CN112163347B - 一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法 - Google Patents

一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112163347B
CN112163347B CN202011135217.5A CN202011135217A CN112163347B CN 112163347 B CN112163347 B CN 112163347B CN 202011135217 A CN202011135217 A CN 202011135217A CN 112163347 B CN112163347 B CN 112163347B
Authority
CN
China
Prior art keywords
urban
runoff
pollution
source
rainfall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011135217.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112163347A (zh
Inventor
赵洪涛
廖云杰
苏静君
李叙勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Original Assignee
Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS filed Critical Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Priority to CN202011135217.5A priority Critical patent/CN112163347B/zh
Publication of CN112163347A publication Critical patent/CN112163347A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112163347B publication Critical patent/CN112163347B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06QINFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00Administration; Management
    • G06Q10/06Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
    • G06Q10/063Operations research, analysis or management
    • G06Q10/0635Risk analysis of enterprise or organisation activities
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06QINFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/10Services
    • G06Q50/26Government or public services
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10Numerical modelling

Landscapes

  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Human Resources & Organizations (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Economics (AREA)
  • Tourism & Hospitality (AREA)
  • Strategic Management (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Entrepreneurship & Innovation (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Marketing (AREA)
  • Development Economics (AREA)
  • General Business, Economics & Management (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Primary Health Care (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Game Theory and Decision Science (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

本发明提供一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,包括:S1,根据不透水地表面积比率将城市地块划分为第一数量种类的开发强度地块;S2,根据透水地表‑不透水地表空间分布将城市地块划分为第二数量种类的空间模式地块;S3,对第一数量种类、第二数量种类的地块进行雨水径流样品的采集,测试样品中的污染物浓度;S4,计算降雨冲刷污染输出特征源因子;S5,根据降雨冲刷污染输出特征源因子分析得到不同种类地块的污染源输出特征及输出风险。本发明提供的方法可定量获取不同降雨量下城市地块面源污染源的动态输出特性,具有准确、快速、简易的特点。

