通过径流携带这两 种形式，在这两种形式的作用下，降雨径流污染前期很高，占全部径流污染的 90%7。2城市面源产污研究进展及常用模型2.1城市面源污染模型研究进展要定量估算一定时段内城市面源污染负荷量，最基本的方法是监测所有降水 过程的径流水质，但受客观条件限制，显然这是不可能的。因此，在进行城市面 源产污过程的研究中，最为有效、直接的方法就是建立数学模型，即在空间和时 间序列上对城市面源污染的产生机理进行数学模拟分析，从而对研究区域内发生 的复杂的污染过程作定量描述。城市面源污染负荷模型的认识和研究经历了机理模型开发、重视到与计算机 现代技术结合产生大型模型的3个发展阶段。（1）城市面源

6、污染模型发展阶段（20世纪70 80年代）：这一时期模型研究 集中以土地利用对河流水质产生影响的认识为基础，对降水径流污染特征、影响 因子、单场暴雨和长期平均污染负荷输出等方面进行了研究，以统计模型为主， 建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统计关系，著名模型有城市水管理 模型（SWMM）、城市地表径流数学模型（STORM）等。（2）城市面源污染模型重视阶段（20世纪8090年代）：在这一时期，美国 农业部研究所开发的化学污染物径流负荷和流失模型（CREAM），采用了美国农 业部水土保持局开发的SCS水文模型来计算暴雨径流，充分考虑了污染物在土壤 中的物理、化学形态和分布状况，为城市径流污

7、染模型的发展提供了很好的经验。面源污染模型完善阶段(20世纪90年代后)：20世纪90年代后，在对过 去城市径流面源污染模型多年应用经验进行总结的基础上，不断地完善已建立的 模型，推出新的模型。同时，与面源污染负荷估算相关的流域开发方向、面源污 染管理模型和风险评价成为本时期应用模型研究的最新突破点。随着计算机技术 的飞速发展以及3S技术的广泛应用，一些功能强大的基于流域尺度的具有空间数 据信息处理、数据库技术、数学计算、可数化表达等功能的超大型模型被开发出 来。目前，用于模拟城市面源污染的模型有SWMM ( Storm Water Management Mod-el)、STORM (Stor

8、age Treatment Overflow Runoff Mod-el)、DR3M-QUAL (Distributed Routing Rainfall-Runoff Model) QQS( Quantity-Quality Simulation)、 HSPF (Hydrologic Simulation Program-Fortran)、SLAMM (Source Loading and Management Mode l等，而被国内外广泛应用的模型主要是SWMM和HSPF。2.2 SWMM模型SWMM是美国环境保护署(U SEPA)1971为解决日益严重的城市面源污染 而推出的城市暴雨水

9、质水量预测和管理模型，模型由径流模块、输送模块、扩展 输送模块、存储处理模块和一个服务模块组成。SWMM将研究区划分为多个子 汇流区，包括不透水区的地表径流、透水区的下渗、排水管内径流和溢流，能够 模拟TSS、TN、TP、BOD、COD等10种污染物和用户自定义污染物的积累和冲 刷现象。模型的最敏感参数依次是不透水洼蓄量、曼宁系数、下渗系数和透水区 洼蓄量9。采用不同划分精度的子汇流区，当子汇流区的分辨率降低，划分的子 汇流区数量减少，SWMM的最终模拟结果却并没有显著改变。不同土地利用类 型的子汇流区合并后，污染物的总量会减少，因此为了模拟结果的准确，应该尽 量保证子汇流区的土地利用类型相同

10、10。该模型的缺点是不能对污染物的生化 反应和转化进行模拟。SWMM模型能模拟开发区城市化前后的水文特征，有效地预测城市化过程 中水文状况的变化11。SWMM通过模拟分析城市化对不同重现期降雨的影响， 发现城市化能明显增加十年一遇的降雨场次，而对重现期较长的降雨影响不显 著，并且城市化过程往往显著增加径流量较小的发生频率较高的城市洪水，而对 发生频率低的径流量巨大的城市洪水却基本没有受到影响12。2.3 HSPF模型HSPF是由Johansons 提出的，在1998年被美国环保署嵌入多功能水质分析 模拟的BASINS系统。该模型是一个优秀的半分布式综合模型，在国外应用广泛， 但在中国应用较少1

11、4。通过BASINS系统，HSPF模型与功能强大的ArcGIS相整 合，从而为模型提供所需的地形、地貌、土地利用、土壤、流域划分等数据的处 理和叠加提供了更加方便的手段。该模型的优点是能紧密的与GIS相结合，而且 可以模拟污染物的转化过程，缺点是不能进行排水管内水流的计算。HSPF通常 用于流域的水量和水质的模拟，但也适用于快速城市化地区。Brun和Bands 通过HSPF模型模拟城市化过程中不透水面积的增加对径流 量和基流的影响，发现不透水面积的影响有一个阈值：当不透水面积低于20%时， 影响不明显，但是超过20%后，随着不透水面积比率的增加，径流量会明显增加。 Cho i和Deal将土地利

