（环境工程专业论文）城市非点源污染负荷定量化研究.pdf

摘要 本论文以城市非点源污染负荷为研究对象，总结了目前国内外在城市非点源 定量化计算方面的研究。对目前应用较为广泛的非点源负荷计算模型进行了分析 比较，并深入分析s w m m 模型的模拟机理。在对研究区域苏州古城区南园水系 排水区片进行实地踏勘并调查非点源污染负荷累积冲刷特征的基础上，根据地 形、排水分区、汇水特点，对研究区域进行概化。根据当地的降雨径流实测资料 及经验系数构建基于暴雨管理模型( s w m m ) 的苏州古城区南园水系排水区片 非点源污染负荷计算模型，并对苏州南园水系排水区进行非点源污染负荷定量化 研究。 本文将s w m m 应用于苏州城区内排水区的非点源污染负荷研究，主要研究 内容如下： ( 1 ) 分析研究城市暴雨模型s w m m 在非点源污染负荷计算方面的应用。 对模型的径流模拟系统、污染物累积及径流冲刷模拟系统、管道输送模拟系统的 原理及模型参数进行研究分析，进而讨论s w m m 应用于研究区域非点源污染负 荷模拟的可行性。 ( 2 ) 建立基于s w m m 的苏州古城区南园水系排水区非点源污染负荷计算模 型。根据研究区域g i s 数据信息及实地踏勘信息，借鉴国内外相关研究的模型 模拟参数，在对研究区域进行概化的基础上，建立研究区域的非点源污染负荷模 型。 ( 3 ) 应用苏州吉城区南园水系排水区非点源污染负荷计算模型进行研究区 域的各种设计条件下的非点源污染负荷模拟。论文从“不同降雨强度条件下”、 “不同雨型条件下”、“不同土地利用地表”角度模拟单次降雨非点源污染产污过 程，计算单场降雨产生的非点源污染负荷量及污染负荷过程变化：在此基础上， 进行了“桔水典型年条件下不同非点源控制管理措施条件下”的连续非点源污染 模拟，计算年非点源污染负荷产生量，比较不同非点源污染负荷管理措施及不同 管理效率下对非点源污染负荷的去除量。 关键词：城市非点源s w m m 模型降雨径流地表污染物累积污染负荷 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e dt h en o n p o i ms o u r c ep o l l u t i o nl o a do f c i t y s u m m a r i z e dq u a n t i t y s t u d i e so f n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na l lo v e rt h ew o r l d ，t h em o d e l sw h i c hi sa p p l i e d w i d e l yw a sa n a l y s e da n dc o m p a r e d f h e nt h es i m u l a t i o nm e t h o d so fs t o r mw a t e r m a n a g e m e n tm o d e l ( s w m m ) w e r el u c u b r a t e d a f t e rt h es t u d ya r e aw a se x p l o r a t e d a n dt h ec h a r a c t e r so f p o l l u t a n tb u i l d u pa n dw a s h o f f w a sr e s e a r c h e d ，s t u d ya r e aw a s g e n e r a l i z e da c c o r d i n g t ol a n d f o r ma n ds u b c a t c h m e n t c o n s t r u c t e dt h e n o n p o i n t s o n r c ep o l l u t i o nl o a dm o d e la b o u tn a n y u a nc a t c h m e n to fs u z o uc i t y , q u a n t i t yo f s t u d ya r e aw a s c a l c u l a t e dw i t lt h em o d e l s w m mw a sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nl o a da n dt h em a i n s t u d yc o n t e n ti sa sf o l l o w i n g ( 1 ) s w m m w a sa n a l y s e dh o wa p p l yt o s t u d yn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no fc i t y r e s