Description

一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法
技术领域
本发明涉及城市污染风险评估技术领域,具体涉及一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法。
背景技术
当前基于野外监测的土地利用或者下垫面的污染物输出系数是一种常用的面源污染源强评估方法,然而它们大多存在以下缺陷:
1)复杂的城市空间导致上述分类系统过于琐碎,从而导致城市面源污染现场监测工作量和实验分析成本巨大,源因子难获取,不能很好的满足对代表性污染负荷预测应用的实际要求;2)城市地表污染物在进入排水系统之前的迁移发生在工业区、居住小区、公园等典型城市地块,这导致基于土地利用或者下垫面的污染源输出系数与污染物迁移不在同一个水平,给城市面源污染风险评估带来了挑战;3)基于土地利用或者下垫面的污染物输出系数假设其污染输出特征是静态的常数,事实上,污染输出特征是动态变化的。尤其是绿地在强降雨或者持续降雨条件下会出现污染物的“汇-源”互变效应;不考虑其动态效应会给面源污染评估带来较大偏差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题,本发明提供了一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,用于至少部分解决传统评估方法分类系统过于琐碎、结果偏差较大等技术问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,包括:S1,根据不透水地表面积比率将城市地块划分为第一数量种类的开发强度地块;S2,根据透水地表-不透水地表空间分布将城市地块划分为第二数量种类的空间模式地块;S3,对第一数量种类、第二数量种类的地块进行雨水径流样品的采集,测试样品中的污染物浓度;S4,计算降雨冲刷污染输出特征源因子,公式如下:
Figure BDA0002735424780000021
其中,Si是降雨冲刷污染输出特征源因子,i代表第i个城市地块汇水区,j代表第j种下垫面,
Figure BDA0002735424780000022
Figure BDA0002735424780000023
分别代表第i个城市地块第j种下垫面在中小雨和大雨事件下污染物平均浓度,Wij分别代表第i个城市地块第j种下垫面的面积权重,P为单场次降雨量;Pi,threshold为第i种城市地块汇水区绿地发生“汇-源”互变的降雨阈值;S5,根据降雨冲刷污染输出特征源因子分析得到不同种类地块的污染源输出特征及输出风险。
进一步地,S1具体包括根据不透水地表面积比率将城市地块划分为低开发强度、中等开发强度、中高开发强度和高开发强度的4种开发强度地块。
进一步地,S2具体包括根据透水地表-不透水地表空间分布将城市地块划分为均匀分布、环形均匀分布和聚集分布的3种空间模式的地块。
进一步地,S3之前还包括将城市地块下垫面划分为屋顶、道路、绿地和水体4种典型下垫面。
进一步地,S5之前还包括考虑透水绿地出现污染物的“汇-源”互变效应,对其污染物输出特征进行改进,公式如下:
Figure BDA0002735424780000024
其中,
Figure BDA0002735424780000025
Figure BDA0002735424780000026
分别代表第i个城市地块第j种下垫面在中小雨和大雨时污染物事件平均浓度,P为单场次降雨量;Pi,Threshold为第i种城市地块汇水区绿地发生“汇-源”互变的降雨阈值。
进一步地,S4中Pi,threshold的阈值由SCS-CN方法模拟计算。
进一步地,S3中对不同种类的地块进行雨水径流样品的采集具体包括对地块进行屋顶径流、道路径流、绿地径流三种典型下垫面的径流水样的采集。
进一步地,S3中具体包括使用带刻度的聚乙烯桶从建筑物落水管的出口收集屋顶径流,使用带刻度聚乙烯水槽从雨水口中收集道路径流,使用聚乙烯烧杯从排水口收集下水道径流。
进一步地,S3还包括用容积法测量道路和屋顶的径流量,对径流中的污染物进行监测,采用事件平均浓度分析每种典型地块不同下垫面的径流水质。
进一步地,污染物包括悬浮物、总磷。
(三)有益效果
本发明实施例提供的一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,构建了基于开发强度与透水/不透水表面空间格局的城市面源污染分类系统,并考虑了该分类系统不同类型地块尺度由于降雨特征变化导致的绿地“汇-源”互变效应,进而定量表征了不同降雨量下城市地块面源污染源的动态输出特性。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法的流程图;
图2示意性示出了根据本发明实施例基于地块不透水面积比率和透水-不透水表面空间布局的城市地块分类系统示意图;
图3示意性示出了根据本发明实施例径流采样点分布图;
图4示意性示出了根据本发明实施例基于城市地块分类系统的悬浮物和总磷事件加权平均浓度箱型图;
图5示意性示出了根据本发明实施例不同开发强度城市地块绿地“汇-源”互变效应降雨阈值示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
本公开的实施例提供了一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,请参见图1,包括:S1,根据不透水地表面积比率将城市地块划分为第一数量种类的开发强度地块;S2,根据透水地表-不透水地表空间分布将城市地块划分为第二数量种类的空间模式地块;S3,对第一数量种类、第二数量种类的地块进行雨水径流样品的采集,测试样品中的污染物浓度。
