一篇翻译的面源污染的文献Word格式.docx
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武汉市汉阳地区位于武汉市西南部,长江、汉江交汇处的三角地带。
为武汉三镇一方。
以汉阳区汉阳大道和鹦鹉大道为轴的建成区,两面临江(东北临汉江,东南临长江),是汉阳地区人口密度最高的地区,人口密度为1.6万人/km2。
汉阳区域内水资源较为丰富,分布着大大小小的湖泊数十个。
根据近年来湖泊水质监测结果分析,汉阳城区几个重点湖泊水质极差,按国家地表水环境质量标准评价,基本均为劣V类。
这些湖水污染来源除受工业污染废水、城市生活污水共同影响外,来源于暴雨冲刷地表固体污染物所产生的污染也不容忽视。
特别是在暴雨初期,由于降雨径流将地表的、沉积在下水管网的污染物,在短时间内,突发性冲刷汇入受纳水体,而引起水体污染。
据观测,在暴雨初期(降雨前20分钟)污染物浓度一般都超过平时污水浓度,如2003年6月,对汉阳地区城市雨水排水出口处一次大暴雨监测,其监测结果比平时排放口流出的污水浓度要高得多,如SS(悬浮物)浓度值就高于平时污水浓度的10倍左右,COD高3~4倍,而且暴雨期入湖水量远远的大于平时排放口的水量。
因此,城市面源也是引起水体污染的主要污染源。
对于城市面源污染具有突发性、高流量和重污染等特点,主要是因为城市的硬质下垫面占大多数,径流系数较大,因而形成径流的时间短,地下入渗量小,对污染物的冲刷强烈。
另外,由于城市的市政建设和管理不到位,城市排水管网以雨污合流制居多,生活垃圾及废弃物任意丢弃,由人为因素引起的面源污染占总污染量的60%以上。
使得这些污染物除了受地形影响在雨水的作用下流向低洼地外,大部分汇入了城市地下排水系统,然后流入湖泊、河流中污染其水体。
根据实地调查和遥感卫星资料分析,武汉市汉阳城区,主要以工矿企业、城市居民区、机关单位的建筑物群、城市道路(包括停车场、广场等)不透水硬质下垫面为主,硬质下垫面占城区面积80%左右,其他为沿湖荒地、菜地、小区公园、道旁绿地等一些透水地面即软质下垫面组成的区域。
下垫面的类型直接决定了面源污染的性质和特征。
经过调查分析,汉阳城市面源有如下一些特征:
(1)城市的硬质下垫面占大多数,径流系数较大,形成径流的时间短,地下入渗量小,对污染物的冲刷强烈。
径流形式以短时间的地表径流和较长时间的管内流为主。
(2)城市面源-雨水径流可粗分为屋面径流和路面径流。
屋面径流污染源主要为屋面沉积物及屋面材料析出物。
最关键的因素为屋面材料性质。
路面径流水质除了与路面材料、老化程度有关外,还取决于道路交通密度。
主要污染源为路面沉积物、行人和车辆的交通垃圾等。
屋面径流和路面径流两者所受的污染程度不同。
屋面径流基本不受人、车辆等流动因素的影响,因此水质略好于路面径流。
(3)面源负荷来源主要为:
屋面建筑材料、建筑工地、路面垃圾和城区雨水口的垃圾和污水、汽车产生的污染物、大气的干湿沉降等。
在这些污染物中产生负荷影响较大为雨水口的垃圾和污水。
雨水口的污染可分为三种:
人为扫入、丢入的各种生活垃圾(纸屑、烟头等道路及生活固体垃圾)、人为倾倒的污水和腐烂变质的沉积物等。
