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.     

城市降雨径流模拟的参数不确定性分析

以厦门城市小流域为例,基于蒙特卡洛随机采样和区域灵敏度分析(RSA)方法,从参数的可识别性和灵敏度分析2个方面来分析城市降雨径流SWMM模型参数的不确定性.结果表明,水文水力模块中汇水单元不透水区贮水深度(Dstore-Imperv)、汇水单元透水区贮水深度(Dstore-Perv)和CN特征曲线(Curve Number)这3个参数可识别性较好,区域灵敏度高;水文水力模块的区域灵敏度的排序为:Dstore-ImpervCNDstore-Perv汇水单元透水区曼宁糙率(N-Perv)传导系数(Conductivity)管道曼宁糙率(Con-Mann)汇水单元不透水区曼宁糙率(N-Imperv).水质模块冲刷函数中地表冲刷系数(Coefficient)和地表径流幂指数(Exponent)这2个参数以及累积函数中的地表最大可累积的污染物量(Max.Buildup)的识别性较高,区域灵敏度较大.而从区域灵敏度的排序来看,3种用地类型的地表累积速率(Rate Constant)参数K-S距离最小,Max.Buildup、Coefficient和Exponent参数的K-S距离相对较大.     

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。     

城市降雨径流模型的参数局部灵敏度分析

 运用Morris筛选法对城市降雨径流模型SWMM的水文水力模块的相关参数进行局部灵敏度分析,以便对模型灵敏参数识别和不确定性分析.结果表明,影响3场降雨径流深的最灵敏度参数均为不透水率,灵敏度分别是0.88,0.98和0.43.影响峰值流量的灵敏参数因不同雨强的降雨场次存在波动,雨强最大的降雨最灵敏参数为管道曼宁糙率,雨强最小的降雨最灵敏参数为无低洼地不透水区所占百分比.不同降雨强度SWMM模型水文水力模块的灵敏参数有所差异,尤其是下渗率相关的参数.     

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.     

不透水地表粗糙度对城市面源颗粒物的累积和冲刷影响

目前国内外关于不透水地表微观结构特征如何影响街尘对径流输出过程的研究鲜见报道.本研究基于12场降雨事件的野外观测,以粗糙度（构造深）量化不透水地表微观结构特征,分析粗糙度与晴天街尘的累积特征及雨天冲刷特征之间的相关关系.结果表明,不透水地表粗糙度显著影响街尘的晴天累积-雨天冲刷过程,晴天累积天数对粗糙度与街尘累积量的相关性（r=0.664,P<0.01）具有增强效应,降雨量对粗糙度与街尘冲刷量的相关性（r=0.527,P<0.01）具有增强效应;各粒径段街尘累积量与粗糙度的相关性（0.529≤ r<0.757）随颗粒物粒径变大而提高,各粒径段街尘冲刷量与粗糙度的相关性（0.603 > r > 0.209）随颗粒物粒径变大而降低.通过建立粗糙度和降雨量的线性回归模型可以较好地预测场降雨径流中TSS累积污染负荷.粗糙度和降雨量对<20 μm以及>250 μm粒径段的累积负荷作用效果显著.上述结果揭示了粗糙度和降雨量对街尘输出为地表径流污染物的作用,为准确模拟城市面源颗粒污染物的径流冲刷过程提供了科学依据.     

滇池流域宝象河暴雨径流初始冲刷效应

为了有效理解滇池非点源入湖过程,选择滇池流域宝象河开展暴雨径流初始冲刷效应的初步研究.2009年雨季,在其干流沿程上、中、下游设置3个断面进行了初期3场暴雨及河道水量、水质同步观测,并提出降雨净冲刷量、负荷净冲刷量以及净冲刷径流平均浓度EMCn的定义与计算方法.结果表明,宝象河TSS、TN、TP、高锰酸盐指数的EMCn、累积曲线M(V)随着河道沿程不透水地面比例和人口规模的增加而提高,TSS、TP负荷贡献率及其M(V)与降雨强度的变化趋势一致,而TN和高锰酸盐指数负荷贡献率则与降雨量表现正相关,其中TN中NO3--N所占比例随着降雨事件次数增加而逐渐降低;此外,提出的EMCn也被证实能有效消除各点位的基流及其负荷影响,相对冲刷径流平均浓度,更为真实反映且能放大沿程断面间、不同降雨事件间的暴雨初始冲刷效应的差异.     

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.     

