（环境工程专业论文）城市地表径流污染及模型化研究.pdf

摘要【城市地表径流污染及模型化研究】 摘要 近年来，随着非点源污染矛盾的f 益突出，城市地表径流作为城市非点源污 染最主要的类型之一，越来越受到研究人员的关注。 本论文结合浦东新区雨水泵站初期雨水治理课题开展了研究工作，以其昌栈 雨水泵站及周边汇水区域为研究对象，对2 0 0 4 年4 月1 8 号至9 月1 3 号间的典 型降雨事件的实验数据进行了分析和研究。主要研究结果有：( 1 ) 对于完整的一 次独立降雨事件，汇流雨水的污染浓度一般呈现先低、后高、再降低并趋于稳定 的变化规律；( 2 ) 泵站汇流的e m c 浓度与降雨量基本呈负相关，以幂函数的拟 合效果最好；( 3 ) 污染排放负荷随着降雨量的增加而明显增加，但增幅渐缓；( 4 ) 泵站排江量主要取决于降雨量的大小，但也受降雨历时的影响；( 5 ) 泵站汇流的 e m c 浓度随排江量的增大基本呈降低趋势；( 6 ) 根据初期效应的3 个判别标准， 其昌栈泵站的排江过程初期效应不明显。 同时，本论文根据s a r t o r 等人的相关理论，研究建立了城市地表非点源污染 的积聚、冲刷、输运模型，并对长期地表径流污染负荷进行了模拟，然后，根据 实测数据，对模型参数进行了率定和验证，最终得到了适合本研究区域的城市地 表径流非点源污染模型： ( 1 ) 地表污染物积聚方程：只= 2 3 8 8 一o 1 3 2 e 0 4 8 7 8 ( 5 - ” 只，。= 0 3 1 1 2 一o 0 0 9 1e 0 6 2 7 3 ( 5 一。) ( 2 ) 地表污染物冲刷方程：。一( ：_ 0 。= l o - u o d ( 1 一e - o o s v s r ) t m 、= l o m ，( 1 一e “3 ”) ( 3 ) 泵站出口断面污染负荷过程线方程： 口而l o k o k 3 r , e x p ( - k 3 r ) l ，一志k 3 r , 一岛尼见( 民一) i ( 4 ) 长期地表径流污染负荷方程： 华盛顿模型：三m = o 0 1 x 0 9 x 0 8 0 6 x 1 6 6 x 5 8 3 4 ( r r ) = 7 0 3 r ， l a i = o ，0 1 x 0 9 0 8 0 6 1 6 6 x 8 ，7 7 0 ( r ，、= 1 0 6 r ， e p a 模型：m y c o d = 1 3 0 7 r y 0 2 2 3 4 2 = 6 1 2 2r y 【上海大学硕= 匕学位论文】 摘要【地市地表往流污染及模型化研究】 m y n h 3 = 1 96 5 x r y 02 x 2 3 4 2 = 9 2 0 4r y 本论文最后讨论了研究中所存在的主要问题及局限性并提出了建议。本论文 研究成果可以为城市非点源污染的控制和治理提供借鉴，也可为估算非点源污染 负荷提供依据。 关键词：非点源污染城市区域地表径流雨水泵站污染物积聚模型 污染物冲刷模型 【上海人学硕士学位论义】i i 一塑! l ! 塑立丝墨堡鎏塑鲞墨塑型些型茎! a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gt r e n di nt h ec o n t r a d i c t i o n so fn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，u r b a n s u r f a c er u n o f ea so n eo f t h em o s ti m p o r t a n t t y p eo f n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，i sp a i d m o r ea t t e n t i o nb yt h er e a s e a r c h e r , r e c e n t l y c o m b i n i n gt h ef i r s tf l u s hc o n t r o ls u b j e c to fr a i n w a t e rp u m pa tp u d o n gn e wa r e a ，t h i s p a p e rt a k e sq i c h a n g z h a nr a i n w a t e rp u m pa n di t si n f l u xa r e an e a r b ya sr e s e a r c h o b j e c t ，a n a l y s e sa n ds t u d i e st h ee x p e r i m e n td a t ao f 9r a i n f a l l sd u r i n gt h ep e r i o do fi8 出 a p r i lt o1 3 ”s e p t e m b e ri n2 0 0 4 t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t e ：( 1 ) t h ew a