降雨量對城市內(nèi)河徑流污染控制的影響

張 楠

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引 言

城市面源污染造成了城市內(nèi)河的污染，龐立軍[1]以城市區(qū)域的不同下墊面為研究對象，分析了降雨過程、地表徑流過程和污染過程之間的關(guān)系，計(jì)算了不同下墊面徑流污染排放量。王軍霞[2]的研究側(cè)重按照水文效應(yīng)和面源污染的特性，選取不同下墊面，得出比如屋面的污染物排放負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大，交通干道的初始沖刷效應(yīng)明顯的結(jié)論。初期雨水污染研究中，張士官[3]表明降雨初期沖刷效應(yīng)明顯，隨降雨歷時的延長，徑流污染物濃度逐漸降低并趨于穩(wěn)定。朱一松[4]利用SWMM構(gòu)建降雨徑流污染模型，模擬了不同降雨條件下，截流井對雨水污染的截流效果。趙磊[5]通過模擬手段，定出水質(zhì)模擬中的敏感參數(shù)為不透水率、污染物最大累積量、污染物累積速率，得出受降雨強(qiáng)度影響波動較大的參數(shù)是沖刷系數(shù)和沖刷指數(shù)。

而本研究則采用城市水文模型方法對降雨徑流的污染物進(jìn)行時空特性分析，通過量化手段，針對不同污染負(fù)荷提出了雨量限值，試圖在降雨徑流污染的預(yù)防及應(yīng)用方面向前邁進(jìn)，同時可為城市其它內(nèi)河水質(zhì)模型提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

該區(qū)為雨污分流系統(tǒng)，降雨徑流沖刷帶來的污染負(fù)荷為河道主要污染源。研究對象為城市兩條內(nèi)河，東西走向的River1與南北走向的River2。水從River1流到River2，通過箱涵相連。River1河長4 550 m，River2河長2 055 m。河兩岸分布著居民樓、城區(qū)道路、學(xué)校等，城市化嚴(yán)重。兩條河相對獨(dú)立，河道起端無入流，下游僅受一條河道頂托作用。River1的匯水面積為302 hm2，River2的匯水面積為120.6 hm2。

2 研究方法

2.1 方法介紹

研究利用MIKE 11一維河網(wǎng)水動力軟件建模，利用其內(nèi)置的城市水文模型和水質(zhì)模塊研究降雨徑流污染的時空特性。數(shù)值模擬包含水流模擬、對流擴(kuò)散及水質(zhì)模擬，它們之間既相對獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)。水質(zhì)模擬是在水動力模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行物質(zhì)的對流擴(kuò)散模擬以及水質(zhì)模擬，充分反映物質(zhì)在水中的對流擴(kuò)散過程以及生化反應(yīng)過程。水質(zhì)模擬指標(biāo)包括：化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）。

模型方法有幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）可將問題量化；（2）系統(tǒng)分析；（3）可同時加載多個不同邊界，多維度多角度分析。河道水文計(jì)算常采用單位線法、霍頓法等方式，但本次研究的對象是典型的城市內(nèi)河，城市化密集復(fù)雜，所以研究嘗試了應(yīng)用城市水文模型計(jì)算。

2.2 模型構(gòu)建

梳理模型基礎(chǔ)資料。研究區(qū)含兩個匯水分區(qū)，River1河道斷面135個，管網(wǎng)排口44個；River2河道斷面50個，管網(wǎng)排口9個。平均50 m設(shè)置一個河道斷面數(shù)據(jù)，相對密集，足夠滿足建模需求。

設(shè)置模型邊界條件。河網(wǎng)的匯水范圍為閉邊界；水流交互的位置在River2下游末端處，此開邊界處設(shè)置了支流的水位。鑒于下游支流也是城區(qū)內(nèi)河，匯水范圍小，且根據(jù)常年的觀察發(fā)現(xiàn)變化不大，因此下游水位邊界設(shè)置了常水位5.3 m。降雨邊界是2017年全年實(shí)測日降雨，見圖1。

