（环境科学专业论文）青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算.pdf

青岛市降雨径流污染模拟及污染物总量计算 算结果有一定的合理性，模型可以用来作为将来青岛城市雨水径流污染物总量预 测的有效工具，其预测数据可以为有关部门提供科技参考。 关键词：城市雨水径流；数学模型，污染物总量 i i 青岛市降雨径流污染模拟及污染物总量计算 t h e s t u d yo ns i m u l a t i o no f t h er a i n f a l lr u n o f f p o l l u t i o na n d t h ec a l c u l a t i o no ft o t a la m o u n t p o l l u t a n t si nq i n g d a o a b s t r a c t w i t hc o n t r o l l i n gt h ep o i n ts o u r c ep o l l u t i o ng r a d u a l l y , t h ep o l l u t i o nc a u s e db yt h e n o n - p o i n ts o u l g eb e c o m e sm o r es e r i o u sc i t ye n v i r o n m e n tp r o b l e ma tp r e s e n t i ti s g r e a tm e a n i n g t os t u d yt h ev a r i a t i o np a t t e r n so fu r b a nr a i n f a l lq u n l i t ya n dc a l c u l a t e t o t a la m o u n tp o l l u t a n t so f r a i n f a l l a st h eo n l yp a r t n e rc i t yo f b e i j i n go l y m p i cg a m e s ， q i n g d a ow i l lb et h eh o s tc i t yf o rs a i l i n gg a n l e s 皿em a r i n ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t yi n t h ec o a s t a lw i l lb ev e r yi m p o r t a n tc r i t e r i o nf u r g r e e n o l y m p i cg a l l l e s i ti ss p e c i a l s i g n i f i c a n tt os t u d yt h et o t a la m o u n tp o l l u t a n t so fr a i n f a l lr u n o f fa n dt a k es o m e e f f e c t i v em e a s u r e st or e d u c et h ea m o u n tp o l l u t a n t sf o ri m p r o v i n gw a t e rq u a l i t y e n v i r o n m e n to f t h ec o a s t a ls e aw a t e r o f q i n g d a oc i t y b a s eo nt h em o d e lo fu r b a nr a i n f a l lr u n o f fq u a l i t y , t h ev a r i a t i o np a t t e r n so fu r b a n r a i n f a l lq u a l i t yo fas t o r mo i lj u l y3 “2 0 0 6i ss i m u l a t e di nq i n g d a o c a l c u l a t i n gt h e t o t a la m o u n tp o l l u t a n t s ( s s 肥n - n h ja n dc o d ) ，a n df u r t h e rm o r e , e s t i m a t i n gt h e t o t a lq u a n t i t yo fv a r i o u sc o n t a m i n a t i o n si n2 0 0 6 f i n a l l y , i th a sp r o p o s e dt h eu r b a n r a i n f a l lr u n o f fc o n t a m i n a t i o nc o n t r o l l i n gm e a s u r e , m e t h o da n dp r i n c i p l e , w h i c h p r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h