城市地表径流污染物浓度数学模型的建立及验证

针对目前描述城市地表径流污染物排放过程的数学模型不能完全适用于不同降雨过程的情况,本研究建立了一个全新的P/r模型.P/r模型以地表沉积物量(P)与降雨强度(r)的比值为主要参数,描述了降雨过程产生的地表径流中污染物的排放规律.基于对发生在陕西省西安市的3场降雨事件的实测数据的模拟,本研究建立的P/r模型的预测值与实测值的归一化目标函数、相关系数和相关指数均优于Sartor-Boyd冲刷模型.根据对P/r模型进行的不确定性分析,当Nash-Sutcliffe效率系数为0.46时,采用P/r模型对陕西省西安市地表径流中的污染物浓度进行模拟时应采用的最大比浓度常数(Km)和径流冲刷能力半饱和常数(KS)的取值范围分别为0.65~1.35 kg·min·L-1和0.16~0.22kg·min·mm-1·L-1.P/r模型的预测带平均相对宽度(ARIL)为1.21,预测带对实测值的覆盖度为67%.Sartor-Boyd冲刷模型对具有地表径流初期冲刷效应且降雨强度波动较小的降雨事件的模拟结果较好,但对于不具有地表径流初期冲刷效应的降雨事件、间歇性降雨事件及降雨强度波动较大的降雨事件并不适用.本研究建立的P/r模型的适用范围广泛,对于上述Sartor-Boyd冲刷模型不能适用的降雨事件均可适用.与Sartor-Boyd冲刷模型相比,P/r模型能够更好的描述城市地表径流的污染物排放规律.P/r模型的提出能够进一步推动地表径流排污过程数学模型的发展.     

西安市融雪径流污染特性及其与降雨径流污染的比较

在对西安市区融雪和降雨径流污染进行监测的基础上,分析了融雪径流的污染特性.同时,将相同地点的融雪径流污染特性与降雨径流污染进行对比,并进行了融雪径流的水质评价.结果表明,融雪径流水质具有一定的初期效应,在一场融雪径流过程中,主要污染物SS、COD、TN的浓度在融雪径流初期高于融雪后期;原状雪水的水质较好,主要指标的浓度均低于多种土地利用类型的融雪径流;不同土地利用类型融雪径流的水质差异较大;通过对比发现,除TP和Zn外,融雪径流污染物浓度低于相同地点的降雨径流污染物浓度;学校操场、屋顶、家属区的TP和学校道路的COD等融雪径流污染物浓度超出地表水V类水质标准.     

广州番禺区不同地类的非点源污染排放特征

在广州番禺区建设代表城市、农田、村镇、园地4类典型集水区的径流试验小区,对每个径流小区采集3场有效降雨径流以研究不同土地利用类型的非点源污染负荷输出特征。结果表明,不同土地利用类型的污染物输出浓度差别较大,TSS和COD输出浓度(EMC值)的大小排列顺序为园地>农田>村镇>城市;NH3--N为农田>城市>园地>村镇;NO3--N为城市>农田>村镇>园地;TN为农田>城市>园地>村镇;TP为农田>园地>城市>村镇。对于农田集水区,TSS和COD的输出明显受降雨的影响,而N、P污染物的输出受施肥的影响更为显著;对于城市集水区,晴天累积污染物的数量和降雨情况是决定初期径流中污染负荷的主要因素。污染负荷与径流量之间相关性显著,且颗粒物是携带污染物的重要载体。各径流小区的初始冲刷效应分析结果显示,不透水地面更易发生降雨初期冲刷;降雨强度是影响降雨径流初始冲刷的关键因素。     

丹江口水库农业面源污染特征研究

以丹江口市习家店小茯苓村为代表研究该流域的农业面源污染特性,在不同降雨强度下,收集不同土地利用方式下的农田地表径流,分析地表径流样品的污染物。结果显示,对于同一降雨强度和相似的植被覆盖度,其氮、磷流失量主要取决于土壤表层氮磷的含量。不同土地利用类型中总氮输出量差异显著(p0.05),表现为柑桔园玉米地蔬菜地;COD输出量表现为玉米地柑桔园蔬菜地;蔬菜用地中总磷输出量远远小于玉米和果树用地。不同土地利用类型中硝态氮是氮流失的最主要形态。径流污染负荷随降雨量的增大而增大;但污染物浓度与降雨量未呈现线性关系。从全年来看,秋季农田地表产流量及农田地表径流污染物输出量最大,这与该流域秋季降雨量及频繁的农事活动有密切关系。     

