城市面源污染及河道水质模型研究进展

城市面源污染及河道水质模型研究进展

张剑 1，商放泽 2#，侯志强 2，徐宏亮 2，余艳鸽 2，朱一松 3

1深圳市龙岗区水务局，广东 深圳 518172； 2.中电建生态环境集团有限公司 技术研发中心，广东 深圳 518102； 3.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072

摘要：中国城市面源污染在“十四五”期间将进入全面治理的阶段。本文综述了国内外面源污染及河道水质模型研究进展。城市面源污染模拟研究方面，国内外从20世纪70年代开始城市面源污染的研究，面源污染研究从监测发展到基于模型、“3S”等各类技术手段的研究。城市水文水动力水质耦合模型研究方面，分布式水文模型较为常见，而水文-水动力-水质耦合模型的研究成为全面解析和模拟流域水环境的关键方法之一，也是当前及今后研究关注的热点。

关键词：城市；面源污染；降雨径流；河道；模型；耦合

0引言¹

城市面源污染是指在降水的条件下, 雨水和径流冲刷城市地面, 使污染物进入受纳水体引起的环境问题^[1]。2015年国务院印发《水污染防治行动计划的通知》（国发〔2015〕17号），提出“除干旱地区外，城镇新区建设均实行雨污分流，有条件的地区要推进初期雨水收集、处理和资源化利用”；次年印发《“十三五”生态环境保护规划的通知》（国发〔2016〕65号），提出“控制初期雨水污染，排入自然水体的雨水须经过岸线净化，加快建设和改造沿岸截流干管，控制渗漏和合流制污水溢流污染。”2018年，中共中央国务院发布《关于全面加强生态环境保护 坚决打好污染防治攻坚战的意见》（2018年6月16日），意见指出“加强城市初期雨水收集处理设施建设，有效减少城市面源污染”。研究城市面源污染具有重要意义，本文综述了国内外面源污染模型研究的进展。

1城市降雨径流面源污染模拟研究进展

1.1国外研究进展

国外研究主要以美国为主，20世纪70年代初期，美国的点源污染问题已经得到全面解决，在此基础上开始了对城市面源污染的研究，研究工作涉及理论、方法、管理措施以及控制措施的应用等各个方面^[2]。长期的监测资料显示，城市下游水体中大约有84％以上的污染物均来自于城市面源污染^[3]。在美国，60%的水污染因面源而起，面源污染已成为水体污染的第一因素。国外对面源污染的早期研究是根据土地利用来展开的，不同的土地利用会对水质产生不同的影响，需要用污染负荷对这种影响进行定量的分析，因此前人利用数学统计方法对污染负荷和土地利用之间的关系进行研究，以处于雏形阶段的数学模型来模拟面源污染产生和扩散的过程。

20世纪70年代中后期，人们对城市面源污染有了进一步的了解，美国环境保护署在1977~1981年的科研计划中，正式提出了由降雨径流造成的面源污染控制研究课题^[4]。对于面源污染更加深入的研究也变为从模型开发入手，SWMM、STORM、UTM以及ANSWERS和HSP等就是在这期间被开发出来的，其中SWMM是最广为人知和广泛应用的适用于城市降雨径流面源污染模拟的模型，这些模型的诞生把城市降雨径流面源污染的研究推向了新的阶段。

20世纪80年代，美国农业部(USDA)研究所开发的CREAM模型在计算暴雨径流上面取得了新的进展，将SCS模型作为一个模块镶嵌在CREAM模型中，SCS模型对潜伏在土壤中污染物的物理和化学形态以及污染物的分布情况能够进行充分地模拟，为其它模型提供了很好的借鉴和参考。

到80年代末，学者们开始把GIS、GPS、RS技术应用于面源污染的研究，新模型建立在新技术的应用之上，极大提高了面源污染定量负荷计算的精确度。

到了90年代，3S技术在面源污染的研究中被进一步推广，计算机技术的不断更新使模型与多种多样的专业软件相结合，在一些大型流域的实际研究中开发了功能强大的流域模型，极大地推广了相关模型的应用，并且使模拟精度得到进一步的提升。

