（市政工程专业论文）城市雨水径流污染模拟的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 城市雨水径流冲刷地面而引起的污染是面源污染的重要部分，随着点源污染 治理的深入，城市雨水径流对受纳水体的污染已日益凸现。 城市雨水径流污染物组分复杂，浓度变化大，可生化性差，排放间歇且无规 律，故处理起来难度较大。为了更好控制雨水径流的污染，对雨水径流进行处理， 必须了解雨水中污染物浓度的变化特征，掌握其变化规律。本文以物理过程为基 础，以水力学方法建立了城市雨水径流水质水量动态模型，并结合三场降雨资料， 对雨水口流域的水质、水量过程线和初冲效应进行了模拟，其模拟结果与实测值 较为一致，验证了模型的有效性，并利用e x c e l 和v i s u a lb a s i c 对模型进行了程序 实现。这有助于径流污染处理设施的选用和设计，而且有利于合理规划控制方案， 优化处理工艺的组合，提高治理效果。同时，它也为雨水径流的资源化利用工程 设计提供了量化数据。 对城市雨水径流污染负荷长期分布规律的模拟为城市雨水管理系统和市政设 施设计提供了前提条件，也有助于分析和评价流域地面径流污染对受纳水体的贡 献程度，因此，本文把以物理过程为基础的模拟特征融入到概率模型中，建立了 城市雨水径流污染负荷的概率模型，并用m o n t e c a r l o 随机抽样法，对长期的径流 污染负荷分布规律进行了模拟试验，求得了流域径流污染负荷的分布特性及其特 征值，为受纳水体水质控制和管理提供了量化数据。 关键词：城市雨水径流污染；水质过程线；水量过程线；初冲效应；污染负荷； m o n t e e ar1 0 法 a b s t r a c t t h ep o l l u t i o nc a u s e db yt h ew a s h o i to fu r b a ns t o r m w a t e rr u r l o 。f r o ms u r f a c ei st h e c f i t i c a lp a r to ft h en o n - p o i n tp o l l u t i o n w i t l ld e e p e n e dt h ec o n t r o lo ft h ep o i n tp o l l u t i o n i ti s s e d o u s3 d a yb yd a yt h a tt h er e c e i v i n gw a t e ri sp o l l u t e db yu r b a ns t o r m w a t e rr u n o f f t h ec o m p o n e n t si nt h eu r b a ns t o r m w a t e rr u n o f fa r ev e r yc o m p l i c a t e d a n di t sr a n g eo f c o n c e n t r a t i o nc h a n g ei sv e r yb i g ，s oi ti sv e r yd i f f i c u l tt od i s p o s eo ft h eu r b a ns t o r m w a t e r r u n o f f i no r d e rt oc o n t r o la n dd i s p o s et h ep o l l u t i o no fu r b a ns t o r m w a t e rr u n o f fh e t t e r , i ti s n e c e s s a r yt o l e a r nt h ec h a n g ec h a r a c t e r i z a t i o no fp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o na n dm a s t e ri t s c h a n g el a w b a s e do nt h ep h y s i cp r o c e e do fs t o r m w a t e rr u n o f fp o l l u t i o n ，t h ed y n a m i cm o d e l o fu r b a ns t o r m w a t e rr u n o f fq u a l i t ya n dq u a n t i t yw o sb u i l ti nt h eh y d r a u l i c sw a yi nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o no f3r a i n f a l le v e n t s ，t h ep o l l u t o g r a p h , h y d r o g r a p ha n df i r i tf l u s h e f f e c to ft h eg u t t e ri n l e tw a ss i m u l a t e