基于SWMM模型的沈阳典型小区非点源污染情景模拟

随着城市化发展,城市非点源污染占流域非点源污染比例不断增加,正成为研究的热点和难点。本研究基于实测和分布式水文模型SWMM结合方法,在3S技术的支撑下,以沈阳市典型居民小区为例,构建城市非点源污染负荷计算模型,并分析了不同降雨事件重现期和雨型条件下降雨径流及非点源污染负荷变化特征。结果表明,构建的SWWM模型精度较高,纳什效率系数(NSE)达到了0.7以上;TSS、TN、TP和COD的模拟精度较好,对重金属的模拟效果较差。降雨量增加对污染排放影响显著,降雨量由0.25年一遇增加到5年一遇,径流量增加了274.13%,同时TSS、TN、TP和COD分别增加了83.18%、119.37%、103.15%和78.07%;不同雨型降雨对污染浓度峰值产生过程存在影响,雨峰越靠前,污染物的峰值浓度越大。本研究结果能够对城市非点源污染负荷核算和海绵城市建设提供科学依据。     

半干旱半湿润地区流域非点源污染负荷模型研究进展

受特殊的地理环境和气候条件影响,半干旱半湿润地区具有较复杂的水文循环过程及非点源污染发生和迁移转化机制。流域非点源污染负荷模型是定量化描述流域系统复杂水文循环及污染物迁移转化过程的有效手段,也是流域生态系统管理的重要工具。本文从半干旱半湿润地区特殊的气候、水文特征及下垫面情况出发,详细阐述了非点源污染的发生机理,系统总结了流域非点源污染负荷模型在解决水环境重要问题中研究与应用的现状、进展与不足,提出了适用于半干旱半湿润地区的非点源污染负荷模型的构建思路,并展望了流域非点源污染负荷模型的发展趋势。     

区域景观格局与地表水环境质量关系研究进展

摘要：区域景观格局对地表水环境具有重要影响,1970s以来国外学者对区域景观格局与地表水水质之间的关系开展了大量研究。在系统梳理景观格局与水质关系的研究思路和技术方法的基础上,综合国内外文献探讨了水化学离子、常规污染物、营养物、重金属、有机物、水生生物,直至当前的河流健康等各类水环境指标对景观格局的响应程度,以及景观格局影响水环境的尺度效应问题。认为当前研究存在划定流域边界未能严格避免流域嵌套及土地利用空间自相关、选择景观格局变量尚未充分重视空间结构和水文地貌因素、数据分析技术多限于半定量分析等问题,并尝试提出相应的解决方案。试探性地提出国内研究的未来方向,指出在关注研究区域的流域边界是否明确和点源污染是否控制两个理论前提基础上,进一步根据非点源污染物在景观格局中的累积和迁移转化行为特征,进行相应的土地利用景观分类将是十分重要和迫切的基础性工作,提出了将景观格局与过程关系理论应用于城市面源污染调控的关键科学问题,包括非点源与目标水体的空间位置关系、不透水面和透水面的空间格局关系、区域不透垫面比例是否存在阈值,以及设置透水面的最佳空间尺度等。     

天津海河氮动态变化对夏季强降雨的响应过程

气候变化是流域物质输送的重要影响因素。近年北方降雨明显增加,在建设海绵城市考虑排水的同时也应考虑物质传输的环境影响。为探究强降雨事件对天津海河氮污染动态变化的影响,本研究选取海河4个重要河流断面在雨季定期采集水样,并依托相关水文站收集降雨相关数据,同时采集城市道路径流样品。通过对样品主离子和硝酸盐氮氧双同位素的分析表明,强降雨事件后,4个研究断面的NO3--N浓度明显升高,经1周后大致恢复到降雨前水平,而硝酸盐氮氧同位素明显降低后升高。综合分析表明,混合作用、生物地球化学过程以及对降雨的不同响应程度共同影响着雨季天津海河氮污染的动态变化。由于降雨时期河流氮负荷明显升高,表明借雨排污情况十分严重,加剧城市河流氮污染。综上所述,降雨期间城市河流物质输送并不遵循稀释效应。同时,城市点源污染的控制是城市水环境质量管理优先考虑的方面。     

