广州城区雨水径流非点源污染特性及污染负荷*

黄国如 聂铁锋

(华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室∥土木与交通学院，广东广州510640)

城市非点源污染指城市降雨径流淋洗与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［1］．美国有关研究［2］表明，有60%的地表水受到非点源污染的影响．随着我国人口的持续增加以及人类不合理活动的增多，城市水体的非点源污染日益加剧，因此，加强对城市非点源污染的研究对解决人类面临的水危机有重要意义．

地表径流污染主要取决于降雨强度、降雨历时、土地利用方式、地面累积物数量及特征等，具有来源的复杂性、发生时间的不确定性、排放污染物的偶然性和随机性等特点，使城市非点源污染研究十分困难，研究结果也因研究区域的不同而有很大的差异［3-6］．目前，非点源污染负荷估算主要采用浓度法、输出系数法、降雨量差值法、相关关系法等经验性统计方法［5-6］，随着技术的不断进步，也出现了一些比较复杂的基于不同机理的非点源污染模型，如STORM、SWMM、HSPF、SWAT 等［6］，其中 SWMM 模型是一款比较适合城市非点源污染的专业软件，它不仅能对某场暴雨进行精细模拟，还能对长期的暴雨径流非点源污染进行有效模拟．文中在现场水质监测的基础上，基于SWMM模型构建非点源污染模型，模拟各种情况下的非点源污染负荷．

1 现场监测结果及分析

1．1 监测点布设与采样

以广州市新河浦社区中的部分排水区为研究对象，研究区域面积为0.32km2．选取居住区、马路、草地3种典型下垫面作为监测对象，居住区监测点位于东华东路某居民楼前的一雨水口处(屋面雨水直接排放至地表后与地表径流一起汇集于此)，马路监测点位于东山大街与东华东路交叉处的斜坡段最低端，草地监测点位于河涌边草地．

水质采样按下列操作执行:降雨过程中，根据降雨强度大小采集水样，从径流形成时开始采样，每5 min采集一次;若降雨持续时间比较长，后期适当延长采样的时间间隔;考虑汇流时间，降雨结束后，采样持续至降雨结束后的半小时．水质采样每次取样1600mL，将每次取得的水样在现场混合均匀后分A、B两个采样瓶保存，A装1000mL，B装600mL，并在B中加入浓硫酸做预处理．A中的水样用于BOD5和TSS浓度的监测，B中的水样用于 COD、TN、氨氮、TP浓度的监测，分析项目包括TSS、COD、TN、TP、BOD5和氨氮．

1．2 监测结果

在2010年7、8、9月份，采集居住区有效水样3次共19组数据，马路有效水样4次共23组数据，草地有效水样2次共8组数据，监测结果见表1－3．

表1 居住区3场次降雨的水质监测结果1)Table 1 Monitoring results of water quality for three rainfall events in residential area

表2 马路4场次降雨的水质监测结果Table 2 Monitoring results of water quality for four rainfall events in road

表3 草地2场次降雨的水质监测结果Table 3 Monitoring results of water quality for two rainfall events in grass

1．3 监测结果分析

图1(a)、1(b)、1(c)分别为居住区、马路、草地的TSS和COD浓度过程线，从图中可看出，居住区和马路有较为明显的初期冲刷效应，而草地的初期冲刷效应相对较弱，分析认为，可能是由于草地本身对雨水径流有一定的缓冲作用，造成它的冲刷效应没有居住区和马路明显．

图1 TSS和COD浓度过程线Fig．1 TSS and COD concentration processes

由表1中的居住区2010-07-28次和2010-08-17次的水样监测数据可知，前期降雨量越大，当次降雨径流的TSS的输出浓度越小，且离当次采样时间越近的降雨影响越大．2010-07-28次水样总氮较2010-08-17次高出很多的原因可能是采样点上游有污染物堆积;比较表2的马路2010-07-22次与2010-08-17次水样监测数据可知，在降雨强度接近的条件下，前期降雨量越大，当次TSS输出浓度越小．由表3可知，前期降雨量越大，当次草地降雨径流的TSS的输出浓度越小．

