（环境工程专业论文）西安市城区降雨径流污染过程研究.pdf

学科名称：环境工程 研究生：秦高维 导师姓名：李怀恩教授 李家科副教授 签名： 签名： 签名： i i l l l l i i i i i l l l l l l i l l l l l l l l l l l l l l i l l l l l l l l l i l l l i i i i y 2 118 17 6 摘要 城市化的迅速发展，使得城市不透水区域的面积占的比例越来越大，导致阿天特别是 暴雨天气时产生大量的地表径流通过城市管网直接排放到河流水体中，径流携带的来自城 市地面沉积物、营养物、重金属、毒性有机物等各种污染物成为城市受纳水体水质下降的 主要污染源，因此城市径流污染是典型的城市非点源污染。本文以西安市城区为研究区域， 对不同功能区径流污染过程进行研究，重点研究了径流中污染物的变化规律、并采用模型 估算了径流中污染物的负荷量，得出西安市地表径流中污染物的变化规律。 通过对径流样品的分析发现，西安市区不同功能区径流中污染物的分布具有明显的时 间分知规律。实验结果表明，在整个降雨过程中，径流中污染物的瞬时浓度存在有很大的 变动性，不同功能区污染指标的时间变化存在一定的差异，工业区、交通区、商业区和居 民区的污染指标浓度呈现比较明显的衰减规律，交通区衰减规律不是很明显，存在有较大 的波动性。 通过对比皂河洪水和西安城区径流发现皂河t p ，n h 。一n 和t n 的浓度高于西安市区的 浓度，而t s s 和c o d 的浓度低于西安市区的浓度。通过对降雨径流和降雪径流的分析发现， 不管是融雪径流还是降雨径流，水资源楼屋顶的氨氮和总磷值都大于教四楼屋顶氨氮和总 磷值，屋面的污染物浓度都大于雨水和雪水背景值，在路面径流中，融雪径流中的t n ， n h 3 一n 和t p 浓度大于降雨径流中的污染物浓度，t s s 和c o d 的浓度小于降雨径流中的污染 物浓度。 论文通过计算径流中污染物的事件e m c 值，对城市降雨径流污染指标进行定量分析。 污染物的e m c 值在不同功能区的浓度都比较高，并且在不同功能区其分布有很大的差异， t s s 、c o d 、n h 3 一n 、t p 的平均浓度顺序是：交通区 商业区 居民区 工业区：重金属的平均 浓度顺序是：工业区 交通区 商业区 居民区。 通过采用城市降雨径流污染负荷估算模型，对不同功能区径流污染指标负荷量进行估 算结果表明，t n 、t s s 、c o d 、n h 3 - n 、t p 、c u 、z n 、p b 、c d 等指标的负荷量最高出现 在交通区，且污染物的负荷随着降雨强度的增大加而增加。本文估算了西安市2 0 1 0 年污 染负荷量，与已有的2 0 0 5 年的负荷量比较，证明估算结果比较合理。 麓哔数群 西安理工大学硕士学位论文 关键词：西安市；城市非点源污染；路面径流；皂河洪水；融雪径流；e m c 值。 本研究得到国家水体专项控制与治理科技重大专项( 2 0 0 8 z x 0 7 3 1 7 0 0 4 ) 的资助。 a b s t l a c t t i t l e ；t h es t u d yo nt h er a i n f a l lp o l l u t i o np r o c e s si nx i a nu r b a n m a j o r =e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e =g a o w e iq i n s u p e r v i s o r = p r o f h u a i - e nl a s s o c i a t ep r o f j i a k el a b s t r a c t s i g n a t u r e - s i g n a t u r e = s i g n a t u r e = w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n ，t h ep r o p o r t i o nw h i c ht h eu r b a nw a t e r - p r o o f r e g i o no c c u p i e si sg e t t i n gb i g g e ra n db i g g e r ，t h ec a u s e st h em a s s i v es u r f a c er u n o f ft h r o u g ht h e s e w e rt od i s c h a r g ed i r e c t l yt h eu r b a nw a t e rb o d yw h e ni ti s r a i n ys p e c i a ll yt h er a i n s t o r m ，t h e u r b a np o l l u t a n tt h a tr u n o f fc a r r i e sf r o mr o a ds u r f a c e d e p o s i t ，h e a v ym e t a l ， n o u r i s h i n g s u b s t a n c e ，t o x i co r g a n i cm a t t e ra n ds oo nb e c o m e st h ep r i m a r yp o l l u t i o nt h a tm a k e st h eb o d y