城市降雨徑流污染負荷模擬研究

摘要：城市降雨污染負荷模擬能夠為城市水環(huán)境綜合治理提供決策依據。以海南省?？谑写笸瑴蠀R水區(qū)為研究對象，構建城市地表徑流污染物負荷模擬模型，并利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據進行參數(shù)率定，模擬分析典型降雨過程中的化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、五日生化需氧量（5-Biochemical Oxygen Demand，BOD5）負荷量及負荷累計過程。結果表明，兩種污染物負荷累計量在0～20 min迅速增長，隨后趨于穩(wěn)定；小區(qū)道路/社區(qū)下墊面類型的各污染物負荷貢獻量均最大，占整個區(qū)域污染量負荷的98%以上。

關鍵詞：非點源污染；城市降雨；污染負荷模擬

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）10-00-03

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Simulation Study on Pollution Load of Rainfall Runoff in Urban Area

YAN Meng1，DONG Yanjun2

（1. Guangzhou PRHRI Engineering Survey & Design Co.， Ltd.;

2. Pearl River Water Resources Research Institute， Guangzhou 510611， China）

Abstract： Carrying out simulation of urban rainfall pollution load can provide decision-making basis for the comprehensive treatment of urban water environment. Taking the catchment area of Datong ditch in Haikou city， Hainan province as the study object， a simulation model of pollutant load in urban surface runoff is established and the model parameters are calibrated using on-site monitoring data. The Chemical Oxygen Demand（COD） and 5-Biochemical Oxygen Demand （BOD5） pollutant loads and cumulative processes is simulated based on the model during a typical rainfall process. The results show that the cumulative load of pollutants increases rapidly from 0 to 20 min and then stabilizes; The contribution of pollutant load from the types of residential roads/communities underlying surface type is the largest， accounting for more than 98% of the total pollutant load in the entire area.

Keywords： non-point source pollution ; urban rainfall ; pollution load simulation

目前，雨水徑流造成的非點源污染是導致水體環(huán)境污染的重要原因。城市雨水徑流污染存在廣泛分布、隨機不定、污染成分復雜且污染源監(jiān)控困難等特點，因此目前多采用數(shù)學模型，模擬城市降雨污染物濃度變化過程，量化污染負荷，為制定科學合理的水環(huán)境治理措施提供參考[1]。?？谑凶鳛楹Ｄ鲜?，近年來采取入河排污口整治、雨污分流等措施，改善了水環(huán)境。數(shù)據顯示，海口市仍有部分內河（湖）水質處于輕度至重度污染水平，水環(huán)境質量有待進一步提高?；诖?，以海口市大同溝匯水區(qū)為研究區(qū)，構建城市地表徑流污染物負荷模型，分析典型場次降雨下化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、五日生化需氧量（5-Biochemical Oxygen Demand，BOD5）負荷量及負荷累計過程，為區(qū)域水環(huán)境治理提供科學依據。

1 數(shù)據與方法

1.1 匯水分區(qū)

研究區(qū)為海口市龍華區(qū)大同溝沿岸至東西湖匯水區(qū)，大同溝全長1.7 km，匯水面積為4.23 km2。根據?？谑信潘?guī)劃圖、水系圖以及區(qū)域地形資料，將匯水區(qū)分為8個匯水分區(qū)，如圖1所示。根據特點，將各分區(qū)下墊面分為小區(qū)道路/社區(qū)、市政道路、綠地3類。各分區(qū)不同類型下墊面的面積如表1所示。

1.2 采樣

在第5匯水分區(qū)，選取小區(qū)道路/社區(qū)的低洼區(qū)、市政道路的道路雨箅子口、綠地的公園草地各設置

1個水質采樣點。在降雨初期，強度和徑流量較大，每間隔3～5 min取樣1次，共取樣5～6次。隨后根據降雨歷時的長短調整取樣的次數(shù)及間隔時間，每隔5～15 min采樣1次，一次降雨采樣8～10次。采集后的水樣監(jiān)測指標為COD、BOD5，均按照相應方法[2]進行監(jiān)測。

1.3 模型方法

1.3.1 地表產流過程

SCS水文模型的降雨-徑流基本關系為

（1）

式中：F為后損值，是累積下滲量，mm；S為流域或城區(qū)當時的最大可能滯留量，mm；R為直接徑流量，mm；P為降雨量，mm；I為初損值，主要是表層蓄水和截流等，mm。