武汉汉阳地区城市集水区尺度降雨径流污染过程与排放特征

2005年4月至8月对武汉市汉阳地区十里铺集水区进行了8次径流污染过程的水量、水质研究.结果表明,城市集水区尺度径流污染过程是降雨径流对整个集水区地表、排水系统中累积污染物的冲刷、携带过程,受集水区累积污染物数量、污染物可冲刷性和降雨径流特征的共同影响.城市降雨径流中初期污染物浓度显著高于后期,污染物浓度的峰值提前于径流的峰值,具有明显的初期冲刷效应.8次监测结果的算术平均值,初期5 mm、10 mm和15 mm降雨径流中TSS的负荷分别占总负荷的48%、68%和78%.初期径流中TSS的负荷与晴天累积天数呈线性正相关关系.     

紫色土丘陵区农村集镇降雨径流污染特征

以2006年6月至2007年4月野外观测的8场降雨径流事件中TN、TP、COD与SS含量和流量数据为基础,分析了紫色土丘陵区农村集镇的降雨径流污染物来源、形态与输出负荷及初期冲刷效应,研究了农村集镇降雨径流污染特征.结果表明,农村集镇降雨径流中TN、TP、COD与SS的事件平均浓度(EMC)均值分别为25.52、3.63、714、2396 mg·L-1,年污染负荷分别为39.21、5.57、993、3335 kg·hm-2.农村集镇降雨径流污染物浓度峰值出现在流量峰值之前,两者间隔时间为3-45min.40%的TN、TP、COD与SS污染负荷由占总径流量30%的初期径流所运移,降雨径流污染物具有中等的初期冲刷效应.可溶性氮、颗粒态磷分别是农村集镇降雨径流污染中氮、磷素输出的主要形态.可溶性氮输出量受最大雨强影响较大(r=-0.825,P<0.05).而颗粒态磷输出量较为稳定,受降雨特征影响较小.不透水地面源污染与沟道累积污染是农村集镇降雨径流的主要污染源,透水地(林地、旱坡地)的水土流失则加剧其污染.     

降雨径流连续模拟参数全局灵敏性分析

长期连续模拟是客观评价城市排水系统性能、雨洪控制措施效果的重要方法之一.运用普适似然度法(Generalized Likelihood Uncertainty Estimation,简称GLUE),综合分析了暴雨管理模型(Storm Water Management Model,简称SWMM)在不同间隔降雨情景下的水量...     

岛屿硬化集水面雨水弃流方案与分质收集策略研究

通过研究海南岛文昌市水泥屋顶和水泥路面上的雨水径流特征,建立了岛屿地区不同硬化集水面的雨水弃流方案和分质收集策略.在降雨初期,水泥路面和水泥屋顶均发生明显的冲刷效应,水泥路面雨水径流污染物浓度远高于水泥屋顶,且不同硬化集水面上前30%雨水中的污染物浓度均高于后70%的雨水.通过与相关水质指标对比得出,水泥屋顶雨水径流可作为饮用水水源,水泥路面雨水径流经处理可作为城市杂用水使用.通过建立雨水径流污染物累积-冲刷经验模型,可计算不同硬化集水面的弃流雨量,并以此为依据制定了弃流方案.以两种典型硬质化集水面径流污染物传输特征、水质特征和弃流方案为基础,分别提出了屋顶雨水收集方案和多种生态方法协同作用的路面雨水收集方案,可为岛屿地区的雨水收集利用方案提供参考依据.     

不同粒径地表街尘中重金属在径流冲刷中的迁移转化

在我国快速城市化进程中,街尘及其径流冲刷引起的重金属污染日显突出.通过对北京市城乡道路街尘及其人工降雨模拟径流冲刷过程中不同粒径街尘中重金属的分析,探讨街尘与径流冲刷过程中的粒径效应及不同重金属赋存形态的动态变化规律.结果表明,同一粒径颗粒物从"静态"街尘到"动态"径流中的颗粒物,重金属浓度呈下降趋势.街尘中重金属在径流冲刷过程中,存在溶解与解析现象,颗粒物粒径越小,减少比率越大,5种重金属(Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)的减少比率分别为24.3%、56.8%、34.3%、22.8%、27.3%.街尘中的弱酸可提取态比例要略大于径流颗粒物中弱酸可提取态比例,部分以水溶态进入水体中.在径流冲刷过程中,水相溶解态重金属变化不大,水相颗粒态重金属含量随降雨时间径流过程迅速降低.固相颗粒物的重金属浓度随降雨时间总体上呈下降趋势.粒径越小,冲刷率越大,最大为62.1%,最小为4.6%.地表街尘在径流冲刷过程中,小粒径颗粒物具有较强的迁移能力,较容易进入水体造成污染.     

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.     

贮灰场灰水污染物运移的数值分析

从环境保护的角度出发,针对灰水溶质运移污染地下水的问题,应用混合防渗材料作为防渗层,通过有限元程序模拟贮灰场的实际运行条件,进行了有无防渗层条件下污染物运移的对比计算分析.结果表明,防渗层可有效地减少灰水渗漏量,缩小污染物的长期扩散范围;在灰场底部和内侧设置防渗层是有效的防污染措施.     

