（环境科学专业论文）设计暴雨条件下城市非点源污染负荷分析.pdf

a bs t r a c t u n d e rt h ea c t i v ec o n t r o lo ft h ep o i n ts o u r c ep o l l u t i o no fu r b a na r e a ，t h ei n f l u e n c eo f n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nt ot h ec i t yw a t e re n v i r o n m e n ti sm o l ea n dm o r ep r o m i n e n t t h i sp a p e rt a k e st h ec i t yn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nl o a da st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n d c o n s u l t st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c he x p e r i e n c eo ft h eq u a n t i t a t i v ec o m p u t a t i o n o ft h ec i t y n o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o nl o a d t h e nt h ep a p e rc o m p a r e dt h ec i t y n 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 l sw h i c ha l eu s e dw i d e l ya tp r e s e n t c o m b i n e d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec i t yn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nh a n g uo ft i a n j i n ，t h es t o r m w a t e rm a n a g e m e n tm o d e l ( s w m m ) i sf i n a l l yc h o s e nt ob et h er e s e a r c hm o d e l ，a n d t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ea v a i l a b i l i t yo ft h em o d e lw h e ni ti su s e do nt h es t u d ya r e a t h e nt h ep a p e r a n a l y z e dt h es w m mm o d e lo nh o wt oa p p l yt ot h ec o m p u t a t i o no ft h e c i t yn o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o nl o a d t h ep a p e rs t u d i e dt h et h e o r i e sa n dt h e p a r a m e t e r so fr u n o f fm o d e l ，p o l l u t i o nb u i l d u pa n dw a s h o f f m o d e la n dt r a n s p o r tm o d e l w h i c ha r e3s u bm o d e l so ft h es w m mm o d e l ，a n dd e t e r m i n e dt h ep a r a m e t e r so nt h e b a s eo fa c t u a lm a t e r i a la n dt h ec o r r e l a t i o n sr e s e a r c hm o d e lp a r a m e t e r si nd o m e s t i c a n df o r e i g n t h e na c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et e r r a i n ，t h ed r a i n i n gw a t e r d i s t r i c t ，a n dt h ew a t e rc o l l e c t i o no ft h es t u d ya r e a ，t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h en 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 fh a n g u c i t y a tl a s t ，t h ep a p e rd e s i g n e ds o m es t o r mb y “t h es t o r mf o r m u l ao ft i a n j i n ”a n d “c h i c a g or a i ns t y l ef o r m u l a ”，a n du s e dt h en 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 