ed e p a r t m e n tt op l a n n i n ga n dd e s i g n st h eu r b a nr a i nw a t e r r u n o f f m a n a g e m e n ts y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) b a s eo nt h em o d e lo fu r b a nr a i n f a l lr u n o f fq u a l i t y , t h ev a r i a t i o np a t t e r n so f u r b a nr a i n f a l lq u a l i t yo fas t o r mo nj u r y3 m2 0 0 6i ss i m u l a t e di nq i n g d a o t h e m o d e l i n gg i v ear e a s o n a b l ee x p l a n a t i o nt ot h eg e n e r a t i o no f t h er u n o f f t h ep o l l u t i o ni n t h eu r b a na r e a , w i t ht h em o s te r r o l i sn om o l et h a n2 ( 2 ) n ”t o t a la m o u n tp o l l u t a n t si nt h i sr a i n f a l la r e ：s s ：2 1 9 6 t ，t p ：1 4 7 t ，n - n h 3 ： 7 2t ，c o d ：1 5 0 5 t ( 3 ) t 1 l et o t a la m o u n tp o l l u t a n t si n2 0 0 6i sc a l c u l a t e da s ：s s ：2 0 0 0 吐，a ，t p ：1 5 f f a ， n - n i - - 1 3 ：7 0 妇，c o d ：1 5 0 0 t a i l l 青岛市降雨径流污染模拟及污染物总篮计算 c o m p a r e dw i t hi n s t i t u t eo f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c ts c i e n c eo f q i n g d a o ，t h er e s u r i sr e a s o n a b l e t h em o d e lw i l lb eag o o dt o o lf o rp r e d i c t i n gt h et o t a la m o u n tp o l l u t a n t s o fu r b a nr a i n f a l lr u n o f f , a n dt h ep r e d i c t i n gd a t ac a np r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h e d e p a r t m e n to f g o v e r n m e n t k e yw o r d s ：u r b a nr a i n f a l lr u n o f f ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ：t o t a la m o u n tp o l l u t a n t s i v 独创声明 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，也不包含其他教育机构的学位或证书使用过 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。 、口 学位论文作者签名夯皿签字日期衫年加i ) b 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，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 授权学校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。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：景肛友 签字日期：口 年乡月l 弓同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位； 导师签字： 砂毒论 签字日期：一7 年6 月哆日 电话：i jg p ，8 0 l t 窘 邮编 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 丑l j 舌 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，面源污染引起的问题 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【”。