d t h er e s u l t sa c c o r dw i t l lt h em e a s u r e dv a l u e s w h i c h v e r i f i e dt h ev a l i d i t yo f t h em o d e l a tl a s t , t h em o d e lw a sp r o g r a m m e dw i t ht h ec o m b i n a t i o no f e x c e la n dv i s u a lb a s i c t h em o d e lc o n t r i b u t en o to n l yt os e l e c ta n dd e s i g nt h ef a c i l i t i e st o t r e a t m e n ts t o r m w a t e rr u n o f fp o l l u t i o nb u ta l s ot op l a nr a t i o n a l l yt h ec o n t r o ls c h e m ea n d o p t i m i z et h ec o m p o s i t i o no fv a r i o u st e c h n i q u e s ，w h i c hc a nb n n ga b o u tas t r i k i n ge f f e c t m e a n w h i l e ，i tp r o v i d e st h eq u a n t i z a t i o nd a t at od e s i g nt h ef a c i l i t i e s o fm a k i n gu s eo f s t o r m w a t e rr u n o f t n es i m u l a t i o no fd i s t r i b u t i o no fl o n g t e r ms t o r m w a t e rr u n o f fp o l l u t a n tl o a di st h e p r e r e q u i s i t et od e s i g nt h eu r b a ns t o r m w a t e rm a n a g e m e n ts y s t e ma n dm u n i c i p a lf a c i l i t i e s a t t h es a m et i m e ，i ti sh e l p f u lt oa n a l y s i sa n da s s e s st h ep o l l u t e dd e g r e eo fr e c e i v i n gw a t e rf r o m t h eu r b a ns t o r m w a t e rr u n o f f t h e r e f o r e ，t h ep r o b a b i l i t ym o d e lo fu r b a ns t o r m w a t e rr u n o f f p o l l u t i o nb a di sd e d u c e di nt h el a s tp a r to ft h i st h e s i s w h i c hh a st h ec h a r a c t e r so ft h e s i m u l a t i o n sb a s e do np h y s i c a lp r o c e s s t h es i m u l a t i o nt e s tt ol o n g - t e r mr u n o f fp o l l u t i o nl o a d i sc o n d u c t e dw i t ht h em e t h o do fm o n t ec a r l or a n d o ms a m p l i n g ，a n dt h ed i s t r i b u t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dc h a r a c t e r i s t i cv a l u e so fp o l l u t i o nl o a dc a nb e e ne d u c e d ，w h i c hp r o v i d et h e q u a n t i z a t i o nd a t at oc o n t r o la n dm a n a g et h eq u a l i t yo f r e c e i v i n gw a t e r k e yw o r d s ：u r b a ns t o r m w a t e rr u n o f fp o l l u t i o n ；p o l l u t o g r a p h ；h y d r o g r a p h ；t h ef l u s he f f e c t ； p o l l u t i o nl o a d ；m o n t e c a r l om e t h o d s i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 。