e a r c ht h er u n o f fs y s t e m ，p o l l u t i o nb u i l d u pa n dw a s h o f fs y s t e ma n dt r a n s p o r t s y s t e m ，f e a s i b i l i t yo f t h em o d e l a p p l y t oa n a l y s i sn o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t i o no fc i t y ( 2 ) c o n s t r u c t e dn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nl o a dm o d e lo nn a n y u a n s u b c a t c h m e n to f s u z h o uc i t y o nt h eb a s eo fd a t af r o mg i sa n ds u r v e yo fs t u d ya r e ao nt h e s p o t ， n o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o nl o a dm o d e lo f s t u d ya r e aw a sc o n s t r u c t e d ( 3 ) u s i n gt h ec o n s t r u c t e dm o d e l ，n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nw a sc a l c u l a t e do n c er a i n u n d e rt h r e es o r t so fd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，w h i c hw e r ed i f f e r e n tr a i ni n t e n s i t y , d i f f e r e n t r a i n t y p e s , d i f f e r e n t i 口埘u s e t y p e t h e nn o n p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n l o a dw a s c a l c u l a t e du n d e rt h el o ww a t e rt y p i c a ly e a r ( 1 9 7 ) i ns u z o uc i t y , a n dm e a n w h i l e n o n - p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n l o a dw a ss i m u l a t e du n d e rd i f f e r e n t n o n - p o i n t s o u r c e p o l l u t i o nm a n a g e m e n t a n dc o n t r o l ，a n a l y s i st h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ng r o s s ，a n d c o m p a r e t oe f f i c i e n c yo f d i f f e r e n tm e a s u r e m e n tt oc o n t r o ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n k e yw o r d ：n o n - p o i n t s o u r c eo f c i t y , s w m m ，r u n o f f , p o l l u t i o nb m l d u p ，p o l l u t i o nl o a d 刚舀 非点源问题是目前国内外环境污染研究的一个热点。国外7 0 年代后期以来， 对非点源的物理化学过程研究逐渐深入，并对非点源进行了广泛监测，机理模犁 的开发逐渐成为非点源研究的主要方向之一。模型开发研究至今，模型已从集总 式、单次暴雨输出或平均负荷分析向分布式、连续时间响应模型发展。随着3 s ( g i s 、r s 、g p s ) 技术的发展，非点源研究与地理信息系统相结合，使菲点源 污染计算的基础资料更为准确，使用更加方便。目前，较为成熟的城市非点源污 染负荷模型主要有s w m m ，h s p f 、s t o r m 、d i l 3 m q u a l 等。 