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i 隘着极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己成为制约受纳 水体水质进一步提高的主要因素，要想提高受纳水体的水质，就必须对排入水体 中的污染物总量有所了解，也就必须了解雨水径流的污染状况和雨水水质、水量 的变化规律，以便在此基础上提出合理的雨水径流污染的控制措施。 城市降雨径流污染是城市非点源污染的主要形式，在发达国家研究的历史较 长。2 0 世纪6 0 年代发达国家开始关注非点源污染，2 0 世纪7 0 年代起开始进行系统 的研究，并付诸管理实践。进入到2 0 世纪9 0 年代后，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，不断地完善和提高已建立的模型，推出 新的模型。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。随着计算机技术飞速发 展和3 s 技术以及g r a s s 、g 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，这些模型不再是单 纯的数学运算程序，而是具有空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表 达等功能的大型专业软件。 我国城市非点源污染研究起步较晚，2 0 世纪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研究。到2 0 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 世纪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。目前，利用3 s 技术进行非点源污染研究的成果不断出现， 为非点源污染研究提供了有力的支持，也提高了非点源污染的负荷精度。 青岛市是全国乃至世界知名的沿海旅游城市，也是2 0 0 8 年北京奥运会的协 办城市，研究青岛市的面源污染问题，并结合实际情况对这一问题提出有效的控 制措旋，这对改善青岛沿海的水质环境，提高城市形象具有十分重要的现实意义。 由于诸多原因，目前青岛市对雨水径流污染的研究工作主要在径流污染的宏 观特征、污染负荷及污染控制措施等方面，通过建立雨水水质水量模型来模拟计 算市区产生的污染物总量的研究还比较少，本文采用青岛市市南区的某一区域代 表整个计算区域( 市南区、市北区、四方区) 的方法，利用建立的城市水量水质 模型，对青岛市2 0 0 6 年7 月3 日降雨时雨水径流中污染的水质变化情况进行了 模拟，根据模拟结果计算了该次降雨中产生的固体悬浮物、总磷、氨氮及化学需 氧量等污染物总量，估算了三区在2 0 0 6 年一年降雨径流中产生的各污染物总量， 最后提出了污染物控制的原则、方法以及措施。这为了解青岛市一年中雨水径流 污染排海总量提供参考依据，同时为控制和建立雨水管理系统提供科学依据，具 有重要的意义。 2 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 1 文献综述 1 1 城市非点源污染概述 1 1 1 非点源污染概念 根据污染源特性的不同，可以将污染分为两大类，即点源污染和非点源污 染。点源污染是指废水污水等通过排水管道等途径直接进入受纳水体引起的污 染，污染物定点、定量排放，可人为控制，能通过污水处理厂处理。非点源污染 是指溶解性或固体污染物，从非特定的地点随暴雨生成的径流进入受纳水体所造 成的污染，污染的发生具有随机性、排放途径及污染物排放的不确定性、污染负 荷的时空差异性以及监测、控制、管理难度大等特点 2 1 ，也有研究者称其为面源 污染。最常见的英文名称是n o np o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ( n s p ) 。都是相对于点 源污染的叫法【”。 城市非点源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、磷、有毒物质及杂物等，随之排入河流、 湖泊等受纳水体，污染地表水或地下水。城市雨水径流污染是城市水环境污染的 重要因素【4 1 。降雨是城市非点源污染形成的动力因素，而降雨形成的径流是非 点源污染物迁移的载体。因此，狭义上的城市非点源污染即指城市降雨径流污染， 它是城市非点源污染的最主要形式。 1 1 2 城市雨水径流污染的特征 ( 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【5 6 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【刀。 