（环境科学专业论文）基于swmm的棕榈泉小区非点源污染负荷研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t t h i ss t u d yf o c u s e s0 1 3 n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nl o a do 限s p l ) i nt h eu r b a n r e s i d e n t i a la r e a ；i tr e v i e w e dt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e so nt h ec a l c u l a t i o n o f n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nl o a d , m a k e sc o m p a r i s o nb e t w e e nt h em o s tw i d e l yu s e d n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nl o a dc a l c u l a t i o nm o d e l sa n da n a l y s e st h ed e c ps i m d a t i n g m e c h a n i s mo fs w m mm o d e l g e n e r a l i z a b i l i t yo ft h er e s e a r c h e da l t ! - e ai sm a d eo l lt h e b a s i so fo n - t h e - s p o t 懿p l o r a t i o no ft h er e s e a r c h e da r e a , t h ei a m - s p r i n gc o m m u n i t y 口s c ) ，a n di n v e s t i g a t i o no ft h en p s p la c c u m u l a t i o nc h a r a c t e r , a n de o m i d e r a t i o no fi t s t c r r a i , d | = a j n a g ed i v i s i o n a n dc a t e l a m e n t c h a r a c t e r a c c o r d i n g t or a i n f a l l - r u n o f f o b s e r v a t i o nd a t aa n de m p i r i c a lc o e f f i c i e n to ft h er e s e a r c h e da r e a , an p s p lc a l c u l a t i o n m o d e li sb u i l t , b a s i n g0 1 1t h e $ w m mm o d e , a n dt h e ni ti sa p p l i e dt ot h eq u a n t i t a t i v e r e s e a r c ho f n p s p li nt h ep a l ms p r i n gc o m m u n i t y t h i ss t u d ya p p l i e ss w m mt ot h en p s p ll 皓s e a r e l ao f t h ep a l ms p r i n gc o m m u n i t y ； t h em a i nr c s e a r e l a e s 黜a sf o l l o w s ： a n a l y s i sa n dr e s e a r e l ao ft h ea p p l i c a t i o no ft h eu r b a ns t o r mw a t e rm o d e l ( s w m m ) t 0t h ec a l c u l a t i o no fn p s p l r