我国城市非点源污染研究起步于2 0 世纪8 0 年代，主要研究城市径流污染的 宏观特征和污染负荷定量计算模型。其中污染负荷定量计算模型研究的方向主要 有3 个方面：径流量与污染负荷相关性分析、水量单位线和污染物负荷单位线以 及地表污染物累积规律。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。我国先后在北京市、苏州市、天 津于桥水库流域、四川沱江、云南滇池等处开展非点源污染负荷研究。 本论文的研究是在导师阮晓红教授的一项国家“十五”重大科技专项基金资 助项目“苏州市水环境质量改善综合示范项目”( 2 0 0 3 a a 6 0 10 7 0 ) 资助下开 展的。通过对苏州古城区内南园水系排水区片非点源污染定量化研究，为苏州古 城区水环境改善综合方案的设计提供依据。 作者在查阅大量国内外有关城市非点源污染负荷定量化计算方面文献的基 础上，比选国内外较为成熟的城市非点源模型的结构、功能，从中选择美国环保 总局开发的暴雨管理模型s w m m 作为本论文的研究模型。论文借鉴前人在城市 非点源污染负荷定量化研究经验，在对研究区域进行实地踏勘并调查非点源污染 负荷累积冲刷特征的基础上，根据地形、排水分区、汇水特点，对苏州古城区南 园水系排水区片、排水管网系统以及汇水路线进行概化。根据当地的降雨径流水 质实测资料及经验系数构建基于暴雨管理模型( s w m m ) 的苏州古城区南园水 系排水区片非点源污染负荷模型，并用于不同设计条件下的城市非点源污染负荷 模拟分析。 本人于2 0 0 2 年就读河海大学环境工程专业硕士研究生以来，在导师阮晓红 教授的悉心指导下，从事水环境规划、评价与水动力水质模拟计算、生物生态强 化净化污染水体技术等方面的研究与应用工作。本论文是在研究生期间的研究与 学习的具体成果。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) 年月日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档。可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布傩嚆刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 城市非点源污染定量化研究的意义 随着国内经济的发展和城市化水平的提高，人们越来越重视城市水体的质 量。在城市生产废水和生活污水收集到位、处理完善的情况下，随地表径流产生 的城市非点源污染问题也日益成为城市河道水体污染的重要来源之一，因而城市 非点源污染负荷的定量化研究也越来越受到人们的关注。 城市污染物在径流形成过程中的迁移和转化是相当复杂的，为了有效地防治 和控制城市径流污染，必须对这个复杂过程进行分析研究，并估算径流冲刷地表 产生的污染负荷。 城市非点源污染定量化计算可为非点源管理和治理提供依据和参考，也是治 理和改善城市水体诸多举措中的重要环节之一。 1 2 城市非点源污染的特征研究 1 2 1 非点源污染的概念 非点源污染是指大气、地面或土壤中的污染物质在降雨淋溶和冲刷下随径流 进入含水层、湖泊、河流、滨岸生态系统等引起的污染忆水环境非点源污染是 指由非点污染源排放的污染物形成的水体污染【2 ，3 。狭义的非点源污染是与降水 过程伴随产生的地表径流污染。与点源污染( 集中排放废污水) 相比，非点源污 染具有许多显著不同的特点，表现为随机性、广泛性、滞后性、模糊性、潜伏性、 研究和控制难度大。其主要特征1 4 概括如下： ( 1 1 发生具有随机性，因为非点源污染主要受水文循环过程( 主要为降雨以 及降雨形成径流的过程) 的影响和支配，而降雨径流具有随机性，所以由此产生 的非点源污染从时空上都具有随机性。 ( 2 ) 污染物的来源和排放点不固定，排放具有间歇性，而点源排放比较有规 律( 如排放量、排放时间、排放地点等) ； ( 3 ) 污染负荷的时间变化( 次降雨径流过程、年内不同季节及年际间) 和空 间( s f 同发生地点) 变化幅度大； ( 监测、控制和处理困难复杂，这是由于以上几点特点决定的。 溺海大学硕士学位论文 城市非点潦圬染负荷定量他研究 1 2 2 城市非点源污染的特点 城市非点源污染不同于农业非点源污染主要表现在降水、产汇流以及污染组 分三个方面。 ( 1 ) 降水特征分析 城市的降雨量和暴雨频率相对高于其周边的农村”。城市将引起局部热状况 等小气候条件的改变，导致降雨要素的变化而引发局部暴雨。城市热岛效应增加 了城市空气上升能量，因此城市雾、云、雨天气明显多于周围乡村，其降水量比 天然条件情况下约高5 1 。由于城市上空尘埃比天然情况下高出几倍甚至 几千倍，这不仅使城市空气污染加重，而且为降水提供更多的凝结核，因而降雨 的水质也劣于农村地区降雨。据统计 6 1 ，在1 9 6 3 年2 0 0 1 年的3 9 年中，苏州市 平均每年发生的暴雨( 日降水量 ，5 0 m m ) 次数为2 4 1 次。