1 绪 论
的污染负荷应用最多[44]。M（V）曲线法只给出了初期径流的控制比例，没有明确初期径流的具体体积，且辨识准则的未标准化导致了判断结果的多样化[45]。基于此，对于初期径流量的识别方法，有研究人员提出用秩和检验的方法识别，何强等也用最优分割模式进行了初期冲刷现象的识别尝试[44]，无疑为初期径流控制量的科学确定提供了理论参考。
2）科学选取/设计控制技术
城市暴雨径流的控制技术有生态化技术和非生态化技术两种。生态化技术主要包括雨水花园、生物滞留系统、浅草沟、绿色屋顶、河岸缓冲带等，非生态化技术有渗透路面、沉沙井、弃流池等。一般情况下，城市暴雨径流中的重金属、总磷、有机物等污染物主要以颗粒态存在，故TSS常被作为城市暴雨径流的首要控制指标[11]，城市暴雨径流控制技术对悬浮物或者以悬浮物为主要赋存形态的污染物有较高的去除能力[46] [47]，而对于氮磷等溶解性营养盐的控制效能则还需要进一步稳定和提高，尤其是对溶解性氮的调控效果[48]。对于城市暴雨径流控制措施的选取，可借鉴国外已有的研究成果，并通过研究实践改良国外设计标准，使得控制技术的构建能够适应国内的环境背景，真正达到城市暴雨径流水质净化的目的。
3）科学规划，合理布局控制措施
尽管国外对于城市暴雨径流控制技术的研究已有较长历史，但国内关于城市暴雨径流控制的技术研发还处于起步阶段，国外技术的中国化还有很长的路要走，国内技术还有一定程度的升级空间，同时，管理部门之间的沟通协调力度不足，使得很多城市绿地的预置功能单一，往往没有发挥其暴雨径流调控的作用。加强城市规划、园林管理、市政管理等城市管理部门之间的沟通与协调、将城市暴雨径流污染控制纳入城市化建设的整体规划之中，并根据城市暴雨径流污染随机性、分散性的特点，针对性布局小型化、分散式的暴雨径流管理措施，并对管理措施的调控效能进行预评估，进而构建城市暴雨径流控制的景观网络体系，是解决城市暴雨径流污染的可行途径[49]。
1.2 城市暴雨径流模型研究
城市暴雨径流污染时空差异大、随机性强、来源复杂，若对所有区域均通过实地监测获取城市暴雨径流水质水量信息工作量巨大，成本较高，可行性差，因此，通过模型模拟的方法探知未调查区域的城市暴雨径流污染信息成为城市面源污染管理的重大需求。
1.2.1 城市暴雨径流污染模型研究历程简介
城市暴雨径流污染模型的研究历经经验模型、机理模型、与 GIS 耦合应用 3
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重庆大学博士学位论文
个阶段[50] [51]。20世纪60-70年代，主要以经验模型研究为主，研究内容大多是通过统计分析、因果分析等手段寻求城市暴雨径流污染负荷与土地利用或径流量之间的潜在经验关系，是一个由表及里的探究过程，又称为“研究探索期”[52]。20世纪70-80年代，城市暴雨径流污染研究发展到污染物迁移转化的过程研究，相应模型的研究也获得了飞速推动，推出了一些有影响力的城市暴雨径流污染模型，如 STORM( Storage，Treatment，Overflow，Runoff Model)、SWMM（Storm Water Management Model）、HSPF（Hydrologic Simulation Program-fortran）、DR3M-QUAL（Distributed Routing Rainfall-runoff Model）等，这些模型已属于机制与经验相结合的模型，研究手段也由单纯的宏观数理统计阶层延伸到了微观过程探索层次，研发的相应模型在准确性、敏感性、实用性等方面都得到的较大提高，因此，这个阶段得出的模型也逐步得到了广泛应用。自20世纪90年代以来，在多学科融合、多技术交叉、信息化、模块化的发展背景下，城市暴雨径流模型也得到了更加迅猛的发展和升级，这个阶段的最显著进步是城市暴雨径流管理模型成功对接了遥感技术、GIS技术等先进的信息技术。借助这些新兴信息技术的平台支撑，城市暴雨径流管理模型功能更加强大，研究结果的可视化程度、人机交互界面的便捷性程度、模型功能覆盖的全面性程度等都有了本质飞跃，这些新兴技术手段极大充实了机制模型的研究条件和研究手段，促进了机制模型的更快发展。王龙等对常用的几个城市暴雨径流污染模型（表1.3）做了总结[51]。
表1.3 七个常用的城市暴雨径流污染模型[51] Tab.1.3 Seven popular urban runoff pollution models