武乎i 越 jq b 期：坷年j 月j ，、日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： ，心乎退 仰士孝 日期：撕年f 月工? 日 日期：矿年，月哆日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 人类赖以生存的水环境污染是当前世界上普遍存在的问题。造成水环境污染 的发生源可分为点源和面源，点源污染是指集中排放的污染源引起的污染，如生 活污水和工业废水等，面源污染主要指在降雨径流的淋溶和冲刷作用下，污染物 随径流进入水体而引起的污染。随着点源污染治理的深入，面源引起的污染问题 日益凸现。如美国等发达国家，至少有一半以上的水质问题来源于面源污染，其 中城市雨水径流污染是仅次于农业面源污染的第二大面污染源f 2 】。尤其是近年，人 口的增加，城市化进程的加速，使得城市雨水问题日益严重。主要表现在，：( 1 ) 不透水地面的增加，导致雨水资源大量流失，水循环系统的平衡遭到破坏，城市 洪灾风险加大；( 2 ) 雨水径流污染日益严重。 然而，由于我国面临着及其严重的工业废水和生活污水的污染问题，长期以 来，政府的工作重点主要放在了点源污染的治理上，城市雨水径流引起的面源污 染问题一直未予足够的重视。而事实上，城市雨水径流面源污染已成为制约受纳 水体水质迸一步提高的主要因素，不深入研究城市雨水径流污染问题，不深入开 展城市雨水径流污染的控制和治理，水体污染问题就难以彻底解决。而城市雨水 径流污染具有其固有特征，要对其采取针对性的措施进行控制和治理，就必须了 解它的污染状况和雨水水质、水量的变化规律，据此目的，本文分别从流域次降 雨事件和流域长期降雨事件出发，以一长段时期内发生的降雨事件及其一场降雨 中的每个时间段为研究对象，对城市雨水径流污染的水质、水量变化过程和长期 内雨水径流污染负荷分布规律分别做了模拟，为城市雨水径流污染的控制和雨水 管理系统的建立提供科学依据，具有现实意义。 1 2 城市雨水径流污染及其特征 1 2 1 城市雨水径流污染的概念 城市雨水径流污染主要指在降雨过程中，雨水及所形成的径流流经城市地面 ( 如商业区、街道、停车场) 、建筑物( 如屋顶) 、绿化带等，冲刷、聚集了一系 列污染物，如有机物、油类、盐分、氮、 湖泊等受纳水体，污染地表水或地下水。 磷、有毒物质及杂物等，随之排入河流、 城市雨水径流污染是面源污染的一种， 城市雨水径流污染模拟的研究 美国环境保护局( u se p a ) 已将它列为导致全美国河流和湖泊污染的第三大污染 源。 1 2 2 城市雨水径流污染物的来源 城市雨水径流污染物主要来自三个方面：降水、土地表面和下水道系统。 降水：降水主要是指降雨和降雪对径流污染物的贡献，包括雨、雪冲淋大气 中的悬浮尘埃，降落到地面成为径流污染物。 土地表面：主要指积蓄在街道、阴沟和其它与排水系统直接相连接的不透水 面积上的污染物，其种类多种多样，如城市垃圾、动物粪便、城市建筑旖工场地 堆积物等固体废物碎屑；草坪施用的化肥、农药等化学药品；还有空气沉降物和 车辆排放物等。其含量与许多因素有关，这些因素如大气降尘、交通流量、土地 利用类型、人口密度、季节和风力等3 1 。 下水道系统：对于分流制雨水排水管来说，主要指管中沉积的污染物在雨天 被冲刷带入径流成为径流污染的一部分。 1 2 3 城市雨水径流污染的特征 城市雨水径流污染的特征如下： 1 污染物含量较高 城市径流污染物含量较高，尤其是初期雨水。赵剑强、车武等人t 4 , 5 1 分别调查 分析了路面径流和屋面径流，发现路面径流主要污染物平均浓度和典型生活污水 污染物浓度相当，屋面初期径流的污染也比较严重，主要污染物为c o d 和s s ； 北京地面径流化学污染指标与城市市政污水比较发现，除磷外，其它与城市污水 基本相近，而总悬浮物及c o d 则远大于城市污水f 6 】。 2 影响因素多 城市雨水径流污染物含量不但与降雨强度、降雨量、降雨历时等有关，而且 还与土地利用类型、不透水地面面积、城市化程度等有关。如国外文献1 ”对城市住 宅区、商业区径流污染研究结果，城市住宅区地面径流污染物平均浓度b o d 5 为 3 6m g l ，c o d 为4 0m g l ： 商业区地面径流b o d 5 为7 7 m g l ，c o d 为3 9 r a g 1 。影响城市地表径流污染物的因素不但很多，且许多为随机性因素，在地表污染 物的累积和冲刷两个环节中都有随机性因素起作用，这些因素使得对任意一场降 雨来说，随机性强、偶然性大，这给研究造成了很大的困难。 3 组分复杂 城市雨水径流污染物不但含量较高，而且由于来源多样，导致污染物组分复 杂。这些污染物大概可分为以下几大类：悬浮固体( s s ) 、好氧物质、重金属、富 营养物质、细菌和病毒、油脂类物质、酸类物质、有毒有机物( 除草剂等) 和腐 殖质。 