这里不透水地表主要包括屋顶、道路、铺装道路等,透水地表主要为绿地,不透水地表面积比率是指不透水地表占整个地块面积的比例大小,反应了地块的开发强度,地块的开发强度越低,面源污染输出越小;地块的开发强度越高,面源污染输出越大。选择不透水地表面积比率作为划分指标主要是因为不透水地表面积比率对城市地块的径流产生有较大影响,进而对污染输出有较大影响,径流产生和污染输出是因果关系;选择透水地表-不透水地表空间分布主要是因为其对径流的滞留有较大的影响,若不考虑滞留部分会使得最终得到的污染输出偏高。本发明中构建的分类系统考虑了不同种类地块的径流污染具有的不同特点,该分类系统相比传统的更加清晰、简洁,减少了现场监测工作量和实验分析成本。这里面源污染主要是通过地表径流进入下水道的污染物,对第一数量种类、第二数量种类分类下的典型地块进行雨水径流采样,测试得到不同分类地块的污染物浓度。
S4,计算降雨冲刷污染输出特征源因子,公式如下:
Figure BDA0002735424780000041
其中,Si是降雨冲刷污染输出特征源因子,i代表第i个城市地块汇水区,j代表第j种下垫面,
Figure BDA0002735424780000042
Figure BDA0002735424780000043
分别代表第i个城市地块第j种下垫面在中小雨和大雨事件下污染物平均浓度,Wij分别代表第i个城市地块第j种下垫面的面积权重,P为单场次降雨量,单位为mm;Pi,threshold为第i种城市地块汇水区绿地发生“汇-源”互变的降雨阈值,单位为mm;S5,根据降雨冲刷污染输出特征源因子分析得到不同种类地块的污染源输出特征及输出风险。
由于每个城市地块下垫面类型的不同,不同下垫面的污染源输出特征区别较大,因此在对每个地块进行采样时,需要分别对每个城市地块的不同下垫面进行采样。例如屋顶下垫面的污染源输出具有浓度小和区域性差异大的特点,道路下垫面的污染源输出具有浓度高的特点,绿地下垫面的污染源输出具有受降雨影响动态变化的特点。尤其需要注意的是绿地下垫面,绿地在中小雨或者降雨时间较短的情况下通常作为污染物的“汇”,即可以起到吸收污染物,净化水体的作用;而在大雨或者持续降雨的情况下通常作为污染物的“源”,会输出污染物,污染水体;因此,该公式在计算污染输出特征源因子就考虑到了绿地的“汇-源”互变效应。
在上述实施例的基础上,还包括S1具体包括根据不透水地表面积比率将城市地块划分为低开发强度、中等开发强度、中高开发强度和高开发强度的4种开发强度地块。
根据不透水地表面积比率将城市地块划分为4种开发强度地块有分类简单和具有代表性的优点,特别分出中高开发强度是因为其代表了大部分城市区域的地表特征及其污染特征。
在上述实施例的基础上,还包括S2具体包括根据透水地表-不透水地表空间分布将城市地块划分为均匀分布、环形均匀分布和聚集分布的3种空间模式的地块。
根据透水地表-不透水地表空间分布将城市地块划分为3种空间模式具有简单且考虑了径流污染物损失的优点,分成这3种模式可以很好地区分不同种类地块的径流污染具有的不同特点,又基本涵盖了所有城市地块的空间分布类型。
在上述实施例的基础上,还包括S3之前还包括将城市地块下垫面划分为屋顶、道路、绿地和水体4种典型下垫面。
屋顶、道路是城市地块中主要的不透水下垫面,绿地、水体是城市地块中主要的透水下垫面,只考虑这4种下垫面,具有简化下垫面分类、操作性好的技术效果。
在上述实施例的基础上,S5之前还包括考虑透水绿地出现污染物的“汇-源”互变效应,对其污染物输出特征进行改进,公式如下:
Figure BDA0002735424780000061
其中,
Figure BDA0002735424780000062
Figure BDA0002735424780000063
分别代表第i个城市地块第j种下垫面的在降雨量P小于Pi,Threshold(中小雨)和大于Pi,Threshold(大雨)是污染物事件平均浓度,P为单场次降雨量,mm;Pi,Threshold为第i种城市地块汇水区绿地发生“汇-源”互变的降雨阈值,mm。
水文过程不仅包括产流还包括滞留,滞留会使得最终污染源输出变小,这里同样考虑了透水绿地的“汇-源”互变效应。滞留系数与污染输出特征源因子的关系是因果关系。空间模式的差异会影响径流滞留,径流滞留/截留量取决于“门-容量”。“门”指得是径流由不透水地表流向透水地表的潜力,“容量”指得是透水地表容纳径流的能力。假设前者与面积周长比(透水-不透水面公共边长与不透水面积之比)正相关;后者与透水/不透水面积比正相关,可以使用以上公式进行计算。
在上述实施例的基础上,S4中Pi,threshold的阈值由SCS-CN方法模拟计算。这里Pi,threshold的阈值计算过程包括:
(1)降雨场次划分
采用常用的6小时最小事件间隔(Minimum Inter-event Time,MIT)标准来定义独立的降雨事件;研究区6个不同雨量站的10年小时降雨记录被划分不同降雨场次。
(2)计算场次降雨量P(mm)及其前5天降雨总量P5d(mm)
(3)判断场降雨土壤前期湿润状态
前期土壤湿润程度(Antecedent Moisture Condition,AMC)可以分为干、平均、湿润三种状态(即AMCI、AMCII、AMCII),土壤湿润状态可由前5天降雨量P5d(mm)决定,当植物处于生长期时,前期土壤湿润状态判断如下:
Figure BDA0002735424780000071
植物处于萎蔫期时,前期土壤湿润状态判断如下:
Figure BDA0002735424780000072
(4)计算每场降雨时的CN值
Curve Number,CN是一个无量纲参数,反映了地表覆盖、土壤性质、坡度、前期土壤湿润程度Antecedent Moisture Condition(AMC)、土地等多因素综合作用时的土壤渗透能力。干、平均、湿润三种土壤状态即AMCI、AMCII、AMCII对应的CN值记为CNI、CNII和CNIII
CNII可根据土地利用、土壤性质等查表,CNI和CNIII可由CNII的经验公式计算如下:
Figure BDA0002735424780000073