w a t e rq u a l i t yd r o pi nt h ec i t y ，t h e r e f o r et h eu r b a nr u n o f fp o l l u t i o ni st h e t y p i c a lu r b a nn o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o n t a k e st h ex i a nc i t y 觞t h er e g i o nt or e s e a r c h ，t h er e s e a r c hi n c l u d e st h er u n o f f p o l l u t i o np r o c e s sa n dt h ep r e v e n t i o nm e a s u r ei nd i f f e r e n ta r e a s t h i sa r t i c l es t u d i e se m p h a s i s l y t h er u n o f ft h ep o l l u t a n tc h a n g er u l e ，a n du s e st h em o d e lt oe s t i m a t et h ep o l l u t a n tl o a di nt h e r u n o f f , a c c o r d i n gt or u l et h a tp o ll u t a n tc h a n g e si nr u n o f f , i tp r o p o s e st h ep r o p e rp r e v e n t i o na n d c o n t r o lo f p o l l u t i o nm e a s u r ei nx i a nr u n o 伍 t h ed i s c o v e rt h r o u g ht h er u n o f fs a m p l e sa n a l y s i si st h a tt h ep o l l u t a n td i s t r i b u t i o nh a s o b v i o u st i m er u l ei nd i f f e r e n tu r b a ni nt h ex i a nc i t y t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a ti nt h ee n t i r e r a i n f a l lp r o c e s st h ei n s t a n t a n e o u sd e n s i t yo fp o l l u t a n ti nt h er u n o f fh a sab i gc h a n g e ，t h et i m e r u l eo f d e n s i t yo fp o l l u t a n ti sd i f f e r e n ti nd i f f e r e n ta r e a s n ed e n s i t yo fp o l l u t a n tp r e s e n t st h e i n d e xa t t e n u a t i o nr u l ew i t ht h ei n c r e a s i n g0 f rl o wt i m ei ni n d u s t r i a la r e a ，c o m m e r c i a la r e aa n d r e s i d e n t i a la r e a b u ti nt r a 伍ca r e a ，t h ep h e n o m e n an e v e rh a p p e n sb e c a u s et h ec o n t i n u o u s p o l l u t i o ns o u r c ef r o mt h ec o m p l i c a t eh u m a na n dv e h i c l e sa c t i v i t i e s t h ed i s c o v e r t h r o u g hc o m p a r i n gz a o - r i v e rf l o o da n dx n a nr u n o f fi st h a tt h e c o n c e n t r a t i o no f t p 、n h 3 - nt ni nz a o - r i v e rf l o o d i sh i g h e rt h a nx n a nr u n o 噩b u tt s s 、c o d i sl o w e rt h a nx n a nr u n o mt h ed i s c o v e rt h r o u g hr a i n f a l lr u n o f fa n ds n o wr u n o f ri st h a tt h e c o n c e n t r a t i o no f n h 3 - n 、t pi nr o o fo fw a t e rr e s o u r c ei sh i g h e rt h a nr o o fo ff o r t hf l o o r i n r o a dr u n o f f ，t h ec o n c e n