城市面源污染特性及污染负荷预测模型

城市面源污染特性及污染负荷预测模型研究1叶闽杨国胜肖彩长江水资源保护科学研究所武汉430051摘要本文通过分析武汉市汉阳地区城市面源污染的来源和污染特征，并针对城市土地利用和下垫面类型特点，建立城市面源污染预测模型，研究探讨城市降雨径流及污染负荷预测模拟和迁移规律。所建模型已成功地应用于武汉市汉阳地区城市面源污染控制技术研究，获得了满意的结果。该模型可为城市水环境规划、面源控制和管理研究提供科学手段。关键词城市面源污染特性预测模型1前言随着我国城市化水平的发展进程加快，可渗透地面的面积比例越来越小，由暴雨径流产生的突发性的、冲击性强的城市面源污染已成为受纳水体水环境污染的主要来源之一。城市暴雨径流中包含有大量的污染物，使得其初期径流产生的污染负荷远高于城市生活污水。因此，由面源引起的水环境污染已成为当前城市水环境综合治理中亟待解决的主要问题之一。近十年来，武汉汉阳地区的城市面源污染加剧，大量污染物排入水体，水质急剧下降，由城市面源污染和其他污染引起的水环境问题已经严重制约了城市的可持续发展。本文通过分析武汉市汉阳地区城市面源污染的种类、来源和污染物特征；并针对城市土地利用和下垫面类型特点，建立城市面源污染预测模型，研究探讨城市降雨径流及污染负荷预测模拟和迁移规律。为有效控制城市面源污染提供强有力的科学手段。2汉阳地区城市面源污染来源及特性武汉市汉阳地区位于武汉市西南部，长江、汉江交汇处的三角地带。为武汉三镇一方。以汉阳区汉阳大道和鹦鹉大道为轴的建成区，两面临江（东北临汉江，东南临长江），是汉阳地区人口密度最高的地区，人口密度为1.6万人/km2。汉阳区域内水资源较为丰富，分布着大大小小的湖泊数十个。根据近年来湖泊水质监测结果分析，汉阳城区几个重点湖泊水质极差，按国家地表水环境质量标准评价，基本均为劣V类。这些湖水污染来源除受工业污染废水、城市生活污水共同影响外，来源于暴雨冲刷地表固体污染物所产生的污染也不容忽视。特别是在暴雨初期，由于降雨径流将地表的、沉积在下水管网的污染物，在短时间内，突发性冲刷汇入受纳水体，而引起水体污染。据观测，在暴雨初期（降雨前20分钟）污染物浓度一般都超过平时污水浓度，如2003年6月，对汉阳地区城市雨水排水出口处一次大暴雨监测，其监测结果比平时排放口流出的污水浓度要高得多，如SS（悬浮物）浓度值就高于平时污水浓度的10倍左右，COD高3～4倍，而且暴雨期入湖水量远远的大于平时排放口的水量。因此，城市面源也是引起水体污染的主要污染源。对于城市面源污染具有突发性、高流量和重污染等特点，主要是因为城市的硬质下垫面占大多数，径流系数较大，因而形成径流的时间短，地下入渗量小，对污染物的冲刷强烈。另外，由于城市的市政建设和管理不到位，城市排水管网以雨污合流制居多，生活垃圾及废弃物任意丢弃，由人为因素引起的面源污染占总污染量的60％以上。使得这些污染物除了受地形影响在雨水的作用下流向低洼地外，大部分汇入了城市地下排水系统，然后流入湖泊、河流中污染其水体。根据实地调查和遥感卫星资料分析，武汉市汉阳城区，主要以工矿企业、城市居民区、机关单位的建筑物群、城市道路（包括停车场、广场等）不透水硬质下垫面为主，硬质下垫面占城区面积80％左右，其他为沿湖荒地、菜地、小区公园、道旁绿地等一些透水地面即软质下垫面组成的区域。下垫面的类型直接决定了面源污染的性质和特征。经过调查分析，汉阳城市面源有如下一些特征：（1）城市的硬质下垫面占大多数，径流系数较大，形成径流的时间短，地下入渗量小，对污染物的冲刷强烈。