1.3.2 污染物累積、遷移與損失過程

污染物的累積量Lij與降塵累積量Lsi的關系為

Lij=fij×Lsi（2）

式中：Lij為第i種地表特征上的第j種污染物量，mg/m2；fij為第i種地表特征上的第j種污染物的比例系數(shù)，mg/g；Lsi為地表降塵的量，g/m2。

污染物的沖刷量計算公式為

?Lij=Lij×[1-exp（-ki×R）]（3）

式中：?Lij為降雨時從第i種特征的地表沖刷的第j種污染物量，mg/m2；ki為第i種特征的地表沖刷系數(shù)，mm-1；R為降雨量，mm。

流量與污染物沖刷量確定后，可以計算出單元匯水面積上的水質過程，公式為

（4）

式中：Cj為污染物平均濃度，mg/L；Ai為不同特征地表面積，km2；Q為出流流量，m3/s；?t為時間間隔，s。

1.4 參數(shù)率定

選取2018年6月18日16：10—17：40的一場典型降雨的同步氣象和試驗觀測資料（降雨過程如表2所示），對地表沖刷系數(shù)ki、污染物累積量Lij進行模型參數(shù)率定。

根據3類下墊面的降雨徑流污染源監(jiān)測資料進行率定，確定各類下墊面沖刷系數(shù)取值為0.4。

參考相關文獻[3]，根據第5匯水分區(qū)徑流污染濃度的實測結果，率定確定本模型中3類典型下墊面中初始COD、BOD5累計量，結果如表3所示。

模型模擬第5匯水分區(qū)污染物濃度變化的結果如圖2、圖3所示。與實測結果相比，模擬結果能夠較好地反映降雨形成徑流的污染物濃度變化過程，地表徑流中COD、BOD5濃度隨時間呈先增加后減小再維持不變的趨勢。

2 模擬結果分析

2.1 污染物負荷隨降雨時間的變化過程

研究區(qū)域各污染物的累計負荷量隨降雨時間的變化過程如圖4所示。COD、BOD5累計負荷量隨降雨時間的變化規(guī)律相同，累積量均在0～20 min迅速增加，隨后基本維持不變。至降雨時刻末，整個區(qū)域內COD、BOD5累計量分別為5 916.68 kg、1 014.86 kg。

2.2 不同下墊面類型產污量

統(tǒng)計研究區(qū)域各下墊面類型污染物負荷量，結果如表4所示。小區(qū)道路/社區(qū)COD、BOD5濃度的貢獻占比均為最高，在98%以上，主要原因是小區(qū)道路/社區(qū)面積占該匯水分區(qū)總面積的84.49%。市政道路的貢獻其次，占比分別為1.32%、1.17%；綠地貢獻最小，分別為0.26%、0.18%。經分析，市政道路、綠地占地面積比例較低，共計15.51%；綠地面積是市政道路面積的近3倍，但綠地具有徑流系數(shù)小、降雨形成徑流少的特點，同時綠地植物對徑流沖刷產生的污染物有一定攔截作用。建議小區(qū)道路/社區(qū)采取低影響開發(fā)措施，如綠色屋頂、滲透路面、植被淺溝等，以減少非點源污染入河。

3 結論

以海口市大同溝匯水區(qū)為對象，結合典型降雨實測數(shù)據，構建降雨徑流污染負荷模擬模型并進行參數(shù)率定。結果表明，模型模擬數(shù)據可與實測數(shù)據較好地吻合，該模型能夠為今后?？谑谐菂^(qū)其他區(qū)域非點源污染負荷模擬提供參考。隨著降雨時間的推進，降雨徑流中COD及BOD5的濃度呈先增加后減小再維持不變的趨勢，其中污染物濃度最大值出現(xiàn)在10 min；污染物負荷累計量在0～20 min迅速增加，隨后趨于穩(wěn)定；小區(qū)道路/社區(qū)下墊面的污染物負荷貢獻量最大，占整個區(qū)域污染物負荷量的98%以上。以非點源污染負荷模型為基礎，分析典型城市河道匯水區(qū)域非點源污染負荷量及變化過程，可為?？谑谐鞘泻拥赖乃廴局卫硖峁┮欢ǖ募夹g支持。

參考文獻

1 王 龍，黃躍飛，王光謙.城市非點源污染模型研究進展[J].環(huán)境科學，2010（10）：2532-2540.

2 國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2002.

3 祁繼英.城市非點源污染負荷定量化研究[D].南京：河海大學，2005.