SWMM模型应用于城市住宅区非点源污染负荷模拟计算

以温州市典型住宅区非点源污染为对象,基于SWMM(storm water management model)模型的模拟机理,借鉴国内外相关研究的模型参数,结合降雨径流实测数据率定模型参数,将模型"本地化",构建了基于SWMM模型的研究区非点源污染负荷计算模型,并设计了4种不同降雨情景,分析在不同降雨条件下研究区非点源污染固体悬浮物(TSS)、CODCr、TN和TP的污染负荷量及其累积变化过程.结果表明,构建的SWMM模型的模拟值可以较好地与实测值相吻合,4种污染物模拟的相对误差均小于10%.在设计的4种降雨情景下:①污染物浓度峰值出现在降雨30～40 min内,降雨强度越大,出现浓度峰值的时间越早;②高强度降雨较低强度降雨可对受纳水体造成更大的污染.      

密云水库小流域土地利用方式与氮磷流失规律

在密云水库石匣小流域对农田、林果地、荒草坡、村庄等4种不同类型的非点源污染发生区,进行降雨、径流量、径流水质同步监测,分析不同土地利用类型小区地表径流和泥沙中氮磷污染物的流失情况.结果表明,径流中总磷的浓度以村庄最高,其次为坡耕地、林果地和荒草坡.村庄径流的溶解态磷浓度为荒草坡径流的10倍.不同地表径流中的溶解态氮浓度的差别较大,村庄最高,其次是耕地、荒草坡、林果地.在降雨初期,随着径流量的增大,径流中总氮的浓度迅速降低,呈线性递减;此后随着径流的减少,总氮的浓度下降速度极其缓慢.不同土地利用类型中吸附态磷占总磷的比重都在90%以上,与泥沙结合的吸附态磷的浓度远大于溶解态磷的浓度,吸附态磷是磷流失的主要形态.      

苏州城区路面降雨径流污染特征分析研究

通过对苏州典型商住区和文教区路面径流水质的采样分析探讨了道路降雨径流的污染特征.结果显示不同功能区径流水质差异较大,商住区各污染物浓度均高于文教区.径流污染物浓度一般在降雨初期较高,往后逐渐下降并趋于平稳.SS和COD、Pb等都有较强的相关性.各污染物的初期效应明显,商住区初始冲刷效应较强;重金属物质的冲刷强度要大于其他污染物.降雨强度是影响初始冲刷效应的主要因素,强度较大的降雨初期冲刷效应明显.     

基于ARCGIS的四川省分级退耕还林还草空间决策分析

首先,利用遥感和GIS技术建立土地利用、土壤侵蚀、数字高程模型、坡度、生态环境质量等级、植被指数、降雨、温度、植被分区、土壤类型和行政区、水体缓冲区、聚落缓冲区等栅格GIS数据库。其次,将旱地数据分别与坡度、土壤侵蚀、植被指数、生态环境质量等级、水体缓冲区和聚落缓冲区等栅格指标数据进行叠加分析。再次,利用各指标构建了基于ARCGIS的一、二级退耕决策模型及其空间复合模型,并得到一、二级退耕面积分别为724 495hm²和333 085hm²。然后,利用温度和降雨指标数据构建了基于ARCGIS的还林还草决策模型,并得到一、二级还林的面积分别为702 362hm²和331 357hm²,还草的面积分别为22 133hm²和1 728hm²。最后,将其分别与行政区、植被分区和土壤类型数据进行空间叠加统计分析,得到各行政区的退耕还林还草情况,以及每一个退耕栅格单元所处的植被分区和土壤类型情况。研究表明,该方法可以节约大量的人力、物力和财力。其研究结果对退耕还林还草工程的规划、实施和管理等具有较大的应用价值。     

