城镇暴雨初期雨水产流与产污模拟研究_陈卓.pdf

城镇暴雨初期雨水产流与产污模拟研究陈卓1，顾洋2，黄膺翰3，冯镜洁1*，李然1，陈基培2，任爽1（1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都610041；2.珠江水资源保护科学研究所，广州510611；3.中国电建中南勘测设计研究院有限公司，长沙410014）摘要：降雨过程中形成的污染已成为重要的城市面源污染，尤其是降雨初期雨水对城市地表的冲刷导致大量的污染物排放入水体，造成城市河流的冲击性污染。当城镇遭遇暴雨时，下垫面硬化和污染物积蓄使得初雨污染峰值过程更剧烈，对河流的水质影响更为严重。本文采用暴雨洪水管理模型（storm water management model，SWMM）平台对具有不同下垫面特性的城镇流域开展暴雨条件下的径流模拟，在此基础上开展面源污染产生过程模拟，对比研究不同下垫面特性对产流、产污过程的影响。结果表明:降雨强度越大,径流产流速度越快，径流峰值流量越大；流域中建成区占比越高，产生的径流量越大，单位面积产污量线性增大。建成区占比高的流域产污过程线较尖瘦(峰值相对较大但历时较短)，受支流汇流历时影响，干流产流过程线形状比支流宽胖(峰值相对较小但历时较长)，干流峰值比支流滞后1014 h。暴雨后期地面冲刷的污染物浓度随时间降低，干流的产污过程峰值相对于支流滞后不显著。研究成果可为城镇初期雨水污染防治的技术实施提供理论支撑，对消除城镇黑臭水体和维护河流水环境健康具有指导意义。关键词：初期雨水；径流；污染物；暴雨；数值模拟中图分类号：X501文献标志码：A文章编号：2096-2347（2023）02-0051-10收稿日期：2023-01-05基金项目：国家自然科学基金（52039006）。作者简介：陈卓，硕士研究生，主要从事水环境学研究。E-mail:*通信作者：冯镜洁，博士，主要从事环境水力学研究。E-mail:F引用格式：陈卓，顾洋，黄膺翰，等.城镇暴雨初期雨水产流与产污模拟研究J.三峡生态环境监测，2023，8（2）：51-60.Citation format:CHEN Z,GU Y,HUANG Y H,et al.Simulation of runoff and pollution production during the initial rainfall of urban rainstormJ.Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges，2023，8（2）：51-60.Simulation of Runoff and Pollution Production During the Initial Rainfall ofUrban RainstormCHEN Zhuo1*,GU Yang2,HUANG Yinghan3,FENG Jingjie1*,LI Ran1,CHEN Jipei2,REN Shuang1（1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering,Sichuan University,Chengdu 610041,China;2.ScientificInstitute of Pearl River Water Resources Protection,Guangzhou 510611,China;3.Zhongnan Engineering Corporation Limited,PowerConstruchion Corporction of China,Changsha 410014,China）Abstract：Pollution formed during rainfall has become a significant factor influencing urban area-source pollution.Rainwaterflushes the urban surface in its early stages and brings a large accumulation of pollutants into water body of the urban river.Especially,during heavy rainstorm,the hardening of the substratum and the accumulation of pollutants make the peak process of the initial rain pollution more intense,and the influence on river quality is more severe.In this paper,the storm water management model(SWMM)was used to simulate the pollution generation process for urban runoff under heavy rainstorm conditions and with different substratum characteristics,and the effects of different substratum on the flow and the pollutions production process were compared.The results show that the higher rainstorm intensity,the faster runoff production and the higher peak flow rate;and that