(4)地表径流大部分通过城市下水管网排入受纳水体中,其汇水区范围主要通过排水管网的走向确定。
(5)城市面源的主要污染物为:
有机物、SS、石油类和N、P等。
3汉阳地区面源污染模拟
3.1模拟方法
面源污染是造成水体水质污染的重要因素之一,要控制面源污染,除加强城市管理力度,减少人为因素影响外,根据面源污染源特征,研究城市面源污染物的产生、运移与输出过程,开发出适合汉阳地区的城市面源污染负荷与预测模型。
也是为更有效辩识影响面源污染的各种关键性因素,分析城市发展与城市面源污染的关系,有针对性采取一系列技术和措施,削减径流量,降低污染物输出浓度,达到控制面源污染有效途径。
由于面源污染是由降雨径流产生,其污染具有发生随机、来源和排放点不固定、污染负荷的时空变化大、污染途径的随机性和多样性、监测、控制和处理难度大等复杂特点。
因此,对其面源污染的预测和模拟存在着很大的难度。
国际上对面源污染的产生规律和模型模拟也进行了大量研究。
基于城市面源污染物的产生主要源于降雨径流冲刷地表累积物,以及径流挟带污染物在排水系统内的运移,在此基础上开发出大量城市面源污染模型。
其中,比较成功的模型有:
城市暴雨水管理模型(SWMM)和城市暴雨径流模型(STORM),化学物质径流负荷与流失模型(CREAMS)。
另外,在此之后开发的MIKE-SWMM模型,将一维非恒定流模型与暴雨径流的分布式模型结合,模拟暴雨水和废水排放系统中管道有压流、排水渠和地表漫流等。
目前,模型的发展重点是将地理信息系统GIS与原有的面源污染模型相结合,评价面源污染的发生区域,污染物的运移变化、控制措施的影响以及受纳水体的响应等。
如土壤水体评价模型(SWAT,SoilandWaterAssessmentTool),已经在美国18条主要河流系统得到了广泛应用。
本文结合汉阳地区城市面源污染的特性,将城市地表径流产、汇流联系在一起,基于单元网格产流产污、汇流模型,以及排水管网的水动力学模型和污染迁移模型,建立了分布式城市面源污染模型,模拟暴雨径流过程中城市面源污染特征及其变化规律。
3.2建立城市面源径流模型
根据城市区域特点,其降雨径流产生呈三种形式,地表径流、屋面径流和排水管网径流,排水管网径流将滞后前两种形式,而这三种模拟方法也是不同的。
(1)地表径流模型
根据研究区域特点,将不同的地表类型归纳为三种类型的单元,即不透水有滞蓄A1、不透水无滞蓄A3和透水有滞蓄单元A2。
并根据地表子单元的特征为具有相同的坡度,其水文参数如曼宁值,洼地蓄水,下渗为常量。
通过联合曼宁方程的连续性方程建立非线性滞蓄方程。
对一个子单元,连续性方程为:
(1)
其中,V=A·
d—单元中的水量,m3;
d—水深,m;
t—时间,s;
A—单元表面积,m2;
i*—净雨=雨强–蒸发–下渗,m/s;
Q—出流,m3/s。
出流用曼宁公式表示:
(2)
其中,W—子集水区宽度,m;
n—糙率;
dp—滞蓄水深,m;
S—子集水区坡度。
将
(1)式和
(2)式联立得出一个非线性微分方程,即非线性滞蓄方程:
(3)
其中,
(4)
方程(3)的求解是在时间步长内通过简单的有限区间的方法。
将方程(3)可近似表示为:
(5)
其中,△t=时间步长,s.