4 排放规雄 由于城市径流污染只在雨天产生，故其排放具有间歇性、突然性、随机性， 且瞬时排放量较大。同时，径流污染物浓度变化较大，初期污染物浓度较高，末 期较为干净。这为城市径流污染物的生物处理造成了很大困难。 1 3 城市雨水径流污染的研究现状及存在的问题 1 3 1 国外研究现状 二十世纪六十年代，非点源污染开始受到重视，但早期的城市雨水径流污染研 究只局限于对现象的因果分析，定量化分析则很少。七八十年代，许多学者对雨 水径流污染特征、影响因素、物理过程进行了初步研究，如1 9 7 4 年，s a r t o r 等人 研究了污染物在不透水地表的累积速率和冲刷过程，提出污染物去除属于简单的 一级动力学反应j 。1 9 7 8 年，r i m e ra e 等人通过对城市不同下垫面径流污染负 荷的调查，分析了其污染特征和影响因素 9 1 ，并开始利用数学模型定量化评估雨水 径流污染的潜在危害，如城市暴雨管理模型( s w m m ) 等被广泛应用于雨水污染 负荷的定量计算。在这之后，人们对城市雨水径流污染控制方法展开了大量的 研究，并提出了一系列的源、汇和末端控制方法- j 4 1 。美国国家环保局( e p a ) 将多种工程、非工程措施结合起来，提出了最佳管理措施( b e s tm a n a g e m e n t p r a c t i c e ) ，用以削减径流污染物进入水体。九十年代后，随着测量技术的发展，人 们更深入广泛的研究了城市雨水径流污染，对其各种污染物指标及其变化【b 】，颗 粒传输特征1 1 6 1 和初冲效应( f i r s tf l u s he f f e c t ) 规律f 1 7 1 有了新的认识。 1 3 2 国内研究现状及存在的问题 国内对于非点源污染的研究，主要是针对农村耕作区水土流失等方面的非点 源污染问题，对城市雨水径流污染的研究起步比较晚，从八十年代北京城市径流 污染研究开始，其后，分别在上海、南京、苏州、成都、杭州等市开展了这方面 的工作。最初，我国的城市径流污染的研究仅局限于其宏观特征和污染负荷定量 计算模型。九十年代以后，我国城市径流污染研究开始活跃，建立了许多计算径 流污染负荷的模型，有通过实测资料或统计分析方法建立的基于污染负荷与径流 量之间的线性和非线性关系的黑箱模型【1 8 。0 1 ，有基于负荷发生的运动机理的概念 模型【2 1 1 ，有基于水力学基础的运动波模型【2 2 1 等。 虽然我国在城市雨水径流污染研究方面已经取得了大量有价值的研究成果， 但还存在着如下问题： 殖质。 4 ，排放规律 由于城市径流污染只在雨天产生，故其排放具有间歇性、突然性、随机性， 且瞬时排放量较大。同时，径流污染物浓度变化较大，初期污染物浓度较高，莱 期较为干净。这为城市径流污染物的生物处理造成了很大困难。 1 3 城市雨水径流污染的研究现状及存在的问题 1 。3 1 国外研究现状 二十世纪六十年代，非点源污染开始受到重视，但早期的城市雨水径流污染研 究只局限于对现蒙的因果分析，定量化分桥霹：f ! 程少。七八十年代，许多学者对雨 水径流污染特征、影响因素、物理过程进行了初步研究，如1 9 7 4 年，s a r t o r 等人 研究了污染物在不透永地表的累积速童和冲刷过程，提出污染物去豫属于简单的 级动力学反应【“。1 9 7 8 年，r i m e ra e 等人通过对城市不同下垫面径流污染负 荷的调查，分析了其污染特征和影响因素”l ，并开始刹甩数学模型定量化评估雨水 径流污染的潜在危害，如城市暴雨管理模型( s w m m ) 等被广泛应用于雨水污染 负荷的定量计算1 1 “。在这之后，人们对城市雨水径流污染控制方法展开了太量的 研究，并提出了一系列的源、汇和末端控制方法1 1 1 - 1 4 。美国国家环保局( e p a ) 将多种工程、非工程措施结台起来，提出了最佳管理措施( b e s tm a n a g e m e n t p r a c t i c e ) ，用以削减径流污染物进入水体。九十年代后，随着测量技术的发展，人 们更深入广泛的研究了城市雨水径流污染，对其各种污染物指标致其变化u ”颡 粒传输特征【i ”和初冲效应( f i r s t f l u s h e f f e c t ) 规律】有了新的认识。 1 32 国内研究现状及存在的问题 国内对于非点源污染的研究，主要是针对农村耕作区水流失等方面的菲点 源污染问题，对城市雨水径流污染的研究起步 匕较晚，从八十年代北京城市径流 污染研究开始，其后。分别在上海、南京、苏州、成都、杭州等市开睦了这方面 的工作。最初，我国的城市径流污染的研究仅局限于其宏观特征和污染负荷定量 汁算模型，九十年代以后，我国城市径流污染研究开始活跃，建立了许多计算径 流污染负荷的模型，有通过实测资料或统计分析方法建立的基于污染负荷与径流 量之间的线性和非线性关系的黑籀模型i 8 - 1 0 1 ，有基于负荷发生的运动机理前概念 模型2 ”，有基于水力学基础的运动波模型“1 等。 虽然我国在城市砸水径流污染研究方面已经取得了大量有债值薜研究或累， 但还存在着如下问题： 但还存在着如下问题： 殖质。 