城市水环境非点源污染模型研究

［文章编号］1002－0624（2008）07－0056－05

东北水利水电2008年第7期（第26卷288期）

城市水环境非点源污染模型研究

邵兰霞

（吉林师范大学，吉林四平136000）

[摘要]城市水环境非点源污染研究已成为城市环境研究的一个新的生长点，其形成机理、污染物的来源与

归趋、污染负荷量的测算及污染控制手段与方法的研究已被广泛重视。本文对适用于城市水环境非点源污染的研究模型进行了相对系统地整理归纳，并分国内国外及GIS模型3个方面进行了阐述，以期对城市水环境非点源污染研究提供理论依据。

[关键词]城市；水环境；非点源污染；模型[中图分类号]X501

[文献标识码]A

城市环境问题已成为当前实现城市可持续发展的最大障碍之一，城市水环境污染成为仅次于城市大气污染的重要环境问题。1990年美国EPA公布了农业、工业、城市污染等对河流污染（包括化学毒物、沉积物、营养物等）的贡献率，其中城市雨水占到9%，美国EPA（1993年）已经把城市地表径流列为导致全美河流、湖泊污染的第三大污染源[1]。据美国研究表明，有60%的地表水受到非点源污染的影响[2]。

由于城市水环境非点源污染具有来源的复杂性、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更加困难。国外很早就开始了对城市非点源污染的研究，主要包括3个方面：模型、降雨径流初始冲刷以及径流污染的治理与控制。我国在20世纪80年代开始了城市非点源污染研究，主要有北京、杭州、苏州、南京、长沙、成都等，但仅局限于城市径流污染的宏观特征和污染负荷模型的研究，而各种城市景观用地

[3]

1国外城市非点源污染数学模型

国外对于城市非点源污染研究的数学模型主

要可分为三大类：水文模型、径流模型及污染物负

[5]

荷模型。其中SWMM（暴雨水管理模型）、径流曲

线数值方程（CNE）[4]、美国通用土壤流失方程（USLE）和Johnes的输出系数模型在城市非点源污染研究中可以推广使用。每一个模型对于城市水环境非点源污染研究的意义有所不同，可根据研究方向和研究内容适当选用或结合使用。1.1SWMM

SWMM是最早提出的，也是广泛应用于暴雨

及城市排水系统中模拟水量、水质的模型之一。对于任何一次降雨来说，地表径流可以在SWMM模型中来计算，要考虑的因素有：土地利用方式、地形、当时的地表湿润程度、在可渗透地面浸润损失程度、地表径流延迟、地表漫流、流经路线及形成的径流排入下水管道的量、斜坡的斜率、可渗透的和不可渗透的沉积层、通过管道排出量、地域几何形状及地表特性、对地表漫流和小股水流人类干预系数和降水强度等等。

的非点源污染负荷研究尚在探讨。

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在SWMM模型中有几种选择来计算污染物的

冲刷与积累，对于区域性积累物的计算如下：

（1）

式中Lt为污染物形成的数量，kg/hm2

；DD干燥天气

持续时间预测，d；QFACT（2）为建立参数设定的指

数；QFACT（3）为建立参数的系数，kg/hm2·dQFACT（2）。

冲刷是在径流时间内来自地表沉积物的侵蚀、

传输过程，用下面的关系式来表达单位时间的冲刷量与沉积物冲刷率的关系：

（2）

式中Mt为单位时间的冲刷量，kg/s；Qt为沉积物的冲刷率，m3

/s；WASHPO为冲刷参数设定的指数；

RCOEF冲刷参数的系数，kg/s·[m3

/s]

-WASHPO

。

方程（1）和（2）是暴雨水管理模型中普遍使用的方程，[6]