然后方程(5)的求解可用Newton-Raphson迭代方法,得出h2。
然后则可计算时间t+△t的瞬时出流流量Q。
Q也是排水系统的入口流量。
(2)屋顶产流模型
屋顶的特征为不可透水,屋顶净雨量为雨强I、屋顶面积S以及时间步长△t三者的积。
当下泄水量小于排水管最大设计能力时,产流量为净雨量除以时间步长,即:
(6)
(7)
其中,Q0=净雨量,m3;
Q=屋顶产流量,m3/s;
I=雨强,m/s;
S=屋顶面积,m2;
△t=时间步长,s。
假定屋顶排水管的最大设计流量为Qs,则有如下关系:
,
(8)
,
(9)
其中,Qd=下泄流量,m3/s;
Qs=屋顶排水管的最大设计流量,m3/s,根据建筑设计规范,依据当地气象特征确定。
下泄速度根据管道水力学方法计算:
(10)
其中,H=建筑物屋顶高度,m;
=动量系数(0.5~1)
=管长,m;
d=管道的水力半径,m。
因此,下泄流量为:
(11)
(12)
滞后时间:
(13)
其中,n=建筑物屋顶排水管的数目,Ri=建筑物屋顶排水管i的半径,m。
(3)排水系统水力学模型
排水系统(管网)概化为由一些节点(检查井,管道连接点等)连起来的连杆(管道)。
采用动力波方程计算管道流量和节点水位,基本方程如下:
非恒定流方程
无侧流汇入的非恒定流方程,即连续性方程。
(14)
其中Q为管道的流量,x为距离(沿管道水流方向的长度),A为过水面积,t为时间。
以流量和水位为独立变量的动量方程写为:
(15)
其中g为重力加速度,H为水位,Sf为摩阻坡降,由曼宁公式求摩阻坡降Sf:
(16)
其中n为曼宁糙率,R为水力半径。
管道节点的连续性方程可写为:
(17)
其中As为节点的水面积。
(4)排水管网污染物迁移水质模型
(18)
其中:
C为溶质浓度;
H为x方向的水位;
U为x方向的流速;
Dx为x方向的扩散系数。
Cs和Cd是污染物输移的源漏项。
4计算实例
城市面污染源主要是由降雨径流的淋浴和冲刷作用产生的,城市降雨径流主要以合流制形式,通过排水管网排放,径流污染初期作用十分明显。
本研究实例选定研究区域内一场典型暴雨进行分析计算,暴雨过程线见图1。
利用城市面源污染模型对其汇水区暴雨径流过程与污染指标进行模拟,模拟结果分别见图2、图3和图4。
由结果图可以看出:
对于特定区域内的单场降雨径流过程,其汇水出口处水量和水质都随时间有明显的变化特征。
因为集水区的透水性较差,径流系数较大,降雨形成径流过程就短,初期径流量急剧增加,在很短时间内即可达到峰值。
污染物SS和CODCr变化过程呈现大体相同的变化趋势,其峰值都超前于径流而先达到。
水量和水质的计算值和实测值基本吻合,水质计算误差相对于水量计算误差大,但其计算精度都可以满足工程示范研究的需要。
5结语
城市面源污染是引起受纳水体污染的重要因素之一。
面源污染具有发生随机、来源和排放点不固定、污染负荷的时间和空间变化幅度大、监测、控制和处理困难而且复杂等特点,其形成过程是一个非常复杂的过程。
本文建立的城市面源污染预测模型,通过检验证明该模型的精度较高,可以满足实际工程的要求。
同时,也可用于城市雨水、面源污染控制与治理研究,为城市水环境规划、评价和管理提供决策依据。
图1暴雨过程线图
图3SS浓度实测值与模拟值比较
图2流量实测值与模拟值比较图
图4CODCr浓度实测值与模拟值比较图
参考文献
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PropertiesofUrbanDiffusingPollutionandStudiesonPollutionLoadPredictionModel
YeMin,YangGuosheng,XiaoCai
ChangjiangWaterResourcesProtectionInstitute,Wuhan,China
AbstractThroughanalysisonthesourcesandpropertiesofurbandiffusingpollutioninHanyangDistrict,Wuhan,amodelisestablishedforpredictionofurbandiffusingpollutionbasedontheurbanlanduseandtheunderlyingcushiontypestostudyanddiscusstheurbanrainfallrunoffandpollutionloadpredictionmodelandthemovingrules.ThemodelhasbeensuccessfullyappliedtothestudiesontheurbandiffusingpollutioncontroltechnologiesinHanyangDistrict,Wuhanandsatisfactoryresultshavebeenachieved.Themodelcanprovidescientificmethodsforurbanwaterenvironmentplanning,diffusingpollutioncontrolandmanagementstudies.