Figure BDA0002735424780000074
(5)计算不同开发强度城市地块的综合CN值
城市地块中存在大量不透水地表,CN值取面积加权平均,计算如下:
CN=CNISA·RISA+CNISA0·(1-RISA)
其中:CNISA为屋顶、道路不透水面的CN值,取98;RISA为不透水面占该汇水区面积比例,CNISA=0为不透水面比例为0(即绿地)时的CN值,根据土壤性质、土地利用方式、前期土壤水分查表可得,CNISA=0=CNII=74。
(6)计算不同开发强度城市地块所有场次降雨径流量
SCS-CN是美国农业部水土保持局提出的描述降雨-径流关系的经验公式,在世界范围内广泛应用于径流的计算。
Figure BDA0002735424780000081
P为单场次降雨的降雨总量(mm);Ia为初始截留损失(mm),是产生地表径流之前的降雨损失;Q为径流量(mm);S为最大滞留量(mm)。
其中Ia与最大滞留成正比:
Ia=α·S
其中:α通常取0.2。
Figure BDA0002735424780000082
其中CN(Curve Number)是一个无量纲参数。
(7)确定不同开发强度城市地块绿地汇-源互变阈值
计算场次降雨径流系数
Figure BDA0002735424780000083
将降雨量~径流系数按降雨量升序排列,作径流系数与场次降雨量的关系图(见图5),当径流系数大于等于10-6时,对应的降雨量为绿地“源-汇”互变的降雨阈值。
在上述实施例的基础上,S3中对不同种类的地块进行雨水径流样品的采集具体包括对地块进行屋顶径流、道路径流、绿地径流三种下垫面的径流水样的采集。
屋顶径流的污染输出具有浓度小和区域性差异大的特点,道路径流的污染输出具有浓度大的特点,绿地径流的污染输出具有受降雨动态影响的特点,这里不考虑水体是因为地块尺度池塘等水体面积比例一般特别小,且其与雨水管网一般不连通。
在上述实施例的基础上,S3中具体包括使用带刻度的聚乙烯桶从建筑物落水管的出口收集屋顶径流,使用带刻度聚乙烯水槽从雨水口中收集道路径流,使用聚乙烯烧杯从排水口收集下水道径流。
不同径流采用不同形状和大小的容器收集是因为不同监测点径流汇入口形状的差异以及流量的差异。
在上述实施例的基础上,S3还包括用容积法测量道路和屋顶的径流量,对径流中的污染物进行监测,采用事件平均浓度分析每种地块不同下垫面的径流水质。
不同道路之间、不同污染之间的污染物输出差异还是比较大的,通常需要采集多个地点的样品进行测试,计算得到污染物平均浓度,这里采用平均浓度以减少实验误差。
在上述实施例的基础上,污染物包括悬浮物、总磷。
城市面源污染主要包括悬浮物、总磷、总氮、氨氮、化学需氧量、重金属、多环芳烃、杀虫剂等污染物,这里主要选择悬浮物能够很好地代表大多数污染物,因为大多数污染物主要附着细小的颗粒物上,研究也表明多数污染物浓度与悬浮物浓度存在正相关关系;选择总磷是因为它能够很好地代表颗粒态污染物的特性。
本发明基于开发强度和透水表面-不透水表面空间格局提出了城市面源污染分类系统,并基于现场监测获取了不同降雨情景下不同城市地块的动态污染输出特征,解决了由于地表径流事件发生具有随机性和空间变异较大等造成的难以获取代表性径流污染参数的问题,避免其他模型的繁琐操作,同时引进了绿地“汇-源”互变效应和下垫面面积权重的源因子分析方法,提高了本方法的准确性,具有快速、简易的特征。
下面以一具体实施例介绍本发明城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,以深圳市低碳城、中心社区和手袋厂为研究区采集径流水样,请参见图3,图3示出了水域、道路、屋面、绿地的分布以及标示了径流采样点。表1提供了该三个城市地块的特征。
Figure BDA0002735424780000091
表1三个不同开发强度汇水区概况
这三个地块均位于深圳市,深圳拥有亚热带温暖湿润气候,年平均降雨量为1933毫米。自1980年以来,这座城市经历了快速的城市化进程。2010年之前城市开发方式以粗放式为主,导致住宅,工业和商业等城市地块不透水面比例极高。相反,在2010年之后逐步采用集约化发展方法,城市地块的不透水地表面积比例较小、绿地面积比例较多。因此,形成了各种不同的透水面-不透水面空间格局。丁山流域(图3)作为深圳快速城市化的缩影,占地面积22.65km2,其中34.92%为不透水表面,水、道路、屋顶和绿地分别占3.91%、26.07%、8.85%和61.81%。
本实施例中S1地块开发强度划分具体包括:根据不透水地表面积比率将城市地块划分,选择不透水地表面积比率作为划分指标主要是因为不透水地表面积比率对城市地块的污染特点、径流产生以及LID选址均有较大影响,最终划分为四类,分别为低开发强度lowdevelopment intensity(LDI),中等开发强度moderate development intensity(MDI),中高开发强度moderate-high development intensity(MHDI)和高开发强度highdevelopment intensity(HDI)等四种开发强度。
S2地块空间分布模式划分具体包括:根据透水地表-不透水地表空间分布将城市地块划分为均匀分布uniform pattern(UP)、环形均匀分布ring-uniform pattern(RUP)以及聚集分布aggregation pattern(AP)等3种空间模式。选择透水地表-不透水地表空间分布主要是因为其对径流的滞留以及低影响开发措施的类型选择有较大的影响。
基于城市地块开发强度及地块空间分布模式划分,城市地块可以划分为9类,请参见图2。
S3地块尺度典型下垫面径流样品采集、测试及初步分析具体包括:根据S1、S2的划分结果,选择符合分类系统的代表性地块进行径流样品的采集测试及初步分析,城市地块下垫面划分为屋顶、道路、绿地和水体4种典型下垫面。