t e ra u a l i t v p a r a m e t e r so ft h ep u m ps t a t i o n sc o n f l u xh a v ec e r t a i np e r t i n e n c e ；( 2 ) e m cd e n i t yo f p u m pf l u xn e g a t i v e l yc o r r e l a t e sw i t ht h er a i nv o l u m e ，a m o n gw h i c hp o w e rf u n c t i o n a p p r o x i m a t i o ni st h eb e s t ；( 3 ) t h ep o l l u t i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e so b v i o u s l yw i t ht h e i n c r e a s eo f r a i n f u l lw h i l et h ew a v e ri ss l i i g h t ；( 4 ) p u m pd i s c h a r g ei sm a i n l yd u et ot h e h e a v yd e g r e eo ft h er a i n f u l lb u ta l s oi n f l u e n c e db yt h et i m e ；( 5 ) t h ee m c d e n i t yo f t h e p u m pf l u xd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed i s c h a r g e ；( 6 ) t h ei n i t i a le f f e c to ft h e d i s c h a r g ep r o c e s sa tq i c h a n g z h a np u m ps t a t i o ni sn o to b v i o u sb a s e do nt h et h r e e d i s c r i m i n a t i o ns t a n d a r d sf o rt h ei n i t i a le f f e c t a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rs e t su pt l 】eb u i l du p ，w a s h o f fa n dt r a n s p o r t a t i o nm o d e l s f o ru r b a ns u r f a c en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nb a s e do nt h es a r t o r sr e l e v a n tt h e o r i e s a n di m i t a t e st h ep o l l u t a n tl o a df o rl o n g t e r ms u r f a c er u n o f f , t h e n ，d e t e r m i n e st h e p a r a m e t e r sa n dv e r i f yt h em o d e l sa sw e l lt of i n do u tt h es u i t a b l em o d e lf o ru r b a n s u r f a c er u n o f f n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt h er e s e a r c h i n ga r e a ( 1 ) s u r f a c ep o l l u t a n tb u i l du pe q u a t i o n ：只m ，= 2 3 8 8 0 1 3 2 e oa , 8 t g ( 5 - t ) | p 一。= 0 3 11 2 00 0 9 1e 0 6 2 7 3 5 7 ( 2 ) s u r f a c ep o l l u t a n tw a s h - o f f e q u a t i o n ：t 一= 厶一( 卜p 。0 8 ) t m ，= l o m ，( 1 一e 0 ”) ( 3 ) p r o c e s sl i n ee q u a t i o nf o rp u m pe x i ts e c t i o np o l l u t a n tl o a d ： 【卜锥人学硕十学位论文】 1 1 1 塑壁 ! 