降雨地表径流水质模拟中SWMM模型水质参数确定

检测城市不同功能区污染物累积和径流样本并结合模拟实验,分析不同污染物累积和冲刷规律,确定SWMM模型在降雨地表径流水质模拟中污染物累积和冲刷参数取值范围,并进行模型验证。研究结果表明,SS、COD、氨氮污染物累积量均随累积时间不断增加,并趋于稳定,其在不同功能区最大累积量C_1取值范围分别为:6.37~12.86、14.03~21.66和8.89~12.88 g/m~2,累积速率常数C_2取值范围分别为:0.055~0.100、0.061~0.085和0.133~0.167。降雨强度较大时,降雨地表径流中污染物浓度较高,但均随降雨历时不断下降,并趋于稳定。SS、COD、氨氮冲刷系数S_1取值范围分别为:0.003~0.005,0.025~0.035和0.01~0.02,冲刷指数S_2取值范围分别为:0.4~0.8,0.8~1.0和0.5~0.8。在确定的取值范围内选取SWMM模型水质参数,对某场降雨地表径流中SS、COD、氨氮污染物浓度变化过程进行模拟,模拟结果与实测数据基本吻合,表明水质参数取值范围适用于SWMM模型降雨地表径流水质模拟。     

基于GWR模型的汉江流域土地利用类型与水质关系评估

土地利用类型与水质指标之间存在着密切的联系。地理加权回归与传统回归分析的不同点在于它是一种局部回归分析方法,可应用于空间数据以探讨土地利用类型与水质指标之间的空间变化关系。利用普通最小二乘法(OLS)模型和地理加权回归(GWR)模型对汉江流域2015年94个采样点不同河岸带宽度(20m及50m)的5种土地利用类型(草地、林地、耕地、城市用地和未利用地)与7个水质指标之间的影响关系进行了对比分析与评估。结果表明:在分析土地利用类型与水质类型的空间关系时,GWR模型优于OLS模型。GWR模型评估结果表明:在汉江流域上段,耕地面积的增加使TN、PO_4~(3-)、活体Chl-a、Ca~(2+)、NH_3-N、COD和Na~+浓度显著增加;在汉江流域中段,城市用地的增加会使TN、PO_4~(3-)、活体Chl-a、Ca~(2+)和NH_3-N浓度显著增加,耕地使COD和Na~+浓度变大;在汉江流域下段,主要影响水质的是城市用地。此外,汉江流域中下游地区河岸带宽度控制在50m范围内可以达到降低污染物浓度的作用,有利于削减面源污染。该研究结果可为汉江流域中下游地区合理规划河岸带土地利用以抑制面源污染传输提供科学依据。     

滇池流域农田土壤径流磷污染负荷影响因素

采用模拟试验的方法,研究了人工降雨和自然降雨条件下坡度、表土质地、降雨强度和地表状况等因素对农田土壤径流中磷污染物输出浓度和输出总量的影响.结果表明不同坡度土壤径流中总磷的浓度和磷的输出量不同,其中坡度为18°时径流中磷含量和磷的输出量最高,分别达到0.138mg·L^-1和6.14kg·hm^-2;在人工摸拟降雨与自然降雨2种条件下,土壤径流中总磷含量与输出量具有相同的变化趋势,径流中磷素的浓度和径流输出量随表土质地的变粗而减少;有作物种植条件土壤径流中总磷的浓度和输出负荷明显小于裸地条件,其中不同坡度磷的流失减少量为0.9～2.8kg·hm^-2,施肥后土壤地表径流中总磷的浓度比未施肥前成倍增加.     

太湖上游城市宜兴城区主干道路径流污染特征解析

通过监测2015年8月—2016年9月7场典型降雨事件,系统分析太湖上游城市宜兴城区3个不同功能区(环科园、新城区和老城区)主干道路径流污染特征.研究表明:宜兴市城区主干道路径流浊度、COD、TN、NH_3-N、TP浓度分别为(77.2±66.9)NTU、(97.2±79.7)、(3.0±1.9)、(0.93±0.59)和(0.35±0.36)mg·L~(-1).COD和TN超出地表水环境Ⅴ类标准,是该地区径流特征污染物.降雨过程中污染物浓度整体呈下降趋势,伴随有不同程度的波动,主要受地表残留污染物及降雨强度的影响.3个区域TN浓度差异不大,且主要以溶解态存在(60%);环科园、新城区TP浓度差异不大,且主要以颗粒态存在(70%);然而,受居民生活活动的影响,老城区TP主要以溶解态存在(60%).此外,受交通及道路坡度影响,新城区道路径流浊度和COD污染最为严重.不同降雨事件径流污染物浓度变化较大,主要受干期长度和降雨强度的影响.干期长度越长、降雨强度越小,污染物累积量及可冲刷量越大.因此,加强控制宜兴市道路初期径流、路面颗粒物、径流颗粒物和TN以及老城区TP,对保护径流主要受纳水体南溪水系及太湖水体具有重要意义.     