径流形式以短时间的地表径流和较长时间的管内流为主。（2）城市面源－雨水径流可粗分为屋面径流和路面径流。屋面径流污染源主要为屋面沉积物及屋面材料析出物。最关键的因素为屋面材料性质。路面径流水质除了与路面材料、老化程度有关外，还取决于道路交通密度。主要污染源为路面沉积物、行人和车辆的交通垃圾等。屋面径流和路面径流两者所受的污染程度不同。屋面径流基本不受人、车辆等流动因素的影响，因此水质略好于路面径流。（3）面源负荷来源主要为：屋面建筑材料、建筑工地、路面垃圾和城区雨水口的垃圾和污水、汽车产生的污染物、大气的干湿沉降等。在这些污染物中产生负荷影响较大为雨水口的垃圾和污水。雨水口的污染可分为三种：人为扫入、丢入的各种生活垃圾（纸屑、烟头等道路及生活固体垃圾）、人为倾倒的污水和腐烂变质的沉积物等。（4）地表径流大部分通过城市下水管网排入受纳水体中，其汇水区范围主要通过排水管网的走向确定。（5）城市面源的主要污染物为：有机物、SS、石油类和N、P等。3汉阳地区面源污染模拟羊3.1层渡模拟方法那面源污染是造签成水体水质污合染的重要因素黄之一，要控制束面源污染，除依加强城市管理裤力度，减少人屡为因素影响外祝，根据面源污激染源特征，研通究城市面源污颈染物的产生、傍运移与输出过穴程，开发出适蜜合汉阳地区的福城市面源污染匠负荷与预测模性型。也是为更昆有效辩识影响消面源污染的各弊种关键性因素令，分析城市发拴展与城市面源授污染的关系，恒有针对性采取证一系列技术和孙措施，削减径草流量，降低污涨染物输出浓度筑，达到控制面刚源污染有效途滚径。樱由于面源污染迫是由降雨径流嫁产生，其污染熟具有发生随机倚、来源和排放秤点不固定、污脸染负荷的时空客变化大、污染肃途径的随机性麦和多样性、监忽测、控制和处孝理难度大等复隔杂特点。因此帐，对其面源污裁染的预测和模稼拟存在着很大狐的难度。超国际上对面源库污染的产生规唱律和模型模拟旧也进行了大量毛研究。基于城迁市面源污染物倍的产生主要源春于降雨径流冲疫刷地表累积物机，以及径流挟肆带污染物在排握水系统内的运舒移，在此基础娱上开发出大量遮城市面源污染松模型。其中，喝比较成功的模况型有：城市暴进雨水管理模型叼（港SWMM社）和城市暴雨句径流模型（炊STORM雅），化学物质掌径流负荷与流抄失模型（帮CREAMS做）。另外，在文此之后开发技的梅MIK罗E朋－椅SWM泪M获模型，将一维田非恒定流模型神与暴雨径流的浓分布式模型结璃合，模拟暴雨耍水和废水排放长系统中管道有胀压流、排水渠嚷和地表漫流等弟。目前，模型霸的发展重点是歉将地理信息系错统鲜GI季S鞋与原有的面源攻污染模型相结剂合，评价面源源污染的发生区屋域，污染物的接运移变化、控沉制措施的影响件以及受纳水体桥的响应等。如菊土壤水体评价炮模型溪（绒SWA将T缓，丑S循oilan氧dWate筐rAsse返ssment爷Tool劫），已经在美弦国咱1猫8粥条主要河流系森统得到了广泛菊应用。县本文结合汉阳忘地区城市面源妥污染的特性，抬将城市地表径鲁流产、汇流联桨系在一起，基渐于单元网格产快流产污、汇流较模型，以及排竿水管网的水动寿力学模型和污停染迁移模型，拾建立了分布式扰城市面源污染拢模型，模拟暴族雨径流过程中帝城市面源污染少特征及其变化狱规律。翅3.2顽必建立城市面源昨径流模型拐根据城市区域炸特点，其降雨傍径流产生呈三梢种形式，地表银径流、屋面径谜流和排水管网办径流，排水管傅网径流将滞后冶前两种形式，洗而这三种模拟号方法也是不同属的。