塑塑丝墨堑鎏塑銎丝堡型垡堡塑! c = 再l o k 0 k 3 r , e 卅呐 - 一意祷 ( 4 ) l o n g t e r ms u r f a c er u n o f f p o l l u t a n t l o a de q u a t i o n ： w a s h i n g t o n m o d e l ：l cr m = o o l 0 9 0 8 0 6 1 6 6 5 8 3 4 ( r ，) 5 7 0 3 r ， t 一，= 0 0 1 0 9 x 0 ，8 0 6 1 6 6 g 7 7 0 ( r 1 = 1 06 r r e p a m o d e l ：m y c o d = 1 3 0 7 x r v x 0 2 x 2 3 4 2 = 6 1 2 2r y m y n h 3 = 1 96 5 x r v x 0 2 x 2 3 4 2 = 9 2 0 4r y f i n a l l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ee x i s t i n gm a j o ri s s u e sa n dl i m i t a t i o n so ft h es t u d ya n d p r o p o s e st h er e c o m m e n d a t i o n sf o rt h ef u t u r e t h ea c h i e v e m e n to f t h i sp a p e rc a nb e u s e da sar e f e r e n c ef o ru r b a nn o n p o i n ts o u c c ep o l l u t i o n ，w h i c hf u r n i t u r e st h e g u i d a n c et oa s s e s sn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t a n tl o a d k e y w o r d s ：n o n - p o i n ts o l l r c ep o l l u t i o n ；u r b a na r e a ；s u r f a c er u n o f f ；r a i n s t a t i o n ； p o l l u t a n tb u i l du pm o d e l ；p o l l u t a n tw a s h - o f f m o d e l 【l 二犯、学硕十学位论文1 i v 目录 【城市地表释流污染及模型化研究】 表格目录 袭1 一i6 种土地类犁地表径流的污染负荷 表1 - 2 美国城市雨水j 寻：流水质特征， 表1 3 北京交通繁华区地表沉积物中污染物含最 表2 - 1上海市2 0 0 4 年城镇污水处理及输送量 表3 - 1其昌栈雨水泵站早流污水水质 表3 - 2 其昌栈雨水泵站汇流水质与其它数据对照 表3 - 3 取样及水质分析测试汇总一 表3 - 4 各次降雨事件中水样c o d c ，与其它水质参数间的相关性 表3 - 5 污染平均浓度及排江最汇总表 表3 - 6 降雨量与污染平均浓度的相关性分析 表3 7 排江过程初期效应分析表 表5 - 19 次典型降雨实测污染总负荷及相关数据汇总 表5 - 2 每场降雨地表污染排放负荷及单位面积负荷 表5 - 3c o d c ，积聚模型k 、k ，计算验证表 表5 4n h 3 n 积聚模型k 、k ，计算验证表 表5 - 5c o d c ，冲刷模型k 、计算数据 表5 - 6n h 3 _ n 冲刷模型k ，计算数据 【上街火学颂上学位论文】 8 13 18 2 6 2 6 2 7 2 8 3 6 3 7 4 5 6 3 6 4 6 8 6 9 7 】 7 2 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 盘l 壁1日期：! 坚：堡：型 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：凿剐i导师签名签名： 鱼l 。鲨!导师签名 p 醐：一 第1 带概述 【城市地表径流污染及模型化研究】 第1 章概述 水资源既是国民经济和社会发展不可或缺的基础自然资源，又是至关重要的 战略性经济资源，是一个国家综合国力的有机组成部分，是实现社会可持续发展 的基本保障。然而，伴随着世界各地对水资源日益增长的需求，加之生态环境不 断遭受人为破坏，水资源逐渐衰竭，从上世纪6 0 年代开始，水资源危机越来越 严重地威胁着人类社会的生存和发展【i ，2 】。按目前趋势，根据有关专家的分析， 到2 0 2 5 年，将有4 6 5 2 个国家进入缺水国家行列，涉及入口2 7 8 3 2 9 亿诤i 。 就我国而言，虽然水资源总量居世界第六位，但是人均占有量还不到世界平均值 的l 4 ，并且时空分布极不平衡。1 9 9 8 年，我国被联合国列为全球1 3 个最缺水 的国家之一 4 , 5 1 。如何有效地节约、利用、保护水资源并防治水环境污染，一直 是世界各国广泛关注的课题。 1 1 非点源污染介绍 1 1 1 非点源污染的含义 根据污染传播的方式和途径不同，水环境污染大致可分为点源污染和非点源 污染( 也被称为“面源污染”) 两大类【6 】。