Keywordsurbandiffusingpollution,pollutionproperties,predictionmodel
1Introduction
WithspeedingupoftheprocessofurbanizationdevelopmentinChina,theproportionofpermeablelandareabecomeslessandless.Theparoxysmalandimpulsiveurbandiffusingpollutioncausedbyrainstormrunoffhasbecomeoneofthemajorsourcesofwaterenvironmentpollutionofreceivingwaterbodies.Thereisalargeamountofpollutantintheurbanrainstormrunoff,allowingthepollutionloadfrominitialrunofffarhigherthantheurbandomesticsewage.Therefore,thediffusingwaterenvironmentpollutionhasbecomeoneofthemajorissuestobeaddressedinthecurrenturbanwaterenvironmentregulation.
Inrecenttenyears,theurbandiffusingpollutionhasbeenexacerbatedinHanyangDistrict,Wuhan.Alargeamountofpollutantwasdischargedintothewaterbodiesandthewaterqualitywassharplydegraded.Thewaterenvironmentissuecausedbyurbandiffusingpollutionandotherpollutionshasbeenseverelyrestrainedtheurbansustainability.Throughanalysisonthetypes,sourcesandpollutantsoftheurbandiffusingpollutioninHanyangDistrict,Wuhan,amodelisestablishedforpredictionofurbandiffusingpollutionbasedontheurbanlanduseandtheunderlyingcushiontypestostudyanddiscusstheurbanrainfallrunoffandpollutionloadpredictionmodelandthemovingrulestoprovidestrongscientificmethodsforeffectivecontrolofurbandiffusingpollution.
2SourcesandpropertiesofurbandiffusingpollutioninHanyangDistrict
TheHanyangDistrict,oneofthe3townsofWuhan,islocatedinthesouthwestofWuhanCity,atriangularzoneattheconfluenceoftheYangtzeandHanjiangrivers.TheareastakingHanyangAvenueandYingwuAvenueastheaxes,whicharefacingtheriveronbothsides(HanjiangRiveratthenortheastandYangtzeRiveratthesouthest),arethemostdenselypopulatedinHanyangDistrict.Thepopulationdensityis16,000perkm2.
TheHanyangDistrictisrichinwaterresources,distributedwithdozensoflakes,bigandsmall.Analyzedbasedonthewaterqualitymonitoringresultsoflakesinrecentyears,thewaterqualityintheimportantlakesisextremelypoorintheDistrict,basicallyclassifiedasClassVaccordingtotheNationalEnvironmentalQualityStandardsforSurfaceWater.Inadditiontothejointinfluenceofindustrialandurbandomesticdischarge,thesourcesofpollutiontotheselakesfromscouringbyrainstormtosurfacesolidpollutantsmaynotbeneglected.Particularlyintheinitialstageofrainstorm,thewaterbodiesarequicklypollutedinashortperiodoftimebecausetherainfallrunoffscoursthepollutantsonthegroundsurfaceanddepositedintheseweragenetworkintothereceivingwaterbodies.Asobserved,intheinitialstageofrainstorm(20minutesbeforethestorm),theconcentrationofpollutantsisgenerallymorethanthatofthesewageatordinarytimes.Forinstance,amonitoringattheoutletsofurbanrainfalldischargeatarainstorminHanyangDistrictinJune2003indicatedthattheconcentrationofsewageintheeffluentattheoutletswasmuchhigherthanthatatordinarytimes.Forexample,theconcentrationofSS(suspendedSolids)washigherby10timesorso,CODby3-4times.Further
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