e s e a r c ha n da n a l y s et h er u n - o f fs i m u l a t i o n c o e f f i c i e n ta n dt h em e c h a n i s m & m o d e lc o e f f i c i e n to ft h ep o l l u t a n ta c c u m u l a t i o n & r u n - o f f e r o s i o ns i m u l a t i n gs y s t e ma n dc h a n n e li r a n s p o r t a t i o ns i m u l a t i n gs y s t e m , d i s c u s s t h ef e a s i b i l i t yo f t h ea p p l i c a t i o no f s w m mt or e g i o n a ln p s p ls i m u l a t i o n b u i l dc a l c u l a t i o nm o d e lf o rt h ep a l ms p r i gc o m m u n i t y ( c m p s c ) o nt h e b a s i so fs w m m a c c o r d i n go b s e r v a t i o nd a t ao ft h er e s e a r c h e da 嗽a n dr e f e r r i n gt o s i m u l a t i n gc o e f f i c i e n to fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm o d e la n dg e n e r a l i z a b i l i t yo ft h e r e s e a r c h e da r e a , b u i l dac a l e u l a t i o nm o d e lf o rt h ea 玎甍l a p p l y i n gc m p s c t ot h en p s p lc a l c u l a t i o ni nd i f f e r e n td e s i g n e dc o n d i t i o n s n 伦s t u d ys i m u l a t e dt h ep r o d u c i n gp r o c e d u r eo fn o n - p o i n ts 0 1 1 l c ep o l l u t a n ti nv a r i e d r a i nf a l li n t e n s i t ya n dv a r i e dr a i n f a l lt y p ei na s i n g l er a i n f a l l ，c a l c u l a t e dt h en p s p la n d i t sc h a n g ei nas i n g l er a i n f a l l n l es i m u l a t i o nr e s u l ta n dt h eo b s e r v a t i o nr e s u l to fa t y p i c a lr a i n f a l lp r o v et h es i m u l a t i o nr e s u l tf r o mt h em o d e l i sr e a s o n a b l e , a n dt h em o d e l c a nw e l ls i m u l a t et h e1 0 a do f n p s p li nt h er e s e a r c h e dc o m m u n i t y k e yw o r d s ：n o n - p o i n ts o u r c ef r , a , s ) ，s w m mm o d e l ，r a i n f a l lr u n o f f , p o l l u t i o nl o a d i i 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：撼事亏 签字日期：一。