張 楠

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

城市面源污染造成了城市內(nèi)河的污染，龐立軍[1]以城市區(qū)域的不同下墊面為研究對象，分析了降雨過程、地表徑流過程和污染過程之間的關(guān)系，計算了不同下墊面徑流污染排放量。王軍霞[2]的研究側(cè)重按照水文效應(yīng)和面源污染的特性，選取不同下墊面，得出比如屋面的污染物排放負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大，交通干道的初始沖刷效應(yīng)明顯的結(jié)論。初期雨水污染研究中，張士官[3]表明降雨初期沖刷效應(yīng)明顯，隨降雨歷時的延長，徑流污染物濃度逐漸降低并趨于穩(wěn)定。朱一松[4]利用SWMM構(gòu)建降雨徑流污染模型，模擬了不同降雨條件下，截流井對雨水污染的截流效果。趙磊[5]通過模擬手段，定出水質(zhì)模擬中的敏感參數(shù)為不透水率、污染物最大累積量、污染物累積速率，得出受降雨強度影響波動較大的參數(shù)是沖刷系數(shù)和沖刷指數(shù)。

而本研究則采用城市水文模型方法對降雨徑流的污染物進行時空特性分析，通過量化手段，針對不同污染負(fù)荷提出了雨量限值，試圖在降雨徑流污染的預(yù)防及應(yīng)用方面向前邁進，同時可為城市其它內(nèi)河水質(zhì)模型提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

該區(qū)為雨污分流系統(tǒng)，降雨徑流沖刷帶來的污染負(fù)荷為河道主要污染源。研究對象為城市兩條內(nèi)河，東西走向的River1與南北走向的River2。水從River1流到River2，通過箱涵相連。River1河長4 550 m，River2河長2 055 m。河兩岸分布著居民樓、城區(qū)道路、學(xué)校等，城市化嚴(yán)重。兩條河相對獨立，河道起端無入流，下游僅受一條河道頂托作用。River1的匯水面積為302 hm2，River2的匯水面積為120.6 hm2。

2 研究方法

2.1 方法介紹

研究利用MIKE 11一維河網(wǎng)水動力軟件建模，利用其內(nèi)置的城市水文模型和水質(zhì)模塊研究降雨徑流污染的時空特性。數(shù)值模擬包含水流模擬、對流擴散及水質(zhì)模擬，它們之間既相對獨立又相互關(guān)聯(lián)。水質(zhì)模擬是在水動力模擬的基礎(chǔ)上進行物質(zhì)的對流擴散模擬以及水質(zhì)模擬，充分反映物質(zhì)在水中的對流擴散過程以及生化反應(yīng)過程。水質(zhì)模擬指標(biāo)包括：化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）。

模型方法有幾點優(yōu)勢：（1）可將問題量化；（2）系統(tǒng)分析；（3）可同時加載多個不同邊界，多維度多角度分析。河道水文計算常采用單位線法、霍頓法等方式，但本次研究的對象是典型的城市內(nèi)河，城市化密集復(fù)雜，所以研究嘗試了應(yīng)用城市水文模型計算。

2.2 模型構(gòu)建

梳理模型基礎(chǔ)資料。研究區(qū)含兩個匯水分區(qū)，River1河道斷面135個，管網(wǎng)排口44個；River2河道斷面50個，管網(wǎng)排口9個。平均50 m設(shè)置一個河道斷面數(shù)據(jù)，相對密集，足夠滿足建模需求。

設(shè)置模型邊界條件。河網(wǎng)的匯水范圍為閉邊界；水流交互的位置在River2下游末端處，此開邊界處設(shè)置了支流的水位。鑒于下游支流也是城區(qū)內(nèi)河，匯水范圍小，且根據(jù)常年的觀察發(fā)現(xiàn)變化不大，因此下游水位邊界設(shè)置了常水位5.3 m。降雨邊界是2017年全年實測日降雨，見圖1。