咳（室1探）地表径流模匀型坝根据研究区域哄特点，将不同溜的地表类型归椒纳为三种类型茶的单元，即不宵透水有滞脆蓄裹A棉1润、不透水无滞验蓄垫A趣3害和透水有滞蓄铸单牵元晶A揪2就。并根据地表喊子单元的特征喉为具有相同的散坡度，其水文割参数如曼宁值秀，洼地蓄水，库下渗为常量。透通过联合曼宁暴方程的连续性卸方程建立非线扫性滞蓄方程。部对一个子单元搂，连续性方程玩为：里速纷醉舌螺式（蛛1象）筝其中，暂V献=共A稳·饥d裕—桨单元中的水量舟，漏m欧3柱；屑d碍—皆水深限，氧m巷；厅t泼—仙时间而，鹰s须；焦A妻—壤单元表面积仍，关m专2钩；绘i*制—昌净俩雨仰=启雨强蒸–那蒸发袭–鼠下渗川，钱m/s佩；督Q义—严出流酷，藏m李3习/咽s隆。蛾出流用曼宁公杠式表示：阵锯蜻翠欠爆（翻2阳）菜其中，隶W数—戏子集水区宽度费，鹊m屋；抄n缠—掏糙率；狸d梳p雷—吧滞蓄水深混，陶m昨；酸S眨—爸子集水区坡度购。慧将类（迫1秘）式和柏（粪2派）式联立得出蓬一个非线性微抽分方程，即非红线性滞蓄方程羞：（3）跳其中，产姓知笛梢盈澡你雄(4)咸方程支（粒3俗）的求解是在成时间步长内通拴过简单的有限避区间的方法。劈将方程诱（并3丛）可近似表示鹰为：谱孔网齐（假5逃）料其中煎，掘△爷t牲=病时间步长沃，谦s.韵然后方程桃（陕5烫）的求解可突用欣Newton作-Rap屠hson抬酷迭代方法，得惑出蜂h趴2之。然后则可计絮算时泰间驴t夺+记△酒t牌盯的瞬时出流流皆量游Q渡。仿Q鹰也是排水系统求的入口流量。贷（舞2追）屋顶产流模励型揪屋顶的特征为贫不可透水，屋称顶净雨量为雨价强角I躁、屋顶面迫积梁S卫以及时间步世长古△萌t抛三者的积。当结下泄水量小于辟排水管最大设扇计能力时，产镜流量为净雨量带除以时间步长惜，势即酒:泻刘健笑默腥盏(6)窄离州吗耽转辞(7)很其中闹，宴Q累0漠=灰净雨量另，质m筹3嗽；辽Q鄙=预屋顶产流量俩，骨m旺3游/揉s经；央I脖=觉雨强遥，北m/健s逗；氏S墙=送屋顶面积纱，安m正2记；固△锡t找=泉时间步长艳，冬s坚。咏假定屋顶排水岔管的最大设计乐流量忍为棚Q鲁s柏，则有如下关泽系：猎拉，锈壶聚粉作侵（脖8初）励堆念，脱(吊9)脉其中面，歼Q窄d牺=虫下泄流量舍，夺m折3估/炼s燥；造Q爱s青=贝屋顶排水管的缸最大设计流量宜，摔m萌3聚/鲁s因，根据建筑设孟计规范，依据邻当地气象特征瞎确定。糖下泄速度根据捐管道水力学方取法计算：输投猎寺陪(1饶0)奋其中仔，忌H吵=狮建筑物屋顶高遥度她，析m阵；槽=晒动量系牺数援(另0.5~1)筒贼挥=挣管长聪，锯m奖；誉d辣=矛管道的水力半桥径责，授m污。因此，下泄铃流量为：驳益冒兽泪，样模傲(11)在绒碎，胸腹美范（欺1基2裁）赖滞后时间臣：皂桶缠姜朽妹鄙伙舰落(辰13)悠其中艇，绩n首=绘建筑物屋顶排着水管的数目莫，姻Ri槐=枯建筑物屋顶排客水广管梅i踩的半径闯，锡m卸。茧（弹3储）排水系统水怠力学模型从排水系统（管樱网）概化为由蚕一些节点（检赤查井，管道连疗接点等）连起优来的连杆（管仍道）。采用动消力波方程计算库管道流量和节丢点水位，基本错方程如下：非恒定流方程荒无侧流汇入的汽非恒定流方程猴，即连续性方剖程。绣己鼓端端刺(14)脖其氧中怖Q侧为管道的流量拼，邪x字为距离（沿管眼道水流方向的乖长度）滔，纺A孟为过水面积介，把t佩为时间。摆以流量和水位涉为独立变量的陈动量方程写为福：（15）疑其须中揉g剪为重力加速度膛，徒H棍为水位蚂，驱S旱f章为摩阻坡降，册由曼宁公式求活摩阻坡罢降识S歼f皂：怨截但（凑1芬6杨）脚其验中泽n坐为曼宁糙率鸭，税R的为水力半径。