7 年月z g 日 c 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞盔堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽塞堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( - 4 ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：易杰新 导师签名：丑降 签字日期：唧年细吕日签字日期：龇7 年午月怕日 l 绪论 l 绪论 1 1 城市住宅区非点源污染研究的意义 随着我国人民居住水平的提高，亲水型住宅区的开发日益受到青睐，许多含 景观水体( 天然或人工的湖塘、水库、溪流) 的地块正在成为房地产开发的热点。然 而，城市化开发不仅改变了这些水体原有的自然景观，而且还影响了景观中的物 质循环和能量分配，它对整个湖水汇水区内气候、土壤、水量和水质的影响都是 极其深刻的，极大地改变了湖水汇水区内的地表和地下的水文特征以及水流的方 向和速率。随着城市化开发的进程，很多由于房地产开发所引起景观水体的水质、 水量问题日益凸现，有的甚至成了房产升值与销售的制约因素，因此，如何在城 市化开发建设中实施有效的工程措施，进行景观水体的污染防止和生态保护，维 持和促进景观湖水原有的生态景观功能，具有重要的现实意义。 从系统工程水循环的角度出发，景观湖水生态保护工程的研究对象涵盖了整 个湖水的汇水区。住宅区的开发对景观水体影响的主要表现在汇水区和污染源的 变化方面。一般来讲，被用作住宅区开发的景观水体地块通常是市郊的林地或农 用地块，开发前，水体的污染源主要包括农业点源污染( 农村居民生活污水及畜牧 养殖污水等) 和农业径流造成的非点源污染然而，一旦成为住宅开发用地后，污 染源就发生根本改变。首先，农业点源不复存在，新开发的小区通常都具有完善 的污水排水管网，将小区生活污水送入市政管网排除，此时由雨水径流形成的非 点源污染将成为威胁景观水体水质的首要污染来源因此对汇水区域内非点源污 染物的控制成为景观水体水质保持的关键。这里的非点源污染主要指在降雨过程 中，雨水形成的地表径流流经开发后的汇水区地面，如小区路面、商业区、街道、 停车场等，聚集了一系列的污染物汇入湖中，造成湖水的污染。 虽然这些景观水体汇水区在未开发前就存在非点源污染，但开发后，非点源 污染物在数量、浓度上的变化却相当惊人。由于缺少地表径流的缓冲区和自然过 滤、截流作用，城市化后的暴雨径流中含有高浓度的污染物质。s a r t 【 一l 】等的研究 指出，城市化后的暴雨径流中的固体悬浮物、营养物质、重金属等污染物的负荷 和浓度要远远高于未利用地和农村径流中的污染物负荷和浓度。s o n z o g i n 【2 】等的研 究也表明，城市用地的地表径流总固体悬浮物、总氮、总磷的浓度是林地和未利 用地中相应污染物浓度的l o 1 0 0 倍。可见开发后，住宅区景观水体水质面临着严 重的城市化非点源污染物的威胁。 住宅区景观水体的非点源污染是城市非点源污染的一种，污染物随地表径流 产生的非点源污染的迁移和转化是相当复杂的，为了有效地防止和控制住宅区景 重庆大学硕士学位论文 观湖水地非点源污染，必须对这个过程进行分析研究，并估算径流冲刷地表产生 的污染负荷。非点源污染负荷的计算可以非点源管理和治理提供依据和参考，也 是治理和改善住宅区景观湖水诸多举措的重要环节之一 1 2 城市非点源污染研究方法与研究进展 1 2 1 非点源污染探研究方法 非点源污染负荷定量化研究，涉及水文、地理、气象、水土保持和市政等诸 多学科，可从不同角度进行研究分析，目前采用较多的方法有： 典型区域的试验小区监测方法 城市非点源污染研究，为了弄清不同城市功能区污染物累积规律、污染含量 特征及非点源污染的发生机理，一般将城市区域划分为工业区、居民区、商业区、 交通繁华区等几种主要土地利用类型区，在各类型区域内选择一块能代表研究区 域内各类特征的封闭或半封闭的小试验区，布点采集街道累积物，并同步监测降 雨、地表径流及雨水管网排水口的水质、水量，通过分析研究非点源污染的性质， 掌握污染的形成规律，确定污染物的单位负荷量，利用单位负荷量乘积区域面积 来估算非点源污染产生的负荷量 1 3 , 1 4 , 1 5 l 。