表4为居住区、马路、草地径流中的 TSS和COD的相关性分析结果，从表中可看出，各次降雨径流的TSS和COD相关系数相差很大，TSS与COD的相关性并不明显．原因可能是居住区和马路受人为因素和其他偶然因素影响很大，导致污染物及其构成成分空间分布差异很大，而草地可能是受到了施肥的影响．

表4 居住区、马路、草地径流中的TSS和COD的相关系数Table 4 Correlation coefficients of TSS and COD in runoff of residential area，road and grass respectively

2 基于SWMM模型的非点源污染模型构建

SWMM模型是美国环境保护局为了研究和管理城市雨洪，委托佛罗里达大学研制的一个综合性的数学模型，能够计算降雨地表产流、地表汇流、管网水动力传输和水质传输，可以模拟完整的城市降雨径流和污染物运动过程，并对单场暴雨或者连续暴雨产生的降雨径流进行动态模拟．

SWMM模型一般把研究区域划分为若干个汇水区，每个汇水区通过流长和宽度的概念抽象为一个矩形区域，将每个汇水区划分为透水、不透水、有洼蓄量的不透水3种不同的地表．SWMM模型的基本原理和计算方法详见文献［7］．

2．1 研究区域的概化

通过对新河浦社区的地形高程和管网流向分析，初步确定出一个相对较为闭合的排水区域．根据研究区域的排水管网图和高程图进行管网概化和子流域划分，最终概化结果为:子流域91个，节点609个，管线762条，出水口1个，概化结果如图2和3所示．

2．2 参数调试

模型中产流选用Horton模型，污染物累积模型选用饱和函数累积公式，污染物冲刷模型选用指数函数形式［7］．

饱和函数累积公式也称米切里斯－门顿函数，污染物累积与时间呈饱和函数关系，累积至极限值即停止，即

式中:B为实际累积量，kg/m2;Bmax为最大累积量，表示单位面积的质量，kg/m2;C为半饱和常数，表示达到最大累积量一半时的天数，d;t为时间，d．

冲刷模型中的冲刷污染物量与残留在地表的污染物量成正比，与径流量呈指数关系，即

图2 新河浦区管网概化结果Fig．2 Drainage network of Xinhepu district

图3 子流域划分结果Fig．3 Division result of drainage area

式中:Poff为单位时间内子流域单位长度的径流冲刷污染物量，kg/(s·m);Rc为冲刷系数;n为径流指数;r为t时刻子流域单位面积的径流率，mm/h;Pp为t时刻单位面积剩余地表污染因子的量，kg/hm2．

SWMM模型中的水文水动力参数有些可根据研究区域的实际情况予以事先确定，比如流域面积、坡度、汇水区不透水率等，其他一些参数如汇水区漫流宽度、不透水区曼宁系数、霍顿产流参数等则根据相关文献资料选定［7-9］．由于汇流区漫流宽度是冲刷函数的一个乘数因子，参考相关文献，各子流域的汇流区漫流宽度采用子流域的面积与汇流区流长作商得到．

水质参数调试的基本思路是:在SWMM模型中，先设置好相关的水动力参数，再添加水质模块参数，然后进行调试．具体调参时，首先参考相关文献，并结合研究区域实际情况给定一个初值，然后根据某一场次雨水径流的各污染物实测浓度峰值、变化趋势进行调试．由于实测到的中大站降雨数据难以满足模型参数率定需要，故通过广州暴雨强度公式和芝加哥降雨模型［10］推算出广州不同重现期的雨峰位置出现在降雨后0.367h(雨峰相对位置r=0.367)的典型降雨作为降雨过程数据输入模型．广州各种不同重现期雨峰的降雨强度及1h降雨量见表5．

表5 广州各典型降雨强度的1小时降雨量Table 5 Typical rainfall intensities for one hour rainfall in Guangzhou，China