除美国外，澳大利亚、德国、日本等发达国家从20世纪70年代就己经开始了对城市降雨径流水质的监测及污染控制研究工作，并根据本国面源污染特征采取了针对性的污染防治措施^[5]。目前，这些国家己经基本实现了对城市面源污染的控制，在污染源控制和管理方面也积累了许多成功经验。

1.2国内研究进展

国内早前对城市面源污染重视的程度不足，研究工作起步较晚。20世纪80年代初，我国先后对国内一些大中型城市的典型暴雨径流过程进行连续的水质监测，由此开启了我国的城市面源研究工作，以北京的城市面源污染作为最初的研究对象，随后在全国许多大中城市也逐渐开展起来。最开始的初步研究以探讨城市面源污染的宏观特征为主，同时也对污染负荷的定量计算进行了模型构建方面的尝试。

20世纪90年代，众多学者在城市面源污染负荷的定量计算上提供很多新的研究方法。方红远

^[6]，陈西平^[7]，李怀恩^[8]等人分别在研究地表污染物的累积规律和率定污染物的累积冲刷参数以及利用平均浓度法在有限的资料条件下计算面源污染负荷等方面提供了新的思路，进一步提高了模拟精度，增强了模型的实用性。

进入新世纪后，随着3S技术在城市面源污染研究中的应用，面源污染的定量化工作得到了推进，城市降雨非点源污染负荷模型的精度得到了提高。赵东泉^[9]等人将SWMM翻译成中文并与GIS嵌合在一起，同时加入汇水区自动划分、参数自动率定等模块代码，开发、创建了DigitalWater商用软件，推动了降雨径流面源污染模型的商业化研究。

随着不断的努力，我国的点源污染已经得到了有效的控制，然而城市的水体污染治理效果却并不理想，而且呈现不断恶化的趋势，其根源就是面源污染的治理没有取得应有的成效，并且随着城镇化进程的加快面源污染变得更加严重。因此，在21世纪，我国的面源污染研究也进入了新的阶段，有众多学者进行了城市降雨径流面源污染模拟的相关研究。肖彩^[10]建立了分布式城市降雨径流面源污染模型，并应用于墨水湖以北平区域的降雨径流面源污染的模拟及预测研究；马英^[11]建立面源污染输移冲刷模型对功能区污染进行模拟预测为城市降雨面源污染的研究、控制、管理工作提供有效的技术手段，为减少对受纳水体的污染提供理论基础；史蓉等人^[12]于在北京市大红门排水片区，基于SWMM模型构建降雨径流模型，采用2000—2003年3场独立场次洪水资料对模型进行率定与验证，并利用Morris筛选法定量分析了模型参数对模拟结果的影响；杨鹏^[13]以武汉市喻家湖流域为研究对象，构建了基于SWMM模型的喻家湖流域降雨径流面源污染模型，对流域降雨径流面源污染可以进行水量和水质的动态模拟，为控制和管理城市降雨径流面源污染提供了一些思路和方法；梁家辉^[14]对城市面源污染控制及低影响开发工程绩效开展了评估研究，建立了城市面源污染控制及低影响开发工程绩效评估指标体系，并以北京未来科技城面源污染控制工程、深圳市光明新区低影响开发工程、北京市亦庄科创十七街低影响开发工程为例，采用建立的评估方法体系，进行了工程绩效实证研究；马萌华等^[15]利用SWMM软件对研究区域建立模型,对传统开发(TD)模式与低影响开发(LID)模式下不同情景的降水事件进行模拟，结果表明了LID模式对于城市暴雨径流量和污染物调控的有效性；杨昱昊^[16]对海绵城市建设中对道路雨水径流及径流污染物进行源头治理的重要设施——下凹绿化带进行研究，得到了对径流量和污染控制效果最好的下凹绿化带结构；刘昌明^[17]针对城市防洪排涝、面源污染控制以及雨洪资源化利用等三大核心问题探讨了城市雨洪模拟技术和LID优化方法；李延博^[18]在基于SWMM的城市雨洪模型中添加面源污染模型、LID模型,通过对比分析LID措施对地表径流以及地表污染物的消减效果,说明LID措施对能够有效缓解城市的内涝情况,对海绵城市的建设提供一定的参考价值。