4 排放规雄 由于城市径流污染只在雨天产生，故其排放具有间歇性、突然性、随机性， 且瞬时排放量较大。同时，径流污染物浓度变化较大，初期污染物浓度较高，末 期较为干净。这为城市径流污染物的生物处理造成了很大困难。 1 3 城市雨水径流污染的研究现状及存在的问题 1 3 1 国外研究现状 二十世纪六十年代，非点源污染开始受到重视，但早期的城市雨水径流污染研 究只局限于对现象的因果分析，定量化分析则很少。七八十年代，许多学者对雨 水径流污染特征、影响因素、物理过程进行了初步研究，如1 9 7 4 年，s a r t o r 等人 研究了污染物在不透水地表的累积速率和冲刷过程，提出污染物去除属于简单的 一级动力学反应j 。1 9 7 8 年，r i m e ra e 等人通过对城市不同下垫面径流污染负 荷的调查，分析了其污染特征和影响因素 9 1 ，并开始利用数学模型定量化评估雨水 径流污染的潜在危害，如城市暴雨管理模型( s w m m ) 等被广泛应用于雨水污染 负荷的定量计算。在这之后，人们对城市雨水径流污染控制方法展开了大量的 研究，并提出了一系列的源、汇和末端控制方法- j 4 1 。美国国家环保局( e p a ) 将多种工程、非工程措施结合起来，提出了最佳管理措施( b e s tm a n a g e m e n t p r a c t i c e ) ，用以削减径流污染物进入水体。九十年代后，随着测量技术的发展，人 们更深入广泛的研究了城市雨水径流污染，对其各种污染物指标及其变化【b 】，颗 粒传输特征1 1 6 1 和初冲效应( f i r s tf l u s he f f e c t ) 规律f 1 7 1 有了新的认识。 1 3 2 国内研究现状及存在的问题 国内对于非点源污染的研究，主要是针对农村耕作区水土流失等方面的非点 源污染问题，对城市雨水径流污染的研究起步比较晚，从八十年代北京城市径流 污染研究开始，其后，分别在上海、南京、苏州、成都、杭州等市开展了这方面 的工作。最初，我国的城市径流污染的研究仅局限于其宏观特征和污染负荷定量 计算模型。九十年代以后，我国城市径流污染研究开始活跃，建立了许多计算径 流污染负荷的模型，有通过实测资料或统计分析方法建立的基于污染负荷与径流 量之间的线性和非线性关系的黑箱模型【1 8 。0 1 ，有基于负荷发生的运动机理的概念 模型【2 1 1 ，有基于水力学基础的运动波模型【2 2 1 等。 虽然我国在城市雨水径流污染研究方面已经取得了大量有价值的研究成果， 但还存在着如下问题： 城市雨水径流污染模拟的研究 ( 1 ) 对城市雨水系统的研究偏重于雨水水量的计算和雨水管道设计的水力学 问题，忽视了雨水径流污染问题，对雨水径流污染的研究比较薄弱。 ( 2 ) 模拟一次降雨过程中城市雨水径流水质水量变化规律的物理模型虽已建 立 2 3 , 2 4 】，但还处在研究、试验阶段，应用于实践的很少。且对雨水降落地面通过 管道排入受纳水体的整个过程缺乏系统模拟 2 5 - 2 7 j 。 ( 3 ) 由于水污染治理的落后，我国对于城市雨水径流面源污染还不够重视， 基础调查工作只在少部分城市展开，还缺乏全国性的系统普查分析【2 引，缺乏建立 适应性好、精确度高的模型的基础量化资料。 ( 4 ) 虽然建立了许多有关雨水径流污染负荷的模型，但对污染负荷还只停留 在静态的计算上，忽视了影响城市雨水径流污染负荷的随机因素，缺少对雨水径 流污染负荷分布规律的动态模拟。 1 4 城市雨水径流污染模拟的内容与意义 1 4 1 城市雨水径流污染模拟的内容 针对目前城市雨水径流污染研究中的不足之处，本文拟在以下几个方面进行 研究工作。 ( 1 ) 通过对地面产流、地面汇流、管内汇流的过程的描述系统模拟了一场降 雨事件中雨水管网排出口的水量的变化规律； ( 2 ) 针对一场降雨，通过对污染物冲刷、污染物在地面和管道的迁移传输等 物理过程的描述，来动态模拟一次降雨事件中雨水管网排出口污染物浓度的变化 规律，并对初冲效应现象进行了描述； ( 3 ) 针对一个流域，本文以产污的物理过程为基础，考虑了引起径流污染的 随机因素，融入了概率理论，建立城市雨水径流污染负荷的概率模型，用来模拟 其对受纳水体污染长期的概率分布规律。 1 4 2 城市雨水径流污染模拟的意义 在国外，非点源污染问题己成为主要的水环境问题，由于雨水径流能将城镇 地面上及广大农业耕作区的有毒有害污染物带入水体，而且种类多、数量大，成 为水体污染的主要发生源，据美国在1 9 9 0 年做的水体污染的调查表明，约3 0 的 水体超标是由面源污染造成的【2 9 l 。而且，面源污染所占比重也随着点源污染的有 效控制而不断加大。在国内，近年来在水体污染治理的实践中，也己深刻体会到 了面源污染的危害。尤其是在对滇池、太湖和淮河流域污染等重大河流湖泊污染 治理中，都发现面源污染在其中起着重要的作用，如对滇池富营养化问题的研究 硕士学位论文 结果表明，工业废水、城市污水及面源污染分担率分别为9 、2 4 和6 7 o o l 。而 在面源污染中，城市雨水径流污染是仅次于农业面源污染的第二大面源污染源1 2 j ， 可见其危害是相当严重。 城市雨水径流污染的模拟是对其进行控制和治理的前提和依据，也是城市雨 水管理的有效手段，对城市雨水利用具有指导作用。