根据降雨量大致相等的原则选定0．06年一遇的典型降雨作为降雨输入数据，得到居住区、马路、草地的场次暴雨分别为2010-08-17次、2010-07-22次和2010-08-17次，将其降雨径流污染物浓度作为实测值进行调试，最后得到的参数值见表6－7．

表6 累积函数参数Table 6 Cumulative function parameters

表7 冲刷参数1)Table 7 Erosion function pameters

表8 居住区、马路、草地水质模拟结果与实测对照表Table 8 Simulated and measured results of water quality of residential area，road and grass

居住区、马路、草地3种下垫面的水质模拟结果见表8，从表8中看出，模拟精度较高，所构建的非点源污染模型可用于污染负荷量计算．

3 降雨径流非点源污染负荷量分析

利用已经构建的非点源污染模型分析各种情况下的非点源污染负荷量［11］．

3．1 不同降雨强度下的非点源污染负荷

以设计降雨雨峰出现在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种不同的1h降雨过程作为降雨输入，模型计算时间步长采用如下原则确定:无降雨且地面不积水时，地表产汇流计算时间步长为1h，否则为5 s;管网计算时间步长为1 s;模拟计算时长为5 h．得到研究区域各污染物的排放量见表9．

表9 不同频率降雨条件下的非点源污染负荷量Table 9 Non-point source pollution loads caused by rainfall at different frequencies

由表9可知，不同重现期条件下，地表累积物的冲刷程度不同，随径流产生并排放的非点源污染物负荷量亦不同．非点源污染物负荷量与降雨重现期呈正相关关系，降雨重现期越大，表明降雨强度越大，径流冲刷的污染物就多，非点源污染物负荷量就大;反之亦然．但由于研究区表面的污染物含量有限，随着雨量的增加，污染物负荷量的增幅有逐渐减小的趋势．

3．2 不同雨型条件下的非点源污染负荷

为了研究降雨量相同但雨型条件不同的非点源污染负荷，利用广州暴雨强度公式和芝加哥雨型公式设计了雨峰位置分别在0.367、0.500、0.633处的1h降雨过程，降雨频率采用0.25年一遇，其余计算条件同上节，计算结果见表10．

表10 0.25年一遇1 h不同降雨过程产生的非点源污染负荷Table 10 Non-point pollution loads caused by 1-h rainfall in 0．25 year return

从表10可看出，雨峰位置对非点源污染负荷量有一定影响，雨峰偏后条件下的负荷量大于偏前的，其原因可能是降雨的初损导致雨峰靠后的径流峰值更大，冲刷能力更强．

3．3 不同下垫面类型的非点源污染负荷

利用雨峰位置在0.367 h的0.25年一遇1 h降雨过程作为降雨输入，其余条件与上节相同，对所研究的3种下垫面类型的地表径流非点源污染负荷量进行分析．分别选择一个具有代表性的排水小区作为3种下垫面类型的代表，其中，居住区以位于东华东路和庙前西街之间的居民区为代表，面积为0.16hm2，不透水面积占总面积的90%;马路以位于东华东路的排水区为代表，面积为0.10hm2，不透水面积占总面积的90%;绿化区以位于新河浦涌旁边的主要由绿化草地构成的区域为代表，面积为0.13hm2，不透水面积占总面积的30%．住宅区、商业区、绿化区3种不同的下垫面类型的单位面积非点源污染见表11．

表11 不同下垫面类型单位面积径流冲刷污染物负荷Table 11 Pollutant loads per unit area by runoff erosion on different land use types

从表11可看出，住宅区和商业区的单位面积污染物负荷量相差不大，但绿化区的单位面积污染物负荷量除TP外，其他远小于商业区和居住区．分析可能的原因在于:(1)绿化区的透水下垫面比例大，滞蓄量相对较大，使其径流量相对较小，同时对径流的形成过程起到延缓作用;(2)绿地对污染物的固定作用，由于绿地表面对径流阻滞的同时也拦截了随径流冲刷产生的污染物，对地表累积物起到了固定作用，对控制随降雨径流产生的非点源污染也起到一定的作用［11］．可见，增加绿地等透水表面面积可以减少非点源污染负荷量，是减少城市非点源污染的一个有效途径．