t r a t i o no f t n 、n h 3 - n 、t po fs n o wr u n o f fi sh i g h e rt h a nr o a dr u n o f f ， t h ec o n c e n t r a t i o no ft ss 、c o di sl o w e rt h a nr o a dl u n o 伉 t h ep a p e rc a r r i e so nt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i st ot h eu r b a nr a i n f a l lr u n o f fc o n t a m i n a t i o n i n d e xb yc o m p u t i n gt h ee m cv a l u ei nt h er u n o f fp o l l u t a n t e v e n t t h ee m cv a l u eo fp o l l u t a n ti s q u i t e l yh i g hi nt h ed i f f e r e n tr e g i o na n dh a sav e r yb i gd i f f e r e n c e ，t h eo r d e ro fe m cv a l u eo f 西安理工大学硕士学位论文 t s s ，c o d ，n h 3 - n ，t pi nf o u rf u n c t i o na r e ao r d e ri s ：t r a f f i ea r e a c o m m e r c i a la r e a r e s i d e n t i a l a r e a i n d u s t r i a la r e a - t h eo r d e ro fe m cv a l u eo fh e a v ym e t a li nf o u rf u n c t i o na r e ao r d e ri s ： i n d u s t r i a la r e a t r a 衢ea r e a c o m m e r c i a la r e a r e s i d e n t i a la r e a i tu s e st h eu r b a nr a i n f a l lr u n o f fp o l l u t i o nl o a de s t i m a t em o d e lt oe s t i m a t et h ex n a l lr u n o f f c o n t a m i n a t i o ni n d e xl o a d ，t h er e s u l to fc o n t a m i n a t i o ni n d e xi n d i f f e r e n ta r e ai s ：t h eh i g h e s tl o a d o f t n 、t s s 、c o d 、n h 3 - n 、t p 、c u 、z n 、p b 、c da n ds oo ni n t r a m ca r e a ；u n d e rt h ed i f f e r e n t r a i n f a l li n t e n s i t y , t h ep o l l u t a n tl o a di sd i f f e r e n t ，i ti n e r e a s e sw h e nt h er a i n f a l li n t e n s i t yi n e r e a s e s t h ea r t i c l ec a l c u l a t ep o l l u t i o nl o a do fx l a nc i t yi n2 0 10 t h er e s u l ti sl o g i c a lc o m p a r i n gw i t h p o l l u t i o nl o a do f2 0 0 5 k e yw o r d s ：x n a nc i t y ；u r b a nn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ；z a o r i v e rf l o o d ；s n o wr u n o f f ；e m c v a l u e t h er e s e a r c hw a ss u p p o r t e db ym a j o rp r o g r a mo fn a t i o ns p e c i a lw a t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y ( 2 0 0 8 z x 0 7 3 17 - 0 0 4 ) o fc h i n a 1 绪论 l 绪论 1 1 城市非点源研究的意义 随着我国城市化水平发展的进一步加快，可渗透地面的面积比例越来越小，由降雨径 流产生的突发性的、冲击性强的城市非点源污染已成为城市水环境污染的主要来源之一， 水环境污染问题成了人们密切关注的焦点。因此，由城市非点源引起的水环境污染已成为 当前城市水环境综合治理中亟待解决的主要问题之一。 