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1、精品论文推荐城市地表径流污染负荷与降雨参数模型研究1罗鸿兵 1, 5，罗麟 2，黄鹄 3，何强 4，刘娉 11 四川大学建筑与环境学院，成都 (610065)2 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 (610065)3 城市建设研究院深圳水环境研究中心，深圳 (518048)4 清华大学环境科学与工程系，北京(100084)5 四川农业大学城乡建设学院，四川都江堰 (611830)E-mail: 摘要：城市降雨径流污染是一个涉及多介质、多时空尺度和多污染物的复杂过程，本文在地表径流污染负荷监测基础上，建立了地表径流污染负荷与降雨参数数学回归模型, 主要降 雨参数为降雨累计量、平
2、均降雨强度、降雨前期干天气、降雨历时、最大降雨强度和最大 5 分钟平均降雨强度。在研究区域内，平均降雨强度和最大降雨强度影响每个污染物的污染负 荷，但受影响程度不同；对于其余降雨参数，影响存在差别，平均降雨强度、降雨历时和最 大降雨强度是 COD、BOD5 的主要参数，但它并不是 SS、TN 的主要参数。通过建立的模型， 可以根据降雨参数有效估算和预测研究区域的径流污染负荷，可为受纳流域水体的地表径流 污染治理提供参考数据。关键词：城市径流；污染负荷；降雨参数；模型1. 引言20 世纪 80 年代，我国开始研究城市径流污染的宏观特征和污染负荷定量计算模型，其 中污染负荷定量计算模型研究的方向主
3、要有 3 个方面: 地表累积规律1，水量单位线和污染 物负荷的研究2，以及径流量与污染负荷相关性分析3。到 20 世纪 90 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4。我国先后在北京 市、苏州市等处开展城市径流负荷的研究5。温灼如(1984)等6对苏州内城暴雨径流污染进 行了研究，在大量的实验数据的基础上建立了苏州暴雨径流污染模型，该模型是以降雨为输 入，径流与污染量为输出的确定性集总系统，其响应函数为线性的水量单位线和污染负荷单 位线，实现由净雨量转换为流量和污染负荷量的计算，用作苏州暴雨排水排污设计和预测。较为常用的径流污染负荷研究方法是采用典型区
4、域的试验小区监测方法7：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，通过分析研究径流污染的性质，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811。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正， 模拟和估算径流污染负荷。城市降雨径流污染是一个涉及多介质、多时空尺度
5、和多污染物的复杂过程12，本文在 地表径流污染负荷监测基础上，就径流污染负荷与降雨参数之间展开研究，探讨地表径流污 染负荷与降雨参数之间的数学模型。1本课题得到国家自然科学基金（50679049），教育部博士点基金（20050610040）的资助。- 1 -2. 研究区概述深圳市福田河流域位于深圳市区中部，其降雨量处于深圳市东西部降雨量中值的范围。 福田河为深圳河的支流，发源于北部山区的梅林坳，流经上梅林、笔架山公园、中心公园、 田面村和 800m 绿化带，穿过滨河大道在皇岗口岸东部汇入深圳河，集雨面积 15.9km2，干 流长度 6.8km。福田河是一条“雨源性”河流, 枯水期水流速不足 2
6、m/s,而百年一遇洪水到达河 口出流量达到 288m3/s。河道上游为低山丘,中、下游为海滨平原区,下游河道坡降缓慢,河道 平均比降 J=0.0062,约有 3km 范围为感潮河段。该城市河流流域的开发强度较大，下垫面类型基本形成系统，并在近两年实施了沿河截 污，具有典型的混流制特征，同时也实施了清淤、建闸等工程，因此具有较好的代表性。福 田河流域莲花村的排水采用雨、污分流制，污水排入市政管道，雨水经雨水管网收集后，经过雨水排水明渠排入福田河，具有很好的代表性，因此选择莲花村为主要研究对象，研究范围见图 1。研究范围面积为 120 公顷，其中，居住用地占 32%，交通占 9%，工业占 6%，绿
7、 地占 36%，商业占 16%，未建设用地不到 1%，雨水管道长度为 6.45 km，其中雨水箱涵长 度约 504 米并与福田河雨水排水明渠相连接，径流出水口为雨水排水明渠，刚好经过采样点， 然后通过雨水排水明渠排入福田河。3. 降雨参数图 1 研究区域范围图从 2007 年 10 月到 2008 年 11 月，在福田河研究区域，共对 15 场典型降雨进行了降雨的全过程监测。降雨资料采用自动雨量计测定，降雨参数主要包括降雨量、降雨历时、平均 降雨强、最大降雨强度、前期干天气和最大 5 分钟降雨强度，详细测定的降雨参数见表 1。表 1 详细降雨参数降雨日期降雨累计量mm平均降雨强度mm/h前期干