2城市水文水动力水质耦合模型

为了社会经济的可持续发展，实现水环境系统的综合治理与管护，达到绿水青山，人与自然和谐共处，迫切的需要人们不断地研究新理论和新方法来揭示城市水循环系统中的水文水动力水质变化过程。

当前阶段，模拟非点源的流域污染负荷模型主要为分布式水文模型，且已经具有较好的模拟效果，但是污染物入水后的迁移和演变过程分布式水文模型仍无法做到有效模拟。水动力水质过程的有效描述主要是通过水体模型，但是水体模型难以获得面源污染的输入。因此，水文水动力水质模型的多模型耦合系统的研究成为了综合、全面模拟、解析流域水环境模拟关键方法之一，也是当前研究关注的热点。对此，伊学农等^[19]对现有的常见水文-水动力-水质耦合模型进行了介绍和结构分析，并对多模型耦合进行了良好展望。

耦合模拟系统主要功能是通过不同的方式将多个模型耦合在一起进行建模，Casper^[20]等将SWAT模型与生态模型PHABSIM模型耦合，实现了对美国Hillsborough River的栖息地生态环境进行评价；Wilby^[21]等建立了耦合区域气候模型、水资源模型和河流水质模型的技术框架，并对英国的River Kennet流域评价了气候变化对流域水文和水质的影响；Cools J^[22]等将SWAT模型与环境经济学模型EMC耦合，对比利时的Grote Nete river流域进行模拟分析，讨论了各类氮减排措施的经济效果。

多模型耦合是要对选用的模型软件进行集成，形成二次加工集成过程，二次加工集成越彻底，耦合模拟系统集成越紧密。按照二次开发的难易程度，二次加工集成可以分为4类，分别为：非集成、松散耦合、紧密耦合与完全集成。非集成是指各个模型之间独立模拟运行，最后对模拟的结果进行综合分析；松散耦合是指各模型之间信息相互传递，但是传递过程需要人为参与设定；紧密集成和完全集成则是通过二次开发的形式，实现耦合模拟系统的完全自动化运行。水动力过程的模拟是水质模拟的前提和基础，将水动力模型与水质模型进行耦合是最为常见的应用思路，最为常见的包括EFDC模型和WASP模型的耦合与应用，美国EPA还专门提供了两个模型之间的数据转换的工具。非点源模型与水体模型的耦合，可以实现流域水循环的全面模拟，是流域水环境管理的重要科学支撑技术。郭晨花

^[23]构建了适用于平原河网的SWAT模型与SWMM模型相结合的流域-城市水质水量动态耦合模型，有效预测了平原河网中点源污染扩散预测；Yiping Li^[24]（采用SWAT和EFDC耦合方法，研究了长潭水库1952～2010年间58年降水资料的频率响应与水质模拟分析；李志一等^[25]对SWMM、EFDC、WASP模型进行耦合，并对系统进行不确定性分析，验证了其耦合系统的可行性，及其在流域水环境管理中的应用价值；俞云飞^[26]采用MIKE11模型建立水动力水质耦合模型，以中国北方某水源地为例进行了水质趋势变化模拟，并对治理方案实施后的效果进行了预测。陈成成^[27]利用MIKE21构建了一套二维水动力-水质耦合模型,并通过模型对提出的护城河补水调控方案进行筛选和优化,为西安护城河的综合治理提供参考,也为其他城市水体的治理提供借鉴。朱嵩等^[28]针对水动力-水质耦合模型,建立了基于贝叶斯推理的污染物点源识别的数学模型,通过马尔科夫链蒙特卡罗（Markov chain Monte Carlo,MCMC）后验抽样获得了污染源位置和强度的后验概率分布和估计量,较好地处理了模型的不确定性和非线性，能很好地识别污染源。