广义的城市非点源污染，按成因可分为城市地表径流污染、大气的干湿沉降、城市水 土流失及河流底泥的二次污染l l , 2 ) 狭义的城市非点源污染是指城市降雨径流淋洗与冲刷 大气和汇水面各种污染物引起的受纳水体的污染，是城市水环境污染的重要因素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，也是 城市非点源污染的最主要形式1 4 1 。 美国环保局( u se p a ) 已把城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染 源5 1 。国外学者关于水环境治理的研究认为即使点源污染完全被控制而忽略非点源污染， 特别是城市降雨径流污染，受纳水体的水质仍然不会改善1 6 7 1 。因此，城市降雨径流污染 负荷的定量化研究是城市非点源污染控制的重要环节之一1 ，研究城市暴雨径流及其污染 物的产生、迁移，已经成为城市水环境问题研究的重要方向。 1 2 城市非点源污染的特征研究 1 2 1 非点源污染的概念及其特点 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“。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0 1 。狭义的非点源污染是与降水过程中伴随产生的地表径流 污染。与点源污染相比，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 概括如下： ( 1 ) 污染物的来源和排放点不固定，排放具有i 日j 歇性，发生具有随机性。 ( 2 ) 非点源污染物在进入地表水体或下渗到地下水之前，主要产生在广阔的地面上 并在地面上迁移。 ( 3 ) 非点源污染很难或不可能在其源处监测。 ( 4 ) 非点源污染的范围与不可控的气候事件和地质地理条件相关，污染负荷的时间 变化和空| 1 日j 变化幅度大。 ( 5 ) 非点源污染的治理集中在土地利用和径流管理措施上，而不是污水处理。 ( 6 ) 非点源污染的严重危害发生在暴雨之后1 1 2 1 。 1 2 2 城市非点源污染的特征 ( a ) 城市地面多为不透水地面，水文活动强烈 城市汇水面以建筑与道路( 包括停车场、广场等) 不透水面为主，也包括公园、绿地等 相当比例的透水地面。由于中国城市化进程速度较快，城市汇水面积变化剧烈，如北京近 西安理工大学硕士学位论文 十年来以大约年均两位数的比例增加。 ( b ) 流域的水文响应加快，增加了洪水发生的可能 非点源污染最终主要以雨水径流的形式产生，城市地面的径流系数较大，建筑屋面与 道路的径流系数可达0 9 。形成径流的时间短，地下入渗量小，对污染物的冲刷强烈。径 流形式以短时的地表径流和较长时i 日j 的管内流为主( 少量的明渠和河道) 。雨水径流量的峰 值加大，达到峰值的时间缩短。 ( c ) 城市地下管网铺设影响 城市下水道及其相关设施的修建，以及低于水位的建筑物的排水设施都会降低地下水 水位，使地下水基流中以未稀释的下水道污水和废水为主。 ( d ) 污染物种类形态复杂 城市降雨径流中包括了大量的污染物质，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，可归为物理性、化学性和生物性污染物。 物理性污染物主要指悬浮物城市径流中央带有大量的悬浮物，它主要来自交通工具 锈蚀产生的碎屑物质、机动车产生的废气、大气干湿沉降物、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。 化学性污染物中的重金属是城市面源污染中一种最典型的污染物，主要来源于机动车 此外由于生活垃圾、树叶、草以及杂乱废弃物的堆放，城市径流中常携带有大量的耗氧有 机物。有机有毒污染物包括杀虫剂、多氯联苯( p c b s ) 和多环芳烃( p a h s ) ，主要来源于园林 绿地、菜地等施用农药、机动车辆排放的废气以及大气的干湿沉降等。生物性污染物主要 指病源性微生物一般地，城市径流中细菌的含量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池的健康标准高出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柏。 1 3 城市非点源研究方法 非点源污染负荷研究，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i j 采用较多的方法有： ( a ) 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6 - 3 h 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萨，模拟和估算出非点源污染负荷。 ( b ) 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，因而受纳水体水 2 1 绪论 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6 j 3 1 ，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。 ( c ) 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 。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。 ( d ) 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问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 输入特征钉0 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们。 其中，非点源污染负荷模型根据降雨径流和地表下挚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。地表下挚 面的污染物质类型及其积累数量是非点源的物质基础 。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i t e 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。 ( 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，经费和时问受到限制而不能使用机制性模型时， 经常应用简单方法。 简单负荷估值模型只能提供长时问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 西安理工大学硕士学位论文 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 6 1 。 ( 2 ) 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接。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 等盯。 ( 3 ) 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 8 、p s - u c m 等盯。 1 4 城市非点源污染研究现状 1 4 1 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盯，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。 上世纪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丌发的主要方向，著名的模型有雨水管理模型( s w 删) 、 储存处理与溢流模型( 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 1 9 1 0 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。 到了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 e a 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伽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 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 4 1 绪论 ( g i 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6 i s 软件丌发并用于潜在的非点源污染的三维图形输出“2 1 。 进入n 9 0 年代，城市径流非点源污染的研究更加活跃，与此相关的影响因子层出不穷， 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经建立的模型，如把t l r u 方法和6 r u 方法运用到洪水预报水文 模型中k2 3 | 推出新的模型，如城市地表径流大肠杆菌数学模型k 们。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 s 6 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 大的流域模型被丌发出来，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，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问序列响应模型，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”。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。 1 4 2 国内研究现状 我国真f 意义上的非点源污染研究起始于对北京城市径流污染的研究，随后上海、杭 州、苏州、南京、成都等城市也逐渐丌展起来。农村非点源污染研究始于2 0 世纪8 0 年代初 的湖泊、水库富营养化调查和河流水质规划研究，如在对于桥水库、滇池、太湖、都阳湖、 巢湖、三峡库区等湖泊、水库进行探索性的研究中，较好地把握了非点源污染负荷发生状 况，为湖泊、河流的水质规划与流域规划提供了可靠的依据，也为非点源污染研究积累了有 益的经验。我国城市非点源污染研究起步较晚，且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。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、水量单位线和污染物负荷的研究以及地表物质累积规律等。