重庆大学博士学位论文
该模型可模拟DO、BOD、温度、叶绿素a等15个水质组分。QUAL2K在QUAL2E的基础上增加了CBOD、缺氧、沉淀物-水界面及软件环境等9个元素[66] [67]。
d. delft 3D
Delft3D 是由荷兰 Delft 大学 WL Delft Hydraulics 开发的一套功能强大的软件包，主要应用于自由地表水环境。该软件具有灵活的框架，能够模拟二维和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移及床底地貌，以及各个过程之间的相互作用。它是目前国际上最为先进的水动力-水质模型之一。Delft3D 系统在国际上应用的十分广泛，如荷兰、波兰、德国、澳大利亚、美国等，尤其是美国己经有很长的应用历史。中国香港地区从 70 年代中期开始使用 Delft3D 系统，己经成为香港环境署的标准产品。Delft3D 从 80 年代中期开始在中国大陆也有越来越多的应用，如长江口、杭州湾、渤海湾、太湖、滇池。
Delft3D由七个模块组成，这些模块功能独立且相互联系。包括：水动力模 块(Delft3D-FLOW)、波浪模块(Delft3D-WAVE)、水质模块(Delft3D-WAQ)、颗粒 跟踪模块(Delft3D-PART)、生态模块(Delft3D-ECO)、泥沙输移模块(Delft3D-SED) 和动力地貌模块(Delft3D-MOR)。
e. CE-QUAL 系列
CE-QUAL 系列水质模型有CE-QUAL-R1、CE-QUAL-W2、CE-QUAL-ICM。美国陆军工程兵团水道实验室于1982年提出了适合湖泊水库的垂向一维水质模型CE-QUAL-R1，模型可以在模拟水温的基础上模拟水体中27种物质的传输，被广泛运用于各类水库的水质模拟。
CE-QUAL-W2最早的模型是由Edinger和Buchak在1975年提出LRAM(Laterally Averaged Reservoir Model)。1986年,由美国陆军工程师水道实验站(韦斯)增加水质算法并形成CE-QUAL-W2模型。CE-QUAL-W2模型是一种二维、横向平均、有限差分水动力和水质模型。模型假定横向均匀性,使它更合适于狭长型水体。具有功能齐全,运行稳定,计算快速的优点。在水动力方面,模型更多模拟研究区的水位、流速等变化。在水质方面,模型可模拟水温、总溶解固体量、大肠杆菌、无机悬浮沉积物、溶解有机物、生物需氧量、藻类(叶绿素a)、隣酸盐(P043_)、氨-硝酸、亚硝酸盐(N)、溶解氧(DO)、铁、碱性、pH值等水质组分。
CE－QUAL－ICM由美国陆军工程兵团水体试验基地的Carl F.Cerco和ThomasCole等人开发，ICM代表集成网格模型，该模型的建立最初是为了应用于美国弗吉尼亚的切萨皮克湾（Chesapeake Bay），它能模拟一维、二维、三维水体结构，它能够模拟大量的水质变量，如：不同种类藻、不同形态碳、不同形态氮、不同形态磷、不同形态硅、化学需氧量、溶解氧、盐度、温度、金属等，对于这些状态变量可以根据自己的需求进行开关设置。但它本身没有水动力模块，所以
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必须从别的模型中获得流量、扩散系数和蓄水量等信息。
f. MIKE系列
MIKE系列有MIKE11、MIKE21、MIKE21、MIKEBASIN、MIKESHE。MIKE 模型是由丹麦水动力研究所( DHI) 开发的, 最早的MIKE1 1是一维动态模型, 它能用于模拟河网、河口、滩涂等多种地区的情况。研究的变量包括水温、细菌、氮、磷、DO、BOD、藻类、水生动物、岩屑、底泥、金属以及用户自定义物质。它研究的水质变化过程很多, 被广泛应用于世界许多地区,如我国在研究长江中部地区的洪水预报中就用到了MIKE1 1模型[68]。