前2 0 年平均每年发 生1 ，6 5 次，后1 9 年每年发生3 r 2 1 次。 ( 2 ) 产汇流特征分析 城市的不透水下垫面以及城市的雨水管网系统使产汇流流量增加、速度加 快，更容易引起地表累积物的冲刷，使降雨径流的水质变差。城市化过程使大面 积的地表为不透水表面所覆盖，减少了地表的入渗能力和土壤的蓄水量。由于不 透水地表的入渗量几乎为零，使径流总量增大；不透水表面的高径流系数使得雨 水汇流速度大大提高，从而使洪峰出现时间提前。排水系统的完善，如设置道路 边沟、密布雨水管网合排洪沟等，增加了汇流的水力效率。地表累积物裸露于不 透水的下垫面上，被降雨径流携带入河；沉积在排水系统的雨水口、检查井以及 管道中的污染物质随降雨径流也一起被冲刷至受纳水体，加重城内河道的污染状 况。 ( 3 ) 污染组分特征分析 城市中人口密度增加，人类活动频繁是城市地表污染物累积的主要原因。农 村的降雨径流携带的污染物主要与土壤本底所含各元素以及农业耕作施加的农 药、化肥有关。而城市降雨径流携带的污染组分及浓度随城市区域的功能分布、 城市化程度、土地利用类型、交通量、人口密度和空气污染程度紧密联系两l 。 1 般降雨径流产生的非点源污染物来自三个方面：降水、地表和下水道系统。其中 污染物大概可以分为：悬浮固体( s s ) ，耗氧物质，油脂类物质，酸类物质，有 第一蕈绪论 毒有机物( 除草剂等) 和腐殖质 7 , 8 , 9 , 1 0 j 。 1 2 3 城市非点源的主要来源 城市非点源污染主要来自四个方面：干湿沉降、地表污染物冲刷、排水系统 以及河道的底泥。其中前三个方面是随降雨径流产生的非点源污染的主要方面。 ( 1 ) 于湿沉降 大气的干沉降和湿沉降主要是指大气中的粉尘、烟尘、有毒物质等直接降落 到水面或随同降雨、降雪而降落到水体表面，从而造成水环境地表水体污染i “】。 湿沉降包括降藤和降雪，降水造成的污染主要有两部分：一是降水中污染物 的本底值，二是降水淋洗空气污染物造成的污染。在工业区或者空气污染严重的 地区后者的作用较为明显。研究表明1 7 , 8 1 ：在屋顶产生的径流里，1 0 2 5 的氮、 2 5 的硫和不到5 的磷来自降雨，而在街道商场的停车场、商业区和交通繁忙 街道产生的径流中，几乎所有氮、】6 4 0 的硫和1 3 的磷来自降雨。近年来， 由于大气污染严重，在某些地区和城市出现酸雨，严重时，p h 值达到3 1 ，降雨 初期的雨水为酸性。 ( 2 ) 地表污染物 在城市地表，特别是不透水地面累积的各种污染物质在降雨及其形成径流的 击溅、冲刷和搬运作用下便形成了城市地表径流污染。地表污染物以各种形式积 蓄在街道、阴沟和其它与排水系统宜接相连接的不透水表面上。如行人抛弃的废 物，从庭院和其它开阔地上冲刷到街道上的碎屑和污染物，建造和拆除房屋的废 土、垃圾、粪便或随风抛洒的碎属，汽车漏油与排放的尾气，轮胎磨损，从空中 沉降的污染物，以及因人为活动扰动地表和地下岩土层而破坏原始下垫面结构或 堆置废弃物、构筑人工坡面而造成的水土资源的破坏和流失吼当降雨量超过土 壤下渗量而形成地表径流时，降雨径流便携带着可溶性和非可溶性的媳表污染物 流入雨水排水系统。 ( 3 ) 排水系统 排水系统主要通过两种途径增加非点源污染。是雨水对雨水排水系统内 ( 包括管道、雨水l 二l 和检查井) 沉积物的冲刷；二是管道内旱流污水( 合流制排 水系统) 。对合流制管道系统而言，管道内旱流沉积物的再悬浮是雨水溢流污染 的主要来源。在合流制管道中，旱流流速般都比较慢，很多固体颗粒在管道里 河海太学娘t 学位论文 城市非点澡污染负荷定量化硝究 沉积下来，这些固体常常表现为腐败的或厌氧的淤泥性质。在降雨时，管道内流 速变大，冲刷起这些沉积物，导致溢流污染负荷增大。 ( 4 ) 底泥的二次污染 底泥的二次污染是指河流底部的液固界面上污染物累积和释放的平衡过程 巾发生逆转而导致表层底泥中的污染物质向水中释放。大量事实表明1 “，在 对河流进行截流、清污、疏浚等治理措施后，其水质并未达到预期的效果，其中 1 个主要原因为河床底泥的二次污染。目前该问题已作为水体环境污染的非点源 问题进行研究和治理，从工程上、产生机理上、生物修复技术的运用上做了有益 的探索。 1 3 城市非点源定量化研究进展 1 3 1 非点源污染定量化研究方法 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，可从不同的角度进行研究分析，目前采用较多的方法有： f 1 ) 典型区域的试验小区监测方法 城市非点源污染研究，为弄清不同城市功能区污染物累积规律、污染物含量 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，利用单位负荷量乘研究区域面积 来估算非点源污染产生的负荷量【1 3 1 4 1 5 1 。然后，根据具体的研究目的，采用成熟 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。 ( 2 ) 受纳水体的水质变化 各种污染物最终由地表径流携带进入河流、湖泊、海洋等天然水体，凶而受 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 质的变化来反应非点源污染对水体的影响1 1 舯】，但该方法的缺点是只能得出某种 地表条件组合下径流污染的综合效果，无法解释非点源污染产生的机理。 ( 3 1 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 第一章绪论 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f 的非点源污染 负荷产出规律1 1 4 , 1 5 1 。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。其优点是可以获取野外工作中无法得到数据，可有效解决传统方法的 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。 ( 4 ) 应用数学模型 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 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、负荷定 量化研究途径大体可以分为两种：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 物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【2 2 】。 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 侵蚀和泥沙输移模型、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l 。 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 的至关重要环节。地表下垫面的污染物质类型及其积累数量是非点源的物质基础 【3 5 】。根据模型的复杂性和模拟技术，将它们分为如下三类：简单负荷估值模型、 功能性负荷模型和机理性负荷模型【2 3 l 。这些模型代表了国内外非点源污染负荷定 量化研究进展。 ( a 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与污染物输出之间的经验关系。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 阀簿大学碗上学位论文 城市非点源污染负荷定荤纯硬究 用机制性模型时，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，因此他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物负荷和富营养化问题是足够的。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1 2 ”。 ( b ) 机理性负荷模型 机理性负荷模型能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。如果合理地运用并校准，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的响应时间而改变。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、地下水与地表水 相互作用，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 模型可与生物模拟链按。机理性负荷模型主要有：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【2 3 1 。 ( c ) 功能性负荷模型 功能性负荷模型有效地协调了简单方法的经验性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物负荷不 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 n p s 、s i t e m a p 、g w l f 、 p 8 u c m 等1 2 3 】。 1 3 2 城市非点源污染负荷模型的国内外研究进展 1 3 1 1 国外研究现献 2 0 世纪7 0 年代以前，人类对非点源污染有所认识并开始进行研究，但这个 时期研究多局限于现象的因果分析，定量化研究则寥寥无几h j 。 第一章绪论 从2 0 世纪7 0 年代开始，人们通过大量的调查分析，逐渐认识到点源污染与 非点源污染几乎各占一半。