然后，根据具体的研究目的，采用城市模 型或在此基础上加以修正，模拟和估算出非点源污染负荷。 受纳水体的水质变化 各种污染物最终由地表径流携带迸入河流、湖泊、海洋等天然水体，因而受 纳水体水质的变化必能反映出非点源污染的影响。在水质规划中采用受纳水体水 质的变化来反映非点源污染对水体的影响【3 ，6 阍，但该方法的确定是只能得出某种 地表条件组合下径流污染的综合效果，无法解释非点原污染产生的机理。 遥感、人工降雨模拟 由于非点源污染研究发展的需要，遥感技术、人工模拟试验技术被引进非点 源污染研究领域。遥感技术以其视野广，分辨率高，多时相、多波段等优势，为 非点源污染研究提供了准确、可靠而丰富的背景资源，提高了研究工作的效率和 精度；人工模拟试验，可以在人工控制情况下模拟各种自然条件下的非点源污染 负荷产出规律【1 4 , 1 5 l 。这一方法简化了自然界的变化，突出了主要因素的影响，易 于定量化。其优点可以获取野外工作中无法得到的数据，可有效地解决传统方法 的受自然条件严格约束、研究周期长，耗资高等不足，为研究非点源污染负荷的 发生、发展规律提供了简便、有效的途径。但该方法不能直接用于实际污染物负 荷量的计算，多被用于模拟研究暴雨径流过程中污染物的流失过程。 运用数学型模型 建立数学模型，进行时空序列上的模拟，是非点源污染定量化研究、影响评 2 1 绪论 价研究和污染治理时最有效和直接的方法，国际上关于非点源污染特征、负荷研 究研究途径大体分为两种：直接模型和黑箱模型。直接模型对输入输出以及中间 过程直接解剖和模拟，进行实地调查，收集研究地区的有关资料，建立模型并确 定其参数，应用于研究地区非点源污染负荷计算。黑箱模型则不考虑污染区在区 域地表的实际迁移过程，只以区域污染物的输出为依据，该法需要对径流过程的 水质和水量进行同步监测，以大量样本反映污染物输入特征【阚。 非点源污染模型系统一般由以下4 个子模型构成，即：降雨径流模型，流域 寝室和泥沙输移模型、污染物转化模型、受纳水体水质模型一般地将这些模型 归并为两大类：一类为非点源污染负荷模型；一类为水体响应模型【切 其中，非点源污染负荷模型根据降雨径流和地表下垫面的污染物两个因素来 确定非点源污染物类型、浓度、流量负荷和污染物负荷等，降雨径流条件是非点 源污染的诱因，是非点源负荷产生的动力和输移条件，是非点源污染产生过程中 的至关重要的环节地面下垫面的污染物质类型及其累积数量是非点源的物质基 础【l 研。根据模型的复杂性和模拟技术，将它们分为如下三类；简单负荷模型估计 模型、功能性负荷模型和机理性负荷模型。这些模型代表了国内外非点源污染负 荷定量化研究的进展。 1 ) 简单负荷估值模型 简单负荷估值模型通常是流域地形特征于污染物输出特征之间的经验关系。 通常用电子制表软件或计算器实现运算。当资料缺乏，经费和时间受到限制而不 能使用机理性模型时，经常应用简单方法 简单负荷估值模型只能提供长时间序列污染负荷的年均估算，其预测功能有 限。模型包含区域特征的经验性限制了模型的可转移性。由于简单模型忽略了季 节性的变化，因此它们不能用于模拟短期负荷的水质问题，但对于模拟长期不变 的水体，入湖泊和水库的营养负荷和富营养化问题是足够，简单负荷估值模型主 要有：r e g r e s s i o na p p r o a c h 、s l o s s p h o s p h 、 w a t e r s h e d 、f h w a 等f l 刀。 2 ) 机理性负荷模型 机理性负荷模型能够反映流域径流过程中非点源污染负荷的产生、变化及其 环境影响。如果合理运用并校准，机理性负荷模型能对流域的水量水质进行较准 确的预测。但是这类模型是以大量的时间和资源为代价的。 机理性负荷模型中径流过程以连续方式随时间变化，而不基于简化的速率变 化概念。此类模型以流速、营养物积聚、沉积和衰减的速率参数代替容量参数。 时间步长随数值解法的稳定性和系统响应时间而改变。机理性负荷模型能对流域 的水量水质进行较准确的预测。但是这类模型是以大量的时间和资源为代价的。 机理性负荷模型中径流过程以连续方式随时间变化，而不基于简化的速率变 3 重庆大学硕士学位论文 化概念。