方红远提出了城 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，实用性增强嘲。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，提高了模拟的精度伽1 。李怀恩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：m 1 。1 9 9 0 年刘爱蓉等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u “1 。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。我国城 市非点源污染研究起步较晚，且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 西安理工大学硕士学位论文 型的研究。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、水量 单位线和污染物负荷的研究以及地表物质累积规律等。例如，西安黑河流域非点源氮磷负 荷的分布式模拟就是基于g i s 与非点源污染模型的松散集成，利用g i s 的空间分析、数据处 理以及图形显示功能实现的协1 。s w m m 模型近几年也被广泛应用，例如，西安理工大学就 应用暴雨模型s i i f m l v l ，分别从不同降雨强度条件下、半年一遇不同阿型条件下、一年一遇不 同土地利用类型条件下等三个方面对研究区域的降雨径流非点源污染负荷进行了模拟分 析。眦1 1 5 城市非点源研究存在的问题及发展方向 1 5 1 目前存在的问题 经过几十年的发展，综合分析国内外研究现状，城市非点源污染的研究取得了长足的 发展，但是还存在以下一些问题，需要继续加强研究和探讨： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 由于非点源污染在形成上所具有的随机性、模糊性、分布的广泛性、一定的滞后 性和潜在性等特点。目前，国内外非点源污染物迁移转化机理的研究深度较浅，造成污染 物迁移转化的非点源污染模型的预测能力普遍偏低。 ( 3 ) 有关非点源污染的计算机软件丌发应用研究在国内还没有丌始。具有孥实的水文 学基础、考虑污染物地表迁移转化过程和大暴阿情况、可推广应用于资料少的大流域、且 融入3 s 技术的非点源污染规划、管理模型在国内外的研究明显不足。 ( 4 ) 由于农田径流和城镇径流规模庞大、污染严重，长期以来，人们研究的重点都放 在地表非点源上，而对大气干沉降这一空中非点源研究却重视不够。 ( 5 ) 非点源污染物种类很广，几乎含有自然和人工合成的各种化学、生物污染物质。 它们进入地表水环境可对水尘生物以及通过食物链对人体产生各种各样的影响。而目前非 点源的迁移转化研究大多针对c o d 、n 、p 、大肠杆菌等常规指标，而非点源毒性污染物在 空中、地表的迁移转化研究却涉及较少。 1 5 2 研究展望 根据目前国内外城市降水径流污染的研究状况，城市非点源污染是不容忽视的，为了 有效的进行控制和管理，必须加强非点源的调查和研究工作，所以未来在这方面的研究具 有如下的特点： ( 1 ) 当i i 的城市暴雨模型几乎没有考虑系统可靠性，风险分析以及经济分析，把这些 因素整合到模型中将成为今后城市暴雨模型研究的趋势汹。 ( 2 ) 城市降水径流污染研究会越来越受到人们的重视，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 6 1 绪论 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向。 ( 3 ) 非点源污染物的迁移转化研究更趋深入受非点源污染物迁移转化研究的深度的影 响，在传输途径上进行的非点源污染控制效果也不是很理想。为给建模、控制提供更加峰 实的理论基础，非点源污染物的迁移转化机理研究将更加深入。 ( 4 ) 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( g 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2 6 1 。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 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m 1 。 1 6 本文的主要研究内容 1 6 1 研究目的和意义 随着人口的增加，城市化的快速发展，城市不透水地面面积迅速增大，城市径流( 特 别是暴雨径流) 挟带大量的工业生产污染物、生活废弃物等有毒有害物质进入地表水体或 地下水体，对河道及周围的工农业生产、鱼类养殖以及生活饮用水源危害越来越大。其造 成的影响不仅仅是污染指标的超标，而且还会产生污染物的协同作用，直接对水生生物构 成危害，并通过食物链对人体产生影响。因此，研究城市地表径流污染的特性及规律，开 发可行性的污染控制技术和对策，为政府部门对非点源污染的控制管理决策提供科学依依 据具有重要意义。 西安是我国著名的历史文化名城和j x l 景旅游城市，既是关中地区经济发展的核心，也 是陕西经济腾飞的关键，但是与此同时，水环境污染也比较严重，渭河西安段水质已超过 v 类，泾河、石川河西安段的水质分别为i v 类和v 类。渭河水质的污染直接波及沿岸西安 市的地下水。