黃國如 聶鐵鋒

(華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室∥土木與交通學(xué)院，廣東廣州510640)

城市非點源污染指城市降雨徑流淋洗與沖刷大氣和匯水面各種污染物引起的受納水體的污染，是城市水環(huán)境污染的重要因素［1］．美國有關(guān)研究［2］表明，有60%的地表水受到非點源污染的影響．隨著我國人口的持續(xù)增加以及人類不合理活動的增多，城市水體的非點源污染日益加劇，因此，加強(qiáng)對城市非點源污染的研究對解決人類面臨的水危機(jī)有重要意義．

地表徑流污染主要取決于降雨強(qiáng)度、降雨歷時、土地利用方式、地面累積物數(shù)量及特征等，具有來源的復(fù)雜性、發(fā)生時間的不確定性、排放污染物的偶然性和隨機(jī)性等特點，使城市非點源污染研究十分困難，研究結(jié)果也因研究區(qū)域的不同而有很大的差異［3-6］．目前，非點源污染負(fù)荷估算主要采用濃度法、輸出系數(shù)法、降雨量差值法、相關(guān)關(guān)系法等經(jīng)驗性統(tǒng)計方法［5-6］，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，也出現(xiàn)了一些比較復(fù)雜的基于不同機(jī)理的非點源污染模型，如STORM、SWMM、HSPF、SWAT 等［6］，其中 SWMM 模型是一款比較適合城市非點源污染的專業(yè)軟件，它不僅能對某場暴雨進(jìn)行精細(xì)模擬，還能對長期的暴雨徑流非點源污染進(jìn)行有效模擬．文中在現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，基于SWMM模型構(gòu)建非點源污染模型，模擬各種情況下的非點源污染負(fù)荷．

1 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果及分析

1．1 監(jiān)測點布設(shè)與采樣

以廣州市新河浦社區(qū)中的部分排水區(qū)為研究對象，研究區(qū)域面積為0.32km2．選取居住區(qū)、馬路、草地3種典型下墊面作為監(jiān)測對象，居住區(qū)監(jiān)測點位于東華東路某居民樓前的一雨水口處(屋面雨水直接排放至地表后與地表徑流一起匯集于此)，馬路監(jiān)測點位于東山大街與東華東路交叉處的斜坡段最低端，草地監(jiān)測點位于河涌邊草地．

水質(zhì)采樣按下列操作執(zhí)行:降雨過程中，根據(jù)降雨強(qiáng)度大小采集水樣，從徑流形成時開始采樣，每5 min采集一次;若降雨持續(xù)時間比較長，后期適當(dāng)延長采樣的時間間隔;考慮匯流時間，降雨結(jié)束后，采樣持續(xù)至降雨結(jié)束后的半小時．水質(zhì)采樣每次取樣1600mL，將每次取得的水樣在現(xiàn)場混合均勻后分A、B兩個采樣瓶保存，A裝1000mL，B裝600mL，并在B中加入濃硫酸做預(yù)處理．A中的水樣用于BOD5和TSS濃度的監(jiān)測，B中的水樣用于 COD、TN、氨氮、TP濃度的監(jiān)測，分析項目包括TSS、COD、TN、TP、BOD5和氨氮．

1．2 監(jiān)測結(jié)果

在2010年7、8、9月份，采集居住區(qū)有效水樣3次共19組數(shù)據(jù)，馬路有效水樣4次共23組數(shù)據(jù)，草地有效水樣2次共8組數(shù)據(jù)，監(jiān)測結(jié)果見表1－3．

表1 居住區(qū)3場次降雨的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果1)Table 1 Monitoring results of water quality for three rainfall events in residential area

表2 馬路4場次降雨的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果Table 2 Monitoring results of water quality for four rainfall events in road

表3 草地2場次降雨的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果Table 3 Monitoring results of water quality for two rainfall events in grass

1．3 監(jiān)測結(jié)果分析

圖1(a)、1(b)、1(c)分別為居住區(qū)、馬路、草地的TSS和COD濃度過程線，從圖中可看出，居住區(qū)和馬路有較為明顯的初期沖刷效應(yīng)，而草地的初期沖刷效應(yīng)相對較弱，分析認(rèn)為，可能是由于草地本身對雨水徑流有一定的緩沖作用，造成它的沖刷效應(yīng)沒有居住區(qū)和馬路明顯．

