技术篇
汉阳地区城市面源污染特性及
污染负荷预测模型研究
叶闽３杨国胜１张万顺２肖彩２
（１．长江水资源保护科学研究所２．武汉大学）
摘要面源污染是造成水体水质污染的重要因素之一。本文通过分析武救市汉
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。该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
研究中，取得了满意的结果。可用于城市雨水、面源控制和管理等方面的模拟和
研究，为城市水环境规划、评价和管理提供决策依据。
关键词城市面源污染特性预测模型
１前言
面源污染亦称非点源污染。它是指雨水径流把大气中和地表面的污染物带到自然水体里去，对水体形成的污染，也称为降雨径流污染。对于降雨径流污染可分为：城区降雨径流污染和乡村降雨径流污染。城区降雨径流污染物来自于住宅区、商业区和工业区，或道路及绿地上的沉积物或固体废弃物等。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．太部分是先汇人城市地下排水系统，然后流人湖泊、河流中污染其水体。由于暴雨产生的初期降雨径流在短时间内将大量的陆地上的污染物冲刷汇人受纳水体，而引起水体污染。从汇流边界的取定这个角度来说，比乡村地表径流污染更复杂，而且更难确定。
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枵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。
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／ｋｉｎ２。
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，根据湖泊水质监测及分析：受工业污染废水和城市生活污水的共同影响，汉阳地区六个重点湖泊水质均为劣Ｖ类。在这些污染的湖泊中，通过城市下水道将污染物人湖的污染负荷总量占整个人湖污染负荷量的８０％以上，而且暴雨初期的负荷浓度要高于平时生活污水浓度的２倍以上。
汉阳地区城市面源污染特性及污染负荷预测模型研究
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，以及其危害；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
相关研究资料表明，城市面源的特点为，城市的硬质下垫面占大多数，径流系数较大，因而形成径流的时问短，地下人渗量小，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。由于城市发展，不透水面积的增加，还会导致雨水径流量的峰值加大，达到峰值的时间缩短，以及合流制管系溢流量的变化等。
据调查，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，也包括小区公园、道旁绿地等一些透水地面即软质下垫面组成的区域。在硬质下垫面中可进一步分为屋面、水泥广场、水泥道路、沥青道路等。屋面按构造更进一步可细分为硬质屋面（陶瓷砖、陶土砖、水泥、铁皮）、沥青屋面等，按形式可分为平顶屋面于斜顶屋面两类。水泥道路可细分为小区道路、人行道路、机动车道路等。软质下垫面中，城市绿地按构造可细分为高位花坛、高位草坪、低位草坪、裸露地面等，这些下垫面的类型直接决定了面源污染的性质和特征。通过调查分析，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）面源负荷来源主要为：汽车产生的污染物、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，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：①人为扫入、丢人的各种生活垃圾（纸屑、烟头等道路及生活固体垃圾）；②人为倾倒的蒋水；③腐烂变质的沉积物等。