忘管道节点的连脑续性方程可写毒为：害热披狠倦旦（持1寄7霸）恋其响中哀A河s报为节点的水面允积。北（恳4景）排水管网污汉染物迁移水质疲模型顿颗(18)捐其中搅：浆C幼为溶质浓度初；薯H沟为魂x晃方向的水位竹；溜U盘为纳x孤方向的流速柜；糠D摩x事为朱x仇方向的扩散系框数耗。抱Cs道竭和晴C需d脖是污染物输移贤的源漏项。趁4鲜计算实例辩城市面污染源晓主要是由降雨饮径流的淋浴和海冲刷作用产生骤的，城市降雨眉径流主要以合异流制形式，通牌过排水管网排保放，径流污染横初期作用十分项明显。本研究俊实例选定研究瓣区域内一场典塔型暴雨冲进行分析计算鞋，暴雨过程线钩见捧图阿1羞。利用城市面亮源污染模型对争其汇水区暴雨帐径流过程与污羊染指标思进行模拟印，模拟结果分岗别见修图耻2童、延图银3放和沫图岸4姻。口由结果图可以怕看出：对于特域定区域内的单为场降雨径流过踩程，其汇水出异口处水量和水浴质都随时间有缠明显的变化特蛮征。因为集水宁区的透水性较雀差，径流系数改较大，降雨形绵成径流过程就苦短，初期径流抚量急剧增加，条在很短时间内塑即可达到峰值泳。污染柴物欣S奥S赴和韵COD览Cr翼变化过程呈现蚊大体相同的变扛化趋势，其峰袋值都超前于径汉流而先达到。供水量和水质的须计算值和实测誉值基本吻合，炊水质计算误差早相对于水量计咱算误差大，但役其计算精度都徒可以满足工程夏示范研究的需给要。5结语熔城市面源污染拳是引起受纳水舞体污染的重要示因素之一。面阵源污染具有发神生随机、来源闸和排放点不固戏定、污染负荷市的时间和空间爸变化幅度大、则监测、控制和订处理困难而且非复杂等特点，梢其形成过程是岂一个非常复杂乳的过程。本文坊建立的城市面查源污染预测模坏型，通过检验匆证明该模型的叮精度较高，可巡以满足实际工抄程的要求。同征时，也可用于材城市雨水、面枝源污染控制与西治理研究，为矩城市水环境规楼划、评价和管握理提供决策依铺据。义图贯1骂雄暴雨过程线图慢图堪3S弊S痕浓度实测值与峰模拟值比较俯图印2说醋流量实测值与凝模拟值比较图呼锁策图织4COD草Cr透浓度实测值与乞模拟值比较图参考文献赶[1]胡合赵景柱，汉阳成地区城市水体样的面源污染控代制技术与工程窄示范弱，隶200摇3典，苹2.真[2]上游车武，刘燕，好李俊奇，北京业城区面源污染沸特征及其控制疑对策，北京建杆筑工程学院学浙报倚，括200葛2借，穷Vol.17肚No.4尊[3]丙瘦王敏尔，董志逐勇，城市非点荷源污染的初步执探讨，浙江工柳业大学学报热，富200出3逢年深，豪Vol.31狗No.5袍[4]Ky哥ung-so润okCho序i,Jam裳esE.线Ball.逝Parame华teres傲timati山onfor愧urban饰runof拨fmode馋lling.雕Urban保Water程4(200喘2)31-交41.希[5]与Wayne算C.Hub裤erand恢Rober团tE.D近ickins横on,19集88.St着ormWa乎terMa霸nageme钉ntMod产el,Us鹊e常r希’牺sManu惨al,Ve券rsion恭4.US掏Enviro肆nmenta阳lProt秋ection湾Agenc梦y,Ath猛ens,G卖eorgia浑.Repo备rtEPA流/600/3聋-88-00目1a.

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