项目 时间尺度
SWMM 场次、连续 幂函数、指数
污染物累
函数、饱和
积模型
浸润方程
城市、
空间尺度
城市 指数函数、关系
污染物冲
曲线、场次
刷模型
平均浓度
污染物相互作用和转化模拟
8
不可以
不可以
不可以
可以
不可以
可以
不可以
数
数
例
指数函
指数函
径流比
指数函数
溅蚀
积量的函数
雨滴
雨强和污染物累
城市
城市
流域
城市
管网 城市
城市
数
数
数
线性函
指数函
线性函
指数函数
函数
指数函数
线性
线性函数、
STORM 场次
SLAMM 场次
连续 HSPE 场次、
场次
连续
DR3M-QUAL MOUSE
场次、
场次、连续 HydroWorks
1 绪 论
项目 模型复杂
SWMM 较高
STORM 一般
SLAMM 一般
HSPE 较高
DR3M-QUAL MOUSE
一般
高
HydroWorks
高
性 污染负荷
可以
图输出 GIS耦合
松散
应用 模型不确
较大
定性 BMPs
可以
模拟评价
不可以
可以
可以
不可以
可以
可以
较小
较小
较大
较小
大
大
松散
松散
紧密
松散
松散
紧密
不可以
不可以
不可以
不可以
可以
可以
1.2.2 SWMM介绍及应用
① SWMM介绍
SWMM是20世纪70年代由美国水资源有限公司、麦特卡夫-埃迪有限公司、佛罗里达大学三个单位联合研发的城市暴雨径流水量水质预测和管理模型，目前，该模型已升级到SWMM 5.0版本，该版本由水文（hydrology）、水力（hydraulics）、水质（quality）3个模块共同组成[53]。SWMM5.0将用地类型分为四类：没有初期洼蓄的透水表面、有初期洼蓄的透水表面、没有初期洼蓄的不透水表面和有初期洼蓄的不透水表面。对于没有初期洼蓄的不透水地表，降雨减掉蒸发量后成为径流量。对于有初期洼蓄的不透水地表降雨减掉蒸发量和滞蓄量后是径流量。对于透水地面，先扣除填洼损失量和蒸发量后用渗透模型计算渗透损失量，常用的下渗模型有Green-Ampt、Horton、Curve Number models等。SWMM可通过模型概化将整个流域划分为多个子流域，每个子流域可划分为不同的下垫面类型，如屋面、绿地、道路、广场等，也可划分为不同的功能区域，如商业区、工业区、居民区、裸地等。根据不同的下垫面类型或功能区域，定义模型的初期洼蓄、曼宁系数、坡度、节点标高、子流域透水面积比例、子流域面积及长宽等水利参数，同时可以定义各个地表污染物的累积模型和冲刷模型。常用的污染物累积模型有指数函数累积模型、幂函数累积模型、饱和函数累积模型等；常用的冲刷模型有流量特性冲刷模型、指数冲刷模型、次降雨平均浓度模型等[54]。
② SWMM应用
SWMM的应用研究主要有SWMM参数敏感性识别、SWMM参数优化、SWMM与其他技术系统无缝对接、城市暴雨径流模拟预测、城市洪涝灾害预警、城市暴雨径流调控效能评估、SWMM参数率定方法等方面。
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重庆大学博士学位论文
李海燕等运用试验和SWMM模拟两种方法，比对提出了SWMM模型中的水质参数值，如累积速率常数、污染物最大累积量、冲刷系数、冲刷指数等。李海燕、陈晓燕等研究指出SWMM的主要敏感参数有非渗透面积比例、坡面漫流宽度、地表渗透能力、非渗透地表洼蓄贮存量、导管的长度和内径等[55] [56]。Barco et al(2008) 结合GIS（Geographic Information System）和SWMM模型在加利福利亚洲南部流域的研究了模型的参数敏感性，得出最敏感的参数是不透水面的洼蓄量和不透水率，最不敏感的参数是曼宁系数[57]。章程等进行了应用SWMM模拟岩溶峰丛洼地系统的降雨径流过程，结果发现，SWMM也可以用来模拟复杂地形条件下的降雨径流，且模拟时段内径流总量相对误差较小[58]。马晓宇等以温州典型住宅区面源污染为研究对象，基于SWMM分析了不同降雨条件下研究区域面源污染负荷及其累积变化过程，结果发现所搭建的SWMM模型可较好地与实测值吻合，污染物模拟的相对误差均小于10%[59]。刘俊等对上海市城区排水系统的水文水力学特性，以SWMM为基础开发了适合上海市区产流及排水特点和防汛要求的城市雨洪模型，研究结果表明，该模型可在实时和规划条件下动态模拟各排水片和街区的地面积水过程，并且能够满足市区水情分析、防汛预报、工程规划与管理等工作的要求[60]。王文亮等运用 SWMM 模型校核了传统管线设计，评价了LID（Low Impact Development）对场地径流的控制效果，研究结果表明，LID（Low Impact Development）雨水系统规划可以实现峰值流量及年径流外排率降低到开发前水平[61]。王磊和周玉文针对SWMM模型参数多、率定麻烦的问题，采用微粒群算法优化率定SWMM的主要参数，结果表明，该算法可以完成参数率定，并实现了多目标优化[62]。