此类模型以流速、营养物积累、沉积和衰减的速率参数代替容量参数。 时间步长随数值解法的稳定性和系统等响应时间而改变。机理性负荷模型中的算 法更好的模拟渗透的物理过程、径流、污染物积聚、内源影响、地下水于地表水 相互租用，而且物理特性和过程随空间变化的特征可与控制方程结合，连续模拟 模型与生物模拟链接。机理性负荷模型相互主要有：s t o r m 、s w m m 、a n s w e r s 、 d r 3 m - q u a l 、s w r r b w q 、h s p f 、s w a t 等l i j 。 3 ) 功能型负荷模型 功能型负荷模型有效地协调了简单方法的经验行和机制性模型的复杂性。此 类模型的优点是能够在广阔的地理区域上评估污染物质的来源及影响，从而为流 域削减方案中目标区域的确定提供帮助。功能性模型能评价非点源污染负荷不同 季节或年际间的变化，并评价长期水质的变化趋势。 但简单估算值模型和功能性模型都没有考虑非点源污染物在流失过程中的降 解和转化过程。主要的功能性负荷模型有c r e a m s 、a g p s 、s 1 1 1 、g w l f 、 p $ - - u c m 等【1 7 1 。 1 2 2 城市非点源污染负荷模型的国内外研究进展 国外研究现状 在早期的研究中主要是集中于以土地利用对河流水质产生影响的认识为基础 的，主要是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，其具体的研究方法是依据因果分析和统计分析建立统计模型， 进而建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统计关系【1 9 1 ，利用数学模型模 拟城市径流非点源污染的形成是研究非点源污染来源和扩散的有效手段。 7 0 年代中后期，随着人们研究的深入和对城市非点源污染的了解，机理模型 和连续时间序列响应模型成为模型开发的主要方向，著名的模型有城市水管理模 型( s w m m ) 、城市地表径流数学模型( s t o r m ) 、统一运输模型( u t m ) 、以及流域模 型a n s w e r s 和h s p 等阎。这些模型的建立使得城市径流非点源污染的研究得到 进一步的发展。 到8 0 年代，美国农业部( u s d a ) 研究所开发的化学污染物径流负荷和流失模型 ( c r ea m ) ，采用了美国农业部水土保持局开发的s c s 水文模型来计算暴雨径流 【2 1 1 ，充分考虑了污染物在土壤中的物理、化学形态和分布状况 2 2 1 ，为城市径流污 染模型的发展提供了很好的经验。到8 0 年代末，非点源污染模型在建立新的应用 模型的基础上，重点加强了3 s ( o l s 、g p s 、r s ) 技术在非点源污染定量负荷计算、 管理和规划中的应用研究。这一时期最突出的成果是g i s 软件开发并用于潜在的 非点源污染的三维图形输出【2 3 1 。 进入到9 0 年代后，城市径流非点源污染的研究更加活跃，与此相关的影响因 4 1 绪论 子层出不穷，研究的领域也在不断地扩大。在对过去城市径流非点源污染模型多 年应用经验进行总结的基础上，不断地完善和提高己建立的模型，如把h r u 方法 和g r u 方法运用到洪水预报水文模型中洲，推出新的模型，如城市地表径流大肠 杆菌数学模型【2 5 1 同时，与非点源污染负荷估算相关的流域开发方向、非点源污 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 的飞速发展和3 s 技术在流域研究中的广泛应用，g r a s sg i s 、a r c i n f o 等技术 的应用，为城市非点源污染的研究提供了很大的方便。很多功能超大的流域模型 被开发出来，这些模型己经不再是单纯的数学运算程序，而是具有空闻信息处理、 数据库技术、数学计算、可视化表达等功能的大型专业软件，如k y u n g - s o o k c h o i 等运用g i s 技术来控制s w m m 中的参数，从而使该模型的应用领域更加广泛，提 高了模型的精确度。