海绵城市建设对流域海绵体生态水文过程的改善

快速城市化驱动的不透水面比例增加是引起流域洪峰和径流总量增加的直接原因,海绵城市建设通过生态基础设施网络构建增加流域透水面比例,是重构流域生态水文过程的重要途径。但是海绵城市建设在流域海绵体生态水文过程中发挥的作用尚不清楚。本文以深圳市布吉河流域洪湖片区为例,通过雨季水文过程要素在线连续监测来确定海绵城市建设是否改善洪湖片区生态水文过程。结果表明,中观尺度上,雨季降雨量对洪湖片区地表径流总量无直接影响,降雨强度显著影响洪湖片区地表径流峰值流量（P<0.05）,日降雨量对布吉河水质影响极显著（P<0.01）。洪湖片区通过28.3%（0.85 km2）海绵面积建设,透水面比例提升,以生物滞留设施和透水铺装等强化片区蒸散和下渗过程,减少雨季径流97.2%（248.72万m3）,削减典型降雨峰值流量98.2%以上,降低易涝点积水水位至7.8 cm以下,2.8%形成河川径流（布吉河）,海绵面积（比例）和地表径流量削减无直接量化关系。洪湖片区污染物截留时空随保水能力得到提升,控制排放SS月均浓度均低于15.60 mg/L,污染物通过径流裹挟进入布吉河的总量和速率降低,促使布吉河黑臭消除、水质提升至IV类。海绵城市建设对微观尺度生态水文过程的影响与中观尺度存在差异,降雨量等因素与典型项目生态水文过程量化关系不明显。学校、道路和社区公园利用绿色屋顶、透水铺装等强化下渗、蒸散,可削减雨季径流99.0%以上、削减峰值流量97.0%以上,控制SS月均浓度低于17.10 mg/L。总之,以上研究结果强烈表明海绵城市中微观尺度源头减排设施和调蓄设施的耦合建设模式可以削减洪湖片区径流总量、峰值流量、积水水位和径流污染,是一种改善相似流域生态水文过程的有效途径。     

沈阳市降雨径流污染物排放特征

城市降雨径流作为污染物迁移转化的主要驱动力,是城市非点源污染研究的热点和重点。本文以沈阳市典型区域为例,研究了坡顶屋面、平顶屋面和路面3种下垫面降雨径流的总悬浮颗粒物(TSS)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)和主要重金属(Cd、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn)共10种污染物的排放特征。结果表明:污染物的浓度峰值提前于径流峰值;路面径流的污染程度重于屋面径流,TN是屋面径流的主要污染物,TSS、TN、TP、Pb和Cr则是路面径流的主要污染物,TSS超过了国家污水二级排放标准,其余污染物均超过了国家V类地表水标准;径流中TSS与除TN以外的其他8种污染物有较强相关性,氮、磷营养元素与降雨量和雨强大小呈显著正相关,COD则易随着降雨时间的延长而逐渐释放到径流中;与其他国家和城市对比发现,沈阳屋面径流中TSS、TN、TP和COD较少,但却有一定的重金属污染;路面径流中TSS和TP浓度较高,但TN和COD浓度较低,且重金属中Pb、Cr、Cu和Zn的污染较严重。     

城市区域绿色屋顶普及对水量水质的影响

绿色屋顶是城市降雨径流管理的主要措施之一,为了解绿色屋顶普及对城市流域降雨径流量和径流水质的影响,本文以重庆大学虎溪流域为研究载体,评估了绿色屋顶规模化应用与流域降雨产流和径流水质的响应关系.结果表明： 在城市流域进行屋面绿化有助于消减降雨径流以及产污负荷,且屋顶绿化规模和空间分布情景影响降雨径流水质.在屋顶占城市区域总面积的比例为25%、降雨持续时间15 min、降雨强度14.8 mm·h^-1的条件下,当区域内屋顶全部绿化时,峰值降雨径流降低5.3%,降雨径流总量降低31%;总悬浮物（TSS）、总磷（TP）、总氮（TN）的污染负荷分别降低40.0%、31.6%、29.8%,峰值浓度分别降低21.0%、16.0%、-12.2%,平均浓度分别降低13.1%、0.9%、-1.7%;随屋顶绿化率的增加,TSS、TP浓度消减率有所提高,而TN浓度消减率则呈降低趋势,靠近流域总出水口进行屋面绿化,更有利于径流水质的改善.     