f h a n g uc i t yt os i m u l a t et s s ，c o d ，t n ，t p f r o m “s a m er a i ns t y l ed i f f e r e n tr a i n f r e q u e n c y ”，“d i f f e r e n tr a i ns t y l es a m er a i nf r e q u e n c y ”t w oa s p e c t s ，t h ep a p e r s i m u l a t e dt h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dt h el o a do ft h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n m e a n w h i l e ，t h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nl o a dw a ss i m u l a t e da n dc o m p a r e du n d e r d i f f e r e n tn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nc o n t r o lm e a s u r e s k e y w o r d s ：n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no fc i t y , s w m m ，r u n o f f , l o a do fp o l l u t i o n 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞注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了谢意。 学位论文作者签名：听多易 签字日期：矽侧1 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：芥岛 签字日期：弘内 年月以e l 导师签名： 签字日期： ， ， 月 答6 、 亥年 次r=1毅叫 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着对工业污染和城市生活污染控制水平的提高，非点源污染对城市水环境 质量的影响表现的十分突出，已经成为水环境恶化的主要原因。据国外有关资料 报道i 】j ，在一些点源污染己做了二级处理的城市，受纳水体中b o d 5 年负荷的 4 0 0 0 - - 8 0 来自非点源污染。非点源污染物在降雨产生的地表径流中的迁移和转 化是一个很复杂的过程，为了能够更好地控制城市水环境质量，对城市非点源污 染的负荷以及非点源污染的迁移转化过程研究势在必行。 1 2 城市非点源污染介绍 1 2 1 非点源污染的概念 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 的或固体污染物从非特定的地点，在降雨和径流冲刷作用下，通过径流过程而汇 入含水层、湖泊、河流、滨岸生态系统等引起的污染1 2 j ，是发生在整个空间范围 内的污染问题1 3 j ，污染物的排放途径及排放量具有不确定性，不可人为控制。水 环境非点源污染是指由非点源污染排放的污染物形成的水体污染1 4 ，5 j 。 非点源污染可以分为农业非点源污染与城市非点源污染。其中，农业非点源 污染是指农业生产活动中的氮、磷元素等营养物、农药以及其他有机或无机污染 物，通过农田地表径流和农田渗漏形成地表和地下水环境污染。城市非点源污染 是指城市降雨淋洗、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。 降雨是城市非点源污染形成的动力因素，而降雨形成的地表径流则是非点源 污染物迁移的载体。因此，狭义的城市非点源污染即指城市降雨径流污染【6 】，它 是城市非点源污染的最主要形式。本文涉及的城市非点源污染即是指狭义的城市 非点源污染。 第一章绪论 1 2 2 非点源污染的特点 非点源与点源对水环境质量的影响是不同的，主要区别为： ( 1 ) 点源污染的流量和质量都较为稳定，变量的变化范围较小；非点源污 染是随机的、动态的，变量的变化范围很大。7 ( 2 ) 点源污染在枯水期最为严重：非点源污染在雨季的暴雨期间最严重。 ( 3 ) 点源污染物是从同一点进入受纳水体的；非点源污染物进入受纳水体 的位置通常不相同或不固定。 ( 4 ) 点源污染可以人为监测、控制、并进行净化处理；非点源污染的监测、 控制和处理都比较困难。 非点源污染的产生与降雨形成的地表径流关系较为密切，影响非点源污染产 生量的主要因素为： ( 1 ) 降雨量和降雨强度，以及大气污染影响雨水中污染物的变化。 ( 2 ) 地理、地质、土壤等自然条件的不同，地表径流冲刷得颗粒物和溶解 的污染物也不同。 ( 3 ) 土地利用类型及人类开发活动程度的不同，也会影响到非点源污染产 生量。 1 2 3 城市非点源污染的特点 除了具有非点源污染的特点外，与农业非点源污染相比，城市非点源污染在 降水、产汇流以及污染组分三个方面也有自己的特点。 ( 1 ) 降水方面。城市密集的人口、工业布局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。城市的热岛效应也增加了城市 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 件情况下高出约l 5 。再加上城市上空的尘埃比天然情况下高出几倍甚至几 千倍，这就为降水提供了更多的凝结核，因而降雨的水质也劣于农村地区降雨。 ( 2 ) 产汇流方面。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。 排水系统的完善，如设置道路边沟、密布雨水管网和排洪沟等，增加了汇流的水 利效率。地表累积物裸露在不透水下垫面之上，易于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 ) 污染物组成方面。城市中人口密度大，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 2 第一章绪论 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物及其浓度随城市 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 度密切联系吲。城市非点源污染的种类和来源见下表1 1 。 表1 1 城市非点源污染的种类、来源及危害2 1 1 3 城市非点源污染国内外研究进展 1 3 1 国外研究进展 发达国家对城市非点源污染研究的历史较长，其研究内容可以分为3 个方 面：模型的研究、初始冲刷的研究以及管理和控制研究。 1 3 1 1 模型研究 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 第一章绪论 点源污染几乎各占一半。1 9 7 2 年美国水污染控制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 用与非点源污染负荷的关系。此时，非点源污染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，其具体的研究方法为建立污染负荷与流域土 地利用或径流量之间的统计关烈j 。如：s w m m ( 暴雨管理模型) 、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 散式雨水径流模型一水质) 等1 1 4 1 。s w m m 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 mv e r s i o n 5 0 t ”】。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 l l 6 1 模型是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浓度，能计算常规 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f 1 7 】，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 1 8 是美国地质勘察局研制的，和s t o i w 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，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。 n 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i i 引，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 ， 为城市径流污染模型的发展提供了很好的经验。同时非点源模型加强3 p 川i s ( 地理信息系统) 、g p s ( 全球定位系统) 、r s ( 遥感系统) 技术在其定量负荷计 算、管理、规划中的应用研究。 进入n 2 0 世纪9 0 年代以后，在对过去城市非点源污染模型多年应用经验进行 总结的基础上，不断完善和提高已建立的模型，推出新的模型1 2 。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 技术及g r a s s g 1 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。 很多功能强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 4 第一章绪论 件，如由美国国家环保局开发的b a s i n s 和美国农业部农业研究所开发的a g n p s 等。 1 3 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1 2 2 1 。初始冲刷发生时，会有大量的污染物随着径流 排放到受纳水体中。初始冲刷产生的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。由于研究的复 杂性，对于初始冲刷在定义上仍存有分歧1 2 3 - 2 s 】。d e l e t i c 的研究中f 2 6 l ，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 y c 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【2 l 。通过这 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1 2 5 。 1 3 1 3 管理和控制研究 理论研究与管理控制实践的接轨是必然趋势。以美国为例，这就接轨就体现 在三个方面：政策层面上，美国国会结合研究进展，积极立法，研究的热点问题 是在总量控制的背景之下的点源一非点源的排污权交易，用市场的手段减少总污 染的发生；经济层面上，学术界以量化非点源污染为基础，结合微观经济学方法 展开费用效益分析，进行环境经济效益的综合量化评估，从而获取实现城市非 点源污染治理的社会总效益最优方案1 27 j ；技术层面上，主要是完善城市雨污水 管道系统，建立雨水调节池进行降雨径流的地上或地下存储和利用，采用人工湿 地处理以及水体生态修复工程等。