在降雨条件下,对所选择的地块进行雨水径流采集,包括屋顶径流、道路径流、绿地径流三种典型下垫面的径流水样,这主要是由于它们污染特点存在巨大差异,而且遥感技术及机器学习技术的发展导致这些下垫面数据容易获取,屋顶及道路污染物事件平均浓度数据来源于现场监测数据(表2),而绿地污染浓度数据参考以前的来源于中国南方的研究数据(表3);使用带刻度的聚乙烯桶从建筑物落水管的出口收集屋顶径流;使用自制的带刻度聚乙烯水槽从选定的雨水口中收集道路径流,使用0.5L聚乙烯烧杯从排水口收集下水道径流,用容积法测量道路和屋顶的径流量,对径流中的污染物进行监测,径流样品采集后就放在4℃的冷藏箱里,然后就立即送往实验室,并在48小时内用标准方法进行测试。采用事件平均浓度进行分析每种典型地块不同下垫面的径流水质。计算方法如下:
Figure BDA0002735424780000111
EMC代表事件平均浓度,Ct和Vt分别代表下垫面t时刻样品的污染物浓度和径流体积。
Figure BDA0002735424780000112
表2基于降雨事件的现场监测记录
Figure BDA0002735424780000113
Figure BDA0002735424780000121
表3中国南方城市绿地的污染物事件平均浓度
S4基于绿地“汇-源”互变效应和下垫面面积权重的源因子分析具体包括:考虑强降雨或持续降雨情况下,透水绿地出现污染物的“汇-源”互变效应,对其污染物输出特征进行改进,改进如下:
Figure BDA0002735424780000122
其中,
Figure BDA0002735424780000123
Figure BDA0002735424780000124
分别代表第i个城市地块第j种下垫面的在降雨量P小于Pi,Threshold(中小雨)和大于Pi,Threshold(大雨)时污染物事件平均浓度,P为单场次降雨量,mm;Pi,Threshold为第i种城市地块汇水区绿地发生“汇-源”互变的降雨阈值,mm。
此外,引进下垫面面积权重的源因子分析,计算方法如下:
Figure BDA0002735424780000131
其中,Si是降雨冲刷污染输出特征源因子,i代表第i个城市地块汇水区,j代表第j种下垫面,
Figure BDA0002735424780000132
Figure BDA0002735424780000133
分别代表第i个城市地块第j种下垫面在中小雨和大雨事件下污染物平均浓度,Wij分别代表第i个城市地块第j种下垫面的面积权重,P为单场次降雨量;Pi,threshold为第i种城市地块汇水区绿地发生“汇-源”互变的降雨阈值;该阈值由SCS-CN方法模拟计算。
S5污染源输出特征及输出风险识别具体包括:结合S1-S4的结果,识别出在本方法分类条件下的代表地块的污染物输出特征及输出风险。图4显示了测试的最终结果,方块标示污染物平均浓度,方块中间的黑线表示污染物浓度的中位数,两端的线段表示污染物浓度的上下边界,超出该线段的污染物浓度值视为异常值,绿地虚线的位置表示降雨超过降雨阈值时绿地中的污染物降雨事件平均浓度的多场次降雨的平均值。
可以看出总悬浮固体(TSS)事件平均浓度在低于降雨量低于阈值时随开发强度而增加:低开发强度地块LDI(16.52mg/L)<中等开发强度地块(59.13mg/L)<高开发强度地块(77.00mg/L)。这主要是因为城市地块开发强度越高,车辆工业等人类活动越剧烈,从而导致更多的污染物积聚在地块表面。相反,在降雨量高于降雨阈值时,LDI的浓度值增加到91.39mg/L,MDI浓度值增加到76.96mg/L。这表明污染源强度随降雨量发生变化。这主要是由于降雨量对绿地径流产生了影响。在低于降雨阈值时绿地中没有径流产生,TSS事件平均浓度等于0;但高于降雨阈值时,绿地TSS事件平均浓度(106.72±125.98mg/L)比道路上(65.98±61.93mg/L)和屋顶(3.53±2.31mg/L)更高。基于城市地块的总磷(TP)事件平均浓度也出现类似的现象。这意味着在低于降雨阈值时,绿地起着径流及其污染物的“汇”的作用,而在降雨量高于阈值时起着径流及其污染物的“源”的作用。
图5显示了不同开发强度地块绿地由汇变为源时的降雨阈值。可以发现,随着城市地块开发强度的增加,绿地从径流“汇”向“源”降雨阈值降低,在低开发强度,中等开发强度,中高开发强度地块以及高开发强度地块中分别为27.0mm,21.4mm,18.5mm和16.4mm。这主要是因为开发强度越高,不透水地表比例越高,产生径流就会越多,流入绿地的径流也越多,从而使土壤(尤其是黏土)水分更容易也更快饱和。这表明,地块开发强度是影响径流“汇”、“源”互换的另一个关键因素。因此,可以根据降雨和地块开发强度来制定城市地块雨水管理策略。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,包括:
S1,根据不透水地表面积比率将城市地块划分为第一数量种类的开发强度地块;
S2,根据透水地表-不透水地表空间分布将所述城市地块划分为第二数量种类的空间模式地块;
S3,对所述第一数量种类、第二数量种类的地块进行雨水径流样品的采集,测试所述样品中的污染物浓度;
S4,计算降雨冲刷污染输出特征源因子,公式如下:
Figure FDA0003131462330000011
其中,Si是降雨冲刷污染输出特征源因子,i代表第i个城市地块汇水区,j代表第j种下垫面,
Figure FDA0003131462330000012
Figure FDA0003131462330000013
分别代表第i个城市地块第j种下垫面在中小雨和大雨事件下污染物平均浓度,Wij分别代表第i个城市地块第j种下垫面的面积权重,P为单场次降雨量;Pi,threshold为第i种城市地块汇水区绿地发生“汇-源”互变的降雨阈值;
S5,根据所述降雨冲刷污染输出特征源因子分析得到不同种类地块的污染源输出特征及输出风险。