基于流域水环境响应的城市建设用地面积阈值模拟

城市扩张影响流域水环境质量.从水环境响应出发,模拟预测流域范围内城市建设用地的扩张阈值,可为城市建设用地规划提供客观依据.本文选取完全城市化的筼筜湖流域、半城市化的马銮湾流域和城市化起步阶段的杏林湾流域作为对比研究对象,结合2009—2012年实测数据,运用区域污染物管理模型(ReNuMa),计算3个流域水体污染物总氮(TN)和总磷(TP)环境容量上限,确定流域内城市建设用地面积阈值,并预测城市景观格局演变产生的水环境效应.结果表明: 筼筜湖、马銮湾和杏林湾的TN年负荷上限值分别为12900、42800和43120 kg,TP年负荷上限值分别为340、420和450 kg;现实情境下,筼筜湖水体污染物环境容量尚未饱和,马銮湾与杏林湾的污染物年负荷均接近上限值,杏林湾的TN和TP年负荷存在明显的上升趋势;3个流域污染物年负荷均在模拟情境1下未超标、情境3下超标,情境2下,筼筜湖污染物年负荷均未超标,而马銮湾TN与TP年负荷均处于超标;筼筜湖、马銮湾和杏林湾流域的城市建设用地面积阈值分别为1320、5600和4750 hm²,并据此提出景观格局调整对策建议.     

苕溪流域非点源污染特征及其影响因子

应用土壤水体评价模型（SWAT）对苕溪流域径流量、泥沙、营养盐负荷进行模拟计算,分析了2008年苕溪流域非点源污染的时空分布特性.结果表明：苕溪流域非点源污染单位面积产生量表现为北部高于南部、东部高于西部、中部地区最少;耕地是泥沙和污染物产生的主要来源,其单位面积负荷远大于其他土地利用类型;产流量、产沙量与降水量呈显著正相关关系（P<0.05）,雨季(6-9月)的营养盐输出大于旱季(12月至次年3月);平均坡度与泥沙负荷、有机氮负荷及硝态氮负荷呈显著相关关系（P<0.05）.     

中国东北地区非点源污染研究进展

为掌握东北地区非点源污染研究动态和明确研究中存在的问题和不足,对近20年（1991-2008年）东北地区有关非点源污染研究成果进行检索、分类和统计分析,以便更好地进行区域水环境治理和污染防治.东北地区非点源污染研究总体呈增加趋势;研究内容包括水环境污染源调查分析与评价、污染负荷量化、机理探索、模型模拟和污染防治5类;研究对象包括氮、磷、泥沙、农药和重金属;经验方法估算污染负荷较多,机理模型应用成功实例较少;研究性论文中以农业非点源污染较多,城市非点源污染较少;治理措施停留在水土保持措施层面上,缺乏对水土保持措施的优选评价和对最佳管理措施的评价研究.目前,东北地区非点源污染研究处在理论探索阶段,非点源污染是否是主要污染源还存在争议.今后应着力于措施应用、评价和基础数据收集及区域非点源污染物的确定和污染负荷的量化研究;尝试新技术和多领域交叉合作,为区域水环境治理提供科学依据.     

沈阳市降雨径流初期冲刷效应

研究探讨城市降雨径流的初期冲刷效应对于城市水环境治理和水污染防治具有重要意义。以沈阳市典型区域为例,对坡顶屋面、平顶屋面和路面3种典型下垫面的降雨径流进行了监测,分析的污染物包括总悬浮颗粒物(TSS)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)和主要重金属(Cd、Cr、Cu、Ni、Zn)。利用M(V)曲线和污染物初期冲刷率(MFF₃₀),分析了不同降雨径流事件的初期冲刷强度和发生强冲刷、弱冲刷的概率。结果显示:研究区较易产生初期冲刷现象,约有50%-90%的降雨事件能产生初期冲刷现象。3种下垫面发生初期冲刷的强度依次是:平顶屋面>坡顶屋面>路面。降雨历时和干期长度与初期冲刷效应具有正相关关系,降雨量和降雨强度与初期冲刷先是正相关关系,但当稀释效应大于冲刷效应时,呈现负相关关系。重金属污染物较容易发生初期冲刷现象,而TN易发生强初期冲刷。     

Stormwater Runoff Pollutant Loading Distributions and Their Correlation with Rainfall and Catchment Characteristics in a Rapidly Industrialized City