圖1 TSS和COD濃度過程線Fig．1 TSS and COD concentration processes

由表1中的居住區(qū)2010-07-28次和2010-08-17次的水樣監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，前期降雨量越大，當(dāng)次降雨徑流的TSS的輸出濃度越小，且離當(dāng)次采樣時間越近的降雨影響越大．2010-07-28次水樣總氮較2010-08-17次高出很多的原因可能是采樣點上游有污染物堆積;比較表2的馬路2010-07-22次與2010-08-17次水樣監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在降雨強(qiáng)度接近的條件下，前期降雨量越大，當(dāng)次TSS輸出濃度越?。杀?可知，前期降雨量越大，當(dāng)次草地降雨徑流的TSS的輸出濃度越?。?/p>

表4為居住區(qū)、馬路、草地徑流中的 TSS和COD的相關(guān)性分析結(jié)果，從表中可看出，各次降雨徑流的TSS和COD相關(guān)系數(shù)相差很大，TSS與COD的相關(guān)性并不明顯．原因可能是居住區(qū)和馬路受人為因素和其他偶然因素影響很大，導(dǎo)致污染物及其構(gòu)成成分空間分布差異很大，而草地可能是受到了施肥的影響．

表4 居住區(qū)、馬路、草地徑流中的TSS和COD的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients of TSS and COD in runoff of residential area，road and grass respectively

2 基于SWMM模型的非點源污染模型構(gòu)建

SWMM模型是美國環(huán)境保護(hù)局為了研究和管理城市雨洪，委托佛羅里達(dá)大學(xué)研制的一個綜合性的數(shù)學(xué)模型，能夠計算降雨地表產(chǎn)流、地表匯流、管網(wǎng)水動力傳輸和水質(zhì)傳輸，可以模擬完整的城市降雨徑流和污染物運(yùn)動過程，并對單場暴雨或者連續(xù)暴雨產(chǎn)生的降雨徑流進(jìn)行動態(tài)模擬．

SWMM模型一般把研究區(qū)域劃分為若干個匯水區(qū)，每個匯水區(qū)通過流長和寬度的概念抽象為一個矩形區(qū)域，將每個匯水區(qū)劃分為透水、不透水、有洼蓄量的不透水3種不同的地表．SWMM模型的基本原理和計算方法詳見文獻(xiàn)［7］．

2．1 研究區(qū)域的概化

通過對新河浦社區(qū)的地形高程和管網(wǎng)流向分析，初步確定出一個相對較為閉合的排水區(qū)域．根據(jù)研究區(qū)域的排水管網(wǎng)圖和高程圖進(jìn)行管網(wǎng)概化和子流域劃分，最終概化結(jié)果為:子流域91個，節(jié)點609個，管線762條，出水口1個，概化結(jié)果如圖2和3所示．

2．2 參數(shù)調(diào)試

模型中產(chǎn)流選用Horton模型，污染物累積模型選用飽和函數(shù)累積公式，污染物沖刷模型選用指數(shù)函數(shù)形式［7］．

飽和函數(shù)累積公式也稱米切里斯－門頓函數(shù)，污染物累積與時間呈飽和函數(shù)關(guān)系，累積至極限值即停止，即

式中:B為實際累積量，kg/m2;Bmax為最大累積量，表示單位面積的質(zhì)量，kg/m2;C為半飽和常數(shù)，表示達(dá)到最大累積量一半時的天數(shù)，d;t為時間，d．

沖刷模型中的沖刷污染物量與殘留在地表的污染物量成正比，與徑流量呈指數(shù)關(guān)系，即

圖2 新河浦區(qū)管網(wǎng)概化結(jié)果Fig．2 Drainage network of Xinhepu district

圖3 子流域劃分結(jié)果Fig．3 Division result of drainage area

式中:Poff為單位時間內(nèi)子流域單位長度的徑流沖刷污染物量，kg/(s·m);Rc為沖刷系數(shù);n為徑流指數(shù);r為t時刻子流域單位面積的徑流率，mm/h;Pp為t時刻單位面積剩余地表污染因子的量，kg/hm2．