因此，对雨水径流污染模拟 的研究有其重要意义，主要表现在： ( 1 ) 城市雨水径流污染控制设施是解决径流污染问题的关键，随着技术的进 步，涌现了一批新的径流污染控制设施，如人工湿地【3 1 。3 3 1 、滞留池 3 4 , 3 5 l 、初期雨 水弃流装置1 3 6 j 等。这些新技术的出现为城市雨水径流污染控制提供了保证。但这 些设旌能否发挥其应有的效果关键在于正确的选用和合理的设计，因此，这就需 要掌握该流域的雨水径流水质水量排放规律及其径流污染状况，为雨水径流污染 控制设施的设计和工艺的选定提供理论指导，从而确定适当的设计参数，以达到 其最佳的处理效果； ( 2 ) 由于城市雨水径流污染在不同区域、不同季节有着不同的水质、水量特 性，且其发生有着很强的随机性，因此，对雨水径流污染进行控制的技术与措施 就必须多种多样以适应雨水径流污染的复杂性。这就决定了城市雨水径流污染的 控制与治理必是一项涉及多学科、复杂的系统工程，其目标是减轻城市雨水径流 质和量引起的不良后果。解决好城市雨水径流污染问题的关键是能否针对具体情 况解决好源头治理、汇的治理、末端治理和生态环境建设之间的关系；能否根据 不同流域的水质、水量特点优化选用各种处理措施；能否根据雨水径流污染发生 规律对处理措施进行合理组合和搭配，以达到最佳处理效果；能否兼顾环境效益 和经济利益，合理规划处理方案。这就需要对流域的雨水径流水质水量排放规律 和长期的污染负荷平均值和分布规律进行模拟和预测，为城市雨水径流污染控制 规划提供依据，标本兼治，以达环境效益和经济效益的和谐统一： ( 3 ) 许多城市面临着严重的缺水问题，然而，城市发展中不透水面积的增加， 导致雨水大量流失。雨水作为一种宝贵的资源，在城市水循环系统和流域水环境 系统中起着十分重要的作用，因此，作为城市子流域的小区，将小区内雨水径流 “排放”变为“生态循环”和“资源化”不但是解决城市缺水问题的措施之一， 而且是解决城市雨水径流面源污染问题的一个有效手段。目前，绿色小区正逐渐 得到实践和推广【3 7 , 3 8 1 ，为有效的控制小区雨水径流污染，合理的利用小区内雨水 资源，解决城市雨水面源污染问题，就必须对小区内雨水径流的水质特性进行检 测分析，对径流水质、水量变化规律进行模拟预测。并在此基础上，合理的制定 小区雨水径流污染处理工艺，因地制宜的将雨水资源化，以促进城市水资源可持 续发展。 ( 4 ) 通过对雨水径流污染负荷分布规律的模拟，为受纳水体污染控制和水质 城市雨水释流污染模拟的研究 动态模拟提供了基础条件。对城市雨水径流污染负荷平均值的计算，也有利于分 析和评价流域对受纳水体的面源污染贡献程度，为受纳水体的水质管理提供了量 化数据。 中国是一个城市化快速发展的国家。雨水径流污染问题是城市水环境和水资 源的主要制约因素。为了实现建立生态城市的目标，必须对城市雨水径流污染进 行模拟与预测，并在此基础上，正确选用处理工艺，合理规划控制方案，促进城 市水环境的可持续发展。 第2 章一次降雨事件中雨水水质水量动态模拟 对一次降雨事件中城市雨水径流水质水量的动态模拟不但有助于径流污染处 理设施的选用和设计，而且有利于合理规划控制方案，优化处理工艺的组合，提 高治理效果。同时，雨水水质水量的动态模拟也为雨水径流利用工程的设计提供 量化数据。 对一次降雨事件中水质水量的动态模拟主要包括雨水水量模型和水质模型， 水量模型是整个动态模型的前提条件，水质模型则是整个模型的关键部分。 2 1 雨水水量模型 城市雨水径流水量的计算原理和一般流域雨水径流的计算没有多大区别。模 拟城市降雨径流过程的数学方法主要有两种，即集总式水文模型和分布式水动力 模型。 集总式水文学模型的结构常由较简单的经验关系组成，属黑箱或灰箱模型。 这种模型的参数虽有物理意义，但不一定是可观测的物理量。如我国工程界常用 的推理公式法，这种方法使用简单，所需资料不多，得到广泛应用。其他的水文 学方法也得到广泛的应用，如周玉文等f 3 9 3 在计算雨水管网入流量时，应用水文学 方法对雨水口流域采用了瞬时单位线法推求，经与实测初始雨水口流量过程线比 较，结果较为接近；时段单位线法计算汇流在工程中也应用的较普遍，效果也较 好【j j 。但水文学方法不考虑系统的调蓄作用和流量随时间的变化，忽略了水流深 度和流量的关系及流域表面阻力的影响，这使得集总式水文学模型在精度上受到 了较大的影响。 分布式水动力模型是建立在微观物理定律的基础上，它可模拟坡面及管道水 流，若将精确的初始条件和边界条件作为模型的输入，按照一定的算法，可以得 到模型的输出。近年来，随着城市径流污染等问题日益突出，流量过程的模拟计 算显得越来越重要，而且计算技术的突飞猛进，使复杂的水力学模拟成为可能， 而且水力学模型精度高、适用范围广，因此得到大力应用。如岑国平采用圣维南 方程的扩散波简化形式建立了城市雨水径流计算模型【4 0 1 ，周玉文采用运动波方法 模拟雨水管网汇流【4 ，聂亚琴采用运动波方法模拟雨水地面径流 4 2 1 等。 城市雨水径流根据水流运动的顺序和相互作用可分为三部分：地表产流、地 表汇流和雨水管道汇流。 