1.2CNE

它适用于已有连续观测数据的评价。美国水土保持局提出的径流曲线数值方程适

用于有长期监测数据的地区，用以计算当地的CN值。但是由于CN值的计算可以通过其它地区的实测数据来计算，对于研究地区可以通过土地利用类型的划分选择适当的经验值。

（1）径流计算

当P≤0.2S时，Q=0

（3）

（4）

式中S为潜在最大含水率；P为一次暴雨降雨量，mm；CN为径流曲线值，与渗透系数有关；Q为径流深，mm。

求得的径流深乘以研究区域的面积，即可求出该次降雨的径流量。

这里的日径流计算采用USDANRCSCN方法来进行，通常需要30年左右的沉积物累积数据，CN值(用)与降水量、土地利用特征及径流深相关的经验方法建立，其取值范围为25~98，表示土地表面状况、土地利用功能、土壤渗透率及先期土壤湿度USDA1986）。

先期降雨量和土壤湿度条件一直被认为是决定径流变化的主要因素，这一水文模型由美国自然资源保护机构提出。

确定先期湿度条件的标准见表1。

表1先期湿度条件确定标准

先期土壤湿度条件

5d先期降雨量（mm）

蛰伏季生长季1＜13＜36213~3836~533

＞28

＞53

土壤含水饱和率S的确定是在美国水土保持局归纳了3000多种土壤类型的资料、按渗透性将其分类：A类（透水）、B类（较透水）、C类（较不透水），D类（接近不透水）。并制作出径流曲线数值（CN）表[17]见表2。

表2城市集水区径流曲线数值（CN）（土壤含水率为平均状态）

土地利用土壤类型ABCD裸露空地77869194公园或街道

72818891好的草地（覆盖度75%以上）39617480草地（覆盖度50%~75%）49697984贫乏的草地（覆盖度50%以下）

68798689稀少的树木

36

60

73

79

（2）污染物累积及冲刷计算

（5）

式中Mi为污染物最终积累量，kg/hm；Li为污染物积累率，kg/（hm·d）；T为天数d。

1.3USLE[6]

一次降雨样方非沟蚀流失量用William的修正

式来计算：

（6）

式中Hr-降雨量，mm；ψ-径流系数；Qr-峰值径流量，m3/s；Ke-土壤受侵蚀因子；LI-坡长，m；SI-坡度因子；Ct-植物覆盖因子；P-侵蚀控制因子。

在该模型中更多地考虑了农业土地利用类型的土壤流失状况，对于城市土地利用方式来说可以将其修正后再利用。如城市土地多为硬化或半硬化地面，只有公园绿地为具有一定土壤类型的土地，故降雨侵蚀因子Ke可以省略；植物覆盖因子Ct只有绿地可以考虑，其它视为1.0；侵蚀控制因子P也可视为1.0；对于径流系数ψ可根据表3来确定。

（58

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表3土地用途与径流系数ψ土地用途径流系ψ土地用途径流系数ψ事务性工作区：未开垦的处女地0.10~0.30闹市区0.70~0.95街区0.50~0.70铺筑地面：住宅区：沥青混凝土地面0.70~0.95单家住宅0.30~0.50砖砌地面0.70~0.85多单元、不相连式住宅0.40~0.60屋顶0.75~0.95多单元、相连式住宅0.60~0.75草地、沙质土壤：住宅区(郊区)0.25~0.40平坦，坡度2%0.05~0.10公寓0.50~0.70中等，坡度2%~7%0.10~0.15工业区：陡峭，坡度7%0.15~0.20轻工业0.50~0.80草地，粘土：重工业0.60~0.90平坦，坡度2%0.13~0.17地表类型：公园、墓地0.10~0.25中等，坡度2%~7%0.18~0.22运动场0.20~0.35陡峭，坡度7%0.25~0.35铁路调车场0.20~0.35坡度因子SI可由下式确定：

（7）

式中I为地面坡度。

坡长因子LI可由下式确定：

（8）

式中m为常数，一般可取0.5，当I＞0.1时取0.6，当I＜0.005时取0.3为坡长，m。1.4JohnesJohnes的输出系数模型

等经过长期的研究和实践，于1996年在

以往模型的基础上提出更为细致、输出更为完备的

输出系数法模型[7，8，9]。该模型可相对全面地进行营

养物的流失、受纳水体污染负荷等。

（9）

式中L为营养物的流失量；Ei为第i营养源的输出系数；Ai为第i类土地类型的面积或第i种牲畜的数量或人口的数量；Ii为第i种营养源的营养物输入量；P为降雨输入的营养物的数量。