1 9 7 2 年美国水污染控锘0 法修正案的制订标志着 非点源污染研究的重大转折，它规定制定水污染防治规划时，必须同时包括点源 和非点源污染防治规划，并选择了近千个典型的非点源污染流域，观测和分析土 地利用与面源负荷的关系。此时，菲点源污染的研究多为农业菲点源研究。城市 非点源污染的研究主要为雨水水质模型及其相应软件的开发与研制。如：s w m m ( 雨水管理模型) 、h s p f ( 水文模拟程序f o r t r a n ) 、s t o r m ( 储存处理 与溢流模型) 、d r 3 m q u a l ( 扩散式雨水径流模型水质) 等口“。s w m m 2 5 l 由e p a 在1 9 6 9 1 9 7 1 年开发，是最早提出的、最广为人知并广泛应用于城市排水 系统水流水质模拟的模型之一，它已连续得到维护和更新，目前已发展到s w m m v e r s i o n 5 0 。国外许多国家成功的利用s w m m 进行雨水管理。h s p f t 2 6 j 模型是唯 一模拟流域水文水质的模型，可以模拟流域的水量和水质变化，预测径流、地表 水和地下水中的污染物深度，能计算常规和有度的污染物浓度。为了治理合流制 污染问题，美国水文工程中心开发了s t o r m 模型i 2 孙，该模型能模拟市区的降雨、 径流、水质变化过程，并能绘制径流中简单的水量图和污染图( 浓度一时间) 。 s t o r m 主要模拟合流制溢流问题，可以一次模拟6 种污染物( 悬浮颗粒物、沉 淀物、b o d 5 ，总大肠杆菌、氮和磷) 。d r 3 m q u a l l 2 8 1 是美国地质勘察局研制 的。和s t o r m 一样能预测市区的降雨、径流、水质变化过程，并能绘制径流和 地面水中的流量过程图和污染过程图。该模型可以模拟单一降雨事件或者多个降 雨事件，所以对于水量数据输入要求和其他城市水量模型相似，所需数据主要来 源于地形图、市政排水系统分布图，该模型对于水质数据要求较高。 2 0 世纪8 0 年代中期到9 0 年代初，遥感技术、人工模拟试验技术用于非点 源污染研究领域1 2 4 , 2 5 1 ，在数据的获得及背景资源处理等方面取得了极大的进步， 节省了人力、物力、财力。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，地理信息系统技术引入水环境非点源污染的研究 中，其分层处理数据的功能极大地方便了非点源污染的模拟、预测和管理决策p 。 例如，s r i n i v a s a n 和e n g e l 3 1 1 将a g n p s 与g i s 结合，模拟流域径流、侵蚀和氮的 输移。 罚簿太掌礤千学位论文 城市非点游污染负茹定量他研究 1 3 2 2 国内研究现状 2 0 世纪8 0 年代，我国城市非点源污染研究开始研究城市径流污染的宏观特 征和污染负荷定量计算模型。其中污染负荷定量计算模型研究的方向主要有3 个 方面：径流量与污染负荷相关性分析1 1 0 l 、水量单位线和污染物负荷的研究以及地 表累积规律1 2 7 , 2 8 1 。同时由于研究的需要，遥感技术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【3 。 我国先后在北京市、苏州市、天津于桥水库流域、四川沱江、云南滇池等 处开展城市非点源污染负荷的研究| 4 l 。由于非点源污染涉及水文、泥沙、生物、 化学、环境等众多学科，研究难度大费用高。1 9 8 4 年温灼如等对苏州内城暴 雨径流所产生的非点源污染进行了研究，根据大量的实验数据，建立了苏州暴雨 径流污染模型。该模型是以降雨为输入，径流与污染量为输出的确定性集总系统， 其响应函数为线性的水量单位线和污染负荷单位线，实现由净雨量转换为流量和 污染负荷量的计算，用作苏州暴雨排水排污设计和预测。 1 4 城市非点源定量化研究发展方向 l - 4 1 现有国内外污染负荷模型研究的不足 ( 1 ) 城市非点源污染受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 每天迸入河网的污染负荷量相等；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。 f 2 ) 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。非点源污染的研究调查工作 只是在个别城市或个别流域内展开，还缺乏全国性的系统普查分析，这就给建立 适用性较强的模型造成了很大困难。 f 3 1 目前城市非点源污染迁移转化研究大多都是针对c o d 、n 、p 等河道水 第章绪论 体水质常规评价指标，因囿于有毒有害物质的监测困难及费用高昂，对有毒污染 物质的研究涉及较少。而在城市植被管理过程中，会使用杀虫剂、农业肥料等有 害物质；在城市建设过程中，会产生建筑废料，这些物质未清理都将由降雨径流 冲刷对城市河道水体造成危害。 