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 ( 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【8 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 s 为3 6 m g l ，c o d 为4 0 m g 1 ：商业区地面径流b o d 5 为7 7 m g i ，c o d 为3 9 m 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 ) 排放不规律 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，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 1 3 城市降雨径流污染物来源及种类 城市径流中污染物的种类和形态非常复杂，它们主要来源于大气干湿沉降、 地表垃圾和尘埃物质以及下水道系统。 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、城市建筑施工场地 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1 9 】。 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 4 青岛市雨水径流污船模拟及污染物总重计算 被冲刷带入径流成为径流污染的一部分。 目前国内外所研究的主要污染物种类有：悬浮沉积物、营养物质、耗氧物质、 细菌和有毒污染物等 ( 1 ) 悬浮沉积物 城市径流中挟带有大量的沉积物质，一般来说，老城区的土壤侵蚀程度要低 于新城区，城区混合沉积物主要来源于交通工具锈蚀产生的碎屑物质、机动车产 生的废气物、大气干湿沉降、轮胎和刹车摩擦产生的物质以及居民烟囱释放出的 烟尘等，重点在工业区、商业区以及高速公路和建筑工地等。 ( 2 ) 营养物质 城市径流中含有大量的营养物质，这些营养物质随着地面径流输送到河流或 湖泊中，最终输入到大型河口、海洋，常常引起水体的富营养化，给整个生态环 境带来很大的危害。在此主要介绍两种典型的营养物质：( 1 ) 由于磷的化合物一 般都是吸附在颗粒物上，因此建筑工地是磷的一个重要来源地【1 0 1 。( 2 ) 氮的化学 形态是可溶解的，不需要吸附在颗粒物上，它的主要来源是化肥的施用j 。 ( 3 ) 耗氧物质 城市径流中携带有大量的有机物质如生活垃圾、树叶、草以及杂乱废弃物等， 当这些物质腐烂时，它们会消耗掉水体中大量的氧气，一场暴雨过后，城市湖泊 或河流中的氧基本上会被消耗尽，其中来自于老城区的城市径流耗氧负荷是最高 的。 ( 4 ) 细菌 。 一般来说，城市径流中细菌的含量都是超过公众对水要求的健康标准。径流 中粪便大肠杆菌的数量要比游泳健康标准高出2 0 _ - 4 0 倍。细菌的来源主要是下水 道溢流、宠物以及城市中的野生生物等。 ( 5 ) 有毒污染物 城市径流中有毒污染物包括重金属、杀虫剂、多氯联苯( p c b s ) 和多环芳烃 ( p a h s ) 等。重金属是城市径流中一种最典型的有毒污染物。城市径流中重金属的 首要来源是机动车。杀虫剂、多氯联苯( p c b s ) 和多环芳烃( p a h s ) 等，主要来源于 草地、菜地施用农药、机动车辆排放的废气物以及大气的干湿沉降等。h o f f m a n 等和c h a r l e sa m e n z i e 等研究发现滨岸沉积物中的p a h s 主要来自于暴雨径流污 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 1 2 城市非点源污染研究进展 1 2 1 国外城市非点源污染研究现状 城市降雨径流污染作为一种很重要的非点源污染，在发达国家研究的历史较 长。2 0 世纪6 0 年代发达国家开始关注非点源污染，2 0 世纪7 0 年代起开始进行系统 的研究，并付诸管理实践。在整个的研究过程中，其内容主要包括3 个方面：模 型研究、初始冲刷的研究以及径流污染的治理和控制研究。 1 2 1 1 模型研究 早期的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，其 具体研究方法是建立统计模型，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l m l 。著名模型有s w m m ( 城市水管理模型) 、s t o r m ( 城市地表径流数学模 型) 等【1 5 】。至t j 2 0 世纪8 0 年代，美国农业部( u s d a ) 研究所开发的c r e a m ( 化学污染物 径流负荷和流失模型) ，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 1 6 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【1 7 】，为 城市径流污染模型的发展提供了很好的经验。同时非点源污染模型加强3 s ( g i s 、 g p s 、r s ) 技术在其定量负荷计算、管理和规划中的应用研刭1 8 】。