在MIKE1 1 的基础上, DHI 又开发了二维MIKE21, MIKE21 经过了超过25 年的连续开发和改进，结合了世界上众多用户的使用经验。MIKE21可模拟具有自由表面的二维流动系统,包括对流弥散、水质、重金属、富营养化、泥沙输移、原油泄漏、短期波浪运动模块;主要解决包括潮汐交换及水流、风暴涌浪、热与盐的再循环、水质、港口波浪扰动、水面波动、防波堤布置及船只运动及沉积腐蚀、传输及沉积等与水力学相关的现象[69]。
MIKE31可模拟具有自由表面的三维流动系统,包括对流弥散、水质、重金 属、富营养化和沉积作用过程模块;主要解决包括潮汐交换及水流、分层流、海 洋流循环、热与盐的再循环、富营养化、重金属、粘性沉积物的腐蚀、传输和沉 降、预报、海洋冰山模拟等与水力学相关的现象。
1.4 城市暴雨径流调控技术研究
随着城市化规模的不断扩张，由此引发的城市水环境危机越发紧迫，寻求新的城市暴雨径流管理方式势在必行。在此背景下，一系列新的城市暴雨径流管理理念脱颖而出，如美国的低影响开发（LID，Low Impact Development）、美国的最佳管理措施（BMPs，Best Management Practices）、英国的可持续排水系统（SUDS，Sustainable Urban Drainage Systems）、澳大利亚的城市水敏感性设计（WSUD，Water Sensitive Urban Design）等。在国内，现阶段的城市雨洪管理还沿用传统思想，这与快速发展的城市化进程不相适应，基于论文研究需要，阐述了LID的研究情况如下。
1.4.1 LID基本概念
1999年，低影响开发首次在美国马兰里州提出，并作为缓和不断增加的城市化和不透水下垫面负面影响的主要手段。与传统暴雨管理设计不同的是，LID提倡在规划阶段进行更仔细的原位思考与设计，原位设计的目的是尽量保持该点的水文状态处于未被干扰的状态，如果确实对水文规律的原始状态产生干扰，则尽量降低对该地土壤、植被和水生系统的影响，传统的暴雨管理方式仅限于消减洪峰
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率，而LID还要使径流量维持在开发之前的水平[70]。
LID是一种全新的暴雨管理方法，其基本原则是通过分散式、小型化的控制措施源头管理降雨产流以仿效自然状态下的水文情况。LID的目标是使用设计技术（如渗透、过滤、存储、蒸发以及持留径流等）模仿开发点开发前的水文状况。LID是一种通用的方法，可用于新城开发，也可用于旧城改造或者重新建设[71]。
1.4.2 LID应用研究
土地利用方式的改变是引发城市面源污染的根本原因，土地利用活动可以影响污染物的迁移转化速率以及流域水文循环规律，进而影响到暴雨径流和受纳水体水质[72]。据研究，不透水下垫面面积的增加加剧了流域河流的污染程度，且不透水下垫面面积比例与污染物浓度均值显著相关[73]。当流域不透水面积超过10%时，水生生态环境健康度将趋于衰退；若达到30%，流域水体质量将严重受损[74]。Tong and Chen(2002)分析了俄亥俄州土地利用和受纳水体水量水质的相互关系，结果表明，土地利用和受纳水体水质显著相关，尤其是氮、磷和大肠菌三项指标[75]。因此，如何通过LID的具体应用降低土地利用属性改变对暴雨正常产流的影响意义重大。
Dietz and Clausen(2008)研究了传统开发模式和低影响开发（LID）模式下区域的径流特点[76]，得出了总不透水下垫面面积和暴雨径流污染输出的关系，如图1.1所示。由图1.1可知，在以传统方式开发的区域，暴雨径流和氮磷输出量呈对数增长；相反，以低影响开发模式发展的区域，与开发前相比，暴雨径流和污染物输出量没有明显变化，与森林流域的营养盐输出量相同。研究结果表明，低影响开发技术在流域尺度上的应用可大大降低城市化对当地水体的影响。
图1.1 不透水面积比例和径流系数相关关系[9] Fig.1.1 Total impervious area vs. runoff coefficient
Jia etal.(2012)以北京奥运村为例，用BMPDSS和SWMM模型分析了最佳管