点源污染是指以点状形式排放污染物 而使水体造成污染，主要指的是集中排放的工业废水和城市生活污水所造成的污 染。非点源污染与点源污染相对应，是指溶解的或固体污染物从非特定的地点， 在降水和径流冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体( 如河流、湖泊、水库、 海湾等) ，引起的水体污染f 7 1 。美国清洁水法修正案( 1 9 7 7 ) 对非点源的定义 为：“污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水体”i 8 1 。 在过去传统的重点源轻面源的意识指导下，在包括我国在内的许多国家里， 点源污染因其排放相对集中，比较容易控制，已经得到较好的控制和治理，但是， 非点源污染的严重性却有所忽视【9 j 。在美国，即使联邦水污染控制法( f e d e r a l w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o l a c t ，1 9 7 2 ) 中规定了点源污染在1 9 8 5 年前达到零排放也 未能彻底控制水体污染。据报道吼2 0 世纪7 0 年代非点源污染对美国水体污染 贡献为：总悬浮固体的9 2 ，总氮的7 9 ，总磷的5 3 ，大肠杆菌的9 8 ：2 0 【i 渐火学砸l 学位论文】 1 第l 章概述【城市地表径流污染及模型化研究】 世纪8 0 年代数据为b o d 的5 7 ，总磷的8 7 ，总氮的5 8 ，总悬浮固体9 8 。 根据u s e p a ( 美国国家环保署) 1 9 9 5 年的报告，6 0 的水资源污染起源于非点 源污染 】，由此可见非点源污染俨然己成为其水环境污染的第一因素。在我国， 近年对滇池、太湖和淮河等重大河流湖泊流域污染问题的调查研究结果都表明面 源污染在其中起着重要作用，例如在滇池富营养化过程中，工业废水、城市污水 及面源的污染分担率分别为9 、2 4 和6 7 l l h o 非点源污染，由于涉及范围广、 控制难度大，目前己成为治理水环境污染的重点和难点。 1 1 2 非点源污染的分类 非点源污染主要起源于区域的水土流失、与农业相关的面源污染、城镇地表 径流、矿区和林区地表径流以及大气干湿沉降等f 1 2 l 。 ( 1 ) 水土流失是规模最大、危害程度最严重的一种非点源污染，在水土流 失过程中，泥沙、污染物以及土壤表层的有机质随着土壤侵蚀进入水 体，形成污染。 ( 2 )农业面源污染主要是指农业、畜牧业活动中，土壤环境受到破坏和扰 动，再加上广泛施用肥料和农药，家畜粪便和垃圾的堆放以及污水灌 溉等所引起的水体污染。 ( 3 ) 城市地表径流污染主要是指降雨过程中，地表沉积物和大气沉降物， 如原油、栽分、氮、磷、有毒物质等在雨水和径流的淋溶与冲刷作 用下，扩散性进入河流或湖泊，导致地表水或地下水体受到污染【1 3 】。 ( 4 ) 矿区和林区地表径流污染主要是指由于人类活动使得土壤结构和植被 面貌被破坏，从而导致水土流失加剧以及各类污染物随地表径流进入 水体造成污染。 ( 5 ) 大气干湿沉降所带来的污染是指大气中的有毒物质直接降落或随同降 雨或降雪降落在土壤或水体表面。 1 2 城市地表径流污染的特征和危害 1 2 1 城市地表径流污染的特征 城市地表径流污染是城区水环境非点源污染最主要的类型之一，通常被称为 【卜海大学颂1 4 学位论文】 第1 幸概述 【城市地表径流污染髓模型化研究】 世纪8 0 年代数据为b o d 的5 7 ，总磷的8 7 ，总氮的5 8 ，总悬浮固体9 8 。 根据u s e p a ( 美国国家环保署) 1 9 9 5 年的报告，6 0 的水资源污染起源于非点 源污染】o l ，由此可见非点源污染俨然己成为其水环境污染的第一因素。在我国， 近年对滇池、太湖和淮河等重大河流湖泊流域污染问题的调查研究结果都表明面 源污染在其中起着重要作用例如在滇池富营养化过程中，工业废水、城市污水 及面源的污染分担率分别为9 、2 4 和6 7 f 1 1 1 0 非点源污染，由于涉及范围广、 控制难度大，目前已成为治理水环境污染的重点和难点。 1 1 2 非点源污染的分类 非点源污染主要起源于区域的水土流失、与农业相关的面源污染、城镇地表 释流、矿区和林区地表径流以及大气干湿沉降等”】。 ( 1 ) 水土流失是规模最大、危害程度最严重的一种非点源污染，在水土流 失过程中，泥沙、污染物以及土壤表层的有机质随着土壤侵蚀进入水 体，形成污染。 ( 2 ) 农、世面源污染丰要是指农业、畜牧业活动中，土壤环境受到破坏和扰 动，再加上广泛施用肥料和农药，家畜粪便和垃圾的堆放以及污水灌 溉等所引起的水体污染。 ( 3 ) 城市地表径流污染主要是指降雨过程中，地表沉积物和大气沉降物， 如原油、黼分、氮、磷、有毒物质等，在雨水和径流的淋溶与冲刷作 用下，扩散性进入河流或湖泊，导致地表水或地下水体受到污染”l 。 ( 4 ) 矿区和林区地表径流污染主要是指由于人类活动使得土壤结构和植被 面貌被破坏，从而导致水土流失加剧以及各类污染物随地表径流进入 水体造成污染。 ( 5 )大气干湿沉降所带来的污染是指大气中的有毒物质直接降落或随同降 雨或降雪降落在土壤或水体表面。 