进入到2 0 世纪 9 0 年代后，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， 不断地完善和提高已建立的模型，推出新的模型。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。随着计算机技术飞速发展和3 s 技术以及g r a s s 、g 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，这些模型不再是单纯的数学运算程序，而是具有空问信息处 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。 1 2 1 2 初始冲刷的研究 初始冲刷( f i r s tf l u s h ) 是指当降雨开始后最先产生的径流，其污染物的含 量是整个产流过程中最高的 2 0 l 。初始冲刷发生时，会有大量的污染物随着径流排 6 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 放到受纳水体中。初始径流中污染物的含量受到以下参数的影响：汇流面积、降 雨强度、不透水区面积以及距上一次降雨时间间隔。然后根据曲线相对于对角线 ( 与水平面成4 5 度角) 的偏差比例来估算其强度 2 1 1 。由于研究的复杂性，对于初 始冲刷在定义上仍存有分歧【2 2 , 2 3 1 。 d e l e t i c 的研究中2 4 1 ，把初始冲刷产生的标准由降雨事件中占整个产流2 0 的最先产生径流的总污染物负荷( f f 2 0 ) 来确定。因此可以用累积曲线来表示待测 水质指标w q c ( w a t e rq u a l i t yc h a r a c t e r ) 。 l e e 等研究表明初始冲刷可以用一种数据分析方法来计算担5 】。 通过用这种方法研究表明汇流区域面积越小，其初始冲刷现象就会越明显。 同时在暴雨过程中不同功能区污染物单位负荷量的大小顺序如下：高密度的居民 区 低密度的居民区 工业区 未开发的区域 2 6 1 。 1 2 1 3 管理和控制研究 城市非点源污染的管理和控制研究集中于污染源和汇的管理和控制。其研究 途径包括两个方面：一是将非点源污染物的排放控制在最低限度；另一个就是对 污染物扩散途径的控制。在这两方面以美国的“最佳管理措施”( b m p s ) 最具有代 表性。美国e p a 把b m p s 定义为：任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或 操作程序，包括工程、非工程措施的操作和维护程序口7 1 。 ( 1 ) 工程的方法 指兴建工程措施来达到控制污染。如修建沉淀池、渗漏坑、多孔路面、蓄水 池和处理污染的建筑物等。这些方法对控制径流污染有很好的效果渺2 9 1 。利用土 壤过滤城市雨水也是现在发达国家控制措施之一对现有排水系统，可采取的污 染控制措施主要有：雨水截流井、线内贮存和线外贮存，它们对分流制系统的雨 水和合流制系统的污染控制都适用瑚i 。另外，采用天然渠道、人工湿地、沙层过 滤和缓冲带等也成为城市径流污染控制的重要手段。 ( 2 ) 非工程方法 指用加强管理来达到控制污染，其具体的措施有分流制小区域水处理，增大 城市绿化面积，污水管道混按的清理，清扫街道，加强对施工现场、机修厂、停 车场废弃物的管理，控制城市绿地肥料、农药的使用等除了制定合理的政策法 规和实行科学的管理外，目前国外主要是集中采用教育的方法。 7 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 1 2 2 国内研究现状及存在的问题 我国城市非点源污染研究起步较晚，2 0 世纪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研究【3 ”。其中污 染负荷定量计算模型研究的方向有径流量与污染负荷相关性分析1 3 2 l 、水量单位 线和污染物负荷的研究以及地表物质累积规律【3 3 】等。同时，随着计算机技术的高 速发展以及研究实践的需要，遥感技术以及人工模拟实验技术都已运用到城市非 点源污染研究领域。n 2 0 世纪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【蚓。目前，利用3 s 技术进行非点源污染 研究的成果不断出现【3 s - 3 v ，为非点源污染研究提供了有力的支持，也提高了非点 源污染的负荷精度。在城市径流污染的管理和控制方面，国内没有完善经验。 虽然我国在城市雨水径流污染研究方面己经取得了大量有价值的研究成果， 但还存在着如下问题： ( 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皱已 建立1 3 8 9 1 ，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 4 0 - 4 2 。 ( 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【4 3 1 ，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 2 3 未来发展的趋势 我国目前的研究进展对城市地表水环境的非点源污染的防治的确起到了一 定的作用，但与发达国家相比，在政策法规、宣传教育、资金投入、定性和定量 化研究等各方面还存在很大的差距。所以，应借鉴i $ 1 # l - 的成熟经验并结合我国国 情，建立适合我国城市地表水环境非点源污染的控制管理体系。 8 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 ( 1 ) 制定相应法规、加大监控和宣传力度。应制定出一部国家性的综合性 法规来遏制地方性法规可操作性差、执法不严的问题，同时加强组织管理，利用 各种形式的媒体进行宣传教育，在财政上给予一定的支持，调动城市居民对非点 源污染防治的积极性和参与意识。 ( 2 ) 加强雨水污染控制，实现雨水资源化。我国目前许多城市都是雨、污 合流制的排水系统，这是造成城市地表水环境非点源污染的重要因素，但要在全 国范围内开展雨：污分流制排水系统尚不现实。为把非点源污染降到最低程度， 可借鉴国外的有效措施( 如雨水截流井、线内贮存和线外贮存等) 以减少合流制 系统溢流造成的污染，同时逐步实现雨水资源化。 ( 3 ) 集成化非点源污染模型的开发在借鉴国外模型的基础上，开发适合我 国城市非点源污染的集成化模型将是未来非点源污染模型研究的方向，该模型应 将污染物的产生、迁移转化机理、受纳水体水质污染程度预报及水环境管理结为 一体，同时充分运用3 s 技术( 6 p s 、g i s 、r s ) 建立城市水环境非点源污染量化管理 体系。 ( 4 ) 加快城市水环境生态建设的步伐城市河流、湖泊风浪小，基本不受水 动力影响，使植被的生长和修复治理成为可能。实现城市地表水环境非点源污染 的生态建设应是未来城市水环境非点源污染治理的发展趋势，同时也是实现城市 可持续发展的有效途径。 1 3 城市雨水径流污染模拟的意义 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【l 】，对城市水 环境危害相当严重。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、滞留池、初期雨水弃流 装置等，但这些设施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，这就对该流域的雨水径流水质水量排放规律及其径流污染状况加以掌握， 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 9 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 计参数，以达到其最佳的处理效果。 ( 2 ) 城市雨水径流在不同季节、不同地域又都其发生的特殊性，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，为了 减轻城市雨水径流水质和水量引起的不良后果，就必须对城市雨水径流污染在不 同区域、不同季节有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， 以达到环境效益和经济效益的和谐统一。 ( 3 ) 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，对城市小区产生的雨水合理地加以利用不仅是解决城市缺水 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。这就 需要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 质动态模拟提供基础条件。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。 1 0 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 2 非点源模型研究进展 广义的非点源污染包括大气环境的非点源、土壤环境的非点源和水环境的非 点源三类。水环境的非点源包括大气于湿沉降、暴雨径流、底泥二次污染和生物 污染等诸多方面。降雨径流污染，即通常意义( 狭义) 的非点源污染，是与降水过 程伴随进行的地表径流污染。 非点源污染在过去3 0 年问受到了广泛关注非点源污染模型的研究是其中的 主要领域之一，非点源污染模型通过对整个流域系统及其内部发生的复杂污染过 程进行定量描述，帮助我们分析非点源污染产生的时问和空间特征识别其主要 来源和迁移路径预报污染的产生负荷及其对水体的影响，并评估不同的管理与 技术措施对非点源污染负荷和水质的影响。为流域规划和管理提供决策依据。 2 1 非点源模型的发展 完整的非点源污染模型系统一般由4 个子模型构成，即：降雨径流模型、侵 蚀和泥沙输移模型、污染物转化模型、受纳水体水质模型。整个模型化过程从简 单到复杂大致经历了三个阶段，即经验模型、机理模型和功能模型。 