1 4 2 城市非点源定量化研究方向 纵观城市非点源污染研究现状，未来研究将有如下特征： ( 1 ) 非点源污染过程负荷转向大气、水文水质综合系统的模拟。通过建立大 气动力系统模型、陆地系统模型、水动力模型、生态子模型等综合模拟技术已是 非点源污染模型研究的重要方t 3 7 l 。 ( 2 ) 研究基于地理时空概念的非点源模型系统。基于均匀矩形网格的分布式 模型有利于水文模型或非点源模型与g t s 的结合，其充分发挥了g i s ，尤其是栅 格型g i s 的空间分析功能。实关键在于解决两者时空数据结构的差异。开发与水 文模型、非点源模型相兼容的时空数据结构是未来重要的研究方向。 ( 3 ) 有毒有害化学物质的污染将开始受到重视。目前，农业非点源模型研究 的对象主要涉及泥沙、富营养物质氮、磷、b o d ，也有一些模型可以模拟农药的 负荷与迁移转化。城市植被管理过程中也会使用杀虫剂、农业肥料等有害物质， 在未来的研究中，应该更加关注这些物质在城市非点源污染负荷的贡献率。 ( 4 ) 平原水网地区的非点源污染模拟将日益受到重视。平原水网地区水文过 程一直是国内外重要的研究课题。在我国南方，尤其是长江三角洲地区，河网密 布、地势平坦，是我国经济活动强度很大的地区，水环境非点源污染十分突出， 受人为活动的强烈干预，非点源污染影响尤为严重。因而，应用分布式、连续城 市非点源污染负荷模型研究这些地区酌非点源污染对水体的影响是十分必要的， 也可为综合性治理非点源污染提供依据。 1 5 本文研究思路 1 5 1 论文来源 苏州作为我国著名的历史文化名城和风景旅游城市，水环境污染亦十分突 出，这不仪影响了苏州人民的居住环境和正常生活，同时也减弱了江南水乡的风 情韵味，影响了苏州世界文化遗产城市的声誉。 痂海大学硕士学位论文 濂南非矗涌污染负祷定量化磅究 苏州古城区地势平缓，河网密布，纵横交错，水体的流动主要依靠水利工程 的调控实现。目前苏州市古城区内城河水质较差，均为劣v 类水质，污染特征 以有机污染为主，主要污染因子为氨氮、总氮和总磷等，部分河段时有黑臭现象 发生。苏州古城区污染源有外源与内源，外源包括工业污染源、三产污染源、生 活污染源、城市非点源以及京杭运河的客水污染，内源主要为底泥污染。随着工 业污染源的有效控制以及城市生活污染源及三产污染源的有效收集，京杭运河客 水污染的阻隔，非点源污染已经成为水质恶化的重要污染类型之一。非点源污染 直接影响居民生存环境，污染饮用水源，引起水体的富营养化，破坏水生生物的 生存环境及水体景观，对人民生产、生活产生一定的影响。 本论文题目来源于“苏州市水环境质量改善与综合示范项目”( 国家重大科 技专项研究课题) 中第三子课题“苏州古城区水环境质量改善总体方案”。 1 5 2 研究目标 本论文针对城市非点源污染对城市水体污染的重要性，在调查苏州城市非点 源污染特征及产生途径的基础上，以苏州古城区内的南园水系排水区为研究区 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，为城市非点源污染的治理与 管理提供依据。 1 5 3 研究模型选择 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 r m 、 d k 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 ，表 1 1 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。 第一章绪论 |s w m m h s p fs t o r m d r 3 m q u a l 【主要开发者美国环保局美国环保局美国水文工程中心 美国地质勘查局 径流过程，管道输小搀水区( 尤其是 市区的降雨、径 i 模拟的主要过程 送过程、储水及水综合性的水文、水城市的水文过程 处理过程，污染物质过程和污染物的迁移 流、水质变化过 程。 输运过程转化) 水量( 水文过程线径流率、泥沙负 和径流量) 、水质荷、氮、农药以及水量、总悬浮物、 模拟的主要变量参数( 包括总氯、用户定义的污染b o d n 总氨、正 c o d 、正磷酸盐、物浓度的时间序磷酸盐 总悬浮固体等)列 主要适合于城市 流域模型，模拟连主要适合于模拟 区域的综合性水 续或一次的暴雨城市化地区的离 可以模拟任何时 模型的主要特征量、水质模拟程 过程；既可以模拟 散降雨过程；但也 间的暴雨情况，还 序，可以模拟连续 一般的污染物，又可用于非城市化 可以模拟一组暴 可以模拟有毒有地区和模拟1 年以 雨( 忽视当中的早 或一次降雨过程季) 情况。 机污染物上较长时间序列 模拟净雨类型连续、单次连续、单次连续连续、单次 排水系统流程可以 可以不可以可以 溢流模拟可烈不可以不可以可必 调节池、溢流可以 不可以可以不可以 数据和人员要求 高低一般 一 整个模型复杂性向高 一般般 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、连续模拟模型在城市区域内的排水区和排水管网的非点源污染负荷计算方面 有着较明显的优势。