1 2 城市地表径流污染的特征和危害 1 2 1 城市地表径流污染的特征 城市地表径流污染是城区水环境非点源污染最主要的类型之一，通常被称为 城市地表径流污染是城区水环境非点源污染最主要的类型之一，通常被称为 【j - 海大学坝七学位论_ ，= ! = 】 第l 章概述【城市地表径流污染及模型化研究】 世纪8 0 年代数据为b o d 的5 7 ，总磷的8 7 ，总氮的5 8 ，总悬浮固体9 8 。 根据u s e p a ( 美国国家环保署) 1 9 9 5 年的报告，6 0 的水资源污染起源于非点 源污染 】，由此可见非点源污染俨然己成为其水环境污染的第一因素。在我国， 近年对滇池、太湖和淮河等重大河流湖泊流域污染问题的调查研究结果都表明面 源污染在其中起着重要作用，例如在滇池富营养化过程中，工业废水、城市污水 及面源的污染分担率分别为9 、2 4 和6 7 l l h o 非点源污染，由于涉及范围广、 控制难度大，目前己成为治理水环境污染的重点和难点。 1 1 2 非点源污染的分类 非点源污染主要起源于区域的水土流失、与农业相关的面源污染、城镇地表 径流、矿区和林区地表径流以及大气干湿沉降等f 1 2 l 。 ( 1 ) 水土流失是规模最大、危害程度最严重的一种非点源污染，在水土流 失过程中，泥沙、污染物以及土壤表层的有机质随着土壤侵蚀进入水 体，形成污染。 ( 2 )农业面源污染主要是指农业、畜牧业活动中，土壤环境受到破坏和扰 动，再加上广泛施用肥料和农药，家畜粪便和垃圾的堆放以及污水灌 溉等所引起的水体污染。 ( 3 ) 城市地表径流污染主要是指降雨过程中，地表沉积物和大气沉降物， 如原油、栽分、氮、磷、有毒物质等在雨水和径流的淋溶与冲刷作 用下，扩散性进入河流或湖泊，导致地表水或地下水体受到污染【1 3 】。 ( 4 ) 矿区和林区地表径流污染主要是指由于人类活动使得土壤结构和植被 面貌被破坏，从而导致水土流失加剧以及各类污染物随地表径流进入 水体造成污染。 ( 5 ) 大气干湿沉降所带来的污染是指大气中的有毒物质直接降落或随同降 雨或降雪降落在土壤或水体表面。 1 2 城市地表径流污染的特征和危害 1 2 1 城市地表径流污染的特征 城市地表径流污染是城区水环境非点源污染最主要的类型之一，通常被称为 【卜海大学颂1 4 学位论文】 第l 章概述【城市地表径流污染及模型化研究】 狭义的非点源污染 1 4 , 1 5 】，是指在降雨过程中，雨水及所形成的径流，在流经城市 各类地表t 如商业区、居民区、街道、停车场等) 时，通过淋溶和冲刷作用。将 其地表可溶的或固体的沉积物及大气沉降物从非确定的地点，以径流形式汇入附 近水体，而造成污染。许多文献都提到，在面源污染中，城市地表径流是仅次于 农业面污染源的第二大面污染源【1 1 , 1 4 , 1 6 ，u s e p a 把其列为导致全美河流和湖泊污 染的第三大污染源1 1 0 】。 虽然对受纳水体的影响机理方面，城市地表径流污染和点源污染没什么不 同，但是作为非点源污染的重要类型之一，仍有非点源污染的一些特点： ( 1 ) 水质成份复杂。这是因为地表径流中的污染物来自三个方面：降雨、 地表冲刷和下水道系统。降雨中的污染物主要是大气中的可溶解性污 染物；地表的污染物来自她表污染物积聚，这部分污染物是径流的主 要污染负荷；下水道系统对城市径流水质的影响主要是雨水管网中沉 积污染物或来自合流管道中的污水。 ( 2 ) 城市暴雨径流量冲击负荷较大，以1 平方公里区域l 小时降雨2 0 m m 计算( 径流系数取0 7 0 ) ，产生的径流量可达到1 4 0 0 0t h a ，这样大的 冲击负荷比一般点源要大得多。 ( 3 )影响因素众多，具有很大的随机性。根据其污染发生的特性，影响城 市地表径流污染的因素众多，包括气象条件、地质条件、地利用类 型、城市整体环境卫生状况以及人的活动等等，所以不同城市或者不 同年份的污染情况可能大不相同。 ( 4 ) 难以进行源头监测。因为城市地表径流污染物的绝大部分是沉积物和 沉降物，难以甚至是无法追踪真正污染源头。即便源头监测可以进行， 也应该进行土地监测，多有不便。 ( 5 ) 比点源污染难控制也难处理。因为城市地表径流污染受诸多因素影响， 且冲击负荷较大，排放点分散，因此传统的生物活性污泥法治理暴雨 径流雨水是有一定困难的，即使采用调节池或贮存池的方式先收集后 处理，在运行管理上也有定难度。 除了上述特点之外，城市地表径流还有一些区别于其它面源污染的自身特 点，如污染浓度高，与未经处理的城市生活污水基本在一个数量级；污染物浓度 随降雨历时和径流时间而变化，并具有一定的规律旧。 【r 海大学硕士学位论文】 3 第l 章概述【城市地表径流污染及模型化研究】 也有研究人员认为城市地表径流还具有点源污染的特征】，因为污染物自城 市地表经由排水系统进入受纳水体，具有点源排放形式集中排放的特征，也 就是说城市地表径流兼具面源和点源的双重特征。 1 2 2 城市地表径流污染的危害及影响因素 1 2 2 1 城市地表径流的污染源及其危害 因为地表沉积物和大气沉降物是城市地表径流中污染物的主要来源，所以它 们的组成决定着城市地表径流污染的性质。