2 1 1 经验模型 经验模型是通过建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的经验关系 1 4 5 钓】，并通过经验系数来识别土地利用或流域非点源污染负荷的模型。这类统计 模型对数据的需求比较低，能够简便地计算出流域出口处的污染负荷，表现了较 强的实用性和准确性，因而在非点源污染研究早期褥到了较为广泛的应用。但是 由于它们难以描述污染物迁移的路径与机理，使得这类模型的进一步应用受到了 较大的限制。另外该模型所包含的区域特征的经验性也限制了模型的可转移性。 2 1 ，2 机理模型 机理模型是通过反映非点源污染产生的过程( 包括污染负荷的产生、变化及 其环境影响) ，模拟非点源污染的一种模型。自上世纪7 0 年代中后期以来，随着 对非点源污染物理化学过程研究的深入和对非点源过程的广泛监测，机理模型逐 l i 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 渐成为非点源模型开发的主要方向，其中著名的有模拟城市暴雨径流污染的 s w 删、s t o r m 模型，模拟农业污染的a r m 模型，以及流域模型a n s w e r s 和h s p 等。 通过参数的合理率定，和模型通用参数的校准，机理模型能对流域不同节点及其 流域出口处的流量和水质做出较为准确的预测。但这类模型所提供的额外精度是 以大量的时间和资源为代价的。 2 1 3 功能模型 功能模型也是一种系统模型，是在经验模型和机理模型的基础上发展起来 的，并有效协调了两种模型的优缺点，是对非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁 移过程进行系统综合模拟的一种模型。功能模型能评价非点源污染物质负荷不同 季节或年际间的变化，并评价长期水质的变化趋势，而且还能描述实际流域内的 土地使用类型和地形构造。美围农业部农业研究所开发的c r e a m s 模型就是一种功 能模型。该模型的研发奠定了非点源模型发展的“里程碑”，它首次对非点源污 染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行了系统的综合 4 7 1 。随着c r e a m s 模型的推出， 相应的不同功能性非点源污染模型在同一时期得到了大力的发展，主要模型有 e p i c 、g l 队m s 、s w r r b 、s w a t 、a g n p s 、w e p p 等。这些尺度和功能各异的模型极大 地丰富了非点源污染模型的内涵。 2 1 4g i s 在非点源模型中的应用 上世纪9 0 年代后期，随着计算机技术的飞速发展和3 s ( r s 、g p s 、g i s ) 技术在 流域研究中的广泛应用，如何提高模型质量和模拟的精确度成为了非点源研究的 一个主要方向。g i s 技术在这方面体现了其巨大的优势。一些功能强大的超大型 流域模型被开发出来。这些模型已经不再是单纯的数学运算程序，而是集空间信 息处理、数据库技术、数学计算、可视化表达等功能于一身的大型专业软件。其 中比较著名的有美国国家环保署开发的b a s i n s t 4 8 1 和美国农业部农业研究所开发 的a g n p s 9 8 ( a g n p s 9 8 网站) 等。这期间模型的应用也得到广泛的推广。例如运用 e p i c 模型评价和预测农业非点源污染1 4 9 1 ，g i s 和a n s w e r s 相结合模拟农业非点源污 染【铷，b h a s k a r 等1 5 l 】与s m i t h 等【5 2 】将g i s 用于水文模型的数据预处理和参数估计， h e s s l i n g 等 s 3 l 将水文模型p h a s e 与g i s 相结合，将遥感数据用于模型区域参数的率 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 定，应用于瑞典m e d i t e r r a n e a n 岛的5 个流域，同时研究了水文过程与植被覆盖之 闻的动态反馈机制。 2 2 非点源机理模型的结构特点 降雨径流过程( 水文过程) 、侵蚀过程和污染物的迁移转化过程是决定非点 源污染特征的3 个主要过程，因此通常非点源模型由水文子模型、土壤子侵蚀模 型和污染物迁移转化子模型构成( 如图2 一l 所示) ： 图2 - 1 典型非点源模型的基本框望 由于应用的目的不同，现实中非点源模型的结构往往更为复杂，可能涉及水 质模拟、气候模拟、作物生长模拟和管理控制费用估算等方面的子模型 ( 1 ) 水文子模型 水文过程是描述非点源污染的基础，水的运动为污染物提供了迁移的介质和 能量，因此水文路径也是污染物迁移豹路径，其描述的合理性和准确性直接影响 到非点源污染模型的模拟结果。早期的非点源水文模型主要多以模拟地表径流为 主，对侧向壤中流则考虑的不多。典型的模型包括c r e a m s 、c n p s 、a n s w e r s 和早 期的a g n p s 模型它们都采用美国农业部水土保持局开发的s c s 水文模型l 邶5 1 来 计算暴雨径流，后来的s w r r b 和e p i c 模型增加了对侧向壤中流的模拟。