经过3 0 多年的研究，城市非点源污染模型逐步从统计模型过 渡到机理模型和连续时间序列响应模型，这些模型不仅从城市本身的特性出发， 而且采用农业非点源污染研究的经验，借鉴其参数和子模型如水文子模型、侵蚀 子模型和污染物迁移子模型等，其应用范围从小区域逐步扩大到整个城市河网水 系，从单次暴雨扩大到了长期连续模拟，3 s 技术的应用使得城市非点源模型的应 用性和精度得到了很大的提高【1 9 1 。人工模拟技术、遥感技术和g i s 技术等先进技 术手段在城市径流污染模型研究的应用仍然是该研究领域的热门课题。 国内研究现状 从8 0 年代初期开始，国内研究的内容涉及城市降水径流污染负荷评价、模型 介绍及模型与g i s 技术结合等。由于受到很多条件的限制，研究存在阶段性和孤 立性，没有形成体系。在模型的研究上，大部分是采用国外现成的模型，在结合 国内的实际情况的基础上加以修正，基本上没有自己建立的模型。在整个8 0 年代， 我国城市非点源污染研究仅局限于城区径流污染的宏观特征和污染负荷定量计算 模型的初步研究。其中污染负荷定量计算模型研究的方向有三个方面：径流量与污 染负荷相关性分析嘲，水量单位线和污染物负荷的研究驻7 】以及地表物质累积规律 2 8 1 。同时由于研究的需要，遥感技术以及人工模拟实验技术都运用到城市非点源 污染研究领域。到了9 0 年代后，分雨强计算城区径流污染负荷为城市径流污染负 荷定量计算提供了新的研究方法1 2 9 1 。方红远【3 川提出了城市径流质量分析中污染物 集聚、冲洗模型参数的率定法，使得模型在应用中的精度得到了提高，实用性增 强。陈西平在夏青提出的地表物质累积规律的基础上，对城市流域非点源污染进 一步完善，提高了模拟的精度口李怀恩口2 l 提出了一种简单实用的流域非点源污 染负荷估算方法平均浓度法，可以利用有限的资料计算出多年平均或不同频 率代表年的年负荷量。1 9 9 0 年刘爱蓉等人对南京市城北地区暴雨径流污染的研究， 主要测试了雨水中污染物的浓度，预测了排污负荷。1 9 9 9 2 0 0 1 年车武【3 3 埘筇】等 5 重庆大学硕士学位论文 人对北京市城市建筑屋面径流水质进行了测试研究发现城区屋面雨水径流尤其是 初期径流的污染物浓度较高，主要污染物为c o d 和s s ，沥青油毡屋面初期雨水 中c o d 浓度可高达上千毫克每升。随着g i s 技术在城市非点源污染研究中的应用， 大大地推进了非点源污染的量化工作，提高了城市非点源污染负荷模型的精度， 扩大了应用范围【3 6 】( 王少平等，2 0 0 1 年) 。 1 3 国内外有关城市非点源污染模型研究的不足 非点源污染负荷模型与水体响应模型连用时，通常将非点源污染负荷在时 间和空间上平均分配时间上，将全年的污染负荷量平均分配到每天，使每天进 入湖泊、河流等水体的污染负荷量相等；空间上，按单位长度河道所接受的非点源 污染负荷量计算，这种处理方法没有考虑非点源污染负荷的产生与降雨的关系， 也没有考虑雨水管道排放口位置对河道水体的空间影响，显然是不符合城市非点 源污染随时间空间变化的实际情况的 有明确水文基础和污染物迁移转化机理的非点源污染模型中，研究性的模 型多，应用性的模型少。而机理型的模型要求的资料条件高，率定困难；经验型模 型具有的地域性特点，难以在大范围推广应用。 1 4 研究方法与目标 本论文针对住宅区非点源污染对景观水体污染的重要性，在调查住宅区非点 源污染特征及产生途径的基础上，以重庆市棕榈泉住宅小区为研究区域，通过模 型模拟的方法，根据当地的实测数据及国内外相关研究的经验参数确定模型参数， 分析不同降雨强度下降雨径流污染负荷量、不同功能区降雨径流污染负荷量、不 同非点源污染管理措施下污染负荷量，为小区非点源污染的治理与管理提供依据。 1 5 研究模型的选择 目前国内外使用的城市非点源水质模型主要有s w m m 、h s p f 、s t o i r m 、 d r 3 m q u a l 、m o u s e 、w a s p 、p o l l u t e 、w a l l i n g f o r d 等，其中当前影响较大、 应用较广的4 个机理模型是s w m m 、h s p f 、s t o r m 、d r 3 m q u a l ，下表中总 结这四个主要模型的主要特点。后来出现的其它非点源模型基本来源于这四个模 型，只是改变了部分程序，但原理基本相同。每个模型都有自己的优缺点和适用 范围，对于不同的地区，可根据模型特点、研究区域特点、研究目标的特点和对 模型应用的熟练程度选择最佳模型和软件。 