1 9 7 2 年联邦水污染控制法首次明确提出了控 制非点源污染的“暴雨径流最佳管理措施”( b m p s ) ，并随着研究不断得到完善， 它因高效、经济、符合生态学原则，日益受到重视，并得到广泛运用。 1 3 2 国内研究进展 国内对城市非点源污染重视程度不足，对城市非点源污染规律的研究起步也 较晚。我国最早的非点源污染研究始于2 0 世纪8 0 年代的湖泊富营养化调查，真 正意义上的城市非点源污染研究始于北京城市径流污染的研究，之后相继在上 海、杭州、苏州、长沙、南京、成都等城市开展了城市非点源污染规律的研究1 2 8 1 ， 第一章绪论 但由于缺少长系列的水文、水质监测数据等资料，很大程度上影响了非点源污染 研究工作的深入。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。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1 29 | 、水量单位线和污染物负荷的研究以及地 表污染物累积规律 3 0 , 3 1j 。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1 3 2 】。随着3 s 技术在城市非点源污染研究中的应用1 3 3 , 3 4 】，推进了非 点源污染的量化工作，提高了城市降水非点源污染负荷模型的精度。 初始冲刷方面的研究以北京、南京等大城市为主。车伍等人的研究表明：掌 握城区雨水径流水质及其主要的影响因素是有效地利用城市雨水资源和控制城 区非点源污染的基础。 在城市径流污染的管理和控制方面，国内并没有完善的经验，目前也尚未建 立与降雨径流控制配套的技术和法规体系。 1 3 3 问题与展望 目前，我国城市非点源污染研究主要存在着如下问题：( 1 ) 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增加了难度。( 2 ) 自主性模型研发少。模型研究多 位国外模型的引进和改造，完全自主研发、适应我国实际条件、模拟效果良好的 模型较少。( 3 ) 各类城市非点源污染模型中，经验型的多，机理型的少。经验型 模型具有地域性特点，难以在大范围推广：机理型的模型要求的资料条件高，参 数率定难度大。( 4 ) 模型参数多、率定困难。现有的考虑污染物迁移转化机理类 的模型，从应用角度来看，参数多、率定困难，限制了物理概念性模型的研究和 应用。( 5 ) 城市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 负荷在时间上分布到一年中的每一天，在空间上分布到单位长度的河道，这显然 不符合城市非点源污染随时间空间的变化规律。 纵观城市非点源污染现状，未来研究将有如下趋势：( 1 ) 城市降雨径流带来 的非点源污染研究会越来越受到人们的重视：( 2 ) 城市非点源污染模型与g i s 技术的结合将是未来研究城市非点源污染的重点；( 3 ) 非点源过程转向大气、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向【3 5 】；( 4 ) 对城市径流污染源和汇的管理控制仍然是重要的治理方向，其中生物技术、污染 物的总量控制将在控制和治理中发挥重要作用；( 5 ) 有毒有害化学物质的污染将 6 第一章绪论 开始受到重视，城市植被管理过程l j 使用的杀虫剂、农业肥料等有毒有害物质， 在未来的研究中，这些物质在城市非点源污染负荷的贡献率应该得到更多的重 视。 1 4 城市非点源污染负荷定量化研究方法简介 非点源污染是一个复杂的过程，是多个子过程的综合，涉及水文、土壤、环 境、地理、泥沙、物化、生态、气象等多种学科f 3 j 。由于非点源污染产生的动因 主要是降雨及降雨产生径流的冲刷作用，因此采取的基本研究方法是在实地监测 降雨径流水质、水量或在模拟实验的基础上，应用流域水文模型或与水文模型密 切相关的模型来模拟和估算非点源污染负荷。具体来说，可从不同的角度分为以 下几个方法： 1 4 1 选择小区进行监测实验 将城市区域根据其功能特性划分为工业区、居民区、商业区、交通繁华区等 几种主要土地利用类型，在各个土地利用类型上选择一块面积不大的能代表研究 区域各类特征的封闭或半封闭的小试验区，同步监测降雨径流的水质、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， 最后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型3 5 a7 1 。但非 点源污染是一种时空差异性很强的现象，仅以小区研究代替大区域，污染负荷的 计算精度不高，也不利于非点源污染地域分异规律的把握，不便于确定优先控制 区及制定针对性的控制对策。为克服这个缺点，现在的研究多采用大区域调查分 析与小区实测研究相结合的方法，即在区域宏观调查的基础上，根据土地利用状 况，将研究区域划分成不同的非点源污染发生类型区，然后在每个类型区内选择 典型小区，进行降雨径流水质、水量同步监测，最后确定每个非点源污染发生类 型区的单位负荷量，剖析其污染发生特征。 1 4 2 研究受纳水体的水质变化 各种污染物在地表径流的携带下进入河流、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 质的变化来反应非点源污染对水体的影响 2 , 2 8 , 3 8 】，但其只能得出某种地表条件组 合的综合效果，无法解释非点源污染产生的机理，应用范围不广。 