圖1 模型降雨邊界

氣象部門的降雨等級見表1。

表1 氣象部門降雨等級表 單位：mm

設(shè)置模型的主要參數(shù)。模擬時間步長取60 min，河道斷面粗糙度用的曼寧系數(shù)取0.033。

模型初始值。因模型構(gòu)建的主體是河網(wǎng)模型，岸上污染物（例如地表面源污染、管道沉積污染等）進(jìn)入河道水體的過程概化處理，通過設(shè)定河道內(nèi)污染物指標(biāo)的初始值來定。本研究主要有三個指標(biāo)，化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）。假定河道本底是V類水，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限值，V類水COD為40 mg/L，NH3-N為2 mg/L，TP為0.4 mg/L。因此，河道內(nèi)各指標(biāo)的初始濃度就設(shè)定為該限值。

模型率定參數(shù)主要為降解系數(shù)。模型最終使用的降解系數(shù)COD與TP取0.1/d，NH3-N取0.15/d。

2.3 城市水文模型

本研究采用的城市水文模型為時間面積模型，它是一種相對簡單的地表徑流模型，可以做到總量控制（產(chǎn)流）和匯流控制（匯流）。時間面積模型中產(chǎn)流過程采用徑流系數(shù)法。通過設(shè)置不透水面積比（%），初損（mm），水文衰減系數(shù)來進(jìn)行總量控制，產(chǎn)流過程中考慮各種損失，比如低洼蓄水，植被攔截，以及下滲等造成的水量損失；匯流過程采用時間面積方法，通過集水時間Tc（min）和時間面積曲線模擬匯流過程。時間面積曲線描述了城市流域形狀與出口點(diǎn)的關(guān)系。城市流域形狀概化為正三角形、倒三角形和矩形，用這三種時間面積曲線代表了不同的匯流過程。

2.4 水質(zhì)模型原理

以對流擴(kuò)散模型為基礎(chǔ)，模型考慮污染物的對流擴(kuò)散與線性降解作用，基本方程為式（1）：

式中：C為污染物濃度，mg/L；D為污染物彌散系數(shù)；A為斷面過水面積，m2；Q為流量，m3；K為降解系數(shù)；C2為污染物的點(diǎn)源濃度，mg/L；q為污染物的點(diǎn)源流量，m3；x為空間步長；t為時間步長。

定解條件為濃度的初值與邊界值。

濃度初始條件：t=0，C（x，t）=C（x，0）；

邊界條件：當(dāng)x=0時，C（x，t）=C（0，t），當(dāng)x=L時，C（x，t）=C（L，t）。

對流擴(kuò)散方程求解采用隱式有限差分格式。

3 水質(zhì)模擬分析

3.1 空間尺度分析

通過對長序列全年日降雨模擬，分別得到了三個污染負(fù)荷的平均值，空間分布見圖2～圖4。通過線條粗細(xì)與不同顏色顯示了水質(zhì)參數(shù)在空間分布的情況。線條越粗代表數(shù)值越大，紅色代表超過V類水限值。圖2中River1最上游處COD濃度偏高，土黃色階顯示值在30～40 mg/L。上游段在20～30 mg/L，中游水質(zhì)較好，淺綠色段在15～20 mg/L，藍(lán)色段在0.1～15 mg/L。下游段也較好，淺綠色段15～20 mg/L。River2整體水質(zhì)均較好，在30 mg/L以內(nèi)。空間分布上，河道水系COD濃度均在40 mg/L以內(nèi)，達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 COD平均濃度在河道的空間分布

圖3中River1中游的NH3-N指標(biāo)在0.15～0.5 mg/L，藍(lán)色段所示。整個河道水系分布上，NH3-N均較好，濃度在1.5 mg/L以內(nèi)，已達(dá)到IV類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 氨氮平均濃度在河道的空間分布

圖4中TP指標(biāo)，River1優(yōu)于River2。River1中TP均控制在0.3 mg/L以內(nèi)，River2中游土黃色段為0.3～0.4 mg/L，TP濃度均在0.4 mg/L以內(nèi)，達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 TP平均濃度在河道的空間分布

以上分析得出，兩條河道三個水質(zhì)參數(shù)的濃度均值都在V類水范圍內(nèi)，從圖2～圖4亦可看出未出現(xiàn)紅色河段。

3.2 時間尺度分析

3.2.1 降雨量對河道超標(biāo)影響分析

全年尺度分析兩條河不同河道里程斷面不同污染負(fù)荷情況下，降雨量對其河道超標(biāo)的影響。

（1）River1河道

圖5展示River1不同河道斷面上COD隨時間變化的曲線。圖5上半部為全年日降雨，下半部為COD濃度變化曲線。River1較長，因此選取了多處重要河道里程斷面（100 m、550 m、1 000 m、1 500 m、2 100 m、3 100 m、3 600 m、4 000 m、4 555 m）處的COD情況。結(jié)合全年降雨，除個別情況外，日降雨超過25 mm時COD有超標(biāo)V類水的現(xiàn)象，反之晴天與小于25 mm日降雨時段，河道COD可達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)（虛線為V類水40 mg/L線）。