北京城市典型下垫面降雨径流污染初始冲刷效应分析

城市硬化地表的迅速增加使得降雨径流量增加,屋面和路面等下垫面上污染物的大量累积并随径流进入城市排水系统,对城市水环境造成威胁.为了解径流污染过程和给径流污染控制提供科学依据,于2004～2006年选取典型屋面和路面对径流污染过程进行了监测和分析,计算了两种径流的次降雨平均浓度(EMC)水平,发现两类径流的COD和TN污染较为严重;屋面径流的化学需氧量(COD)、总氮(TN)分别超标(地表水环境质量标准GB 3838-2002 V类)3.64和4.80倍;路面径流的COD、TN分别超标3.73和1.07倍.利用M(V)曲线,判断径流量同径流污染负荷的关系,发现屋面径流污染物总悬浮颗粒物(TSS)、COD、TN和总磷(TP)发生了不同程度的初始冲刷现象;路面初始冲刷现象主要表现为TSS和TP,总体上初始冲刷效应不明显.汇水面性质、降雨强度、污染物累积状况等都是影响屋面和路面径流污染物排放特征的重要影响因素.     

基于不确定性理论的排水管网多泵站启停液位筛选研究

基于暴雨管理模型(storm water management model,简称SWMM),构建实验管网模型,基于不确定性理论,采用拉丁超立方法采样,根据管网运行管理目标选择可行的泵站启动液位调控方案,并对多个泵站的运行控制参数进行统计分析,筛选合理的泵站启停液位区间。结果表明该方法可以有效分析控制参数的不确定性,为排水管网控制方案的科学制定提供有效分析途径。     

城市降雨径流水文模拟的参数局部灵敏度及其稳定性分析

基于Morris筛选法,在厦门城市小流域采用8场实测降雨数据对城市降雨径流模型SWMM的水文水力模块进行局部灵敏度及其稳定性分析.结果表明,Area、%Imperv和Dstore-Imperv是影响降雨总径流量和流量峰值最灵敏的参数.对于总径流量,Area、%Imperv和Dstore-Imperv的灵敏度分别为0.46～1.0、0.61～1.0和-0.050～-5.9;而对于流量峰值,它们的灵敏度分别为0.48～0.89、0.59～0.83和0～-9.6.其中降雨强度最小的场次降雨的各个参数降雨总径流量和流量峰值的灵敏度都最大,而降雨强度较大的场次降雨的总径流量和流量峰值的灵敏度都较小.不同场次降雨模型参数的灵敏度分析具有很大的差异性,但%Zero-Imperv对总径流量和流量峰值模拟输出影响的稳定性最小,表现在变异度最大,高达221.24%和228.10%,而Conductivity参数稳定性最大,变异系数都为0.     

雨水管道沉积物对径流初期冲刷的影响

为了避免汇水面源头以及分流制雨水管道系统中沉积的大量污染物在降雨时随雨水径流被冲刷进入水体,从而控制径流对水环境构成的冲击性污染,从理论和试验2方面分析了管道径流污染物(汇水面和管道沉积物2个来源)的流失规律.结果表明,汇水面源头污染物流失较符合源头冲刷的指数衰减模型,管道内沉积物流失可用流量曲线模型计算;管道内沉积物占管道径流污染物的比例越大,管道径流的初期冲刷现象越不明显.为了提高径流污染控制设施的效率,宜在源头进行分散控制,并加强雨水管网系统清洁维护,避免污染物的积累.     

茅坪河流域非点源污染负荷模拟

为定量化研究茅坪河流域农业非点源营养物质氮、磷的输出负荷,在茅坪河的亚流域陈家冲,利用2004-05～2004-10降雨期的监测数据,通过实测值和模拟值的比较对非点源污染模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)进行了率定和验证,采用Nash-Sutcliffe系数(R²)、均方根差(RMSE)和相对误差(CV)检验实测值和模拟值的拟合度.利用验证后的模型模拟了茅坪河流域营养物质氮、磷的输出负荷量.经验证径流、总氮和总磷的Nash-Sutcliffe系数分别为0.71、0.51和0.62,最小相对误差分别为1.8%、1.1%和10%,模型对氮和磷的输出模拟效果稍差,但对径流的模拟取得了较好的效果,表明该模型可运用于茅坪河流域非点源污染的模拟研究.模拟结果显示,2004-05～2004-10,茅坪河流域共有102.5 t氮和9.46 t磷流入长江,大量农业非点源污染的产生是造成茅坪河水质恶化的重要原因之一.