输出系数Ei可根据不同土地利用类型来分别处理，对于城市土地利用来说，应考虑居民地及当地人口密度因素对污染物贡献率的差异,可用下式来计算：

(10)

式中Eh为人口的氮、磷年输出，kg/a；Dca为每人的营养物日输出kg/d；H为流域的人口数量；M为污水处理过程中营养物的机械去除系数；B为污水

处理过程中营养物的生物去除系数；Rs为过滤层的营养物滞留系数；C表示如有解吸发生时磷的去除系数。

降雨携带的营养物进入受纳水体的量由下式

计算：

（11）

式中c为雨水本身的营养物浓度，g/m3；α为流域年降雨量，m3；a为全年降雨径流的比例—径流系数。

污染物负荷模型对流域的污染负荷计算有两种方法：输出系数法和简易法。

（1）输出系数法：

（12）

式中LP为污染负荷，kg；LPU为土地利用类型为U的污染负荷率，kg/（hm2的土地面积，hm2。

·a）；AU为土地利用类型为U（2）简易法：

（13）

（14）

式中RVU为土地利用类型U的地表径流系数；IU为下垫面不透水率，%；P为降雨量，mm/a；PJ为降雨产流率；CU为土地利用类型U下的污染物产出平均浓度，mg/L，其它参数意义同上。RVU是降雨产生的径流量与降雨量之比，它与雨强、土壤性质、土壤早期含水量、地表覆盖等因素有关，对于城市下垫面来说可以综合为不透水率IU（%），由于各种土地利用类型不同的下垫面有不同的透水率，其径流系数亦不同[10]。

2国内应用城市非点源污染模型

自20世纪80年代以来，我国逐渐认识到非点

源污染的存在及其危害性，开始了非点源污染的控制研究。在我国城市非点源污染研究中对于非点源污染模型研究主要有下面几种：2.1苏州暴雨径流污染的概念模型

温灼如等在苏州市水污染综合防治规划研究

课题研究报告中建立了苏州暴雨径流污染的概念模型[11]。

该模型以降雨为输入，径流与污染量为输出的确定性集总系统模型，见图1。

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降水降水量的概率降水量降水历时降水淋洗降水水质遥感测试地表物累积土地分类地面冲刷降水与径流系数关系地面清扫污染物迁移污染物沉积径流量径流历时污染沉积物清除径流污染过程流量单位线污染负荷参与污染的雨流量过程线单位线量和时段数污染负荷过程线外城河受纳水体图1苏州暴雨径流污染的概念模型框图

其模型是为苏州暴雨排水排污设计和预测而设计的，它采用水量单位线和污染负荷单位计算径流量和污染负荷。

2.2南京城北地区暴雨径流污染量刘曼蓉等用上述概念模型计算了南京城北地

区暴雨径流污染量[12]：

（15）

式中Wl为雨水淋洗污染物的量，kg；G为雨水中某污染的浓度，mg/L；F为汇水面积（含河水面积），m2；P为降水量。

2.3城市非点源污染物冲刷量计算模型

据朱继业、窦贻俭对仪征市非点源污染总量控制实践研究中，在施为光等对成都市非点源污染研究模型基础上，针对仪征市所处地理位置及自然环境特征修正的非点源污染冲刷量计算模型[13]：

（16）

式中W为区域污染总冲刷量，kg；m为总网格数；n为选择降雨强度的度数；Pi为第i个网格单位面积的污染物累积量，kg/km2；δi为土地利用类型和强度有关的参数；Kj为降雨量和降雨强度有关的第j种降水的冲刷系数；Dj为第j种降水次数；Ai为第i网格面积。