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理措施（BMPs）的应用效果，结果表明，优化后的BMPs规划可以消减27%的暴雨径流量和21%的峰值流量，应用给出的最佳管理措施优化配置模式，BMPs的规模可以进一步减少且仍能满足最小成本实现最大价值的目的[77]。Brander et al.(2004)模拟了四种有/没有促渗措施的开发类型的径流效应，模拟结果表明，由于大部分土地处于自然状态，城市组团发展产生径流量最小。对于小强度降雨，促渗措施消减径流最有效；若不透水下垫面做促渗处理，将有效消减径流[78]。最佳管理措施的应用应当与建设规划相结合，可能的话，可以落实到具体景观设施的设计。
1.5 课题的提出、研究目的及内容
1.5.1 课题的提出
随着城市化进程的快速发展，流域用地属性被迅速改变，由此引发的城市暴雨径流污染日益成为受纳水体污染的重要威胁。山地城市地形复杂，暴雨径流流速快，冲刷强，历时短，对受纳水体的水质影响更加明显和直接。在这种情况下，如何模拟预测、协调控制山地城市暴雨径流的水量水质显得至关重要；同时，山地城市暴雨径流污染与受纳水体水质变化之间可能蕴含有某种潜在响应关系，分析山地城市暴雨径流汇入水体后的迁移转变规律，深入挖掘山地城市暴雨径流污染与受纳水体水质的耦合关系，对于山地城市暴雨径流的污染防治同样具有重要意义。重庆位于三峡库区水环境敏感区域，其入库城市暴雨径流将对库区水质保障产生严重负面影响，在重庆地区开展城市暴雨径流污染对受纳水体影响的研究更加紧迫。
鉴于此，本课题在国家水体污染控制与治理科技重大专项( 2008ZX07315-001）的支持下，以及课题组前期工作的基础上，将引入SWMM模拟山城重庆暴雨径流水质水量，系统凝练适应山城重庆特点的SWMM关键参数的优化赋值；提出山城重庆暴雨径流有效调控的技术体系，并对其调控效能着手量化评估和工程印证；同时，论文将深入探索山城重庆暴雨径流与受纳水体水质变化之间的潜在关系，为山地城市暴雨径流污染防治提供理论依据。
1.5.2 课题的研究目的及研究内容
① 研究目的
1）以山城重庆为例，分析山地城市降雨径流的产汇流和产污特性，构建山地城市暴雨径流模型，识别模型山城化的关键影响参数，提出关键参数的优化取值，指出山地城市与平原城市暴雨径流产汇流及其水质的关键性差异；
2）围绕山地城市降雨径流水质特性和受纳水体的水质特点，模拟预测山地城市暴雨径流的河内迁移过程，阐释山地城市暴雨径流对受纳水体水质的影响及影响程度，挖掘降雨径流与城市水体水质之间的响应关系，为城市水体水质预测、
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水质保障控提供依据；
② 研究内容
1) 山地城市暴雨径流产汇流特征及径流消减效能评估
以沙坪坝区虎溪河流域为研究载体，建立SWMM模型，通过多场次降雨径流的系统观测，校正SWMM模型，提出SWMM的关键参数取值；通过改变各子流域用地构成，研究不同降雨重现期条件下，采用低影响开发（LID）和最佳管理措施（BMPs）对现状用地布局背景下流域暴雨产汇流的影响，对低影响开发和最佳管理措施系统布局的径流调控效能进行合理评估。
2) 山地城市暴雨径流水质特性及水质调控
通过对山地城市不同下垫面的多场次降雨径流监测，提出山地城市暴雨径流水质的时空分布特征；借助场次降雨径流监测的水质变化历程，校正SWMM水质模块的参数取值，同时，通过改变各子流域用地结构，评估生态化措施对暴雨径流水质的调控效果。
3）山地城市暴雨径流污染对受纳水体水质的影响研究
采用基于GIS的河流水力/水质耦合数学模型，以长江重庆涪陵城区段作为计算案例，计算模拟了现有污染负荷、不同城市面源污染负荷削减率、城市污水厂提标改造三种情景下长江涪陵城区段的二维污染带分布情况，查明山地城市暴雨径流对重庆涪陵段长江水体的水质影响程度。
4）山地城市暴雨径流污染背景下受纳水体水质保障措施
围绕山地城市受纳水体面源污染特征，阐释水质保障措施整体布局的方式和原则，从“源-迁移过程-汇”三个环节系统阐述山地城市受纳水体水质保障技术体系，进而为水体水质保障提供技术性依据。
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