同时，也有部分研究人员对城市水动力模型，水文模型进行耦合。曾照洋^[29]将SWMM一维管网模型及LISFLOOD-FP二维水动力模型进行耦合，对东莞市典型区域进行暴雨内涝模拟，实现了研究区暴雨内涝淹没范围与淹没水深的模拟。栾慕^[30] 通过构建SWMM-MIKE11耦合模型评估现有管网系统排水能力，表明其在城市内涝风险评估中具有应用价值；范玉燕^[31]耦合了二维地表模型与一维管网模型，模拟海绵措施建设前后的效果，可应用于海绵小区建设效果评估中。梅超^[32]解析了城市水文过程和水动力过程模拟原理，阐述了水文与水动力过程、一二维水动力过程间的耦合机制，研发了城市水文水动力耦合模型，并基于城市水文水动力耦合模型分别构建了北京市中心城区城市雨洪模型和乐家花园片区海绵措施评估模型，基于模拟分别开展了城市雨洪风险评估和海绵措施综合评估等研究。

也有极少部分学者对水文水动力水质模型三者的耦合进行尝试。蒋锦刚^[33]联合分布式水文模型，一维河流水动力．水质模型和多维水动力水质模型，利用L-THIA模型实现流域产水量与面源负荷的测算，利用QUAL2K实现山区河流与平原河流的水动力水质解析，对于更加复杂的甬江干流水体，采用了EFDC模型进行了建模与解析，完成甬江流域水文-水动力-水质的建模。

由于各个模型的参数、输入、输出等条件及数据格式的要求，使得模型的紧密集成与完全集成困难较大，主要的耦合方式以松散集成耦合为主，相关的研究报道仍然较少，特别是水文水质水动力三者耦合模拟的研究更为稀缺。

3总结与展望

进入“十四五”时期，面源污染问题愈发突出，针对城市降雨径流面源污染的研究进一步深入，如何利用先进的技术手段对面源污染进行更好地模拟仍将会是面源污染领域的热门课题。开展多模型耦合研究，夯实模型物理基础，发展耦合城市水文过程、水动力过程以及水质的模型，是城市水环境模拟研究的一个重要发展趋势。

参考文献

[1] 尹澄清. 城市面源污染问题:我国城市化进程的新挑战—代“城市面源污染研究”专栏序言[ J] . 环境科学学报, 2006, 26(7):1053 – 1056.

[2]杨清海,吕淑华,李秀艳, 等.城市绿地对雨水径流污染物的削减作用[J].华东师范大学学报（自然科学版）,2008,(2):41-47.

[3]沈珍瑶,陈磊,谢晖,马颖,冯潇,魏国元.基于低影响开发的城市非点源污染控制技术及其相关进展[J].地质科技情报,2012,31(5):171-176.

[4]Wang L, Wei J, Huang Y, et al. Urban nonpoint source pollution buildup and washff models for simulating storm runoff quality in the Los Angeles County[J]. Environmental Pollution, 2011, 159(7): 1932-1940.

[5]陈莹.公路路面径流污染特性及其对受纳水体水质影响的探讨[D]:长安大学,2011.

[6]方红远. 城市径流质量模型参数率定方法研究[J]. 环境工程学报，1998(2): 57-61.

[7]陈西平.城市径流对河流污染的CIS模型与计算[J]. 水利学报，1993(02): 57-63.

[8]李怀恩. 估算非点源污染负荷的平均浓度法及其应用[J]. 环境科学学报，2000(04): 397-400.

[9]赵冬泉，陈吉宁，佟庆远等. 子汇水区的划分对SWMM模拟结果的影响研究[J]. 环境保护，2008(8): 56-59.

[10]肖彩.分布式城市降雨径流面源污染模拟及预测研究[D].湖北:武汉大学,2005.

[11]马英.城市降雨径流面源污染输移规律模拟及初始冲刷效应研究[D].华南理工大学,2012.

[12]史蓉，庞博，赵刚等. SWMM模型在城市暴雨洪水模拟中的参数敏感性分析[J]. 北京师范大学学报(自然科学版)，2014(05): 456-460.

[13]杨鹏. SWMM模型在城市小流域降雨径流面源污染中的应用研究[D].华中科技大学,2017.

[14]梁家辉. 城市降雨径流面源污染控制技术解析与工程应用绩效评估[D].北京林业大学,2018.

[15]李延博. 城市降雨径流模型的参数敏感度分析与率定研究[D].河北建筑工程学院,2019.

[16]杨昱昊. 典型下凹绿化带填料层结构对雨水径流控制研究[D].华中科技大学,2019.

[17]马萌华,李家科,邓陈宁.基于SWMM模型的城市内涝与面源污染的模拟分析[J].水力发电学报,2017,36(11):62-72.

[18]刘昌明,张永勇,王中根,王月玲,白鹏.维护良性水循环的城镇化LID模式:海绵城市规划方法与技术初步探讨[J].自然资源学报,2016,31(05):719-731.

[19]伊学农,吴跃颖.水文-水动力-水质模型耦合应用现状综述[J].中国水运(下半月),2020,20(04):41-43.

[20] Casper, A. F., Dixon, B., Earls, J., & Gore, J. A.. Linking a spatially explicit watershed model (SWAT) with an in‐stream fish habitat model (PHABSIM): A case study of setting minimum flows and levels in a low gradient, sub‐tropical river[J]. River research and applications,2011, 27(3), 269-282.

[21] Wilby, R. L., Whitehead, P. G., Wade, A. J., Butterfield, D., Davis, R. J., & Watts, G.. Integrated modelling of climate change impacts on water resources and quality in a lowland catchment: River Kennet, UK[J]. Journal of hydrology, 2006, 330(1-2), 204-220.

[22] Cools, J., Broekx, S., Vandenberghe, V., Sels, H., Meynaerts, E., Vercaemst, P., ... & Huygens, M.. Coupling a hydrological water quality model and an economic optimization model to set up a cost-effective emission reduction scenario for nitrogen[J]. Environmental Modelling & Software, 2011, 26(1), 44-51.

[23]郭晨花. SWAT和SWMM模型耦合的平原河网城市水体点源污染扩散预测研究[D].杭州师范大学,2018.

[24] Yiping, L. I．，Hua，L．，Wang,P．，Wang，C．，Tan,Y Responses of hydrodynamical characteristics to climate conditions in a channel-type reservoir[J]．Journal ofLake Sciences，2013，25(3)，317-323．

[25]李志一. 流域水环境多模型耦合模拟系统的不确定性分析研究[D].清华大学,2015.

[26]俞云飞,赵文婧,李云霞, 等.MIKE11水动力水质耦合模型在北方某水源地治理工程的应用[J].水利水电工程设计, 2016,35(3):26-28.

[27]陈成成. 基于MIKE21的城市河流水动力水质模拟研究[D].西安理工大学,2020.

[28]朱嵩,刘国华,王立忠,毛根海,程伟平,黄跃飞.水动力-水质耦合模型污染源识别的贝叶斯方法[J].四川大学学报(工程科学版),2009,41(05):30-35.

[29]曾照洋,王兆礼,吴旭树, 等.基于SWMM和LISFLOOD模型的暴雨内涝模拟研究[J].水力发电学报,2017,36(5):68-77.

[30]栾慕,袁文秀,刘俊,周雁潭,库勒江·多斯江.基于SWMM-MIKE11耦合模型的桐庐县内涝风险评估[J].水资源保护,2016,32(02):57-61.

[31]范玉燕,汪诚文,喻海军.SWMM模型河道及明满流模拟能力分析研究[J].水资源与水工程学报,2019,30(1):1-6.

[32]梅超. 城市水文水动力耦合模型及其应用研究[D].中国水利水电科学研究院,2019.

[33]蒋锦刚. 沿海典型流域水文—水动力—水质多模型耦合建模与应用[D].浙江大学,2018.

1通讯作者：商放泽，男，博士，高级工程师，从事水环境和水污染治理研究，E-mail: shangfangze@126.com