8、天气d降雨历时min最大降雨强度mm/h最大 5 分钟降雨强度 mm/h2007-10-312.30.9520145.262.642008-3-2212.95.16561506623.762008-3-284.12.056120184.082008-4-193.91.6722139.81142.162008-4-25441.036061.462008-5-210.51.981318121.882008-5-545.971.0240.2181.672008-5-283628.87.67759611.672008-6-68.53.782.44135964.172008-6-113880.52851
9、028.752008-6-2567.527.895.67145.26613.752008-7-2123.58.554.3165728.132008-7-272740.31.0840.21027.922008-8-22371.54147660.422008-9-1711.512.50.6755.2362.714. 污染负荷监测城市降雨径流污染负荷是指由一场降雨或1年中的多场降雨所引起地表径流排放的污染 物总量。由1场降雨所引起的地表径流排放的污染物总量称为次降雨径流污染负荷，次降雨 径流的污染负荷可用下式计算：TM = C (t )q(t )dt(1)0式中： M某污染物总质量；C(t)指随时间
10、变化的污染物含量(mg/L) ; q(t)指随时间变化 的径流速率(L/min); T为1场降雨形成径流的总历时(分钟)。但是，方程(1)是很难实现，因为要实现持续不间断地测量径流浓度和径流体积是较非 常困难的，因此方程(1)可以通过一定的间隔时间的浓度测量和径流体积测量来实现，即方 程(1)可以转换成如下的方程(2)：N C +C q + qM = j j+1 j j+1 t(2)j=1 2 2式中，N为总采样和测定次数；j是第j次采样和测定；Cj指第j次采样的浓度(mg/L); Cj+1指第j+1次采样的浓度(mg/L);qj是第j次测定的径流体积（L）；qj+1是第j+1次测定的径流体积
11、（L）；t为相邻二次采样和测定的时间间隔（Min）。从 2007 年 10 月到 2008 年 11 月，共对约 15 场典型降雨进行了跟踪测量，污染负荷统 计值见表 2，反映了不同降雨条件下径流污染负荷的特征。由于不同次降雨降雨量、降雨强 度、降雨历时等降雨因子和雨前污染物的累积程度不同，次降雨径流污染负荷存在明显的差 异。表 2 研究区域污染负荷统计值降雨日期COD(Kg)SS(Kg)TN(Kg)TP(Kg)BOD5(Kg)2007-10-30-1692.92008-3-222778.5310163.1323.878.221521.742008-3-28282.39728.129.844.
12、9299.942008-4-19643.77874.8214.413.5283.632008-4-25177.18472.027.321.7-2008-5-2828.93471.8318.515.39908.292008-5-52923.122977.4317.255.522008-5-283326.498788.9253.741.662049.912008-6-61836.214102.1923.2736.261652.12008-6-112413.427503.75134.8893.59-2008-6-251276.425523.658.9254.11-2008-7-213397.2983
13、42.1240.9223.874305.292008-7-274043.615463.7199.9481.11-2008-8-22598.4522.3531.677.82-2008-9-171477.369409.8443.555.881405.81最小值177.18471.837.321.7099.94中值1656.794782.9527.778.021521.74最大值4043.6110163.13134.8893.594305.29平均值1857.374667.4241.2926.681546.62SS 污染负荷有三种变化趋势：第一种，初期陡降，后期平稳下降；第二种，整个时段大幅波动；第
14、三种，前期缓慢上升，后期负荷较高。由于污染负荷大小跟浓度、流量等多方 面因素和采样点的复杂条件有关，各场降雨 SS 污染负荷变化规律差异较大。可以发现 COD 污染负荷随时间的变化情况跟 SS 污染负荷的变化规律相似，COD 污染负荷变化较复杂。TN 污染负荷变化也很大，最大值与最小值相差几十倍，TN 随时间的变化总体较零乱，统一的 规律不强，表明 TN 的污染负荷的变化更易受各种外界条件的影响，如流量的突然增大，往往带来 TN 负荷的峰值。TP 污染负荷污染差别也较大，总体规律跟 TN 污染负荷的相似， 偶然变化较多，规律性较差。BOD5 污染负荷变化规律与 COD 相似。研究区内地表径流污染负荷有的特点为：污染负荷总量大，污染负荷随时间变化规律较复杂，其中 SS 和 COD 污染负荷对流量变化不大的降雨场次，有先上升后陡降的规律；TN、TP 污染负荷