城市地表沉积物和大气沉降物包含许 多污染物质，主要有积聚的生活垃圾、建筑施工场地的堆积物、动物粪便、透水 性区域的绿化带肥料和农药、车辆排放物和泄漏物、轮胎磨损、大气降尘以及未 开发地块的水土流失等。当然，具有不同土地使用功能的城市地表，其污染物不 同。城市非点源污染中含有许多危险性的污染物，如铅、锌、石棉、油类、多氯 联苯等对受纳水体的水质污染较严重。另外，由于城市工业生产排放的污染气体 进入大气后，在降雨的作用下又回淋到地表，这部分污染源也属面源，但一般也 将其纳入地表径流的研究范围。 城市地表径流对城市水体环境的危害可以从三方面加以分析惰】： ( 1 )物理化学方面 地表径流中一般含有固体物质、营养物质、好氧物质、有毒物质等四类污染 物，这些污染物会对受纳水体及地下水产生多方面不良影响，例如，造成水体淤 积，引起水体富营养化，消耗水体中的溶解氧，使得水质恶化，污染饮用水源， 毒害水生生物甚至是通过食物链毒害人类等等。此外，城市地表径流还会对受纳 水体造成热污染。 ( 2 ) 微生物方面 城市地表径流携带的动物和人类排泄物中存在大量病原菌和病毒，排入水体 会严重威胁居民健康。 ( 3 ) 美学景观方面 城市水体生态环境的恶化自然会带来美学景观方面的不良影响，同时，城市 地表径流携带的诸如漂浮物、油类等明显污染物也会真接影响受纳水体的美学价 值降低水体的社会经济价值。 【i ：船夫学坝。l ：学位论文】 第1 章概述 【城市地表径流污染及模型化研究】 1 2 2 2 城市地表径流污染的影响因素 影响城市地表径流污染的因素众多，具体来讲，主要有以下几方面： ( 1 ) 降雨特征 降雨特征主要包括降雨强度、降雨量、降雨历时、两场降雨间隔时间以及风 况等几个方面。 降雨强度以及风况等决定着雨水淋洗地表污染物的能量的大小；降雨量决定 着稀释污染物的水量：降雨历时既决定着污染物被冲刷的时( 白_ i 也决定着降雨期阃 附着在植物、构筑物上的污染物向地表输送的时间；降雨间隔时间决定着地表污 染物的积聚程度。 ( 2 ) 城市土地利用类型 城市土地利用类型决定着污染物的性质、积累速率以及径流系数。土地利用 类型可以分为：繁华商业区、工业区、交通区、居住区、绿化区以及建筑施工区。 其中，建筑施工区由于地表和植被被破坏，地表径流中的悬浮物浓度一般都比较 高；繁华商业区和交通区的污染一般高于较低密度的居民区，特别是诸如p b 之 类的重金属；工业区地表径流的污染依赖于其产业特性和生产作业性质；绿化区 的地表径流污染主要来源于施用的肥料和农药。 美国b r e z o m kp l 等人1 9 1 在某城市对6 个不同土地类型进行污染负荷测试分 析，结果如表1 1 。 表1 - 16 种土地类型地表径流的污染负荷 注：( 1 ) 单位：m g l ；( 2 ) l q 中至少有5 0 钓居民用地r5 中至少有5 0 的商业、1 二业 刚地，6 中没有一种用地类烈超过5 0 。 【卜海大学坝t ：学位论文】 第l 章概述 【城市地表径流污染及模型化研究】 ( 3 ) 屋顶及地表的铺设材料 对于屋顶而言，屋面污染物主要为干沉降物和屋面材料的分解产物，沥青油 毡屋面明显地比瓦屋面污染严重，同时，沥青油毡屋面的雨水水质变化幅度也很 大，除了降雨的冲刷和稀释作用外，屋面材料的性质，如材料的类型、新旧程度 等是水质污染的最根本原因1 2 。 对于地表而言，沥青路面渗出比较严重；混凝土表面的径流冲刷能量大，污 染也较严重：铺砌和卵石表面如果保养良好，污染却相对较低1 2 ”。与屋面情况相 似，地表铺设材料的类型和新旧程度是其表面径流污染的重要决定因素。 ( 4 ) 街道清扫状况 街道清扫的工作方式在很大程度上影响地表径流的污染程度【2 2 。一般的道路 清扫设备如机械清扫器和真空清扫器只能去除较大粒径的颗粒( 2 m m 以上) ，而 对小颗粒清除效果不好 6 , 1 1 1 。国外有学者研究表明1 2 ”，常规的路面清扫最多只能 去除3 0 的污染物。水清扫能去除掉较小颗粒，明显提高清扫效果，对于合流 制系统，还能减少雨水对管道的冲刷，但是会加重污水处理厂负荷。此外，清扫 频率对地表颗粒的去除也有重要影响。 ( 5 ) 排水系统的体制和保养状况 不同排水体制下，泵站排江水的污染程度和污染构成有明显的差别。城市合 流制下水道溢流的水质与城市污水具有些相似的特征，特别是b o d s 浓度与未 经处理的城市污水相近f 2 4 ) 。而分流制排水系统中s s 浓度要髋显大于城市污水的 值，其它污染物浓度则相对较低j 。 下水道中的沉积物在暴雨时极易受到冲刷而再次悬浮，造成受纳水体严重污 染，特别是合流制排水系统中，此现象更明显。因此，管道的维护和疏通是否即 时和彻底对暴雨期排水的水质也有非常蓖要的影响。 除了上述几个主要因素以外，人为活动、地面污染状况、空气质量状况以及 气候等因素也对地表径流的污染状况有着重要影响。 1 3 国内外城市地表径流污染研究概况 根据美国1 9 7 2 年通过的联邦水污染控制法( f w p c a ) 中的零排放原则 在俄亥饿河和五大湖区，当把所有工业废水和城市生活污水全部截流处理之后 【j 二海大学硕十学位论文】 第1 章概述【城市地表径流污染发模型化研究】 水体污染问题并未得到彻底解决，究其原因，发现是面源污染的作用。