6 i 绪论 表i a 常见非点源模型比较【2 7 撬2 9 l s w m m h s p fs t o r m d r 3 m - o u a l 美国水文工程中美国地址勘查 主要开发者美国环保局 美国环保局 心 局 小捧水区( 尤其是 市区的降雨、径 模拟的主要 径流过程、管道输送过 综合性的水城市的水文过程 程、储水及水处理过程，流、水质变化过 过程文、水质过程及污染物的迁移 污染物输运过程 程 转化) 径流率泥、泥 水量( 水文过程线和径沙负荷，氮、 水量、总悬浮物、 模拟的主要 流量) 、水质( 包括总氮、 农药以及用 变量c o d 、正磷酸盐、总悬户定义的污 b o d s 、总氨、正 浮固体等)染物浓度的 磷酸盐 时间序列 流域模型，模 拟连续或一 主要适合于城市区域的 次的暴雨过 可以模拟任何时 模拟的主要特综合性水量、水质模拟程，既可以模 问的暴雨情况， 征 程序，可以模拟连续或拟一般的污 还可以模拟一组 一次降雨过程染物。又可以 暴雨( 忽视当中的 模拟有毒有 旱季情况 机污染物 模拟降雨类型 连续，单次 连续、单次连续连续、单次 捧水系统流程 可以可以不可以可以 溢流模拟可以不可以不可以可以 调节池、溢流可以不可以可以不可以 数据和人员要 求 高高低 一般 整个模型复杂 性 高高一般一般 通过对上述四种城市非点源污染负荷模型进行比较，可知s w m m 作为分布 式、连续模拟模型在住宅区内的排水区和排水管网的非点源污染负荷计算方面有 7 重庆大学硕士学位论文 着较明显的优势。因而，选用s w m m 作为本论文的研究模型，进行非点源污染负 荷计算。 1 6 研究技术路线 3 甲回 2s w m m 模型系统研究 2s w m m 模型系统研究 2 1s w m m 模型概述 s w m m , 美国环保局的城市暴雨管理模型，是2 0 世纪7 0 年代由麦特卡夫一埃 迪有限公司、佛罗里达大学和美国水资源有限公司三个单位研制的一个比较完善 的城市暴雨水的水量水质预测和管理模型。模型经历了几次官方发布的改进版本 c m e t c a l f a n de d d y , e la 1 ，1 9 7 1 年) ；h u b e ra n dh e a n e y 。1 9 7 5 年；h u b e re t a l ，1 9 8 1 年； h u b e r e t a l ，1 9 8 8 年) 。目前已经发展到s w m m v e r s i o n 5 。最新的s w m m v e r s i o n 5 具有友好的可视化界面和方便的前后处理功能d 7 】。 s w m m 模型是大型的f o r t r a n 程序，可模拟完整的城市降雨径流循环，包 括地表径流和排水网络中水流、管路中串联或非串联的蓄水池、暴雨径流的处理 设施以及受纳水体的水质变化根据降雨输入( 雨量过程线) 和系统特性( 流域、泄 水、蓄水和处理等) 模拟暴雨的径流水质过程，计算时段长度是可变的。 s w 偶l 模型系统主要分为以下几块内容： 模型输入 根据提供的降水( 包括雨、雪) 过程、土壤前期条件、土地利用和地形资料，径 流模块计算地表径流和地下径流。可以有选择的形成旱季条件下水流和渗流进入 管道，供1 r a n s p o r t 模块或e x t r a n 模块使用。 模型核心 r u n o f f 模块，t r a n s p o r t 模块和e x t r a n 模块为中央核心模块，可以 模拟水流和污染物再排水系统中的输移过程。e x r ra n 模块可精细模拟管道复杂 的水流情况，但不能模拟污染物的输移过程。 处理系统 s t o r a g e ，r r e a l m e n t 模块额可表征管网中控制设施对水流和水质的影 响，也可计算单元建设成本 系统排出影响( 受纳水体) s w m m 不包括受纳水体计算模块，但提供了与美国环保总局开发的w a s p 和 d 妊m e 时， 厂= 厶，= 墨( 1 + 笔马 ( 2 1 6 ) 式中，下渗率，m m $ ， 兀- 稳定下渗率，n 1 1 州8 ， i 降雨强度，m m 8 ， f 累积下渗量，r a m ， e 饱和累积下渗量，咖， s 湿润峰处的平均毛细管吸力，姗， i m d 湿度亏损值，m m m n l ， 瓜士壤水力传导率，m m s 。 