城市集水区降雨径流污染特征及调控模拟研究

【摘要】：伴随城市化的快速发展,原来大面积透水性地表逐渐被建筑物、沥青等不透水材料覆盖,使得城市水文循环发生改变,导致城市内涝频繁发生、水体水环境生态恶化加剧。城市降雨径流管理新概念—低影响开发(Low Impact Development,LID),通过采用入渗、过滤和滞蓄等多种源头控制管理措施,实现了对降雨形成的径流量及污染物的削减。采用LID措施对城市降雨径流及其污染进行有效管理与控制,需对城市降雨径流污染现状与污染特征,以及LID措施对其调控效果与影响因素进行大量基础研究,尤其是降雨特征对LID措施径流污染调控效果的影响。暴雨雨洪管理模型(Storm Water Management Model,SWMM)是公认的最适合于城市降雨径流及其污染模拟研究的重要工具。本研究以南昌大学前湖校区为例,选取3种典型下垫面(路面、停车场和屋面),对南昌城市集水区降雨径流污染现状与污染特征进行分析与探讨,构建并利用SWMM模型进行LID措施(以雨水花园、绿色屋顶和透水铺装为例)对降雨径流及其污染负荷的调控效果进行探讨。选择径流峰值流量、总流量、峰值出现时间以及总悬浮颗粒物(TSS)、化学需氧量(CODcr)、总氮(TN)与总磷(TP)等污染负荷,分别作为降雨径流及其污染负荷的SWMM模型输出变量,并以雨水花园为例分析降雨特征(重现期和雨型)对LID措施调控效果的影响,以期为LID措施的广泛推广与应用、相关导则与规范的编制提供基础数据参考。本研究得出的结论如下:(1)南昌城市集水区降雨径流污染的随机性较强,污染较为严重且存在不同程度的初期冲刷效应。集水区降雨径流中TSS的浓度超出《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)二级排放标准的1.08~2.95倍,CODcr和TN的浓度分别超出《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅴ类水标准的1.08~1.76倍和1.33~1.66倍;降雨径流污染随机性较强,污染物的浓度与降雨事件平均浓度(EMC)变异性均较大,除pH外其他径流污染物的浓度与EMC变异系数分别在65.3%~133.3%和20.0%~150.0%之间,污染物浓度的分布均属左偏态,数值集中于较小数值区域。降雨径流污染存在不同程度的初期冲刷效应,冲刷强度与降雨事件和污染物种类有关,在降雨初期污染物浓度偏高,且具有一定波动性,持续一定时间后,污染物浓度下降至较低的稳定水平。(2)LID措施(雨水花园、绿色屋顶和透水铺装)对城市降雨径流及其污染具有较好的调控效果。雨水花园、绿色屋顶和透水铺装等LID措施对降雨径流峰值流量和总流量的削减率分别为50.56%~61.42%和59.78%~63.95%,延迟峰值出现时间5~8 min;对降雨径流中TSS、COD、TN和TP污染负荷的削减率分别为49.08%~63.84%、47.48%~66.34%、35.53%~70.67%和31.43%~72.86%。(3)降雨重现期对雨水花园调控降雨径流及其污染的效果影响显著。降雨径流的峰值流量、总流量及污染负荷与降雨重现期呈正相关,雨水花园对降雨径流及其污染的调控效果与降雨重现期呈负相关。在相同降雨重现期条件下,雨水花园对降雨径流中TSS的污染负荷削减率最大,径流污染物负荷的削减率依次为TSSCODTNTP。(4)雨型对雨水花园调控降雨径流及其污染的效果影响较小。降雨径流的总流量和污染负荷随雨型峰值系数变化差异较小,径流峰值流量出现时间随峰值系数变大而推迟,峰值流量的变化与雨水花园是否设置有关。雨水花园对降雨径流峰值流量和污染负荷的削减率,随雨型峰值系数增大而减小;雨水花园对降雨径流总流量的削减率和峰值流量出现时间的延迟效果,在不同雨型条件下差异均较小。