因而，选用s w m m 作为本论文的研究模型，进行非点源污 染负荷的定量化计算。 1 5 4 研究技术路线 本论文的研究技术路线见图1 1 。 涌海大学硕上学位专龟文 城南菲点源污染负葡定量他婿究 径流子系统 输送子系统 确定模型模拟机理 确定模型参数 确定研究内容及任务 s w m m 模型研究 收集资料 建立城市非点源污染负荷模型 下垫面资料 管网资料 水文资料 城市非点源污染负荷计算 i 1 li 不同降雨相同降雨相同降雨枯水年连 频率、同降强度不同频率、不同续降雨、不 雨时程分雨峰过程土地利用同非点源 布下非点条件下非条件下非削减措施 源污染负点源污染点源污染下非点源 荷计算负荷计算负荷分析负荷量计 算 ll 结果分析 l 总结 图1 1 论文研究技术路线图 第二章s w m m 模型系统研究 第二章s 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( m e t c a l f a n d e d d y , e ta 1 ，1 9 7 1 年；h u b e r a n d h e a n e y ，1 9 7 5 年；h u b e r e t a l ， 1 9 8 1 年；h u b e re t a l ，1 9 8 8 年) 。目前已发展至s w m m v e r s i o n5 。最新的s w m m 5 具有友好的可视化界面和方便的前后处理功能5 4 1 。 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 m m 模拟系统主要分为以下几块内容i ( 1 ) 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t r a n s p o r t 模块或e x t r a n 模块使用。 ( 2 ) 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 模拟水流和污染物在排水系统中的输移过程。e x t r a n 模块可精细模拟管道内 复杂的水流情况，但不能模拟污染物的输移过程。 ( 3 1 处理系统 s t o r a g e 厂r r e a t m e n t 模块可表征管网中控制设施对水流和水质影响，也 可计算单元建设成本。 ( 4 ) 系统排出影响( 受纳水体) s w m m 不包括受纳永体计算模块，但提供了与美国环保总局开发的w a s p 模型和d y n h y d 模型的接口。 s w m m 还包括服务模块，如统计模块、绘图模块、联合模块、降雨模块等。 各模块之间的配置关系如图2 1 。 2 7 , 莓x - 学硕士学位论文 城市非点源污染负荷定量纯研究 图2 1s w m m 程序的配置关系h 执行模块( e x e c u t i v eb l o c k ) 安排逻辑单位数给脱机文件，并确定或 后继模块执行。所有进入计算模块和服务模块的通道及他们之问转换都必须由执 行模块中主程序( m a i n ) 来联结，以储存多层检查或永久记录。 c o m b i n e 模块允许多个界面文件的转换，以便把前面多层运算的计算结果 作为后续模块的输入文件。 核心模拟部分主要包括径流模块( r u n o f fb l o c k ) 、输送模块 ( t r a n s p o r tb l o c k ) 、扩充输送模块( e x t r a nb l o c k ) 、贮存，处理模块 ( s t o r a g e 厂r r e 删e n t b l o c k ) ，模型结构如图2 2 所示。 磊l 1 n e i n p u t ， 斗l o f f l n 姬 +l l r n e i n p u ti 图2 2s w m m 结构图【删 第二章s w m m 模型系统研究 如图2 2 所示，输送、扩充输送、贮存处理三大模块都可将该模块的计算结 果作为其他模块和本模块的输入数据。而径流模块仅接受来自降雨模块和温度模 块的输出作为输入数据，而不接受其他计算模块的输出数据。 2 2 径流子系统模拟原理 降雨发生后，部分雨水首先被地表植物截流。在地面开始受雨时，阂地面比 较干燥，雨水渗入土壤的入渗率较大，而降雨起始时的强度若小于入渗率，雨水 被地面全部吸收。随着降雨时间的增长，当降雨强度大于入渗率时，地面产生余 水，待余水积满洼地后，部分余水产生地面径流，称为产流。在降雨强度增至最 大时相应产生的余水率亦最大。此后，随着降雨强度的逐渐减小，余水率亦逐渐 减小，当降雨强度降至与入渗率相等时，余水现象停止，但这时有地面积水存在， 故仍产生径流，入渗率仍按地面入渗能力渗漏，直至地面积水消失