城市雨水径流污染模拟的研究 2 1 1 地表产流模型 降雨开始时，雨水达到地面后，并没有立即形成径流。在地面径流形成的最 初阶段，即初雨径流形成阶段需要克服初始损失，产生余水。城市流域的产流过 程也就是雨水扣损过程，当降雨量满足截留和填洼且雨强超过下渗强度时，地面 才开始积水，并形成地表径流。造成径流损失的因素一般可分为： 1 截留 截留是指停留在植物的叶、枝和其他地面覆盖物上的降雨量，它消耗于蒸发。 超过截留能力的降雨量才能到达地面，截留可能是造成径流滞后现象的原因之一。 而且，一般认为截留的水量全部集中在降雨的最初部分 2 地面填洼 填沣是指停蓄在小块洼地中的消耗于蒸发和下渗不能形成地表径流的水量。 最大可能蓄水量取决于地表性质，光滑的平地在产生径流前仅能蓄少量的水，而 租糙地面则能蓄数毫米水。 3 地面渗透 渗透是指降落在渗水地表的雨水，由于地面空隙的存在，渗入地面而引起的 损失。其渗水速度受表面透水能力和土壤空隙率控制。初始渗水速率取决于土壤 含水量。由于空隙逐渐被充满，地下水位逐渐上升，在降雨过程中渗水速率将随 时间而减少。渗水速率的衰减可由霍顿( h o r t o n ) 下渗公式3 】表示： f = 五+ ( l 一五) p “ ( 2 。1 ) 式中：厂一f 时刻渗水速率( m m h r ) ； k 一衰减系数( 1 h r ) ； f 一下渗历时( h r ) ； z 一初始渗水能力( m m h r ) 一平衡渗水能力( m m h r ) 。 4 蒸发 蒸发包括水的汽化和从径流表面或水坑表面的损失。蒸发主要取决于暴露表 面的面积与状况，也与温度、阳光辐射、风和大气压力有关。表面的蒸发速度还 取决于地表的形式和性质，如铺砌地表、多孔渗水地表或植被地表等。虽然蒸发 率与降雨强度相比很小，但是蒸发过程连续发生，所以损失还是相当可观。 从降雨中扣除损失后就可以求得净雨过程线。实际上，降雨损失是一个很复 杂的过程，其影响因素也是多而杂。虽然地面产流过程中，径流损失值是一个随 硕士学位论文 时间推移而逐渐减小的值，但要全面、完整的用公式来定量计算是非常困难的。 为了在地面径流模拟过程中能够体现径流损失情况，本文忽略了其时间变化的因 素，将损失值简单划分为初始损失值和降雨过程中均匀损失值两部分 4 3 1 ： 1 初始损失值( t ) 设初始损失值为t ，则开始产生径流的时间为： = 阜 ( 2 2 ) l 式中：一开始产生径流的时间( m i n ) ： f 一初始损失值( m m ) ； j 一实际降雨强度( m m m i n ) 。 2 均匀损失值( z ，) 设均匀损失值为z ，则净雨强度为： = i - ，( 2 3 ) 式中：t 一净降雨强度( m m ) ； z ，一均匀损失值( m m m i n ) 。 2 1 2 地表汇流模型 雨水的地表汇流过程属于坡面流。坡面流水深一般很小，受降雨影响显著， 流动边界条件复杂，因此与传统的明渠水流相比，具有许多特有的水力特性。坡 面流是非均匀、非恒定的沿程变量流，其水力要素如流速、流量、过水断面、水 位或水深都是时间f 和位置x 的函数。 坡面流复杂的动力特性使得用普通水力学对其计算变得相当困难。这就需要 采用一定的简化处理方法对坡面流进行定量描述和模拟。 2 1 2 ，1 圣维南方程组 1 连续性方程 由于各集水口集水区域都不很大，可以假定地面径流过程是一维流向的地面 水流过程，沿水流方向的水深是渐变的，取单宽水流的剖面如图2 1 所示： 城市雨水径流污染模拟的研究 譬 甏出 图2 1 地面雨水径流单元水流剖面图 在单宽水流中任取一微分段出。在流段内，设初瞬时t 时水面线为口一日，经 过d t 以后末瞬时水面为b - - b 。设时刻上游断面流量为q ，过水断面为a ；下游 断面的流量和断面面积分别为q + 罢出和爿+ 罢出。则时刻上游断面流量和断 面面积分别为q + 挈出和4 + o a d t ；下游断面流量和断面面积分别为 o to t q+掣出+呈(q+aq&ax)atoxo t。+ 筹办+ 昙o t + 掣o x 斑渺。出 液体视为不可压缩、无空隙，根据质量守恒定律，在出时段内，经入流断面 流入和经出流断面流出的水量差应等于水体体积的增量。则： 丢( q + q + 罢出) 函一知( q + 笔由) + q + 罢出+ 昙( q + 罢出) 出协 z戗2硪 钗礤龠 = 丢k 爿+ 等衲+ 一+ 罢凼+ 鲁c 一+ 罢出，西协一三c 爿+ 4 + 尝出 ( 2 4 ) 化简后得： 一丝d x d t 一1 塑d v d t ：丝蛐+ ! 塑d t d x ： o x 2 融o to t2o x o t 、7 同时除以d x d t ，并忽略高阶微量后，有： 罢+ 罢；o ) a缸 、7 当有侧流流入时，则： 祟+ 罢叫 ( 2 7 ) 2 能量方程 单宽水流为非恒定流时，仍然遵循能量守恒原理，在渐变段中任取一微分流 段出，如图2 2 所示，设入流断面初瞬时水位为z ，断面平均流速为u ，相应时刻 出流断面水位：+ o ，z d x ，断面平均流速u + 竺出；末瞬时入流断面水位z + 罢盛， 蹦dr讲 断面平均流速u + 娑魂，出流断面水位z + o z a k + 昙( z - i - 妻鳓出，出流断面平均流 o t o x o t嬲 速u + o 。”