7 第一章绪论 1 4 3 遥感、人工模拟实验 由于非点源污染研究发展的需要，遥感技术、人工模拟实验技术被引进非点 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；人工模拟实验，可以在人为控制的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 3 6 , 3 7 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的数据，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，为揭示非点源污染负荷 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。 1 4 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。 。本论文采用数学模型的方法来计算非点源污染负荷。 1 5 模型的介绍及选择 1 5 1 模型的介绍 非点源污染模型是采用以方程为主要形式的数学手段，模拟各种不同类型的 非点源污染物在水文循环的作用下对水体所造成的污染负荷，以及污染物在水文 循环的各个环节迁移转化的过程。一般地，在水文模型的基础上叠加模拟污染物 负荷的组件，即构成了非点源污染模型的基本框架。 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 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，其中影响较大的、 运用较广的机理模型是s w m m ( 暴雨管理模型) 、h s p f ( 水文模拟程序 f o r t r a n ) 、s t o r m ( 贮存、处理、溢流和径流模型) 以及d r 3 m q u a l 8 第一章绪论 ( 扩散式雨水径流模型水质) ，后来出现的很多非点源模型基本都来源于它 们，只是改变了部分程序，但基本原理是相同的。 表1 2 介绍了这四个模型的丰要特点。 表1 - 2 常见非点源模犁比较 3 0 , 3 1 , 3 2 1 1 5 2 模型的选择 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 9 第一章绪论 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。另外，s w m m 不但适用于市区，而且适用于非市区；不但 可以模拟真实暴雨，而且可以根据预报雨量和方案数据进行预测模拟f 3 9 】。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 3s 1 1 b v i v i m 模型在研究区域的适用性分析 本文选取的研究区域为天津市汉沽主城区。汉沽位于天津市东部，地势平坦， 蓟运河由北向南流经市区。城区雨水管网系统较为完善，收集后直接排入蓟运河。 s w m m 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模拟方面 具有较强的适用性，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) s w m m 可以完整地模拟降雨径流产生、输移以及城市非点源污染的产 生过程。 ( 2 ) s w m m 模型可以对分流制排水管网、合流制排水管网以及自然排放系 统进行水量水质模拟，对于随降雨产生的城市非点源污染的模拟具有一定的灵活 性和适用性。 ( 3 ) 与其他城市非点源污染负荷计算模型相比，s w m m 模型的输入数据相 对要求较低，资料较易收集。 ( 4 ) s w m m 模型的数据输入时间间隔是任意的，输出结果也是任意的整数 步长，对于计算区域的面积大小也没有限制，通用性较好。 ( 5 ) 模型除了模拟地表累积物的聚集和降雨冲刷外，还可以计算径流中的 污染负荷。 因此，采用s w m m 模型对汉沽主城区进行非点源污染负荷研究是适合的。 1 6 研究内容及技术路线 1 6 1 研究内容 本论文在研究s w m m 模型、调查天津城区非点源污染特征及产生途径以及 设计暴雨的基础上，以汉沽主城区为研究区域，根据当地的实测数据以及国内外 相关研究的经验参数确定模型参数，运用模型进行模拟，分析相同雨型不同降雨 频率下非点源污染物入河负荷、不同雨型相同降雨频率条件下非点源污染物入河 负荷的变化规律以及不同的非点源污染控制措施对非点源污染负荷的影响，为城 市非点源污染的治理与管理提供依据。 l o 第一章绪论 1 6 2 本文的技术路线 本文的技术路线见图1 1 。 确定研究内容 1 l 收集资料 土 研究s w m m 模型并确定其参数 上 建立城市非点源负荷模型 上 暴雨条件的设计 1 l 城市非点源污染负荷计算 1r 上 、r1r 相同雨型、不同降不同雨型、相同降不同非点源污染 雨频率条件下非雨频率条件下非控制措施条件下 点源污染负荷计点源污染负荷计的非点源污染负 算算荷计算 1 l上1 l 分析结果 分析结果分析结果 1 l， ， 上 1r 总结 图1 1 论文研究技术路线图 第二章s w m m 模型原理及模型的建立 第二章s w m m 模型原理及模型的建立 2 1s w m m 模型概述 s w m m 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联合研制的一个比较完善的城市暴雨的水量水质预 测和管理模型，应用范围极为广泛。模型经历了几次官方发布的改进版本，目前 已经发展至s w m mv 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m l 。 