式2 1 5 表明，当降雨强度大于土壤的水力传导率时，使土壤饱和的累积下渗 1 4 2s w m m 模型系统研究 量e 与该时刻的降雨强度有关及湿度亏损值有关，故当f 墨时，每个时间步长都 要计算一次e ，并与当时的累积入渗量f 比较。仅当f e ，降雨入渗已使地表饱 和时使用式2 1 6 。 当i s 墨时，所有降雨入渗，随时间不断更新i m d ( 与公式2 2 4 联合考虑) 。 低降雨强度下渗透率不改变。 公式2 1 6 表示地表饱和后的入渗能力取决于已入渗量，即前期的累积的入渗 量。为避免大时间步长计算时出现的过大的数字误差，无由d f i d t 代替，并进行 积分，如公式2 1 7 。 墨( f 2 一f 1 ) = e c - i n ( e - 4 - c ) 一厩+ c l n ( 巧+ c )( 2 1 7 ) 式中，c 一曲上 纪i ，m ， 一时间，s ， 1 ，2 时间步长的始末计算标志。 公式2 1 7 采用n e w t o n - r a p h s o n 迭代法求解只，即求解时间步长终点的累积下 渗量 若地表不饱和，时间步长( f 2 一，1 ) 内的下渗量为( 屯一1 ) i ，若地表已经饱和，则 入渗量为最一e 若饱和发生在时间步长的中间，则分别计算两个阶段的入渗量并 相加当降雨结束或降雨量低于入渗能力时，地表的洼蓄水量继续下渗，计入累 积入渗量中。 b 下渗能力的恢复 蒸发，地下排水，两场降雨间湿度的重新分布，都将减少上层土壤带的含水 率，增加下渗能力该过程复杂，与多种因素有关在s w m m 中，以较简单的经 验公式描述。 入渗能力通常由土壤的最上层的性质决定该层厚度由土壤类型决定。如， 对于沙质土壤。入渗能力较大，重粘土则很小。描述土壤渗透能力的公式如下： 工= 4 - 墨 ( 2 1 8 ) 式中，i r 一层的厚度，m m ； 墨饱和水力传导率，m m h 。 在没有入渗和洼蓄对，在所有的时间步长应用亏损因子于土壤湿度该因子 与土壤的饱和水力传导率有直接联系，由公式2 1 9 计算， d f = 三3 0 0 ( 2 1 9 ) 式中，d f 一亏损因子。h 1 ； i ，一上层土壤带的厚度，m m ； 每个时间的亏损量为d v ，由式2 1 0 计算， 重庆大学硕士学位论文 d v = d f 凡，二r( 2 2 0 ) 式中，凡k = 厶膨一上层土壤的饱和湿度含量，m n l ； 四m 一嘬大初始湿度亏损，m m m m ， 出时间步长。 计算中使用，c 厂= 凡，一d v f u 0 ( 2 2 d ，= f - d vf 0 ( 2 2 2 ) 在连续模拟中，在两次单独降雨事件中间的旱季过程，采用公式2 2 3 计算模 拟时阋的步长。 t = 6 ( 1 0 0 d f ) ( 2 2 3 ) t - 嗽立降雨事件的时问步长，h 。 随时间t 过去，f 置零，为下场降雨准备，保持在上层土壤中的湿度减少，按 2 2 1 - 2 1 计算。并不断更新i m d 值，当前湿度亏损值i m d 的最大值为 i m d 。( i m d 。为输入参数) 。i m d 的计算公式见式2 2 4 。 n 囝：f 一, - - f u i m dgi m d , , = ( 2 2 4 ) 当小降雨事件发生时，湿度重新分布，上层湿润带由于降雨入渗而湿度上升， i m d 使用公式2 2 4 增加。 3 ) s c s 入渗公式 美国土壤保持局( s o i lc o n s e r v a t i o ns e r v i c e ，s c s ) 在2 0 世纪5 0 年代研制了无降 雨过程资料的径流计算方法s c s 径流曲线数法。该计算方法中只有一个反应 流域综合特征的综合参数c n ，它与流域土壤类型、植被覆盖、土地利用、地形等 因素有关，这种产流计算方法结构简单、计算方便，同时可以考虑土地利用变化 对产流的影响。因此该方法成为目前应用广泛的经典径流计算方法美国许多土 壤侵蚀模型如e p i c 、c r e a m s 、a b n p s 、s a w t 等模型都运用该方程进行径流量 计算，其计算公式鲫如下： 跏2 5 4 ( 塑_ l 。) q = 告怒(225)5cn8 s )lj -( r + 0 、 式中，q