s w a t 模型 更增加了对浅层地下水的模拟。特别是美国e p a 组织开发h s p f 模型【酃7 】。它采用 的斯坦福流域水文模型p s 涉及了十余个水文过程，但采用如此复杂的水文模型 建立非点源模型并不多见。 ( 2 ) 土壤侵蚀予模型 非点源模型中土壤侵蚀的主要过程指是降雨侵蚀。研究表明，随暴雨侵蚀土 壤流失进入水体的非溶解性磷占总流失磷量的绝大部分【5 钉因此侵蚀过程是非点 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 源污染的重要过程。目前，很多非点源污染模型采用通用土壤流失方程( u s l e ) 1 6 0 , 6 2 1 及其改进形式作为侵蚀子模型，该模型是一个考虑了降雨侵蚀力因子、土壤 可蚀性因子、地形因予、作物管理因子及土壤侵蚀控制措施因子等5 个因素的统 计模型。相反，c r e a m s 、a n s w e r s 和h s p f 等模型则采用了更具机理性的侵蚀模型。 侵蚀过程被分为滴溅蚀、径流冲蚀和径流运移等若干个子过程，并分别进行模拟。 8 0 年代后期，美国u s d a 开发了新一代机理的土壤侵蚀模型w e p p f 6 3 】该模型对 影响土壤侵蚀的气象、水文和水力学条件以及土壤侵蚀的机械过程等进行了全面 模拟，使其各步演算都具有明确的物理意义，从而为提高模型精度创造了必要的 条件，尽管对输入数据的大量需求影响了目前该模型的广泛应用，但是随着空间 地理信息技术的飞速发展。数据将不再是模型应用的阻碍。 ( 3 ) 污染物迁移模型 污染物的迁移过程不仅与水文条件和侵蚀条件有关，还与污染物在土壤中的 物理、化学形态以及分布等密切相关，而污染物各物理化学形态之间的转化以及 在土壤中的分布的变化过程是十分复杂的，这给非点源污染模型提出了十分棘手 而又极富挑战性的课题。非点源模型对污染物迁移的模拟可分为2 类：一类是不 考虑污染物的平衡过程，认为污染物在土壤中的含量是恒定的，典型的有早期的 a g n p s 模型和c n p s 模型等，这类模型往往只将污染物根据物理形态划分为溶解性 和非溶解性2 种，根据土壤侵蚀量和暴雨径流量来计算两种形态污染物的负荷； 另一类是考虑污染物平衡过程，即土壤中污染物的状态和含量是受到各种过程影 响的，如c r e a m s 模型在对氮的模拟中，考虑了地表径流流失、入渗淋失、化肥输 入等物理过程，有机氮矿化、反硝化等化学过程以及作物吸收等生物过程，氮除 了具有溶解和非溶解两种物理状态外，还分为有机氮、作物氮和硝酸盐氮3 种化 学状态。e p i c 和s w r r b 中则增加了氮的生物固定、无机氮向有机氮的转化以及溶 解性氮随侧向壤中流的迁移等过程，有机氮又被划分为活泼( a c t i v e ) 有机氮和惰 性( s t a b l e ) 有机氮两种状态，s w a t 模型在e p i c 基础上又增加了对氨态氮挥发过程 的模拟，而h s p f 对氮平衡的模拟更为复杂，有机氨也被划分为溶解性和非溶解性 2 类，并且通过吸附与解吸过程相互转化。 4 青岛市雨水径流污染模拟及污染物总量计算 23 常见非点源污染模型的比较 l r t l j 非点源模型数量繁多表2 - 1 4 7 l 对目前影响较大、应用较广的1 3 个机 丹授掣进行了总结，并由此可以发现非点源模型发展的一些特点： 1 5 童鱼查堕查丝煎盈塑墼垫壁堡塑塑璺星生塞 表2 - 1 常见非点源模型对比 h s p f 1 9 9 61 9 9 6集中参数流域 ( v 1 1 ) 长期连续i m i n 到斯坦福水文模型；侵蚀模型考虑雨滴【5 6 ，5 7 】 l d溅蚀，径流冲刷侵蚀和沉积作用；污 染物包括氮磷和农药等，考虑复杂的 污染物平衡。 a n s w e r s1 9 7 71 9 9 6分散参数流域开始为单次暴雨期水文模型考虑降雨初损、入渗、坡血【6 4 , 6 5 】 暴雨，后发长为6 0 s ，流和蒸发i 侵蚀模型考虑溅蚀，冲蚀 为长期连续非器雨 和沉积；早期并不考虑污染物迁移t 期为l d后补充了氮磷子模型，复杂污染f 衡。 g r e a m s1 9 7 9集中参数农m d ,长期连续 l d s c s 水文模型，g r e e na m p t 入渗摸【6 6 l 区型，蒸发侵蚀模型考虑溅蚀、冲蚀、 河道侵蚀和沉积；氨磷负荷，简单污 染物平衡 g l e a m s 1 9 8 6集中参数农m d ,长期连续 l d 水文和侵蚀子模型与c r e a m s 相同；【6 7 】 区 污染物更多考虑农药地下迁移过程。 _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ - h - _ - - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ c n s1 9 8 1集中参数农田小欧期连续水文i d s c s 水文模型，入渗、蒸发、融毒： 【6 8 ，6 9 】 区污染物 l m o n 改进通用土壤流失方程，氮磷负荷 简单污染物平衡。 e p i c1 9