圖5 COD在全年隨時間與降雨量的變化曲線

圖6展示River1不同河道斷面上NH3-N隨時間的變化曲線。河道里程選取與COD相同。從全年降雨看，日降雨超過21 mm時，NH3-N指標(biāo)有超過V類水。其余晴天時段、小于21 mm日降雨時段，NH3-N可達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)（虛線為V類水2 mg/L線）。

圖6 氨氮在全年隨時間與降雨量的變化曲線

圖7展示River1不同河道斷面上TP隨時間的變化曲線。河道里程與其余指標(biāo)相同。結(jié)合全年降雨，日降雨超過29 mm時，TP指標(biāo)有超過V類水的現(xiàn)象。其余晴天時段、小于29 mm日降雨時段，河道TP均達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)（虛線為V類水0.4 mg/L線）。

圖7 TP在全年隨時間與降雨量的變化曲線

（2）River2河道

圖8展示River2不同河道斷面上COD隨時間變化的曲線。選取了不同河道里程（50 m、1 000 m、2 000 m）斷面COD情況。結(jié)合全年的降雨情況來看，日降雨超過19 mm時，COD有超過V類水的現(xiàn)象。其余晴天時段、小于19 mm日降雨時段，河道COD均達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)（虛線為V類水40 mg/L線）。

圖8 COD在全年隨時間與降雨量的變化曲線

圖9展示River2不同河道斷面上NH3-N隨時間變化的曲線。河道里程同COD。結(jié)合全年的降雨情況，日降雨超過19 mm時，河道NH3-N指標(biāo)有超過V類水的現(xiàn)象。其余晴天時段、小于19 mm日降雨時段，河道NH3-N均達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)（虛線為V類水2 mg/L線）。

圖9 氨氮在全年隨時間與降雨量的變化曲線

圖10展示River2不同河道斷面上TP隨時間變化的曲線。河道里程同以上指標(biāo)相同。從全年的降雨情況看，日降雨超過14 mm時，TP指標(biāo)有超過V類水的現(xiàn)象。其余晴天時段、小于14 mm日降雨時段，河道TP均達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)（虛線為V類水0.4 mg/L線）。

圖10 TP在全年隨時間與降雨量的變化曲線

3.2.2 降雨量對河道達(dá)標(biāo)影響分析

選取夏季6月14日至7月14日范圍的場次日降雨（含小、中、大雨等幾個級別），River1河道里程1 500處斷面，以COD污染負(fù)荷為例，模擬結(jié)果見圖11。

圖11 COD與降雨量的變化曲線

圖11展示小雨時河道COD濃度升高，隨著雨停濃度維持，再降小雨時又略有升高，雨停再維持（考慮平原河網(wǎng)，短期內(nèi)降解速度可忽略）。圖中雨量達(dá)到中到大雨時，COD濃度明顯下降，幾天后，又降中雨，COD濃度繼續(xù)下降，河道水質(zhì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)好，雨停后短期內(nèi)維持模擬結(jié)束。隨著降雨量的變化可以看出COD濃度的變化情況，得出不同降雨量對其河道達(dá)標(biāo)的正向影響。

4 結(jié)論與意義

研究得出了各指標(biāo)的雨量限值。結(jié)論可用于推廣到該市其余河道，可為該市水系控污治理起到指導(dǎo)作用。建議河道設(shè)置初雨截留設(shè)施，如遇到降雨超限值的雨天就采取先截留再排放方式控制。降雨徑流污染物負(fù)荷時空分布特征研究對水系雨量限值的探討對河道污染預(yù)測有重要意義和參考價值。后期研究會針對不同污染負(fù)荷在不同降雨場次（小雨、中雨、大雨）下，對河道正向影響出現(xiàn)的拐點(diǎn)的研究，并結(jié)合監(jiān)測做進(jìn)一步輔助校核。