西安市水质污染情况十分严峻，污染正从城市向农村蔓延，从地表向地下渗 透，从区域向流域扩展，水质污染加剧了城市的缺水程度。这不仅影响了西安人民的居住 环境和讵常生活，同时影响了西安市的声誉。 本研究通过探讨西安市城区降雨径流污染的变化规律，对于西安市城市水环境及周边 水体的水质和生态环境改善具有重要意义；同时，本研究的研究成果还可以为我国其他城 市在城市化发展过程中面临的水环境污染问题及保护提供借鉴和参考。 1 6 2 研究内容 针对缺水城市降水总量小、降雨问隔周期长、暴雨径流总量大、洪峰流量高、出峰时 间提前等降雨径流特点，以及地表污染物大量沉积引发的降雨初期的高负荷径流污染等水 西安理工大学硕士学位论文 质特点，以西安市城区降雨径流为主要研究对象，研究城市降雨、径流和雨水的面源污染 特性。具体包括： ( 1 ) 西安市城区非点源污染调查与监测。为系统的分析西安市城区降雨径流污染的 时空分布特征和变化规律，对西安市城区主要功能区分别进行监测。将城区区域划分为工 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，同步监测降雨、地表径流及雨 水管网排放口的水质指标( t s s 、c o d 、n h ：，- n 、t n 、t p 、c u 、z n 、p b 、c d 等指标) ； ( 2 ) 西安市城区地表径流污染物的排放规律研究。根据监测和试验结果，分析城市 地表径流的污染特性，包括不同功能区路面等城市地表径流中污染物的成分、主要污染物 浓度的大小、各污染指标的相关性等：分析径流中污染物的时空变化规律。 ( 3 ) 分析皂河洪水时的污染物特性，对比分析皂河和西安市城区的污染物浓度；同 时对比降雨径流和融雪径流污染物的污染特征。 ( 4 ) 城市非点源污染负荷计算方法研究。在分析国内外现有方法和模型的适应性的 基础上，运用现有模型计算城市非点源污染负荷。 1 6 3 本文的研究路线 本文结合城市非点源污染的特点，以西安市城区为主要研究对象，研究城市降雨、径 流和雨水的非点源污染特性。研究的技术路线为： ( 1 ) 对西安市非点源污染特性、种类、来源、转输途径等进行调查，为下一步研究 做好基础性工作： ( 2 ) 西安市城区非点源污染调查与监测。对西安市城区主要功能区分别进行监测。 将西安市城区区域划分为工业区、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并同步监测降雨、地表径流及雨水管网排水 口的水质( t s s 、c o d 、n h 。- n 、t n 、t p 、c u 、z n 、p b 、c d 等指标) 、水量；采集大、中、小 型降雨径流3 场以上，在形成径流的区域，打开径流流入下水道的盖子，采用自制的采样 工具采取样品后用聚乙烯瓶收集样品，从刚形成径流丌始，每隔5 分钟采集一次，一直到 径流的峰值过后，每隔3 0 分钟采一次。样品采集后，贴上标签，编好号码，并且记录采 样地点、同期、采样起止时间和雨量等。 ( 3 ) 西安市城区地表径流污染物的排放规律研究。根据上述( 1 ) 、( 2 ) 的监测和试 验结果，分析城市地表径流的污染特性，包括不同功能区路面等城市地表径流中污染物的 成分、主要污染物浓度的大小、各污染指标的相关性：分析径流中污染物的时空变化规律。 探讨不同功能区、不同降雨类型、不同下挚面等的地表径流污染物排放规律。 ( 4 ) 西安市城区地表径流污染物的排放规律研究。根据上述( 2 ) 的监测和试验结果， 分析城市地表径流的污染特性，包括不同功能区路面等城市地表径流中污染物的成分、主 要污染物浓度的大小、各污染指标的相关性等；分析径流中污染物的时空变化规律。 ( 5 ) 分析皂河洪水时的污染物特性，对比分析泡河和西安市城区的污染物浓度；同 8 1 绪论 时对比降阿径流和融雪径流污染物的污染特征。 ( 6 ) 城市非点源污染负荷计算方法研究。在分析国内外现有方法和模型的适应性的 基础上，运用现有模型计算城市非点源污染负荷。 确定研究内容及任务 水文谘料i l t 收集资料 十地昶川资料 r 排水管网资料 l 选定采样区和采样点 1r 居比区小区1 ：业区小区商业区小区交通区小区 上， 一 上 小区实验结果分析 皂河洪水特祉分析 2 0 1 0 年婀安市污染负荷估算 1r 总结 图1 - 1 技术路线图 f i g 1 - 1t h e t e c h n i c a lr o u t eo ft h er e s e a r c h 9 西安理工大学硕士学位论文 i o 2 研究区域环境特征与研究方法 2 研究区域环境特征与研究方法 了解一个地区的地理环境、生态、气候多方面影响降阿等的因素，才能更准确地把握 降雨的特征。 2 1 西安市环境概况 2 1 1 西安市自然地理概况 a 地理位置= ”q 西安市位于陕西省关中平原中部，地处北纬3 4 度4 5 分一3 3 度3 9 分，东经1 0 9 度4 9 分一1 0 7 度4 0 分之间，南依秦岭，北靠渭北荆山黄土台塬，东起零河和霸原山地，西至太 白山和青化黄土台塬。 西安市北部与成阳市的三原县、径阳县、秦都区、兴平县、武功县隔渭河相望，东北部 与渭南地区的渭南、富平两县相接，东部和东南部与商洛地区的商县、洛南县为邻，南部 和西南部与汉中地区的佛坪县、安康地区的宁陕县、商洛地区的柞水县接壤，西部与宝鸡 市的眉县、太白县毗邻。东西长约2 0 0 k m ，南北宽约1 1 6 k m 。辖莲湖、新城、碑林、雁塔、 灞桥、未央、长安、临潼、阎良9 区：蓝田、