2.根据权利要求1所述的城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,其特征在于,所述S1具体包括根据不透水地表面积比率将城市地块划分为低开发强度、中等开发强度、中高开发强度和高开发强度的4种开发强度地块。
3.根据权利要求1所述的城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,其特征在于,所述S2具体包括根据透水地表-不透水地表空间分布将城市地块划分为均匀分布、环形均匀分布和聚集分布的3种空间模式的地块。
4.根据权利要求1所述的城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,其特征在于,所述S3之前还包括将城市地块下垫面划分为屋顶、道路、绿地和水体4种典型下垫面。
5.根据权利要求4所述的城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,其特征在于,所述S5之前还包括考虑透水绿地出现污染物的“汇-源”互变效应,对其污染物输出特征进行改进,公式如下:
Figure FDA0003131462330000021
其中,
Figure FDA0003131462330000022
Figure FDA0003131462330000023
分别代表第i个城市地块第j种下垫面在中小雨和大雨事件下污染物平均浓度,P为单场次降雨量;Pi,Threshold为第i种城市地块汇水区绿地发生“汇-源”互变的降雨阈值。
6.根据权利要求5所述的城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,其特征在于,所述S4中Pi,threshold的阈值由SCS-CN方法模拟计算。
7.根据权利要求4所述的城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,其特征在于,所述S3中对不同种类的地块进行雨水径流样品的采集具体包括对所述地块进行屋顶径流、道路径流、绿地径流三种下垫面的径流水样的采集。
8.根据权利要求7所述的城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,其特征在于,所述S3中具体包括使用带刻度的聚乙烯桶从建筑物落水管的出口收集屋顶径流,使用带刻度聚乙烯水槽从雨水口中收集道路径流,使用聚乙烯烧杯从排水口收集绿地径流。
9.根据权利要求8所述的城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,其特征在于,所述S3还包括用容积法测量道路和屋顶的径流量,对径流中的污染物进行监测,采用事件平均浓度分析每种典型地块不同下垫面的径流水质。
10.根据权利要求9所述的城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法,其特征在于,所述污染物包括悬浮物、总磷。
CN202011135217.5A 2020-10-21 2020-10-21 一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法 Active CN112163347B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011135217.5A CN112163347B (zh) 2020-10-21 2020-10-21 一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011135217.5A CN112163347B (zh) 2020-10-21 2020-10-21 一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112163347A CN112163347A (zh) 2021-01-01
CN112163347B true CN112163347B (zh) 2021-09-07

Family

ID=73867787

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011135217.5A Active CN112163347B (zh) 2020-10-21 2020-10-21 一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112163347B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116758342B (zh) * 2023-06-01 2023-12-15 中国地质科学院矿产资源研究所 一种基于稀土矿产区域的大气污染等级评估方法及装置

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105389743A (zh) * 2015-12-07 2016-03-09 华北电力大学 一种流域水量-水质联合调控优化方法
CN106557029A (zh) * 2016-11-11 2017-04-05 中国科学院生态环境研究中心 一种黑臭河流水污染控制与治理的方法
US9670447B2 (en) * 2013-01-29 2017-06-06 The United States Of America, As Represented By The Secretary, Department Of Health And Human Services Microfabricated polymeric vessel mimetics
US10380521B2 (en) * 2016-06-06 2019-08-13 Tyco Integrated Security Llc Predicting service for intrusion and alarm systems based on signal activity patterns