于是，e p a 在1 9 7 7 1 9 8 1 的科研计划中，正式提出了面源污染控制的研究课题，其中也包括 城市地表径流引起的污染。受其影响和启发，世界其它国家在饱尝面源污染的困 扰之后，也相继开始对面源污染进行全面研究。 1 3 1 国外研究概况 1 3 1 1 一般性研究 从2 0 世纪7 0 年代开始，美国、法国、英国、日本等国对城市暴雨径流进行 了大量研究，在暴雨水质的研究、治理和管理计划方面有很大发展，大致包括 2 5 ，2 6 】： ( 1 ) 建立了城市暴雨雨水监测网，监测降雨量、地面径流、蒸发、土壤渗 透等； ( 2 ) 城市规划数据库的建立，并与整个流域性暴雨雨水管理相协调； ( 3 ) 研究城市地表径流水质和暴雨雨水水质及其变化规律和控制措施； ( 4 ) 根据现有排水系统的能力提出其对地区经济、社会和环境的影响； ( 5 )城市规划对旧排水系统的影响； ( 6 ) 制定暴雨雨水管理的相关法律和准则； ( 7 ) 成立有关管理机构。 国外在雨水径流对受纳水体的影响方面研究较多，美国从上世纪7 0 年代末 开始调查全国范围内的2 4 6 个主要水流域的非点源污染情况，发现有8 7 受到 非点源污染f 2 7 1 。1 9 8 6 年又对1 i 1 万于米河流进行了监测，发现非点源污染物占 污染物总量的6 5 【2 8 i 。同期法国和日本等国的类似研究发现，受纳水体的4 0 8 0 的b o d 5 负荷来自非点源污染。 对城市暴雨径流的污染及控制研究方面最有代表性的是美国环保署( e p a ) 1 9 8 1 年开始实施的国家城市径流监测计划( n u p r ) 【2 5 ，3 0 】，浚计划收集了许多大 城市的暴雨水水质数据资料，并进行了详尽的研究，于1 9 8 3 年提出了城市暴雨 径流得主要污染评价指标，如悬浮固体、有机物、植物营养物和重金属，其特征 值如表1 - 2 。e p a 在历经2 0 年大规模收集分析大城市雨水径流水质数据的基础上， 研究制定了城市雨水资源管理和雨水径流污染控制的“最佳管理方案”( b m p ， 【上海太学倾士学位论文】 第1 章概述【城市地表径漉污染披模型化研究】 b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e ) 。美国在城市雨水径流的治理上分别从技术、经济和 政策三个层面来着手【2 “，在技术层面，主要是完善城市污水管理体系，建人工沉 积塘，采用湿地处理以及水体生态修复工程等；在经济层面上，以量化面源污染 为基础，从经济角度来开展费用效益分析研究，进行经济评估和有效性评价：在 政策层面，主要是积极立法，1 9 7 2 年联邦水污染控制法( f w p c a ) 首次明 确提出控制非点源污染，并于1 9 8 7 年进行修订，进一步提出对城市雨水径流污 染进行有效管理。1 9 7 7 年修订的清洁水法( c w a ) 进一步强调非点源污染控 制的重要性，1 9 8 7 年水质法案( w q a ) 则明确要求各州对非点源污染进行 系统的识别和管理。 表1 2 美国城市雨水径流水质特征 目前国外发达国家对城市暴雨径流的污染控制和管理都已有较完善的法规 体系，并开展对面污染源影响评价f 2 6 j 。在控制管理方面也有很多实践，如限制雨 水直接排放，收取丽水排放费。建造雨水截流、储存和回用设施。德国在9 0 年 代已基本实现对城市雨水的污染控制，最典型的措施是修建大量的雨水池截留处 理合流制和分流制管网系统的污染雨水，以及采取分散式处理措施。新西兰【如1 于1 9 9 2 年完成雨水处理装置( s t o r mt r e a t m e n td e v i c e s ) 设计指南，2 0 0 0 年出版 了控制雨水径流污染技术手册。英国小城镇利用湿地系统处理雨水径流，法国使 用高密度沉淀池处理机场跑道雨水径流等。 【上海人学硕士学位论文】 第l 芾 【述 【城市地表径流污染及模型化研究】 1 3 1 2 模型化研究 为了深入了解污染物在地表径流中复杂的迁移和转化规律，同时研究城市规 划、土地利用发生变化后，城市暴雨期地表径流水质的变化情况，为可能出现的 污染提出可行的控制措施，需要采用模型化手段进行模拟和预报。 l 受纳水体水质模型l 污染物迁移转化过程模型l 侵蚀和泥沙输移模型 i降雨径漉模型 图1 1 非点源污染模型屡次结构简图 由于非点源污染与自然界的水文循环密切相关，所以，城市地表径流的模型 化研究要大量引入水文模型，同时还要借助水文学、水力学、流体力学等学科的 基础知识。在建立非点源模型时，必须对整个过程进行系统分析，并划分出相互 联系的几部分，分别进行模型化，再根据它们的相互联系综合各部分内容，形成 一个完整的模型。非点源污染模型的一般层次结构如图1 - 1 所示1 3 ”。 国外对城市地表径流污染模型化研究开始于7 0 年代初，模型通常可分为功 能性和机制性模型【2 6 】，前者属“黑箱模型”，即只在系统的输入和输出参数间建立 经验性的函数关系，后者则咀水力学方程为基础构建系统过程机理为特征的研 究，把整个面污染的模拟分成地表产流、地表汇流、地表土壤冲蚀、污染物的积 聚、冲刷、输运及对受纳水体水质影响分析等过程。