降雨径流污染过程模拟

1.降雨径流污染过程

从20世纪70年代开始，人们通过大量的调查分析，逐渐认识到仅仅对点源污染进行控制，还不能从根本上改善水质，这是因为点源污染与非点源污染几乎各占一半，从而促使人们转向非点源污染的研究。非点源污染最主要、最大量的是降雨径流污染，它来自广大的流域面积上，因此也常称面源污染。1972年《美国水污染控制法修正案》的制订标志着该项研究的重大转折，它规定编制水污染防治规划，必须同时包括点源和非点源污染的防治，并在该年选择了近千个典型的非点源污染流域，观测和分析土地利用与面源负荷的关系。20世纪70年代中期，是非点源模型大发展的时期，很多非点源污染模型相继问世。许多模型属于以水文数学模型为基础的降雨径流污染模型。在非点源污染管理方面，这个时期逐步形成和使用最佳管理措施（BMPS）来控制和管理非点源污染。20世纪70年代后期，特别是进入80年代以来，研究的重点主要转向如何把已有模型应用到非点源污染的管理中去、开发新的实用模型、非点源污染的控制与管理措施等。如特征污染单位线模型、非点源污染负荷函数模型、污染瞬时单位线模型都是这个时期提出的。我国这方面的研究较晚，大约在20世纪80年代开始认识到这项研究的重要性，并在北京市、苏州市、天津于桥水库流域、四川沱江等处开展研究。由于非点源污染涉及到水文、泥沙、生物、化学、环境等众多学科，研究难度大，费用高，致使这一问题的研究还比较少，进展不快，计算精度也不高。

降雨径流污染是指在降雨径流的淋洗和冲刷作用下，大气、地面和地下的污染物进入江河、湖泊、水库和海洋等水体而造成的水体污染，这是一个相当复杂的过程。首先，降雨期间雨滴淋洗大气中的飘浮污染物，使降水含有一定的杂质，如在工业特别集中的地区，降水可能被严重污染，形成酸雨。降雨落到地面后，若为透水区域，如荒坡、草地、森林、农田等，雨滴打击土壤，使之分散，然后在地面径流淋溶、冲刷下，吸附在泥沙颗粒上的和溶于水的污染物随水流进入江河；入渗的雨水会在渗流过程中不断溶解沿途介质中的污染成分，以地下径流的溶解态形式注入江河。在不透水区域上，如混凝土的公路、街道、屋顶等，降水仅产生地面径流，冲刷淋溶雨前堆积在地面的污染物，以吸附态、溶解态的形式流入江河湖海。从以上看出，降雨径流污染过程主要可分作4个子过程：

（1）降雨径流子过程。雨水和径流既是淋溶、冲刷污染物的动力，又是水污染的载体。

（2）产沙输沙子过程。下垫面流失的泥沙既污染了水体，还对其他污染物有强烈的吸附作用，使之随泥沙迁移。例如近些年来许多实验研究表明，约有98%的养分（氮、磷等）是由泥沙流失引起的。

（3）污染物随水流运动中的迁移转化子过程。例如污染物随泥沙的沉浮、BOD的降解、氮、磷等被藻类吸收。

（4）受纳水体污染子过程。污染负荷（相当于点源）进入河流、湖泊、水库、港湾后不断地迁移和转化。

前面三个子过程相互影响、相互作用，最终表现为河流某一断面的径流过程和污染负荷过程。降雨径流污染预测，主要就是通过前3项计算出污染负荷过程。面源污染远比点源计算复杂，它覆盖了径流计算、泥沙计算和污染物随径流、泥沙运动中的迁移转化计算，其中任一子过程的计算误差都影响最后的精度，因此，面源污染预测的误差常常较大。尽管如此，作为水环境的规划、设计和管理，仍然是一个很有效的手段。它能使决策者在模型参数基本确定之后，了解各种污染控制方案的预期效果，和相对优劣程度。

2.降雨径流污染过程的模拟

负荷过程线与洪水过程线并无固定的关系，前者的峰值一般先于后者，不过也有不少情况为同时出现或滞后，但两种过程线的形状常很相似，故可以借用水文学中径流单位线的概念和方法，由流域产污过程（相当于地面净雨过程）和负荷过程（相当于地面径流过程）推求污染负荷单位线。污染负荷单位线也像径流单位线那样，分为时段单位线和瞬时单位线。现简要介绍瞬时单位线法。

1984年，Zingales等人提出了瞬时污染单位线法，其基本思路是借用纳须（Nash）瞬时单位线法的基本原理，把流域对地面净雨和污染物的汇集过程，简化成以系列串联的线性水库对净雨、产污过程的调蓄和混合转化结果，并假定流域表层土壤中的污染物能源源不断地补给净雨和随流带入水库，由此引起的水流污染浓度变化率与实际浓度和平衡浓度之差成正比，即：(www.xing528.com)

式中：Cx为t时到水中污染物x的浓度，mg/L；CEx为污染物x在水中的平衡浓度，mg/L，随污染物的种类、季节、植被、温度等有一定变化，但在一次暴雨径流中可取作常数；kx为污染物x的补给速率常数，s－1。

地面径流流量计算方程为：

式中：Q（t，n，k）为t时刻流域出口的流量，m3/s；U（τ，n，k）为τ时刻瞬时单位的坐标值；n，k为参数；h（t－τ）为t－τ时的地面净雨强度；Ac为单位换算系数；Γ（n）为n的伽马函数。

污染物x的负荷计算方程为：

根据前面的假定可以得到：

于是有：

污染物x的浓度计算方程为：

污染物的负荷总量计算方程为：

式中：qx（t，n，k，kx）为t时刻水中污染物x的负荷，mg/s；Cx（t，n，k，kx）为t时刻水中污染物x的浓度，mg/s；∑Lsx为t时刻污染物的总负荷量，mg；V（t，n，k）为至t时刻的径流总量，m3。