12、用变化模型与HSPF模型结合起来，定量预测流域尺度的 河道径流对未来城市扩展的响应。Lee等17研究表明，HSPF在单一或复合的土地 利用类型小流域的水量和水质模拟中均有较好的表现。邢可霞等18厕利用HSPF 模型对滇池流域的水文水质状况进行了模拟，结果表明，SS是滇池流域面源污 染的首要污染物，有80%的，流入湖中，而在枯水年，面源污染贡献了约1 /3的 TN、丁?入湖负荷量。3城市面源产污模拟存在的问题城市面源产污模拟研究在欧美等国家虽然起步较早，取得了丰富的研究成 果，开发推出了一些比较成熟的城市面源污染模型，但仍存在以下几方面的不足：污染物累积和冲刷模型需要改进和修正。Kanso等前】

13、应用贝叶斯方法 检验了一个常用的污染物累积冲刷模型，发现模型的参数输入不唯一，而且对不 同地区模型公式需要修正，否则不能进行准确的模拟；Robien等20】研究发现实 际污染物冲刷过程比现有常用污染物冲刷模型复杂，现有模型不能区分径流携带 泥沙量和径流冲刷泥沙量。大多数模型不能对暴雨径流挟带的泥沙的运动进行准确模拟。污染物 大多以吸附态随泥沙一起运动，因此泥沙运动对污染物的迁移转化有非常重要的 影响。暴雨径流挟带泥沙运动的准确模拟需要泥沙级配、泥沙黏聚性和管道形状 的详细资料，需要对非恒定流理论有深刻的认识和了解，而现有许多模型将冲淤 水动力学误用于管网泥沙运动的模拟计算21,22。（3）大多

14、数模型不能模拟污染物的生化反应过程。污染物在地表和排水管 道中运动时会发生一定的化学和生物变化，直接影响径流中各种污染物的浓度和 含量。Zoppou 23和Rauch等 24指出现有城市面源污染模型的主要缺点之一就是 不能充分模拟污染物的生化反应过程。相比于国外，国内面源污染模型起步较晚，研究存在的问题可能更多，也更 基础。首先，国内大规模的调查取样工作还没能实现，只是个别区域的个体调查行 为，使得研究资料缺乏多样性和丰富度。今后这方面应首先走在前面，优先做好。其次，国内对面源污染的认识不够统一、重视度还远远不够，有些地方还没 有面源污染的概念，更缺乏开展相关工作的技术和设备支持。因此，现阶段

15、大多 是点源的预测评价与控制，面源的相关评价预测和控制仍然游走在边界之外，并 没纳入到评价控制范围。再次，国内研究至今对面源污染的机理认识不足，妨碍了基于机理的模型发 展。仍以经验型模型居多，包含水文过程和污染物迁移转化机制的模型很少，经 实际应用检验效果理想的模型几乎没有。大多数模型只适用于小城市，对面积较 大的城市面源污染模拟能力较差，且只适用于某一特定的城市区域，不便于推广 应用。第四，国内研究仍然过于依靠国外的成熟模型，缺乏创新性和地方特色，缺 乏自主创新意识和魄力，过于跟西方研究之风向。4城市面源产污模拟研究展望未来城市面源污染研究应继续加强污染物运动机理方面的研究，研究污染物 迁移

16、转化的规律，特别是悬浮颗粒物对其他污染物的吸附、运载作用，并且要提 高实验数据的准确性和加强数据的共享，便于城市面源污染的定量化研究。城市面源污染模型仍需要进一步完善。今后城市面源模型将进一步向模块化 发展，使模型既具有大尺度上的统一适用性，又具有小尺度上的差异针对性。提高面源控制措施在中国的适用性。当今流行的、完善的面源控制措施以及 效果评价体系都是欧美发达国家根据其自身特点制定的，由于自然条件、社会经 济状况的差异，中国在利用这些控制措施时会遇到各方面的问题。因此，对国外 面源控制措施进行适当改进，使之适合中国城市状况，并且进一步发展自己的管 理措施，是中国城市面源研究的一个重要方面。将城

17、市面源污染治理与城市规划、景观设计相结合。城市规划对中国城市发 展的影响巨大，因此，在城市规划时该考虑面源的防治，从城市发展的初始阶段 重视面源污染，在“源-过程-汇”各个阶段都加强对面源污染的控制。而景观设 计与城市面源治理的结合，是利用景观设计将面源管理措施恰当地融入城市景观 之中，使其既能将发挥面源控制的功能，又具有城市旅游、居民休闲、美化城市 的效果。参考文献：王敏尔，董志勇.城市非点源污染的初步探讨J.浙江工业大学学报,2003,31（5）: 576-579. 李春林，胡远满，刘淼，等.城市非点源污染研究进展J.生态学杂志,2013,32（3）： 492-500.杨士弘.城市生态环境

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