西安市某文教区典型下垫面径流污染特征

在西安市某文教区路面、屋面和绿地设置径流采样点,采用人工时间间隔采样法对2016年8月~2017年2月的3场降雨径流和2场融雪径流全程采样,测试径流过程SS、COD、TN、TP、Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr、PAHs、溶解态COD、溶解态重金属和溶解态PAHs的浓度以及颗粒物粒径d₅₀,研究各下垫面降雨径流污染水平及出流规律,比较不同下垫面降雨径流和融雪径流污染特征.结果表明,各类下垫面降雨径流主要污染物均为SS、COD、TN、Pb、Cr,路面和绿地径流中SS的EMCs均超过《污水综合排放标准》二级标准,3类下垫面降雨径流COD、TN、Pb、Cr的EMCs均超出《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准,PAHs与国内相关研究相比属于中等污染水平,路面、屋面和绿地径流的EMC分别为266.8~389.8ng/L、254.9~303.0ng/L和231.2ng/L.路面径流SS、COD、Zn、Pb、Cu、PAHs浓度高于屋面径流,而TN、TP、Cr等指标则相反,表明径流中TN、TP、Cr主要源于大气干湿沉降,而交通排污对SS、COD、Zn、Pb、Cu、PAHs等有较大输入贡献.3类下垫面降雨径流污染浓度输出规律差异显著,路面径流污染物初期浓度较大,受雨期交通排污影响中后段波动剧烈,屋面径流污染物浓度随径流历时持续降低且趋于稳定,绿地径流污染物浓度沿程变化相对较小.降雨强度对总量污染物浓度输出的影响大于溶解态污染物,表现为d₅₀与降雨强度呈现良好的相关性.因降雪期间污染物持续累积且径流量较小,路面融雪径流污染物浓度远大于降雨径流,而屋面融雪径流因流量较小导致携带污染物的能力较弱故水质优于降雨径流.     

奥林匹克森林公园典型人工林地非点源污染输出特征分析

选取北京奥林匹克森林公园的典型人工林地为研究对象,通过对天然降雨径流过程及泥沙、氮、磷等污染物浓度随径流变化过程的监测,研究公园典型密草林她覆盖下,不同坡形及人工沟渠汇流条件下的径流及污染物浓度、形态和负荷的输出特征.结果表明,相同降雨条件下,林地1的坡长/坡宽比小,径流深度大,林地1坡度较大的草皮型汇流沟渠对径流的削...     

抚仙湖流域城镇降雨径流污染特征及排放负荷研究

对澄江县凤麓镇典型降雨事件地表径流污染时空变化特征进行系统分析,并结合气象数据和下垫面面积等资料,运用SCS模型对降雨径流污染负荷进行了精确估算,结果表明:(1)澄江县凤麓镇径流主要污染物为SS、COD、TP及TN,均超出国家地表水环境质量标准Ⅴ类水标准,氮营养盐NH3-N、NO3-N也有不同程度的污染;降雨过程中主要污染物均表现为径流产生初期浓度较高,随着降雨时间的延长以及径流量的减少,各污染物浓度也随之呈现波动下降趋势;强度较大的降雨主要表现出稀释作用,即雨强越大,污染物浓度相对较低。(2)2016年凤麓镇全年径流总量为157.58×104m3,2016年污染物排放负荷以SS和COD为主,分别达到261.85 t/a及166.34 t/a,氮营养盐污染负荷中以NO3-N为主。     

合肥市不同下垫面降雨径流水质特征分析

通过对合肥市4种不同类型下垫面27场降雨径流和自然降雨水样中SS、COD、TN和TP水质指标的分析,探讨了草地、屋面、校内路面和校外道路降雨径流污染物历时变化规律及初期冲刷效应,比较了不同类型下垫面降雨径流和自然降雨水样中污染物浓度分布的差异,计算了场次降雨径流污染物的事件平均浓度.结果表明,不同下垫面降雨径流污染物浓度随时间变化的规律相似,且大多存在初期冲刷现象,一般在降雨初期污染物浓度较高,随着降雨历时的延长污染物浓度呈下降趋势,并趋于平稳;不同下垫面降雨径流和自然降雨水样中TN污染负荷较高,大气湿沉降对降雨径流中TN的贡献很大;校外道路降雨径流水样中SS、COD、TN和TP浓度的变化范围冬半年大于夏半年,不同下垫面条件对降雨径流中污染物EMC的影响存在差异.     