CN110175948A (zh) * 2019-05-24 2019-08-27 郑州大学 一种基于河流整体健康的生态环境需水阈值量化方法
CN110287615A (zh) * 2019-06-28 2019-09-27 南京大学 一种基于遥感解译和降雨实验的雨水径流污染负荷测算方法
US10449696B2 (en) * 2017-03-28 2019-10-22 Velo3D, Inc. Material manipulation in three-dimensional printing
CN110457816A (zh) * 2019-08-08 2019-11-15 中国科学院测量与地球物理研究所 一种面源污染监测评估方法及装置
CN111784052A (zh) * 2020-07-03 2020-10-16 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 一种城市面源污染入河负荷量预测方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8530720B2 (en) * 2011-07-29 2013-09-10 Aluminaid International Ag Thermally conductive, metal-based bandages to aid in medical healing and methods of use

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9670447B2 (en) * 2013-01-29 2017-06-06 The United States Of America, As Represented By The Secretary, Department Of Health And Human Services Microfabricated polymeric vessel mimetics
CN105389743A (zh) * 2015-12-07 2016-03-09 华北电力大学 一种流域水量-水质联合调控优化方法
US10380521B2 (en) * 2016-06-06 2019-08-13 Tyco Integrated Security Llc Predicting service for intrusion and alarm systems based on signal activity patterns
CN106557029A (zh) * 2016-11-11 2017-04-05 中国科学院生态环境研究中心 一种黑臭河流水污染控制与治理的方法
US10449696B2 (en) * 2017-03-28 2019-10-22 Velo3D, Inc. Material manipulation in three-dimensional printing
CN110175948A (zh) * 2019-05-24 2019-08-27 郑州大学 一种基于河流整体健康的生态环境需水阈值量化方法
CN110287615A (zh) * 2019-06-28 2019-09-27 南京大学 一种基于遥感解译和降雨实验的雨水径流污染负荷测算方法
CN110457816A (zh) * 2019-08-08 2019-11-15 中国科学院测量与地球物理研究所 一种面源污染监测评估方法及装置
CN111784052A (zh) * 2020-07-03 2020-10-16 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 一种城市面源污染入河负荷量预测方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Genetic differences in fruit-set patterns are determined by differences in fruit sink strength and a source : sink threshold for fruit set》;Wubs A M 等;《Ann Bot》;20091231;957-964 *
《Influence of Low Impact Development practices on urban diffuse pollutant transport process at catchment scale[J]. Journal of Cleaner Production》;Ma Y等;《Journal of Cleaner Production》;20191231;357-364 *
《合流制面源污染传输过程与污染源解析》;房金秀 等;《环境科学》;20191231;2705-2712 *
《城市湖泊流域面源污染的源-汇效应研究——以武汉市东湖为例》;姜庆虎 等;《生态环境学报》;20131231;469-474 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112163347A (zh) 2021-01-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Pollutant concentrations and pollution loads in stormwater runoff from different land uses in Chongqing
Zhang et al. Quality and seasonal variation of rainwater harvested from concrete, asphalt, ceramic tile and green roofs in Chongqing, China