它的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 ) 、扩展的输送模块( e x t r a nb l o c k ) 、贮存处理模 块( s t o r a g e t r e a t m e n tb l o c k ) 。根据降雨雨量、土壤前期条件、土地利 用和地形资料的输入，径流模块可以计算出产生的地表径流和地下径流，以供输 送和扩展的输送模块使用。径流模块还可以计算地面沟渠或排水系统与非线性贮 水池的调蓄过程。s w m m 模型中的径流、输送、贮水处理模块均可以模拟、预 测排水系统中的水量和水质变化问题。模型结构如图2 1 所示。从图2 1 可以看 出，输送、扩展的输送、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。而径流模块不接受其他计算模块的输出数据。 图2 - 1s w m m 结构图1 4 2 i s w m m 还包括统计模块、绘图模块、联合模块、降雨模块、运行模块、执 行模块等服务模块。各服务模块均是一些辅助工具，如：执行模块连接着计算模 块和服务模块，所有进入计算模块和服务模块的通道和他们之间的转换都比须由 执行模块中主程序( m a i n ) 来联接，以储存多层检查或永久记录；绘图模块可 以通过输出水利曲线、污染物浓度变化曲线等来减轻计算量和整理工作量；联合 第二章s w m m 模型原理及模型的建立 模块可以让多个界面文件相互转换，以实现大的、复杂的管道可以通过分段的方 法进行模拟：统计模块可以根据所指定的频率和周期，将径流量和污染物浓度计 算结果以图表的形式输出；运行模块对输入的数据进行整理，以供计算模块使用。 各模块之间的配置关系如图2 2 。 统计模块径流模块 s t a t l s t l c sb l o c kr u n o f fb l o c k lg r a 绷p h 黻b l o c k 执行输送模块 t r a n s p o r tb l o c k 模块 i c 。m 联b i 合n e 模b 块l 。c k e x e c u t i v e b l o c k 扩展的输送模块 l 盎然k e x t r a nb l o c k i t e 运m p 行b 模l 块o c k 贮存处理模块 s t o r a g e 1 r e a t m e n t b l o c k 图2 - 2s w m m 程序的配置关系【4 2 】 2 2s w m l v l 模型原理介绍及参数的确定 s w m m 模型由地表径流模型，地表污染物累积冲刷模型以及雨水管网水动 力学模型三部分组成。 2 2 1 地表径流模型 地表径流模型主要包括产流模型和汇流模型。 第二章s w m m 模型原理及模型的建立 2 2 1 1 产流模型 产流过程是指降雨经过损失变成净雨的过程，即产流量= 降雨量损失量。根 据土地的利用状况和地表排水走向，可以将一个流域划分成若干个排水小区，小 区是包括庭院场地和街道、边沟和小下水道组成的网格，分区边界由地面地形决 定。各小区内，一般是由多种不同利用情况的土地组合而成。每一排水小区再分 为三个部分：( 1 ) 有洼蓄量的不透水地表，地面受雨时，洼地开始存水，存满后 产生地表径流：( 2 ) 无洼蓄量的不透水地表，暴雨初始就立即产生地表径流；( 3 ) 透水地表，在地面开始受雨时，因地面比较干燥，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了；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。三种类型地表单独进行产流计算，排水小区出流量等于三个部分出 流量之和。在模型中通常还需要给出各小区三种地表所占的份额，以便计算各小 区产流及地表径流过程中的入渗情况。 降雨时段内的蒸发量远小于降雨量，可以忽略不计，故以下计算中省略了蒸 发损失。 2 211 1 产流模型介绍 ( 1 ) 有洼蓄量的不透水地表产水量 有洼蓄量的不透水地表的降雨损失主要为洼蓄量。产流量表示为： 冠= p - d ( 2 - 1 ) 式中：冠有洼蓄量的不透水地表的产水量，m m ； p 降雨量，r e a l ： d 洼蓄量，m m 。 ( 2 ) 无洼蓄量的不透水地表产水量 无洼蓄量的不透水地表上的降雨损失为雨期蒸发( 可以忽略) 。产流量表示 为： 是= p ( 2 2 ) 式中：足无洼蓄量的不透水地表的产水量，m m 。 ( 3 ) 透水地表产水量 透水地表降雨损失包括洼蓄、下渗。 下渗是指降雨入渗到地表不饱和土壤的过程。产流量表示为： 第_ 二章s w m m 模型原理及模型的建立 r = p f ( 2 - 3 ) 式中：足透水地表的产水量，m m ； ，入渗量，m m 。 入渗量f 由下渗模型求得，s w m m 模型提供的下渗模型有g r e e n a m p t 模 型、h o r t o n 模型、s c s 模型。g r e e n a m p t 模型假设在积水入渗过程中，土壤含 水层剖面中存在陡的湿润峰面，在湿润峰面与土表面间的土壤处于饱和状态，充 分的降雨入渗将使下垫面经历由不饱和到饱和的变化过程。g r e e n a m p t 模型将 下渗过程分为土壤未饱和阶段和土壤饱和阶段两个阶段分别进行计算。h o r t o n 模型则主要描述下渗率随降雨时间变化的关系，不反应土壤饱和带与未饱和带的 下垫面情况，属于概念模型。s c s 入渗公式根据反应流域特征的综合参数c n 进 行入渗计算，反映的是流域下垫面情况和前期土壤含水量状况对降雨产流的影 响，而并不反映降雨过程( 强度) 对产流的影响，适合于大流域的产汇流计算。 