1.3 城市水体水质保障模型研究
目前，由水土流失、农业化学品过量施用以及城市污水等引起的面源污染使得大量泥沙、氮磷营养物和有毒有害物质进入水体，破坏了水体的生态平衡，并带来了严重的水环境问题。已有研究表明，过量的污染负荷排放是造成水体营养化的重要原因。水体恶化和逐步的营养化不仅使得水生生物大量减少，破坏了生物的多样性，同时也大大降低了水体的自净能力，造成水质型缺水，本篇以三峡库区长江涪陵城区段为研究对象，运用水质模型研究不同情境下河段水质请况。
① 水质模型的研究
水质数学模型（简称水质模型）是水体中污染物随空间和时间迁移转化规律的描述，是一个用于描述物质在水环境中的混合、迁移过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间、空间的定量关系。污染物质在水体中的运动变化包括平流输移、分散作用输移、反应衰减、底泥与水体之间的相互作用、复氧等。综合描
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1 绪 论
述上述水质运动变化的最基本方程为对流扩散方程。
水质模型通常涉及到解基本方程的技术，而其结果的可靠性不会超过所使用的方程的可靠性。它的求解一般采用有限差分法或有限元法等数值计算方法。水质模型的正确建立依赖于对污染物在河流中迁移转化过程的认识以及定量表达这些过程的能力。
1）常用水质模型 a. WASP
WASP是由美国WASP全称The Water Quality Analysis Simulation Program,即水质分析模拟程序，是由美国环保局（EPA）负责开发的一个综合型水质模拟模型。可用于不同环境污染决策系统中分析和预测由于自然和人为污染造成的各种水质状况，可以模拟水动力学、河流一维不稳定流、湖泊和河口三维稳定流、常规污染物（包括溶解氧、生物耗氧量、营养物质以及海藻污染）和有毒污染物（包括有机化学物质、金属和沉积物）在水中的迁移和转化规律[63]。WASP包括两个独立的子程序：DYNHYD和WASP，这两个程序可以连用，也可以分开执行。DYNHYD是水力学计算程序，它给WASP传输所需的水力学参数。WASP提供两类水质模型子程序：（1）传统水质问题，由EUTRO子模块来完成，包括BOD、DO、P、N；（2）有毒污染物问题，由TOXI子模块来完成，包括有机化学物、金属、泥沙等。
WASP经过30余年的发展，至今已经升级到WASP7.5。国内对WASP的研究和应用始于20世纪90年代，在近十年来应用对象主要为湖库及江河，在其他方面运用较少，研究主要集中在预测工程实施效果、模型适用性及敏感度分析、湖库富营养化过程模拟、水环境容量计算和构建水环境管理决策支持系统等方面。
b. EFDC
EFDC全称Environmental Fluid Dynamics Code，最初是由弗吉尼亚吉尼亚海洋科学研究所开发的，是一个开放式的软件。此后，美国国家环保署（EPA)对EFDC模型进行了二次开发。近十年来EFDC模型在国内被广泛运用于各个大学、政府和环境咨询机构。关于EFDC的论文在近十年来呈逐年增长的趋势。EFDC主要被运用于江河、湖库、海域、河口的水力水质模拟中，且对湖库的模拟所占的比例最大[64] [65]
c. QUAL系列
20世纪70年代至今，美国环保局（USEPA）陆续推出QUAL系列水质模型，即 QUALⅠ（1970年）、QUALⅡ（1973年）、QUAL2E（1987年）、QUAL2K（2000年），该系列模型是主要针对河流的一维水质模型。在近十年的国内文献中，90%都是针对河流的。我国于上世纪90年代引进了QUAL2E，并后得到了广泛的运用，
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