圖1 模型降雨邊界

氣象部門的降雨等級見表1。

表1 氣象部門降雨等級表 單位：mm

設(shè)置模型的主要參數(shù)。模擬時間步長取60 min，河道斷面粗糙度用的曼寧系數(shù)取0.033。

模型初始值。因模型構(gòu)建的主體是河網(wǎng)模型，岸上污染物（例如地表面源污染、管道沉積污染等）進入河道水體的過程概化處理，通過設(shè)定河道內(nèi)污染物指標(biāo)的初始值來定。本研究主要有三個指標(biāo)，化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）。假定河道本底是V類水，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限值，V類水COD為40 mg/L，NH3-N為2 mg/L，TP為0.4 mg/L。因此，河道內(nèi)各指標(biāo)的初始濃度就設(shè)定為該限值。

模型率定參數(shù)主要為降解系數(shù)。模型最終使用的降解系數(shù)COD與TP取0.1/d，NH3-N取0.15/d。

2.3 城市水文模型

本研究采用的城市水文模型為時間面積模型，它是一種相對簡單的地表徑流模型，可以做到總量控制（產(chǎn)流）和匯流控制（匯流）。時間面積模型中產(chǎn)流過程采用徑流系數(shù)法。通過設(shè)置不透水面積比（%），初損（mm），水文衰減系數(shù)來進行總量控制，產(chǎn)流過程中考慮各種損失，比如低洼蓄水，植被攔截，以及下滲等造成的水量損失；匯流過程采用時間面積方法，通過集水時間Tc（min）和時間面積曲線模擬匯流過程。時間面積曲線描述了城市流域形狀與出口點的關(guān)系。城市流域形狀概化為正三角形、倒三角形和矩形，用這三種時間面積曲線代表了不同的匯流過程。

2.4 水質(zhì)模型原理

以對流擴散模型為基礎(chǔ)，模型考慮污染物的對流擴散與線性降解作用，基本方程為式（1）：

式中：C為污染物濃度，mg/L；D為污染物彌散系數(shù)；A為斷面過水面積，m2；Q為流量，m3；K為降解系數(shù)；C2為污染物的點源濃度，mg/L；q為污染物的點源流量，m3；x為空間步長；t為時間步長。

定解條件為濃度的初值與邊界值。

濃度初始條件：t=0，C（x，t）=C（x，0）；

邊界條件：當(dāng)x=0時，C（x，t）=C（0，t），當(dāng)x=L時，C（x，t）=C（L，t）。

對流擴散方程求解采用隱式有限差分格式。

3 水質(zhì)模擬分析

3.1 空間尺度分析

通過對長序列全年日降雨模擬，分別得到了三個污染負(fù)荷的平均值，空間分布見圖2～圖4。通過線條粗細(xì)與不同顏色顯示了水質(zhì)參數(shù)在空間分布的情況。線條越粗代表數(shù)值越大，紅色代表超過V類水限值。圖2中River1最上游處COD濃度偏高，土黃色階顯示值在30～40 mg/L。上游段在20～30 mg/L，中游水質(zhì)較好，淺綠色段在15～20 mg/L，藍(lán)色段在0.1～15 mg/L。下游段也較好，淺綠色段15～20 mg/L。River2整體水質(zhì)均較好，在30 mg/L以內(nèi)。空間分布上，河道水系COD濃度均在40 mg/L以內(nèi)，達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 COD平均濃度在河道的空間分布

圖3中River1中游的NH3-N指標(biāo)在0.15～0.5 mg/L，藍(lán)色段所示。整個河道水系分布上，NH3-N均較好，濃度在1.5 mg/L以內(nèi)，已達(dá)到IV類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 氨氮平均濃度在河道的空間分布

圖4中TP指標(biāo)，River1優(yōu)于River2。River1中TP均控制在0.3 mg/L以內(nèi)，River2中游土黃色段為0.3～0.4 mg/L，TP濃度均在0.4 mg/L以內(nèi)，達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 TP平均濃度在河道的空間分布

以上分析得出，兩條河道三個水質(zhì)參數(shù)的濃度均值都在V類水范圍內(nèi)，從圖2～圖4亦可看出未出現(xiàn)紅色河段。

3.2 時間尺度分析

3.2.1 降雨量對河道超標(biāo)影響分析

全年尺度分析兩條河不同河道里程斷面不同污染負(fù)荷情況下，降雨量對其河道超標(biāo)的影響。

（1）River1河道

圖5展示River1不同河道斷面上COD隨時間變化的曲線。圖5上半部為全年日降雨，下半部為COD濃度變化曲線。River1較長，因此選取了多處重要河道里程斷面（100 m、550 m、1 000 m、1 500 m、2 100 m、3 100 m、3 600 m、4 000 m、4 555 m）處的COD情況。結(jié)合全年降雨，除個別情況外，日降雨超過25 mm時COD有超標(biāo)V類水的現(xiàn)象，反之晴天與小于25 mm日降雨時段，河道COD可達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)（虛線為V類水40 mg/L線）。