4 结语

文中在现场水质监测的基础上，对水质监测结果进行了分析．应用SWMM模型建立了研究区域的分布式非点源污染模型，分别模拟不同降雨重现期、不同降雨类型、不同下垫面类型的非点源污染负荷，得到如下结论:居住区、马路都存在明显的初期冲刷效应，草地由于本身对径流有一定的阻碍作用，初期冲刷效应没有居住区和马路明显;研究区域非点源污染物负荷量与降雨重现期呈正相关关系，降雨重现期越大，降雨强度越大，污染物负荷量越大，反之亦然．但由于研究区表面的污染物含量有限，随着雨量的增加，污染物负荷量的增幅有逐渐减小的趋势;雨峰位置对非点源污染负荷量有一定影响，雨峰偏后条件下的负荷量大于偏前的;商业区和住宅区的单位面积污染物负荷量相差不大，但绿化区的单位面积污染物负荷量除了TP外，其他远小于商业区和居住区．

［1］ 林积泉，马俊杰，王伯铎，等．城市非点源污染及其防治研究 ［J］．环境科学与技术，2004，27(S1):63-65．Lin Ji-quan，Ma Jun-jie，Wang Bo-duo，et al．Study on urban non-point source pollution and its control［J］．Environmental Science and Technology，2004，27(S1):63-65．

［2］ US EPA．National water quality inventory，report to congress executive summary［M］．Washington D C:USEPA，1995．

［3］ 李俊然，陈利顶，郭旭东，等．土地利用结构对非点源污染的影响［J］．中国环境科学，2000，20(6):505-510．LI Jun-ran，Chen Li-ding，Guo Xu-dong，et al．Effects of land use structure on non-point source pollution［J］．China Environmental Science，2000，20(6):505-510．

［4］ 王晓燕．非点源污染定量研究的理论及方法［J］．首都师范大学学报:自然科学版，1996，17(1):91-95．Wang Xiao-yan．Theory and methods of quantitative study on non-point pollution［J］．Journal of Capital Normal University:Natural Science Edition，1996，17(1):91-95．

［5］ 施为光．成都市径流污染的概念性模型［J］．四川环境，1994，13(2):65-70．Shi Wei-guang．Conceptional model system of urban runoff in Chengdu ［J］．Sichuan Environment，1994，13(2):65-70．

［6］ 薛金凤，夏军，马彦涛．非点源污染预测模型研究进展［J］．水科学进展，2002，13(5):649-656．Xue Jin-feng，Xia Jun，Ma Yan-tao．Advances in non-point source pollution prediction model［J］．Advances in Water Science，2002，13(5):649-656．

［7］ National Risk Management Research Laboratory，Office of Researchand Development，U S Environmental Protection Agency．Storm water management model user’s manua1．Version 5．0 ［EB/OL］．［2010-10-04］．http://www．epa．gov．

［8］ 丛翔宇，倪广恒，惠士博，等．基于SWMM 的北京市典型城区暴雨洪水模拟分析［J］．水利水电技术，2006，37(4):64-67．Cong Xiang-yu，Ni Guang-heng，Hui Shi-bo，et al．Simulative analysis on storm flood in typical urban region of Beijing based on SWMM ［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2006，37(4):64-67．

［9］ National Risk Management Research Laboratory，Office of Researchand Development，U S Environmental Protection Agency．Storm water management model applications manual［EB/OL］．［2010-10-04］．http://www．epa．gov．

［10］ 孙慧修，郝以琼，龙腾跃．排水工程:上册［M］．4版．北京:高等教育出版社，1999．

［11］ 祁继英．城市非点源污染负荷定量化研究［D］．南京:河海大学环境科学与工程学院，2005．