功能性模型多用于流域污染 物年负荷量的计算上，一般通过实测数据将年负荷总量、降雨量和径流量间建立 定量的经验函数关系，这种研究方法虽然精度不高，但是比较简单易用，实用性 好。机制性模型比功能性模型复杂，模型输入变量较多，但目前除暴雨径流部分 的计算称得上是“白箱”模型外，在污染物的积聚、冲刷上的模拟也只能算是“黑 箱模型”。 目前，国外的大多数面源模型都能做到对暴雨径流四个过程的模拟计算： ( 1 )径流过程：包括地表的产流和汇流过程，模型能利用降雨计算出城 市地面的径流量、地面损失量、空气蒸发量以及流域出口断面的流 量过程线等； 【上海大学硕十学位论文】 搏l 章概述【城市地表径流污染及模型化研究】 ( 2 ) 污染物的积聚和冲刷过程：计算两次降雨之间地表污染物的积聚量， 降雨期间的冲刷量； ( 3 )污染物输运过程：污染物通过管网或沟渠输送过程的浓度变化、损 失等： ( 4 ) 受纳水体污染程度预报，排污1 3 长期排放的径流雨水对受纳水体的 水质影响。 目前在城市非点源领域的主要模型有以下几种： ( 1 ) n p s ( 面源模拟模型) 【6 j ：n p s 模型是水文计算公司研制出的一个 程序包，可广泛适用于非点源污染。n p s 模型由三个主要部分组成： m a i n ，l a n d s ，q u a l 。l a n d s 部分模拟集水面对于降水输入的响 应，以及雪的融化和积累的过程：q u a l 部分模拟侵蚀过程、街道 垃圾积聚，以及地表沉积物和污染物的冲刷。m a i n 是主控程序。 ( 2 ) s w m m ( s t o r mw a t e r m a n a g e m e n t m o d e l 。雨水管理模型) 1 6 , 2 5 ，2 9 i ： 由美国e p a 在1 9 6 9 1 9 7 1 年开发，是最早提出的、最为人知并广泛 用于城市排水系统水流水质模拟的模型之一，最新的版本是 x p s w m m 和s w m m 5 。模型主要包括：地面径流、排水管网输运、 储存、处理以及对受纳水体的评估。s w m m 是一个设计模型，可详 细地模拟暴雨事件水量和水质，用相对较短的时间步长，尽可能详 尽模拟集水和排水系统，可以连续模拟几年情况，在北美地区，该 模型已被广泛应用，城市水文水质等各方面也能用该模型模拟。该 模型由r u n o f f 、t r a n s p o r t 、s t o r a g e t r e a t m e n t 组成。 可先根据土地利用类型将研究区域分成若干个子集水区域，对于每 个子集水区域，地面汇流水文过程可由r u n o f f 模块利用连续方程 与曼宁方程迭代求解，并采用g r e e n a m p t 或h o r t o n 模型来 计算地面渗流；t r a n s p o r t 取得r u n o f f 所产生的暴雨径流后， 演算它在下水道系统中的流量；s t o r a g e 厂r r e a n 舡n t 方框估算 外界自然的或者是人工蓄水对于抑制暴雨径流洪峰的影响，以及处 理措施对于减少下水道系统所引起的污染物负荷的作用。 ( 3 )s t o r m ( 储存、处理与溢流模型) 6 , 2 5 1 ：由美国陆军工程兵团水文 工程中心提出，并应用于城市和非城市集水区域的降雨汇流 【上辫大学颀| _ _ _ 学位论文】 第1 搴l 【述 【抛市地表衽流污染及模型化研究】 水质模型，该模型可以模拟城市雨水径流的水量和水质变化， 给出暴雨事件中产生的雨水水量和水质的统计资料及污染物迁移变 化过程。s t o r m 模型在模拟合流制溢流问题时，可以一次模拟6 种水质参数( 悬浮固体、沉淀物、b o d 5 、总大肠杆菌、磷和氮) 。 模型中，雨水水量的计算是利用了三种相对的简单方法之一，即系 数法，利用比例公式来估算水量，包括混合雨水系数和地面储水允 许量；美国国土保护局的曲线数学技术，这已广泛应用于美国农村 小集水区域；还可以结合上述两种方法，前一种方法用于非渗透性 地面，而后者用于渗透地面。s t o r m 模型对城市和农村集水区域均 适用，尤其是大的集水区，且可用较长的时间步长计算。在美国， s t o r m 模型在许多方厦己替代了s w m m 模型，但是s t o r m 模型 在单个降雨事件计算时有可能会误导结果，尤其是中低降雨量事件， 而且这个模型仅得出集水区总体结果，不能预测其体管道或明渠输 运情况，因而对小的且更复杂的城市集水区，最好还是选用s w m m 模型为宜。 ( 4 ) w a s p ( 水质分析模拟程序) 2 5 , 3 3 , 3 4 】；是模拟地面水体污染物输运、 衰减及自净作用的一个框架性程序。w a s p 5 是w a s p 系列模型中较 新的一个版本，由美国e p a 环境研究实验室于1 9 9 3 年开发，为e p a 推荐使用的水质模拟软件。由于采用灵活的隔栅模拟方法，w a s p 可应用于一