城市降雨径流污染负荷模拟研究

摘要：城市降雨污染负荷模拟能够为城市水环境综合治理提供决策依据。以海南省海口市大同沟汇水区为研究对象，构建城市地表径流污染物负荷模拟模型，并利用现场监测数据进行参数率定，模拟分析典型降雨过程中的化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、五日生化需氧量（5-Biochemical Oxygen Demand，BOD5）负荷量及负荷累计过程。结果表明，两种污染物负荷累计量在0～20 min迅速增长，随后趋于稳定；小区道路/社区下垫面类型的各污染物负荷贡献量均最大，占整个区域污染量负荷的98%以上。

关键词：非点源污染；城市降雨；污染负荷模拟

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：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，雨水径流造成的非点源污染是导致水体环境污染的重要原因。城市雨水径流污染存在广泛分布、随机不定、污染成分复杂且污染源监控困难等特点，因此目前多采用数学模型，模拟城市降雨污染物浓度变化过程，量化污染负荷，为制定科学合理的水环境治理措施提供参考[1]。海口市作为海南省会，近年来采取入河排污口整治、雨污分流等措施，改善了水环境。数据显示，海口市仍有部分内河（湖）水质处于轻度至重度污染水平，水环境质量有待进一步提高。基于此，以海口市大同沟汇水区为研究区，构建城市地表径流污染物负荷模型，分析典型场次降雨下化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、五日生化需氧量（5-Biochemical Oxygen Demand，BOD5）负荷量及负荷累计过程，为区域水环境治理提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 汇水分区

研究区为海口市龙华区大同沟沿岸至东西湖汇水区，大同沟全长1.7 km，汇水面积为4.23 km2。根据海口市排水规划图、水系图以及区域地形资料，将汇水区分为8个汇水分区，如图1所示。根据特点，将各分区下垫面分为小区道路/社区、市政道路、绿地3类。各分区不同类型下垫面的面积如表1所示。

1.2 采样

在第5汇水分区，选取小区道路/社区的低洼区、市政道路的道路雨箅子口、绿地的公园草地各设置

1个水质采样点。在降雨初期，强度和径流量较大，每间隔3～5 min取样1次，共取样5～6次。随后根据降雨历时的长短调整取样的次数及间隔时间，每隔5～15 min采样1次，一次降雨采样8～10次。采集后的水样监测指标为COD、BOD5，均按照相应方法[2]进行监测。

1.3 模型方法

1.3.1 地表产流过程

SCS水文模型的降雨-径流基本关系为

（1）

式中：F为后损值，是累积下渗量，mm；S为流域或城区当时的最大可能滞留量，mm；R为直接径流量，mm；P为降雨量，mm；I为初损值，主要是表层蓄水和截流等，mm。

1.3.2 污染物累积、迁移与损失过程

污染物的累积量Lij与降尘累积量Lsi的关系为

Lij=fij×Lsi（2）

式中：Lij为第i种地表特征上的第j种污染物量，mg/m2；fij为第i种地表特征上的第j种污染物的比例系数，mg/g；Lsi为地表降尘的量，g/m2。

污染物的冲刷量计算公式为

∆Lij=Lij×[1-exp（-ki×R）]（3）

式中：∆Lij为降雨时从第i种特征的地表冲刷的第j种污染物量，mg/m2；ki为第i种特征的地表冲刷系数，mm-1；R为降雨量，mm。

流量与污染物冲刷量确定后，可以计算出单元汇水面积上的水质过程，公式为

（4）

式中：Cj为污染物平均浓度，mg/L；Ai为不同特征地表面积，km2；Q为出流流量，m3/s；∆t为时间间隔，s。

1.4 参数率定

选取2018年6月18日16：10—17：40的一场典型降雨的同步气象和试验观测资料（降雨过程如表2所示），对地表冲刷系数ki、污染物累积量Lij进行模型参数率定。

根据3类下垫面的降雨径流污染源监测资料进行率定，确定各类下垫面冲刷系数取值为0.4。

参考相关文献[3]，根据第5汇水分区径流污染浓度的实测结果，率定确定本模型中3类典型下垫面中初始COD、BOD5累计量，结果如表3所示。

模型模拟第5汇水分区污染物浓度变化的结果如图2、图3所示。与实测结果相比，模拟结果能够较好地反映降雨形成径流的污染物浓度变化过程，地表径流中COD、BOD5浓度随时间呈先增加后减小再维持不变的趋势。

2 模拟结果分析

2.1 污染物负荷随降雨时间的变化过程

研究区域各污染物的累计负荷量随降雨时间的变化过程如图4所示。COD、BOD5累计负荷量随降雨时间的变化规律相同，累积量均在0～20 min迅速增加，随后基本维持不变。至降雨时刻末，整个区域内COD、BOD5累计量分别为5 916.68 kg、1 014.86 kg。

2.2 不同下垫面类型产污量

统计研究区域各下垫面类型污染物负荷量，结果如表4所示。小区道路/社区COD、BOD5浓度的贡献占比均为最高，在98%以上，主要原因是小区道路/社区面积占该汇水分区总面积的84.49%。市政道路的贡献其次，占比分别为1.32%、1.17%；绿地贡献最小，分别为0.26%、0.18%。经分析，市政道路、绿地占地面积比例较低，共计15.51%；绿地面积是市政道路面积的近3倍，但绿地具有径流系数小、降雨形成径流少的特点，同时绿地植物对径流冲刷产生的污染物有一定拦截作用。建议小区道路/社区采取低影响开发措施，如绿色屋顶、渗透路面、植被浅沟等，以减少非点源污染入河。

3 结论

以海口市大同沟汇水区为对象，结合典型降雨实测数据，构建降雨径流污染负荷模拟模型并进行参数率定。结果表明，模型模拟数据可与实测数据较好地吻合，该模型能够为今后海口市城区其他区域非点源污染负荷模拟提供参考。随着降雨时间的推进，降雨径流中COD及BOD5的浓度呈先增加后减小再维持不变的趋势，其中污染物浓度最大值出现在10 min；污染物负荷累计量在0～20 min迅速增加，随后趋于稳定；小区道路/社区下垫面的污染物负荷贡献量最大，占整个区域污染物负荷量的98%以上。以非点源污染负荷模型为基础，分析典型城市河道汇水区域非点源污染负荷量及变化过程，可为海口市城市河道的水污染治理提供一定的技术支持。

参考文献

1 王 龙，黄跃飞，王光谦.城市非点源污染模型研究进展[J].环境科学，2010（10）：2532-2540.

2 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].北京：中国环境科学出版社，2002.

3 祁继英.城市非点源污染负荷定量化研究[D].南京：河海大学，2005.