Fast urbanization and industrialization in developing countries result in significant stormwater runoff pollution, due to drastic changes in land-use, from rural to urban. A three-year study on the stormwater runoff pollutant loading distributions of industrial, parking lot and mixed commercial and residential catchments was conducted in the Tongsha reservoir watershed of Dongguan city, a typical, rapidly industrialized urban area in China. This study presents the changes in concentration during rainfall events, event mean concentrations (EMCs) and event pollution loads per unit area (EPLs). The first flush criterion, namely the mass first flush ratio (MFFn), was used to identify the first flush effects. The impacts of rainfall and catchment characterization on EMCs and pollutant loads percentage transported by the first 40% of runoff volume (FF₄₀) were evaluated. The results indicated that the pollutant wash-off process of runoff during the rainfall events has significant temporal and spatial variations. The mean rainfall intensity (I), the impervious rate (IMR) and max 5-min intensity (I_max5) are the critical parameters of EMCs, while I_max5, antecedent dry days (ADD) and rainfall depth (R_D) are the critical parameters of FF₄₀. Intercepting the first 40% of runoff volume can remove 55% of TSS load, 53% of COD load, 58% of TN load, and 61% of TP load, respectively, according to all the storm events. These results may be helpful in mitigating stormwater runoff pollution for many other urban areas in developing countries.     

Detection of sensitive soil properties related to non-point phosphorus pollution by integrated models of SEDD and PLOAD

Effectively identifying soil properties in relation to non-point source (NPS) phosphorus pollution is important for NPS pollution management. Previous studies have focused on particulate P loads in relation to agricultural non-point source pollution. In areas undergoing rapid urbanization, dissolved P loads may be important with respect to conditions of surface infiltration and rainfall runoff. The present study developed an integrated model for the analysis of both dissolved P and particulate P loads, applied to the Meiliang Bay watershed, Taihu Lake, China. The results showed that NPS P loads up to 15 kg/km² were present, with particulate P loads up to 13 kg/km². The highest loads were concentrated in the southeastern region of the watershed. Although particle P was the main contributor to NPS P loads state, the contribution of dissolved P was significant, especially in sub-basins with significant amount of artificial land cover. The integration of dissolved P and particulate P loads provided more accurate evaluation of NPS P pollution. NPS P loads were found to correspond to specific soil properties. Soil organic matter and total nitrogen were shown to influence dissolved P loads, while total phosphorus and soil particle composition proportion were more closely related to particulate P loads.     

Investigating the effects of point source and nonpoint source pollution on the water quality of the East River (Dongjiang) in South China

Understanding the physical processes of point source (PS) and nonpoint source (NPS) pollution is critical to evaluate river water quality and identify major pollutant sources in a watershed. In this study, we used the physically-based hydrological/water quality model, Soil and Water Assessment Tool, to investigate the influence of PS and NPS pollution on the water quality of the East River (Dongjiang in Chinese) in southern China. Our results indicate that NPS pollution was the dominant contribution (>94%) to nutrient loads except for mineral phosphorus (50%). A comprehensive Water Quality Index (WQI) computed using eight key water quality variables demonstrates that water quality is better upstream than downstream despite the higher level of ammonium nitrogen found in upstream waters. Also, the temporal (seasonal) and spatial distributions of nutrient loads clearly indicate the critical time period (from late dry season to early wet season) and pollution source areas within the basin (middle and downstream agricultural lands), which resource managers can use to accomplish substantial reduction of NPS pollutant loadings. Overall, this study helps our understanding of the relationship between human activities and pollutant loads and further contributes to decision support for local watershed managers to protect water quality in this region. In particular, the methods presented such as integrating WQI with watershed modeling and identifying the critical time period and pollutions source areas can be valuable for other researchers worldwide.     

城市化对流域生态水文过程的影响研究综述

了解流域水文过程(水量和水质)是流域综合管理的基础。城市化引起的生态环境问题已成为目前和未来一段相当长的时期内人类社会面临的重大问题。然而,城市化(土地利用/覆被变化、新污染物产生)、水文(降水、入渗、蒸散、径流过程)和生态系统服务(产水服务、调节气候、土壤保持、初级生产力、维持生物多样性等)在不同时空尺度之间的相互作用还存在知识空白。从城市化对流域生态系统结构和功能的影响、城市化对地表能量平衡与水量平衡的影响、城市化对水质和水生生物的影响、以及城市土地利用/覆被变化的大气环境效应等多方面系统总结了城市化影响流域生态水文过程的研究进展。研究发现,城市"热岛"、"干岛"、暴雨径流引起的城市内涝、水污染等环境现象都与生态水文过程密切相关。强调现代城市规划需要遵循生态水文学规律,从全流域生态系统角度认识近年来新出现的不同尺度的城市环境效应。城市最佳管理措施应以流域为单元实施,以调节土地利用/覆被、保护湿地(包括自然与人工湿地)为手段,充分发挥自然生态系统调节功能(如植被蒸散和净化水质)。未来城市生态水文学应围绕"低影响开发"以及"基于自然的解决方案"等城市流域管理措施,在稳定城市小气候、缓解洪涝干旱等极端水文气象灾害风险以及减轻城市水污染等方面开展多尺度综合研究。     