SWMM模型中的水文水動力參數(shù)有些可根據(jù)研究區(qū)域的實際情況予以事先確定，比如流域面積、坡度、匯水區(qū)不透水率等，其他一些參數(shù)如匯水區(qū)漫流寬度、不透水區(qū)曼寧系數(shù)、霍頓產(chǎn)流參數(shù)等則根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料選定［7-9］．由于匯流區(qū)漫流寬度是沖刷函數(shù)的一個乘數(shù)因子，參考相關(guān)文獻(xiàn)，各子流域的匯流區(qū)漫流寬度采用子流域的面積與匯流區(qū)流長作商得到．

水質(zhì)參數(shù)調(diào)試的基本思路是:在SWMM模型中，先設(shè)置好相關(guān)的水動力參數(shù)，再添加水質(zhì)模塊參數(shù)，然后進(jìn)行調(diào)試．具體調(diào)參時，首先參考相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況給定一個初值，然后根據(jù)某一場次雨水徑流的各污染物實測濃度峰值、變化趨勢進(jìn)行調(diào)試．由于實測到的中大站降雨數(shù)據(jù)難以滿足模型參數(shù)率定需要，故通過廣州暴雨強(qiáng)度公式和芝加哥降雨模型［10］推算出廣州不同重現(xiàn)期的雨峰位置出現(xiàn)在降雨后0.367h(雨峰相對位置r=0.367)的典型降雨作為降雨過程數(shù)據(jù)輸入模型．廣州各種不同重現(xiàn)期雨峰的降雨強(qiáng)度及1h降雨量見表5．

表5 廣州各典型降雨強(qiáng)度的1小時降雨量Table 5 Typical rainfall intensities for one hour rainfall in Guangzhou，China

根據(jù)降雨量大致相等的原則選定0．06年一遇的典型降雨作為降雨輸入數(shù)據(jù)，得到居住區(qū)、馬路、草地的場次暴雨分別為2010-08-17次、2010-07-22次和2010-08-17次，將其降雨徑流污染物濃度作為實測值進(jìn)行調(diào)試，最后得到的參數(shù)值見表6－7．

表6 累積函數(shù)參數(shù)Table 6 Cumulative function parameters

表7 沖刷參數(shù)1)Table 7 Erosion function pameters

表8 居住區(qū)、馬路、草地水質(zhì)模擬結(jié)果與實測對照表Table 8 Simulated and measured results of water quality of residential area，road and grass

居住區(qū)、馬路、草地3種下墊面的水質(zhì)模擬結(jié)果見表8，從表8中看出，模擬精度較高，所構(gòu)建的非點源污染模型可用于污染負(fù)荷量計算．

3 降雨徑流非點源污染負(fù)荷量分析

利用已經(jīng)構(gòu)建的非點源污染模型分析各種情況下的非點源污染負(fù)荷量［11］．

3．1 不同降雨強(qiáng)度下的非點源污染負(fù)荷

以設(shè)計降雨雨峰出現(xiàn)在r=0.367位置的0.06年一遇、0.25年一遇、0.5年一遇、1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇7種不同的1h降雨過程作為降雨輸入，模型計算時間步長采用如下原則確定:無降雨且地面不積水時，地表產(chǎn)匯流計算時間步長為1h，否則為5 s;管網(wǎng)計算時間步長為1 s;模擬計算時長為5 h．得到研究區(qū)域各污染物的排放量見表9．

表9 不同頻率降雨條件下的非點源污染負(fù)荷量Table 9 Non-point source pollution loads caused by rainfall at different frequencies

由表9可知，不同重現(xiàn)期條件下，地表累積物的沖刷程度不同，隨徑流產(chǎn)生并排放的非點源污染物負(fù)荷量亦不同．非點源污染物負(fù)荷量與降雨重現(xiàn)期呈正相關(guān)關(guān)系，降雨重現(xiàn)期越大，表明降雨強(qiáng)度越大，徑流沖刷的污染物就多，非點源污染物負(fù)荷量就大;反之亦然．但由于研究區(qū)表面的污染物含量有限，隨著雨量的增加，污染物負(fù)荷量的增幅有逐漸減小的趨勢．