theDOI：10.19478/ki.2096-2347.2023.02.07水体研究三峡生态环境监测Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges2023年6月Jun.2023第8卷第2期Vol.8No.2三峡生态环境监测http:/ built-up areas in the watershed,the higher the peak flow rate,and the pollution production per unit area increased linearly.For high proportion of built-up area,the process line of pollution generation is more sharp and thin,indicating a relatively higherpollution generation in a shorter time period.The process line of pollution production in mainstream is wider and fatter(i.e.relatively low peak and longer time period)than that in the tributaries due to the time lag of confluence of the tributary inflow,and themainstream peak value lags behind that of the tributaries by about1014 hours.During the later stage of a rainstorm,the concentration of pollutants from ground scouring gradually decreases,and the time lag between the pollution production peaks of the mainstream and the tributaries is not obvious.The study provides a support to the prevention and control of urban river water environmental protection during rainstorm.Key words:initial rainfall;runoff;pollutant;storm;numerical simulation城镇是人类生活的主要载体 1。暴雨易形成城市内涝型洪水。暴雨对地面冲刷将沉积在地面的污染物快速带至河流 2，给城镇水系水质带来严重污染威胁。城市建设不透水面积增加 3，一次降雨过程中径流量会形成严重的冲刷 4。初期雨水污染的污染物来源及水质特征研究更多围绕屋面与路面开展 5。针对屋面冲刷雨水，Frster等 6 对德国Bayreuth市的城市屋顶雨水展开监测，发现水中铜与锌的含量较高。Gromaire-Mertz等 7 对法国城市的屋顶雨水径流进行分析检测，发现水中的铅与锌浓度极高，化学需氧量（chemicaloxygen demand，COD）与固体悬浮物（solid suspended，SS）也远超当地污水处理厂进水浓度。Chang等 8 监测了美国德克萨斯州区的屋面雨水质量，结果显示所有的指标均超过当地水质标准，其中以锌的超过倍数最大。国内的学者如张科峰等 9、郝丽岭 10、李立青等 11 分别研究南京、武汉、重庆等屋面降雨径流的水质并取得了一定的成果，其研究成果均显示屋顶径流的水质较差。路面径流与屋顶径流有所不同。路面径流冲刷的范围更广，土地利用类型更加复杂，主要的污染来源为车辆行驶产生的污染如尾气、磨损材料颗粒、道路老化材料 12，大气沉降，空气中的飘浮物经由雨水淋洗至地面 13，以及人类活动污染。路面径流污染具有水量变化大、污染物含量变化大、可生化性差的特点 14。加拿大学者整理了140份路面径流水质数据 15，该数据显示在降雨形成的路面径流中COD的浓度最高达2 200 mg/L，远高于地表水标准浓度。路面径流的污染来源决定了其污染特征具有地域性，且即便在同一地区，不同降雨条件下路面径流污染浓度也有着明显差异。影响路面径流污染物浓度的因素众多，包括气候条件、降雨特点、交通情况、城市管理方式等 16。总体而言，相比于屋面径流污染，路面径流污染物表现出浓度高，污染物种类多，污染物累积速度快等特点。降雨形成的径流在冲刷城市建筑后具有高污染的特征，而城市河流成为这些携带着高浓度污染物的水流最终的受纳水体 17，因此，城市降雨径流成了一个重要的污染来源。面对这一水环境风险，世界各国提出很多的缓解方式。美国于20世纪70年代提出雨污水必须经过污水处理厂处理。澳大利亚提出“水敏感城市设计”，并表示城市雨水的管理需要遵从自然保护原则 18。英国提出“可持续城市排水系统”，通过排水系统改善城市内涝的同时控制雨水径流水质 19。我国于2014年提出“海绵城市”概念 20。目前，针对城市降雨径流的研究集中在其对水质的影响上，对于暴雨条件下的初期雨水产流与产污过程研究不足。本文开展典型暴雨条件下城镇流域的径流过程与污染物产生过程模拟研究，探究不同下垫面的作用规律和干支流产流、产污过程的传播规律。研究成果可为城镇初期雨水污染防治提供理论支撑，对城镇河流水环境保护和消除黑臭水体具有重要意义。1研究区域图1展示了本次研究模拟的中国安徽省合肥市的白石天河流域。该河流（3114 3132 N，11705 11733 E）东北濒巢湖，西依大别山余脉，南近庐江县城。河流整体从南至北33.7 km，从东到西43 km，流域面积596.5 km2，主要支流有小南河、团结圩小河、后街小河、金墩河、罗埠河、三八河、望城河、金牛河、牛首河。在流域内共设立了52个水质监测点，其分布位置见图1。第8卷第2期53图1研究区域的水系分布及水