（３）城市面源的主要污染物为：有机物、ＳＳ、石油类和Ｎ、Ｐ等。
（４）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。
（５）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。
３汉阳地区面源污染模拟
３．１模拟方法
面源污染是由降雨径流产生，其污染具有发生随机、来源和排放点不固定、污染负荷的时空变化大、污染途径的随机性和多样性、监测、控制和处理难度大等复杂特点。因此，要控制面源污染，首先应解决其面源荇染的预测和模拟存在的难度。
技术篇
根据国外相关学者在城市暴雨径流模拟成果方面的文献介绍，目前，采用比较通用的有城市降雨径流分布式模型，以及结合水文学、水力学思路，建立的暴雨径流模型。如１９７７年美国水文工程中心提出的ＳＴＯＲＭ模型，Ｈｕｂｅｒ等人于１９８４年、Ｒｏｅｓｎｅｒ等人于１９８８年分别开发出的ＳＷＭＭ模型，该模型可模拟城市暴雨径流和下水管网漫流，即可模拟单次事件，也可模拟连续事件。另外，在此之后开发的ＭＩＫＥ—ｓｗＭＭ模型，将一维非恒定流模型与暴雨径流的分布式模型结合，模拟暴雨水和废水排放系统中管道有压流、排水渠和地表漫流等。
本文在此基础上，结合汉阳地区城市面源污染的特性，将城市地表径流产、汇流联系在一起，基于单元产流汇流模型、产污模型，建立了包括地表径流模拟和水质模拟在内的分布式城市面源污染模型。较好地模拟暴雨径流过程中城市面源污染特征及其变化规律。３．２建立地表径流模型
分布式的城市降雨径流面源污染模型包括径流模型和水质模型。
３．２．１径流模型
根据研究区域特点，将不同的地表类型归纳为三种类型的单元，即不透水有滞蓄Ａ。、不透水无滞蓄Ａ。和透水有滞蓄单元Ａ。。并根据地表子单元的特征为具有相同的坡度，其水文参数如曼宁值，洼地蓄水，下渗为常量；屋顶的特征为不可透水，径流汇人路网中时考虑滞后时间。不透水无滞蓄区域通过参数Ｐｃ指定ｔ
ｐ．
Ａ３一丢蕞（Ａ１＋Ａ２）（１）
１ＵＵ
非线性滞蓄是通过联合曼宁方程的连续性方程建立的。对一个子单元，连续性方程为：
面ｄＶ—Ａｄｄ￡ｄ—Ａｉ＋一Ｑ
Ｖ—Ａｄ
式中：Ｖ为单元中的水量，ｍ３，ｄ为水深，ｍ；ｆ为时间为净雨一雨强一蒸发一下渗，ｍ／ｓ；Ｑ为出流，ｍ３／ｓ。
出流用曼宁公式表示：
（２）ｓ；Ａ为单元表西积．ｍ２；ｉ‘
Ｑ—Ｗ地（ｄ—ｄｐ）÷ｓ｛（３）式中：ｗ为子集水区宽度，ｍ；ｎ为糙率；ｄ。为滞蓄水深，ｍ；Ｓ为子集水区坡度。
下渗采用Ｇｒｅｅｎ—Ａｍｐｔ方程计算，此方程不仅适用于雨强大于下渗能力的情况，而且对暴雨开始时雨强小于下渗能力的情况同样适用。下渗能力定义为：
当Ｆ＜Ｆ：
ｆ—ｉ
Ｆ，＝裟％，ｚ＞Ｋ，（４）
’ｓ。丽Ｆｊ’。，ｓｔ”
Ｆ，一０，ｉ≤Ｋ；
当Ｆ≥Ｆ；：
ｆ—ｆｐ
汉阳地区城市面源污染特性及污染偾荷预测模型研究
＾：Ｋ：（１＋—ＳＩＦＭ—Ｄ）（５）式中：，为下渗率，ｍｍ／ｓ｝＾为稳定下渗率，ｍｍ／ｓ；ｉ为雨强，ｍｍ／ｓ｝Ｆ为累积下渗量，ｍｍ；Ｆ；为饱和累积下渗量，ｍｍ；Ｓ为湿润锋处的毛细管吸力，ｍ“；ＩＭＤ为初始不饱和度，ｍｍ／ｍｍ；Ｋ，为土壤的饱和导水率，ｍｍ／ｓ。
将式（２）和式（３）联立成一个非线性微分方程，可解出未知的深度ｄ。
３．２．２水质模型
３．２．２．１污染物累积和冲刷模式
污染物的累积：
Ｌ—Ｌ。ｅｘｐ（一南２Ｔ）＋矗ｌ［１一ｅｘｐ（一ｋ２Ｔ）］（６）式中：Ｌ为地面污染物的剩余量；Ｌｏ为初始污染物累积量；ｋ。为能累加到城市地表的潜在最大污染物的量；岛为污染物的消耗速率。