北方沿海城市屋面雨水径流水质及影响因素

选取天津市某小区3种材质的屋顶(瓦面、油毡屋面、沥青面)径流为研究对象,通过7场连续降雨监测,分析探讨了径流污染物平均浓度(EMC),屋面雨水径流水质特点,污染物出流规律以及径流水质影响因素。结果表明,天津市天然雨水中含氮量较高;通过计算3种屋面径流及路面径流EMC值,得出屋面径流中SS和COD严重超标,油毡面径流污染最重,天津市屋面径流污染水平比上海市高,也比美国、德国和法国等国家高;屋面雨水径流前期污染较高,存在一定的初使冲刷效应;晴天积累天数是影响屋面径流水质的重要因素,屋面初期径流污染物浓度与晴天累积天数成正相关;降雨强度对径流污染物具有分段影响,降雨强度6 mm/h时,径流污染物浓度随降雨强度的增大而增加,降雨强度6 mm/h时,径流污染物浓度随雨强的增大而降低。     

城市降雨径流污染模拟的水质参数局部灵敏度分析

在城市降雨径流污染模拟研究中,参数灵敏度分析是进行模型率定和验证的必要研究环节,同时也是理解非点源污染产生和变化过程及进行城市降雨径流污染管理的重要参考.运用修正的摩尔斯分类筛选法(Morris screening method)对暴雨管理模型(Storm Water Management Model,简称SWMM)的水质参数进行局部灵敏度分析.研究结果显示,占区域比例较大的不透水地表的累积和冲刷参数灵敏度较高;在强降雨过程中,降雨中污染物浓度的灵敏度较高.研究表明,对占区域比例较大的不透水地表的累积和冲刷参数进行仔细识别,对于非点源污染模型的验证具有重要意义;强降雨时雨水本底浓度的测量误差会影响降雨径流污染模拟的准确度.     

不同降雨-径流过程中农业非点源污染研究

以大宁河流域为研究区域,应用SWAT模型进行了流域农业非点源污染负荷的模拟计算。利用巫溪水文站2000～2004年的实测日径流和泥沙数据进行模型的调参计算,验证结果表明模型适用于大宁河流域。利用验证后的模型分析了不同降雨-径流条件下非点源污染的产输出特性。结果表明:降雨量对径流污染负荷有较大的影响,年内丰水段,非点源污染物浓度峰值和径流峰值同步出现;年内平水段,泥沙浓度、有机氮浓度和径流峰值同步出现,硝酸盐浓度峰值滞后于径流峰值出现时间;年内枯水段,非点源污染物浓度滞后于径流峰值度出现时间;降雨—径流与污染物浓度之间存在着密切的线性相关关系。     

北京市中心城区屋面径流污染特征及来源分析

以北京市中心城区屋面径流为研究对象,对2019年6～9月期间7场降雨事件中屋面径流及附近降雨水质情况开展监测,分析了屋面径流及降雨水质特征、径流初始冲刷效应、径流污染物浓度影响因素及其来源特征.结果表明,北京市中心城区屋面径流中总氮、氨氮、化学需氧量和悬浮物污染较为严重,降雨事件径流平均浓度(EMC)均超过《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅴ类标准限值[悬浮物超过《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)二级排放标准];降雨水质相对较好,但氨氮和总氮也存在超标情况.屋面径流中各污染物初始冲刷强度以中等和微弱为主,由大到小排序依次为：氨氮>悬浮物>化学需氧量>总氮>汞>锌>总磷>铅.屋面径流中悬浮物、化学需氧量、总磷浓度水平与干燥期长度呈显著正相关,与降雨强度呈显著负相关.结合主成分分析结果可知,降雨中的主要污染物为交通运输来源的氮类污染物,屋面径流中的主要污染物则为屋面材料老化和金属雨落管锈蚀释放的悬浮物、有机物和磷类污染物.