d x + 昙+ 罢出) 出。上下游断面能量差转化为两部分：其一为摩擦阻力 嬲优珊 做功哪= 墨出；另一部分由水流加速度力做功黜= 川吮，即吮= 吉罢出，则 x , j - 微分段建立能量方程式： f 也龇。 三三三三三二二二二二二一j j 矽劢7 7 7 渤 卜亟、j l 图2 2 地面雨水径流单元水流剖面图 吉c z + z + 妄奶+ 了p a + j | t _ 瓦a m 2 + 等+ 昙c 等川 土z + 鱼出+ z + 堡出+ 旦“+ 鱼出) a t + 丝 2 苏融西、缸7 毛案+ 丢c 等出+ 等+ 去c 等胁l 扰t a 绍0 2 + 瓦0c 犁a 0 2 雄，+ 哪+ 矾 ( 2 8 ) 整理上式得： 鱼出+ 三丝黝+ 旦拦) 出+ 三旦( 生) 蝴+ s ，d x + 土丝出：o o x2 0 x o t o x 、2 9 。 2o x o t 、2 9 go t 略去二阶微量，同除以出，有： 以0 = q a 代入上式有： 瓦o z + 瓦0 瓦a 0 2 ) + i 1 百0 0 + _ = 。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 城市雨水径流污染模拟的研究 妾+ 兰里旦( 垒1 + 一百j + s ：o ( 2 缸 c 3 v - 一a 1 钟3 、q 彳, 。 、t1)gag 由于z = 乙+ 矗，所以 昙：晏十娑 ( 2 1 _ 2 ) 出c o x 考虑到孕= 为管道底坡，则： 罢+ 旦g 垒a 旦g x ( 马a + 三g 旦a t 罄a ) + 邑一疋= 。 ( 2 1 3 ) 瓠 、7 、7 。 “ 、 式中：爿一过水断面面积( m 2 ) ： q 一流量( m 3 i s ) ； f 一时间( s ) ： x 一沿水流方向的长度( m ) ； g 一重力加速度； h 一水深( m ) ； 疋一地面坡度； s ，一阻力坡度； q 一旁侧流量( m 3 i s ) 。 联立连续方程( 2 7 ) 和能量方程( 2 1 3 ) 即为著名的圣维南方程组( s a i n t v c n a n t e q u a t i o n ) 。 2 1 2 2 运动波方程 圣维南方程组在给定初始条件和边界条件的情况下，可以求出水深、流速或 流量值。不过，由于计算费时和方程组要求的条件很难准确给出，所以在实际工 作中不可能对每块单元面积直接用方程组联合求解城市地表径流过程。通常可对 方程组作些简化，运动波方程便是圣维南方程组的一种简化形式，它的建立基于 如下假设： ( 1 ) 水流为一维，即一个方向流动，因此，垂直于水流方向的加速度可以忽 略： ( 2 ) 任一水深的水压均为静水压力； ( 3 ) 任一过水断面的水深均为常数，即渠道是矩形的； ( 4 ) 侧向入流传给水流的动量可以忽略不计； 硕士学位论文 ( 5 ) 流体为不可压缩的； ( 6 ) 均匀流阻力方程可以用于非均匀流和渐变流； ( 7 ) 渠底坡度很小，因此0 = t g o = s i n o = s o ( 8 ) 任一过水断面上流速均为常数。 根据这些假设条件，圣维南方程组中的能量方程可忽略惯性、当地加速度和 下游回水的影响这三项，即可得运动波方程。在城市雨水径流水量模型中，由于 各集水口的集水流域都不很大，故可假定地面径流为一维流向的地面水流【4 2 】，则 由运动波方程，单位宽度水流连续性方程为： 害+ 祟：t ( 2 1 4 ) 西蕊 。、 能量方程为： 疋一s ，= o ( 2 1 5 ) 式中：g 一雨水径流单宽流量( m 3 i s ) ； y 一径流水深( m ) ； x 一径流方向上的长度( 1 1 1 ) ； f 一时间( t ) ： t 一净雨强度( m m h r ) ； 最一地面坡度； s ，一阻力坡度。 则由式( 2 1 5 ) 可得： s o = 只= s ( 2 1 6 ) 对于非恒定流的阻力坡度s ，的求定方法，目前还没有理论研究结果，一般均 采用恒定均匀流阻力坡度公式近似计算。目前国际上通用的公式有曼宁公式 ( m a n n i n g sf o r m u l a ) 和达西一魏兹巴赫公式( d a r c y w e i s b a c hf o r m u l a ) 。我国排水设 计规范f “】建议使用曼宁公式，因此在计算非恒定流时，也推荐采用曼宁公式。 根据曼宁公式： u ：kz r 2 ，3 s 1 ”( 2 1 7 ) 式中：行一曼宁粗糙系数； r 一水力半径； 城市雨水径流污染模拟的研究 邑一换算系数( 国际单位：瓦= 1 ；英制：瓦= 1 4 8 6 ) 。 对于单宽水流，有r = y ，a = y ，则： g ；。u ：疋三y s l 3 s ” ( 2 1 8 ) 将式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 4 ) 得： 罢+ 寿s 等= 泣 国。丘0 6 o3 西 一 式( 2 1 9 ) 可通过数值解法( 如隐式差分s o g r e