荇染物的冲刷以一级反应动力学方程给出：
等＝一岛Ｏ＿Ｌ（７）式中：岛为冲刷系数；Ｑ为径流量。
３．２．２．２完全混合水质模型
完全混合的微分方程是：
警一Ｖ警十ｃ警＝Ｑ￡一Ｑｃ—ＫＣＶ－］－Ｌ（８）式中：ｃ为浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｖ为体积，ｍ３；Ｑ为人流流量，１Ｔ１３／ｓ；Ｃ，为人流浓度，ｒａｇ／Ｌ；Ｑ为出流流量，ｍ３／ｓ；Ｋ为第一衰减系数，ｌ／ｄ；Ｌ为源或漏，ｇ／ｓ。
４计算实例
城市面污染源主要是由降雨径流的淋浴和冲刷作用产生的，城市降雨径流主要以合流制形式?通过排水管网排放，径流污染初期作用十分明显。本研究实例选定研究区域内一场典型暴雨进行分析计算，暴雨过程线见图１。利用城市面源污染模型对其汇水区暴雨径流过程与污染指标进行模拟，模拟结果分别见图２、图３和图４。
由结果图可以看出：对于特定区域内的单场降雨径流过程，其汇水出口处水量和水质都随时间有明显的变化特征。因为集水区的透水性较差，径流系数较大，降雨形成径流过程就短，初期径流量急剧增加，在很短时间内即可达到峰值。污染物ＳＳ和ｃｏＤｃ。变化过程呈现大体相同的变化趋势，其峰值都超前于径流而先达到。水量和水质的计算值和实测值基本吻合，水质计算误差相对于水量计算误差大，但其计算精度都可以满足工程示范研究的需要。
５结语
城市面源污染来源于发生分散的区域，是污染物质在地表或地下水中迅速分散后形成的，具有发生随机、来源和排放点不固定、污染负荷的时间和空间变化幅度大、监测、控制和处理困难而且复杂等特点，其形成过程是一个非常复杂的过程。本文建立的城市面源
技术篇
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时阃（ｈ?ｒａｉｎ）图１暴雨过程线图３，２１４，０１４ｍ
时间（ｈ?ｒａｉｎ）图３ＳＳ浓度实测值与模拟值比较图０＞日
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图２流量实测值与模拟值比较图
时间（ｈ?ｒａｉｎ）
图４ＣＯＤｅ。浓度宴测值与模拟值比较图
污染预测模型，通过检验证明该模型的精度较高，可以满足实际工程的要求。同时，也可
用于城市雨水、面源污染控制与治理研究，为城市水环境规划、评价和管理提供决策
依据。
参考文献
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作者简介：叶闽（１９５６一），女，长江水资源保护科学研究所，处长，高级工程师。主要从事水生态保护与环境模拟、水资源保护规划与评价等科研Ｉ作。
电话：０２７—８４４６００６２，０２７—８４８７２７１４（传真）。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｂｊｙｍ＠ｐｕｂｌｉｃ．ｗｈ．ｈｂ．ｃｎ，ｙｅｍ＠ｙｗｒｐ．ｇｏｖ．ｃａ。
汉阳地区城市面源污染特性及污染负荷预测模型研究
作者：叶闽， 杨国胜， 张万顺， 肖彩
作者单位：叶闽,杨国胜(长江水资源保护科学研究所)， 张万顺,肖彩(武汉大学)
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关键词：城市地表径流污染，瞬时单位线，事件平均浓度，聚类分析，污染负荷，数值模拟，最佳控制措施
本文链接：https://www.doczj.com/doc/ba16732391.html,/Conference_6101650.aspx
授权使用：重庆大学(cqdx)，授权号：d373dc75-8c51-473e-9d69-9df7011c1596
下载时间：2010年9月20日