圖5 COD在全年隨時間與降雨量的變化曲線

圖6展示River1不同河道斷面上NH3-N隨時間的變化曲線。河道里程選取與COD相同。從全年降雨看，日降雨超過21 mm時，NH3-N指標(biāo)有超過V類水。其余晴天時段、小于21 mm日降雨時段，NH3-N可達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)（虛線為V類水2 mg/L線）。

圖6 氨氮在全年隨時間與降雨量的變化曲線

圖7展示River1不同河道斷面上TP隨時間的變化曲線。河道里程與其余指標(biāo)相同。結(jié)合全年降雨，日降雨超過29 mm時，TP指標(biāo)有超過V類水的現(xiàn)象。其余晴天時段、小于29 mm日降雨時段，河道TP均達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)（虛線為V類水0.4 mg/L線）。

圖7 TP在全年隨時間與降雨量的變化曲線

（2）River2河道

圖8展示River2不同河道斷面上COD隨時間變化的曲線。選取了不同河道里程（50 m、1 000 m、2 000 m）斷面COD情況。結(jié)合全年的降雨情況來看，日降雨超過19 mm時，COD有超過V類水的現(xiàn)象。其余晴天時段、小于19 mm日降雨時段，河道COD均達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)（虛線為V類水40 mg/L線）。

圖8 COD在全年隨時間與降雨量的變化曲線

圖9展示River2不同河道斷面上NH3-N隨時間變化的曲線。河道里程同COD。結(jié)合全年的降雨情況，日降雨超過19 mm時，河道NH3-N指標(biāo)有超過V類水的現(xiàn)象。其余晴天時段、小于19 mm日降雨時段，河道NH3-N均達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)（虛線為V類水2 mg/L線）。

圖9 氨氮在全年隨時間與降雨量的變化曲線

圖10展示River2不同河道斷面上TP隨時間變化的曲線。河道里程同以上指標(biāo)相同。從全年的降雨情況看，日降雨超過14 mm時，TP指標(biāo)有超過V類水的現(xiàn)象。其余晴天時段、小于14 mm日降雨時段，河道TP均達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)（虛線為V類水0.4 mg/L線）。

圖10 TP在全年隨時間與降雨量的變化曲線

3.2.2 降雨量對河道達(dá)標(biāo)影響分析

選取夏季6月14日至7月14日范圍的場次日降雨（含小、中、大雨等幾個級別），River1河道里程1 500處斷面，以COD污染負(fù)荷為例，模擬結(jié)果見圖11。

圖11 COD與降雨量的變化曲線

圖11展示小雨時河道COD濃度升高，隨著雨停濃度維持，再降小雨時又略有升高，雨停再維持（考慮平原河網(wǎng)，短期內(nèi)降解速度可忽略）。圖中雨量達(dá)到中到大雨時，COD濃度明顯下降，幾天后，又降中雨，COD濃度繼續(xù)下降，河道水質(zhì)進一步轉(zhuǎn)好，雨停后短期內(nèi)維持模擬結(jié)束。隨著降雨量的變化可以看出COD濃度的變化情況，得出不同降雨量對其河道達(dá)標(biāo)的正向影響。

4 結(jié)論與意義

研究得出了各指標(biāo)的雨量限值。結(jié)論可用于推廣到該市其余河道，可為該市水系控污治理起到指導(dǎo)作用。建議河道設(shè)置初雨截留設(shè)施，如遇到降雨超限值的雨天就采取先截留再排放方式控制。降雨徑流污染物負(fù)荷時空分布特征研究對水系雨量限值的探討對河道污染預(yù)測有重要意義和參考價值。后期研究會針對不同污染負(fù)荷在不同降雨場次（小雨、中雨、大雨）下，對河道正向影響出現(xiàn)的拐點的研究，并結(jié)合監(jiān)測做進一步輔助校核。