3．2 不同雨型條件下的非點源污染負(fù)荷

為了研究降雨量相同但雨型條件不同的非點源污染負(fù)荷，利用廣州暴雨強(qiáng)度公式和芝加哥雨型公式設(shè)計了雨峰位置分別在0.367、0.500、0.633處的1h降雨過程，降雨頻率采用0.25年一遇，其余計算條件同上節(jié)，計算結(jié)果見表10．

表10 0.25年一遇1 h不同降雨過程產(chǎn)生的非點源污染負(fù)荷Table 10 Non-point pollution loads caused by 1-h rainfall in 0．25 year return

從表10可看出，雨峰位置對非點源污染負(fù)荷量有一定影響，雨峰偏后條件下的負(fù)荷量大于偏前的，其原因可能是降雨的初損導(dǎo)致雨峰靠后的徑流峰值更大，沖刷能力更強(qiáng)．

3．3 不同下墊面類型的非點源污染負(fù)荷

利用雨峰位置在0.367 h的0.25年一遇1 h降雨過程作為降雨輸入，其余條件與上節(jié)相同，對所研究的3種下墊面類型的地表徑流非點源污染負(fù)荷量進(jìn)行分析．分別選擇一個具有代表性的排水小區(qū)作為3種下墊面類型的代表，其中，居住區(qū)以位于東華東路和廟前西街之間的居民區(qū)為代表，面積為0.16hm2，不透水面積占總面積的90%;馬路以位于東華東路的排水區(qū)為代表，面積為0.10hm2，不透水面積占總面積的90%;綠化區(qū)以位于新河浦涌旁邊的主要由綠化草地構(gòu)成的區(qū)域為代表，面積為0.13hm2，不透水面積占總面積的30%．住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、綠化區(qū)3種不同的下墊面類型的單位面積非點源污染見表11．

表11 不同下墊面類型單位面積徑流沖刷污染物負(fù)荷Table 11 Pollutant loads per unit area by runoff erosion on different land use types

從表11可看出，住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)的單位面積污染物負(fù)荷量相差不大，但綠化區(qū)的單位面積污染物負(fù)荷量除TP外，其他遠(yuǎn)小于商業(yè)區(qū)和居住區(qū)．分析可能的原因在于:(1)綠化區(qū)的透水下墊面比例大，滯蓄量相對較大，使其徑流量相對較小，同時對徑流的形成過程起到延緩作用;(2)綠地對污染物的固定作用，由于綠地表面對徑流阻滯的同時也攔截了隨徑流沖刷產(chǎn)生的污染物，對地表累積物起到了固定作用，對控制隨降雨徑流產(chǎn)生的非點源污染也起到一定的作用［11］．可見，增加綠地等透水表面面積可以減少非點源污染負(fù)荷量，是減少城市非點源污染的一個有效途徑．

4 結(jié)語

文中在現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了分析．應(yīng)用SWMM模型建立了研究區(qū)域的分布式非點源污染模型，分別模擬不同降雨重現(xiàn)期、不同降雨類型、不同下墊面類型的非點源污染負(fù)荷，得到如下結(jié)論:居住區(qū)、馬路都存在明顯的初期沖刷效應(yīng)，草地由于本身對徑流有一定的阻礙作用，初期沖刷效應(yīng)沒有居住區(qū)和馬路明顯;研究區(qū)域非點源污染物負(fù)荷量與降雨重現(xiàn)期呈正相關(guān)關(guān)系，降雨重現(xiàn)期越大，降雨強(qiáng)度越大，污染物負(fù)荷量越大，反之亦然．但由于研究區(qū)表面的污染物含量有限，隨著雨量的增加，污染物負(fù)荷量的增幅有逐漸減小的趨勢;雨峰位置對非點源污染負(fù)荷量有一定影響，雨峰偏后條件下的負(fù)荷量大于偏前的;商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)的單位面積污染物負(fù)荷量相差不大，但綠化區(qū)的單位面積污染物負(fù)荷量除了TP外，其他遠(yuǎn)小于商業(yè)區(qū)和居住區(qū)．

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