降雨量對城市內河徑流污染控制的影響

張 楠

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

城市面源污染造成了城市內河的污染，龐立軍[1]以城市區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系，計算了不同下墊面徑流污染排放量。王軍霞[2]的研究側重按照水文效應和面源污染的特性，選取不同下墊面，得出比如屋面的污染物排放負荷貢獻率最大，交通干道的初始沖刷效應明顯的結論。初期雨水污染研究中，張士官[3]表明降雨初期沖刷效應明顯，隨降雨歷時的延長，徑流污染物濃度逐漸降低并趨于穩定。朱一松[4]利用SWMM構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，定出水質模擬中的敏感參數為不透水率、污染物最大累積量、污染物累積速率，得出受降雨強度影響波動較大的參數是沖刷系數和沖刷指數。

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行時空特性分析，通過量化手段，針對不同污染負荷提出了雨量限值，試圖在降雨徑流污染的預防及應用方面向前邁進，同時可為城市其它內河水質模型提供借鑒。

1 研究區概況

該區為雨污分流系統，降雨徑流沖刷帶來的污染負荷為河道主要污染源。研究對象為城市兩條內河，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、城區道路、學校等，城市化嚴重。兩條河相對獨立，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 11一維河網水動力軟件建模，利用其內置的城市水文模型和水質模塊研究降雨徑流污染的時空特性。數值模擬包含水流模擬、對流擴散及水質模擬，它們之間既相對獨立又相互關聯。水質模擬是在水動力模擬的基礎上進行物質的對流擴散模擬以及水質模擬，充分反映物質在水中的對流擴散過程以及生化反應過程。水質模擬指標包括：化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）。

模型方法有幾點優勢：（1）可將問題量化；（2）系統分析；（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河，城市化密集復雜，所以研究嘗試了應用城市水文模型計算。

2.2 模型構建

梳理模型基礎資料。研究區含兩個匯水分區，River1河道斷面135個，管網排口44個；River2河道斷面50個，管網排口9個。平均50 m設置一個河道斷面數據，相對密集，足夠滿足建模需求。

設置模型邊界條件。河網的匯水范圍為閉邊界；水流交互的位置在River2下游末端處，此開邊界處設置了支流的水位。鑒于下游支流也是城區內河，匯水范圍小，且根據常年的觀察發現變化不大，因此下游水位邊界設置了常水位5.3 m。降雨邊界是2017年全年實測日降雨，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

設置模型的主要參數。模擬時間步長取60 min，河道斷面粗糙度用的曼寧系數取0.033。

模型初始值。因模型構建的主體是河網模型，岸上污染物（例如地表面源污染、管道沉積污染等）進入河道水體的過程概化處理，通過設定河道內污染物指標的初始值來定。本研究主要有三個指標，化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）。假定河道本底是V類水，根據地表水環境質量標準的限值，V類水COD為40 mg/L，NH3-N為2 mg/L，TP為0.4 mg/L。因此，河道內各指標的初始濃度就設定為該限值。

模型率定參數主要為降解系數。模型最終使用的降解系數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（產流）和匯流控制（匯流）。時間面積模型中產流過程采用徑流系數法。通過設置不透水面積比（%），初損（mm），水文衰減系數來進行總量控制，產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的關系。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 水質模型原理

以對流擴散模型為基礎，模型考慮污染物的對流擴散與線性降解作用，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；A為斷面過水面積，m2；Q為流量，m3；K為降解系數；C2為污染物的點源濃度，mg/L；q為污染物的點源流量，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x=0時，C（x，t）=C（0，t），當x=L時，C（x，t）=C（L，t）。

對流擴散方程求解采用隱式有限差分格式。

3 水質模擬分析

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荷的平均值，空間分布見圖2～圖4。通過線條粗細與不同顏色顯示了水質參數在空間分布的情況。線條越粗代表數值越大，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，中游水質較好，淺綠色段在15～20 mg/L，藍色段在0.1～15 mg/L。下游段也較好，淺綠色段15～20 mg/L。River2整體水質均較好，在30 mg/L以內。空間分布上，河道水系COD濃度均在40 mg/L以內，達到V類水標準。

圖2 COD平均濃度在河道的空間分布

圖3中River1中游的NH3-N指標在0.15～0.5 mg/L，藍色段所示。整個河道水系分布上，NH3-N均較好，濃度在1.5 mg/L以內，已達到IV類水標準。

圖3 氨氮平均濃度在河道的空間分布

圖4中TP指標，River1優于River2。River1中TP均控制在0.3 mg/L以內，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，達到V類水標準。

圖4 TP平均濃度在河道的空間分布

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

3.2 時間尺度分析

3.2.1 降雨量對河道超標影響分析

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

（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。結合全年降雨，除個別情況外，日降雨超過25 mm時COD有超標V類水的現象，反之晴天與小于25 mm日降雨時段，河道COD可達到V類水標準（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可達到V類水標準（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相同。結合全年降雨，日降雨超過29 mm時，TP指標有超過V類水的現象。其余晴天時段、小于29 mm日降雨時段，河道TP均達到V類水標準（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類水的現象。其余晴天時段、小于19 mm日降雨時段，河道COD均達到V類水標準（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。結合全年的降雨情況，日降雨超過19 mm時，河道NH3-N指標有超過V類水的現象。其余晴天時段、小于19 mm日降雨時段，河道NH3-N均達到V類水標準（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相同。從全年的降雨情況看，日降雨超過14 mm時，TP指標有超過V類水的現象。其余晴天時段、小于14 mm日降雨時段，河道TP均達到V類水標準（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 降雨量對河道達標影響分析

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污染負荷為例，模擬結果見圖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，短期內降解速度可忽略）。圖中雨量達到中到大雨時，COD濃度明顯下降，幾天后，又降中雨，COD濃度繼續下降，河道水質進一步轉好，雨停后短期內維持模擬結束。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標的正向影響。

4 結論與意義

研究得出了各指標的雨量限值。結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作用。建議河道設置初雨截留設施，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測有重要意義和參考價值。后期研究會針對不同污染負荷在不同降雨場次（小雨、中雨、大雨）下，對河道正向影響出現的拐點的研究，并結合監測做進一步輔助校核。