昆明市明通河流域降雨径流水量水质SWMM模型模拟

选取昆明市明通河流域为研究区域,在暴雨管理模型(SWMM模型)参数敏感性分析、模型率定的基础上,对明通河流域进行了降雨径流水量水质模拟。结果表明:SWMM模型水文水力模块中最灵敏参数为不透水率,水质模块中污染物最大累积量、污染物累积速率均为灵敏参数,而冲刷系数和冲刷指数的灵敏度受降雨强度影响波动较大。水量水质模拟结果与实测结果较为吻合,模型率定取得了满意的结果。模拟结果显示,研究区降雨径流总氮、总磷、化学需氧量单位面积负荷率分别为75.6、8.5、697.8 kg hm-2a-1,城市降雨径流污染在滇池流域面源污染中占有较大份额。     

N Retention in Urbanizing Headwater Catchments

Urbanization can potentially alter watershed nitrogen (N) retention via combined changes in N loading, water runoff, and N processing potential. We examined N export and retention for two headwater catchments (∼4 km²) of contrasting land use (16% vs. 79% urban) in the Plum Island Ecosystem (PIE-LTER) watershed, MA. The study period included a dry year (2001–2002 water year) and a wet year (2002–2003 water year). We generalized results by comparing dissolved inorganic nitrogen (DIN) concentrations from 16 additional headwater catchments (0.6–4.2 km²) across a range of urbanization (6–90%). Water runoff was 25–40% higher in the urban compared to the forested catchment, corresponding with an increased proportion of impervious surfaces (25% vs. 8%). Estimated N loading was 45% higher and N flux 6.5 times higher in the urban than in the forested catchment. N retention (1 − measured stream export / estimated loading) was 65–85% in the urban site and 93–97% in the forested site, with lower retention rates during the wetter year. The mechanisms by which N retention stays relatively high in urban systems are poorly known. We show that N retention is related to the amount of impervious surface in a catchment because of associated changes in N loading (maximized at moderate levels of imperviousness), runoff (which continues to increase with imperviousness), and biological processes that retain N. Continued declines in N retention due to urbanization have important negative implications for downstream aquatic systems including the coastal zone.     

基于暴雨径流管理模型的海绵城市景观格局优化模拟

随着我国城镇化进程加快,城市不透水面积急剧增加,城市内涝问题日益严重.为此我国基于低影响开发理念提出了海绵城市概念.本研究以辽宁省沈抚新城中心城区作为研究区域,利用暴雨强度公式构建不同重现期的降雨过程,基于海绵城市理念对研究区进行景观格局优化,并运用暴雨径流管理模型模拟预规划方案和景观格局优化方案两种情景下的地表径流和雨水调控能力的差异,分析景观格局优化方案对城市地表径流和雨水调控能力的影响.结果表明: 随着降雨重现期的增大,研究区内径流总量和径流系数呈上升趋势;在相同降雨重现期下,景观格局优化方案的径流系数明显降低,径流总量的削减量逐渐增加,1年一遇、3年一遇、5年一遇和50年一遇重现期下的削减量分别为2.94、3.58、3.72、4.19 mm;相对应的削减率逐渐降低,分别为23.9%、16.4%、14.3%、9.3%;优化后的方案可满足降雨重现期p=1时设计降雨量20.8 mm、p=3时雨水管网不超载且p=50时河道不溢流的要求.     

基于HEC-HMS模型的八一水库流域洪水重现期研究

不透水率是不透水层面积与总用地面积的比值,它是研究城市水文的一个重要指标.以福州市晋安区八一水库流域为例,应用WMS 7.1软件构建流域结构,将流域分为A,B两个子流域,基于相关数据建立HEC-HMS水文模型对降雨-径流进行模拟,从而构建起不透水率与洪水重现期的关系.结果表明:(1)随着城市化的进程,19a间全流域不透水率持续增长,变化区间在5％-10％之内;(2)子流域A重现期为100、50、25年一遇的洪水随着不透水率的增长,分别提前了20、8、3a;(3)子流域B的重现期为100、50、25年一遇的洪水随着不透水率的增长,分别提前了25、10、4a.