这里：δi=ψ􀱽F，其中ψ为径流系数，􀱽为土

地利用强度，F为区域不透水地面比例。

径流系数取值见表4。

表4径流系数取值参考

土地用途径流系数（ψ）

土地用途径流系数（ψ）

闹市区0.85轻工业0.65街区0.60公园0.15单家住宅0.40运动场0.27多单元住宅0.68铺筑地面0.80重工业区

0.75

草地

0.12

3GIS非点源污染模型大量的非点源污染模型被广泛地应用于模拟非点源污染物的迁移、归趋及污染负荷计算。在各种模型中需要不同程度地确定污染物的迁移路径、求算污染物的负荷等，利用GIS的空间数据分析能力、数据管理能力及空间数据与属性数据共存的特点可以方便地计算[14]。

GIS是可以在数字环境下进行地理空间数据分析的技术，它可以方便地存贮地理空间数据，并可以基于各种方式来使用该数据。它可用于数据采集、模拟、处理分析和表达地理空间数据。GIS在处理非点源污染数据时具有以下特征：可以把空间数据（地理分布）与属性数据（污染物及其特征描述）通过数据管理系统联系起来，方便数据分析与查询；它可通过建立空间解析模型来分析空间数据，并可进行实况模拟显示[15]。GIS提供的空间分析和实时数据显示功能为非点源污染研究提供了有利的方法。

对于城市非点源污染来说，由于土地利用方式的差异，会造成污染物的种类不同，GIS可以通过实时模型或预测模型来评估同一污染物随时间的变化，预测污染程度；并在这一污染到来之前采取有效措施进行防范。GIS还提供一种通过空间信息图层整合来表达现实世界的方法。基于GIS的水环境非点源污染模型由3个部分组成：数据、GIS软件(如Arcgis、ArcView等)和非点源污染模型。（1）数据是模型模拟现实最重要的部分，非点源污染的环境模型最重要的特征是输入空间的和动态的数据。由于非点源污染物的流失带有随机性特点，因此城市下垫面受到的影响和变化不但可以发生在短时

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间和近距离内，并且它的影响又是滞后的和广泛的，不但可以影响污染物源地，也影响地表水和地下水。因此实时监测的数据对于非点源污染管理来说是重要的。（2）GIS：GIS被Goodchild定义为能够处理地理空间数据的技术，它具有对海量的数据进行预处理的能力（再编码、投影变换、重取样及概括）；直接支持分析及模型化；发布处理结果（再编码、制表，编写报告、出图等功能）。（3）模型：数学模型可以定量化地描述污染物的动态变化并预测其影响[16]。三者之间的关系见图2。

松散链接紧密链接嵌入模拟结果GIS或

GIS模型GIS模型数据模型

数据库

数据图2GIS与非点源污染研究模型的链接关系

GIS技术在城市水环境非点源污染的研究中将发挥重要作用，它不仅作为非点源污染成分分析的工具，也溶入传输模型、不确定性分析、地理统计及模糊理论，并逐步向可视化方向发展。

4结语

城市水环境非点源污染研究方法尚处于探索

阶段，不同自然环境下的城市降雨特性、地形地貌条件、城市规模、下垫面特点都会有所不同，会导致不同土地利用方式污染物性质的不同，不同地域污染影响滞后的时间亦不同。因此城市降雨径流产生的非点源污染不可能用同一方法来进行研究，本文所述城市非点源污染研究模型亦需根据不同城市特性进行合理选择，并针对不同城市进行合理调整参数来使用。

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[收稿日期]2007-11-30

[基金项目]吉林省科技发展计划项目（20040548-3）

[作者简介]邵兰霞（1963-），女，副教授，主要从事城市环境与城市生态研究。

［［［［72WaterResources&HydropowerofNortheastNo.72008(TotalNo.288)

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forgroundwaterlevelpredictioninYanji

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[Keywords]groundwaterlevel,trendprediction(forecast),compositemodel,greyBPneuralnetwork

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[Keywords]groundwatersystem,characteristicsanalysis,Sipingcity

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