具体介绍如下： 1 ) g r e e n - a m p t 入渗模型 该原理假设土壤层中存在着非饱和土壤带与饱和土壤带界面，不饱和土壤带 与饱和带分离，雨水在不饱和带进行入渗。输入参数包括土壤的初始湿度亏损值、 土壤水力传导率、湿润前锋的毛细水头。 g r e e n a m p t 下渗模型将入渗分为两个阶段，分别为土壤饱和前的下渗过程 和土壤饱和后的下渗过程。 a ) 当， 墨时，每个时间步 长都要计算一次c ，并与当时的累积入渗量f 比较。仅当f c ，降雨入渗已 使地面饱和时使用公式( 2 5 ) 。 公式( 2 5 ) 表示地表饱和后的入渗能力取决于已入渗量，即前期的累积入 渗量。为避免大时间步长计算时出现的过大的数字误差，由d f d t 代替，并进 行积分，如公式( 2 6 ) 。 ( 2 一) = 疋- c l n ( 五+ c ) 一墨+ c l n ( f ，+ c ) ( 2 - 6 ) 式中：c 一z 彻s ，m ； f 时间，s ； l ，2 时间步长的始末计算标志。 公式( 2 6 ) 采用n e w t o n - r a p h s o n 迭代法求解f 2 ，e p - 求g n c n 步长终点的累 积下渗量。 若地表不饱和，时间步长( ，2 一f 1 ) 内的下渗量为( ，：- t ，) f ；若地表已经饱和， 则入渗量为五一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，地表的洼蓄水量将继续入渗， 计入累积入渗量中。 2 ) h o r t o n 入渗模型 h o r t o n 入渗模型描述了入渗率由最大值随时间呈指数级下降至最小值的入 渗过程。该公式需要确定研究区域的最大入渗率、最小入渗率、入渗衰减系数、 使完全饱和土壤恢复到干旱状态的时间以及最大入渗量。 著名的h o r t o n 下渗公式，如公式( 2 7 ) 和图2 3 所示： - - - z + ( f 0 一丘) p 训 ( 2 7 ) 式中：厶下渗率，m m h ； 1 6 第二章s w m m 模型原理及模型的建抗 z 稳定下渗率，m m h ； 五初始下渗率，m m h ； 口由现场估计的衰减指数，i d , 时； ，降雨历时，h 。 美国土木工程师学会和水污染控制联合会编制了适用于沙土、居民区和工商 业区的下渗过程线，但是没有考虑土壤含水的状态，这是h o r t o n 公式本身的问 题。因为公式中的下渗率仅为时间的函数，没有考虑土壤水分的因素，并认为土 壤的下渗率曲线是不变的。真实的下渗现象并非如此，降雨开始时土壤含水率不 同，下渗率曲线也有所变化。降雨强度的变化也会引起下渗率的波动，不会像 h o r t o n 公式那样连续衰减。 为了解决上述矛盾，曾有过多种处理方法，但其基本原理相似，即认为h o a o n 公式表示在下渗初始时刻土壤水分为零，降雨强度始终超过下渗率的充分供水情 况下的下渗能力曲线，并可通过图解法求得实际降雨过程的下渗率过程。 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一s c s 径流曲线数法：s c s 入渗公式能反映不 同土壤类型、不同土地利用方式及前期土壤含水量对降雨径流的影响，它具有简 单易行，所需参数较少，对观测数据的要求不很严格的特点，是一种较好的入渗 计算方法。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 w a t 等模型中都有运用该方程进行径流 量计算。 s c s 入渗公式基于集水区的实际入渗量f 与实际径流量q 之比等于集水区 该场降雨前的最大可能入渗量( s ) 与最大可能径流量( q m ) 之比的假定基础上 建立的，即： 兰：旦 ( 2 8 ) qq 式中：假定最大可能径流量q 为降雨量( p ) 与由径流产生前植物截流、初 渗和填洼蓄水构成集水区初损l 的差值，即： q = p l ( 2 9 ) 实际入渗量为降雨量渐趋初损和径流量，即： f = p 一乞一q ( 2 一1 0 ) 1 7 第二章s w m m 模型原理及模型的建立 由公式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 可得出： d ：! ! 二丛( 2 - 11 ) s 七p l o 为简化计算，假定集水区该场降雨的初损l 为该场降雨前潜在入渗量的0 2 倍，即： l a = 0 2 s ( 2 1 2 ) 则公式( 2 1 1 ) 可以写成： d ：( p - 0 2 s ) 2 ( 2 1 3 ) 尸+ 0 8 5 由此可见，集水区的径流量取决于降雨量与该场降雨前集水区的潜在入渗 量，而潜在入渗量又与集水区的土壤质地、土地利用方式和降雨前的土壤湿润状 况有关，s c s 模型通过一个经验型的综合反映上述因素的参数c n 来推求s 值。 s ：1 0 0 0 1 0 ( 2 - 1 4 ) c n 该方法从c n 表中可以查到每种土壤的总入渗能力。在一次降雨过程中，该 能力随降雨而耗损，直到一定限值。输入参数为c n 数，土壤的水利传导率( 用 来确定两场独立降雨的最小分离间隔时间) ，以及从完全饱和到完全干旱的时间。 入渗模型在产流计算过程中均与降雨过程相结合，可以反映降雨特性对产流 的影响；而径流曲线数反映的是流域下垫面情况和前期土壤含水量状况对降雨产 流的影响，并不反映降雨过程( 降雨强度) 对产流的影响，这样就导致了s c s 曲线数法对降雨径流计算的结果有较大的偏差，但足以满足对非点源污染负荷计 算的要求。 典型地表的洼蓄量见表2 1 。 表2 - 1 典型的洼蓄量值1 4 2 1 地表类型洼蓄量值( i n c h e s ) 不透水表面 草坪 牧场 森林( 有枯叶等) m