Zhu et al. Phosphorus fractions and release potential of ditch sediments from different land uses in a small catchment of the upper Yangtze River
CN112163346B (zh) 一种基于透水-不透水格局的面源污染迁移能力估算方法
Kim et al. A new modeling approach for estimating first flush metal mass loading
CN112417657B (zh) 基于不同下垫面污染物贡献率的海绵城市优化设计方法
Zhang et al. A procedure to design road bioretention soil media based on runoff reduction and pollutant removal performance
Yuan et al. Evaluation of comprehensive benefits of sponge cities using meta-analysis in different geographical environments in China
CN112163347B (zh) 一种城市地块尺度面源污染动态输出特征评估的方法
Gonzalez-Meler et al. The environmental and ecological benefits of green infrastructure for stormwater runoff in urban areas
Hečková et al. Performance of experimental bioretention cells during the first year of operation
Wałęga et al. Effect of a Retention Basin on Removing Pollutants from Stormwater: A Case Study in Poland.
Pal et al. Appraisal of stormwater-induced runoff quality influenced by site-specific land use patterns in the south-eastern region of Bangladesh
Lodhi et al. Detention basins as best management practices for water quality control in an arid region
Zhao et al. Role of height and position in the vertical distribution pattern of urban surface-deposited sediments and associated heavy metals
Ghazavi et al. Development and application of a new index-overlay method to assess urban runoff vulnerability to contamination (evaluation in the Ardabil city, Iran)
Memon et al. Trend of storm water runoff pollutants temporal variability from different land use sites in Korea
Rathnayake et al. Stormwater runoff quality in Malabe, Sri Lanka
Loucaides et al. Effects of Watershed Impervious Cover on Dissolved Silica Loading in Storm Flow 1
CN106682271B (zh) 一种确定swmm水质冲刷模型参数的方法
Zhou et al. Phosphorus loads from different urban storm runoff sources in southern China: a case study in Wenzhou City
Shahrokh Hamedani et al. Study the performance of various stormwater control measures in a single full-scale low impact development (LID) testbed under changing environments using SWMM
Kazemi Evaluating the effectiveness and hydrological performance of green infrastructure stormwater control measures.
Rowe et al. A closer look at Toronto's water quality control design criteria for bioretention cells
Cheng et al. Comparison of hydrological responses from low impact development with conventional development

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant