一种基于透水-不透水格局的面源污染迁移能力估算方法

摘要

本发明提供一种基于透水‑不透水格局的面源污染迁移能力估算方法，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，计算第一数量种类、第二数量种类地块的滞留系数；S4，计算综合径流系数以表征城市地块汇水区平均产流能力；S5，采用迁移因子Ft表征地表径流及其污染物的迁移能力。本发明提供的方法简化了现有的分类体系，降低了对城市面源污染风险估算的难度。

说明书

技术领域

本发明涉及城市污染风险评估技术领域，具体涉及一种基于透水-不透水格局的面源污染迁移能力估算方法。

背景技术

当前汇水区单元整体产流能力往往使用综合径流系数来表征。传统的综合径流系数广泛应用于海绵城市设计、国外水质体积控制。然而综合径流系数存在以下缺陷：1)忽略了透水-不透水表面空间格局对径流的滞留、渗透等水文过程的影响，导致估算径流量偏高，广泛使用的水质体积控制法仅仅基于不透水率估算径流系数；2)忽略了坡度等地形特征对径流的影响；3)忽略了绿地对径流的“汇-源”互变效应，在中小雨时绿地通常作为径流“汇”，在大雨时通常作为径流的“源”。因此会导致估算径流体积偏高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本发明提供了一种基于透水-不透水格局的面源污染迁移能力估算方法，用于至少部分解决传统估算方法不准确等技术问题。

(二)技术方案

本发明一方面提供了一种基于透水-不透水格局的面源污染迁移能力估算方法，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，计算第一数量种类、第二数量种类地块的滞留系数RC：

其中，i代表第i个城市地块汇水区，k代表第k个子地块，W

其中，i代表第i个城市地块，j代表第j种下垫面，W

F

其中，R

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，对其的滞留系数RC进行改进，公式如下：

其中，i代表第i个城市地块汇水区，k代表第k个子地块，W

进一步地，P

进一步地，S4中a等于1.5，b等于0.5。

进一步地，S5之后还包括根据迁移因子得到降雨量、空间格局和地块开发强度对径流迁移风险的影响。

本发明另一方面提供了一种基于透水-不透水格局的流域尺度径流迁移能力的估算方法，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，计算第一数量种类、第二数量种类地块的滞留系数RC：

其中，i代表第i个城市地块汇水区，k代表第k个子地块，W

其中，i代表第i个城市地块，j代表第j种下垫面，W

F

其中，R

进一步地，坡度系数m为0.3～0.5。

(三)有益效果

本发明实施例提供的一种基于透水-不透水格局的面源污染迁移能力估算方法，提出了一种基于开发强度和空间格局的新分类系统，简化了现有的分类体系，降低了对城市面源污染风险估算的难度；通过不透水面和透水面界面长度与不透水面积比、透水地表与不透水地表的面积比等空间格局指标量化了绿地对径流汇流过程产生的影响；并考虑了绿地的“汇- 源”互变效应，表征绿地由径流汇转换为径流源的降雨阈值。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例基于透水-不透水格局的面源污染迁移能力估算方法的流程图；

图2示意性示出了根据本发明实施例迁移因子概化图；

图3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；

图4示意性示出了根据本发明实施例径流流量监测点分布图；

图5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城市布局的城市地块分类系统；

图6示意性示出了根据本发明实施例和传统计算方法对比图示；

图7示意性示出了根据本发明实施例(A)渗透性-渗透性共界面长度与渗透性面积之比的箱线图；(B)透水面与不透水面面积比的箱线图；(C) 不考虑降雨量的迁移因子箱线图；

图8示意性示出了根据本发明实施例空间格局和地块开发强度对径流迁移风险的影响；

图9示意性示出了丁山河流域面源污染迁移风险图。

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。

本公开的第一实施例提供了一种基于透水-不透水格局的面源污染迁移能力估算方法，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，计算第一数量种类、第二数量种类地块的滞留系数RC：

其中，i代表第i个城市地块汇水区，k代表第k个子地块，W

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，面源污染输出越少；地块的开发强度越高，尺度面源污染输出越多。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，径流产生是污染输出的必要不充分条件；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，若不考虑其滞留作用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径流系数法考虑了城市地块对径流的滞留，更加符合径流的产生、迁移过程，更能代表污染物的迁移能力。传统径流系数仅仅考虑了不同下垫面的径流产生能力，没有考虑不同城市地块对径流迁移过程中的滞留过程。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”，这里“门”指的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。假设前者与边长面积比(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，可以通过上述公式计算不同种类地块的滞留系数，滞留系数越大则反映该地块的地表径流的迁移能力越小，滞留系数越小则反映该地块的地表径流的迁移能力越大。

S4，计算综合径流系数以表征城市地块汇水区平均产流能力：

其中，i代表第i个城市地块，j代表第j种下垫面，W

F

其中，R

R

迁移因子被界定反映地表径流及其污染物进入雨水管网的能力，考虑不透水地表-透水地表空间模式对绿地捕获径流这一过程的影响，与径流相关的过程划分为径流产生过程和透水地表周围的径流滞留过程。迁移因子 F

基于上述界定迁移因子范围，水文过程可划分为降雨产流过程、汇流滞留过程。降雨产流过程主要受下垫面的影响，产流能力可以用综合径流系数定量化，径流汇流滞留过程主要受透水-不透水空间格局影响，径流的滞留能力可以用滞留系数量化(见图2)。

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种开发强度地块具有简单和代表性的优点，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，均匀分布的地块面源污染输出迁移风险高，环形均匀分布的地块面源污染输出迁移风险低，聚集分布的地块面源污染输出迁移风险为中等，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、操作性简单的技术效果。

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，对其的滞留系数进行改进，公式如下：

其中，i代表第i个城市地块汇水区，k代表第k个子地块，W

绿地是一种透水地表，通常被认为是径流及其污染物的汇，但随着降雨持续进行，绿地土壤的水分将会逐渐饱和，失去渗透和存储径流的能力，由径流的汇转变为径流的源。因此，滞留系数可以按上式进行修正，即该公式在计算污染输出特征源因子考虑到了绿地的“汇-源”互变效应。 P

在上述实施例的基础上，S4中P

SCS-CN方法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，这里P

(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P

(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AMC

植物处于萎蔫期时，前期土壤湿润状态判断如下：

(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AMC

CN

(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＝CN

其中：CN

(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。

P为单场次降雨的降雨总量(mm)；I

其中I

I

其中：α通常取0.2。

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

其中，P为单场次降雨的降雨总量(mm)；Q为径流量(mm)。

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3)，当径流系数大于等于10

在上述实施例的基础上，a等于1.5，b等于0.5，这里a等于1.5来自于模型验证，b等于0.5来自于模型验证。但是由于野外监测比较困难，样本量较少，只用实测径流量与预测径流量的百分比偏差结合实践经验进行(见图3)，在以后的研究中还需进一步改进。

在上述实施例的基础上，根据迁移因子得到降雨量、空间格局和地块开发强度对径流迁移风险的影响。

迁移因子由降雨量、空间格局和地块开发强度决定，指示了面源污染的径流迁移风险。

本公开的第二实施例提供了一种基于透水-不透水格局的流域尺度径流迁移能力的估算方法，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，计算第一数量种类、第二数量种类地块的滞留系数：

其中，i代表第i个城市地块汇水区，k代表第k个子地块，W

其中，i代表第i个城市地块，j代表第j种下垫面，W

F

其中，R

为了考虑流域尺度地形特点对径流迁移影响，表征径流迁移能力的迁移因子可以修改为与坡度相关的上述公式，考虑相邻两地块的坡度，可以得到更大范围的城市地块的滞留系数，从而得到更大范围的城市地块的迁移因子。

在上述实施例的基础上，坡度系数m为0.3～0.5之间。坡度系数m来自于Kirpich方程。在流域尺度，径流汇流时间也影响径流迁移风险，径流汇流时间越短，迁移风险越高；汇流时间越长，迁移风险越低。在Kirpich 方程中，汇流时间可以用汇流区长度和坡度计算。

t

t

当用于大小相同单元格时，可以简化为坡度的幂函数。

本发明的估算方法提出后还对该方法进行了验证，具体验证过程包括：从三种不同的的排水单元监测了城市雨水径流流量，包括屋顶、道路、绿地三种典型下垫面和排水单元总出口的径流流量。具体地，排水单元总出口的径流量用流量计(Starflow：6526)测量，道路和屋顶的径流量用容积法测量，例如，在径流产生后的最初10分钟内，每5分钟测一次。然后在接下来的30分钟中每10分钟测量一次。最后每隔20分钟测量一次其他样品，直到径流停止为止。记录每个样品的时间和体积，以确定总径流量。翻斗式雨量计(HoBo：RG3-M)用于记录降雨序列。在本发明的分类系统下，估算有效综合径流系数，并结合实地监测数据，验证迁移因子的有效性。

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，通过不透水面和透水面界面长度、透水地表与不透水地表的面积比等空间格局指标量化绿地对径流汇流过程产生的影响，同时考虑绿地的“汇-源”互变效应，表征绿地由径流汇转换为径流源的降雨阈值，降低了对城市面源污染风险估算的难度。

下面以一具体实施例介绍本发明基于透水-不透水格局的面源污染迁移能力估算方法，以深圳市低碳城、中心社区和手袋厂为研究区监测径流过程，请参见图4，图4示出了水域、道路、屋面、绿地的分布以及标示了径流采样点。从城市地块开发强度来看，低碳城、中心社区、手袋厂分别属于低、中等、中高开发强度；从透水面-不透水面空间模式看，该3个城市地块分别属于聚集、聚集、均匀分布。下垫面覆盖情况见表1。

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年代以来，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4)作为深圳快速城市化的缩影，占地面积22.65km

监测城市雨水径流流量，包括屋顶、道路、绿地和雨水管道径流流量。对所提出的方法论进行实验验证。

本实施例中S1、S2地块开发强度和空间分布模式划分具体包括：为了简单有效地反映城市地块的水文特征，我们开发了一种新的城市地块分类系统(请参见图5)。在该分类系统中，首先根据不透水地表面积比率将城市地块划分为低开发强度low developmentintensity(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high developmentintensity (HDI)等四种开发强度。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。其次，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-uniformpattern(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有较大的影响。

S5中具体包括：方法论的建立--迁移因子。迁移因子反映地表径流及其污染物进入雨水管网的能力，考虑不透水地表-透水地表空间模式对绿地捕获径流这一过程的影响，与径流相关的过程划分为径流产生过程和透水地表周围的径流滞留过程(图2)。计算如下：

F

其中，F

S4中具体包括：量化径流产生能力。通过综合径流系数来反映城市地块汇水区平均产流能力。计算如下：

其中，i代表第i个城市地块，j代表第j种下垫面，W

S3中具体包括：提出基于透水-不透水空间模式的滞留系数。系数法是一种常用的解决复杂环境问题的方法，比如雨水系统的滞留系数和基于距离衰减的系数。在居住区、工业区、商业区和公园等城市地块有3中基本的透水-不透水空间模式，包括均匀分布、环形均匀分布和聚集分布。这些空间模式的差异会影响径流滞留。为了考虑这种效应，我们提出了基于透水-不透水空间模式的滞留系数。事实上，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。我们不妨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。于是，反应透水-不透水面空间格局的滞留系数可以计算如下：

其中，i代表第i个城市地块汇水区，k代表第k个子地块，W

S3还包括滞留系数的改进。绿地是一种透水地表，通常被认为是径流及其污染物的汇，可以削减径流并去除径流中的污染物。但是，随着降雨持续进行，绿地土壤的水分将会逐渐饱和，绿地中的洼地、坑也会逐渐被填满，失去渗透和存储径流的能力。绿地会由径流的汇转变为径流的源。因此，滞留系数可以修改如下：

其中，sign代表符号函数，当P大于P

值得注意的是，为了识别绿地由径流汇转变为径流源的降雨阈值，我们首先假设不透水地表产生径流的50％将会流入周围的绿地。通过 SCS-CN方法中的模拟不同开发强度城市地块基于降雨事件的降雨量与径流系数之间的关系，获取绿地由径流汇转变为源的降雨阈值。

我们基于现场调查结果，选择了三个不同透水率和透水-透水之间空间格局地块(低碳城，中心社区和手袋厂)(图4中B-D)。而且，这三个地块中实施了各种低影响开发(LID)措施，因此产生的径流在流经绿地时会被存储、滞留和净化。我们假设这三个城市地块是成对的排水单元，表 1提供了三个城市地块的特征。

表1三个不同开发强度汇水区概况

为了从开发强度和空间格局方面比较不同城市地块之间城市面源污染严重程度的差异，从三个成对的排水单元(地坛，中新和寿岱)监测了城市雨水径流流量，包括屋顶、道路、绿地三种典型下垫面和排水单元总出口的径流流量。具体地，排水单元总出口的径流量用流量计(Starflow： 6526)测量，道路和屋顶的径流量用容积法测量，例如，在径流产生后的最初10分钟内，每5分钟测一次。然后在接下来的30分钟中每10分钟测量一次。最后每隔20分钟测量一次其他样品，直到径流停止为止。记录每个样品的时间和体积，以确定总径流量。翻斗式雨量计(HoBo：RG3-M) 用于记录降雨序列。有关现场实验的记录可在表中找到。

表2基于降雨事件的现场监测记录

三个具有不同开发强度和空间格局的城市地块的实地监测数据，验证了提出的迁移因子的有效性，请参见图6，其中A因素为透水地表-不透水地表空间格局；B因素为降雨量。在16个事件中，14个事件计算的径流量与传统方法和观测径流量的偏差为27-448％，与考虑空间格局影响的方法计算的径流量的偏差为14-112％。此外，与同时考虑空间格局和降雨量影响的方法的径流量偏差为1-86％。这表明，渗透-不渗透空间格局和降雨量可以显著提高径流估算的精度。提出的迁移因子可以更好地指示径流风险。一些例外情况，如2019/03/09及2019/07/07，则是由于雨量极少所致。

此外，我们发现透水-不透水地表空间格局在生态水文界面长度上对陆面流动有明显的影响：首先是不透水面和透水面(L/A

九个虚拟地块被用来展示如何使用新迁移因子评估迁移风险。请参见图8，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。可以看出，大雨下所有城市地块之间的径流运输风险要比小雨或中雨下的高。例如，在小到中雨时，径流运输风险随着开发强度的降低而降低，依次为HDI(0.90)＞MHDI(0.27)＞MDI(0.11)＞LDI(0.02)。相反，在大雨时，它们分别增加到1.0、0.36、0.2和0.1。值得注意的是，径流运输的风险也随透水-不透水表面空间格局发生变化。以MHDI城市地块为例，在小雨或中雨条件下，径流风险由高到低依次是均匀分布(0.31)＞环均匀分布(0.27)＞聚集分布(0.24)。但是，在大雨时，其风险值分别增加到0.41、0.36和0.32。这主要是因为在大雨下土壤水分将逐渐饱和，洼地将逐渐被填充和溢出，从而导致更高的水文连通性。以上结果表明新的迁移因子可以很好地反映降雨量，空间格局和地块开发强度对径流迁移风险的影响。

在中高开发强度地快MHDI，径流运输风险最低的是透水-不透水表面呈聚集分布；而在中等开发强度地块MDI，径流运输风险最低的透水-不透水表面成环形均匀分布。因此，规划和建造中高强度城市地块MHDI 时，呈聚集分布的透水不透水表面是最佳选择，但在中等强度城市地块 MDI时，环形均匀分布是最佳选择。

图9为深圳市丁山河流域面源污染迁移风险图。每个小方块表示300× 300m分辨率的城市地块。高迁移风险区域主要位于流域的中下游，其土地利用以工业，道路和住宅为主。另外，在小雨和中雨时，迁移因子在 0～0.90之间，而在大雨时则在0.1～1.0之间(图9Avs.图9B)。这意味着面源污染迁移风险随着降雨量的增加而增加。

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。