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城市面源污染特性及污染负荷预测模型研究 1
叶 闽 杨国胜 肖 彩
长江水资源保护科学研究所 武汉 430051
1
摘 要 本文通过分析武汉市汉阳地区城市面源污染的来源和污染特征，并针对城
市土地利用和下垫面类型特点，建立城市面源污染预测模型，研究探讨城市降雨径
流及污染负荷预测模拟和迁移规律。所建模型已成功地应用于武汉市汉阳地区城市
面源污染控制技术研究，获得了满意的结果。该模型可为城市水环境规划、面源控
制和管理研究提供科学手段。
关键词 城市面源 污染特性 预测模型
1 前 言
随着我国城市化水平的发展进程加快，可渗透地面的面积比例越来越小，由暴
雨径流产生的突发性的、冲击性强的城市面源污染已成为受纳水体水环境污染的主
要来源之一。城市暴雨径流中包含有大量的污染物，使得其初期径流产生的污染负
荷远高于城市生活污水。因此，由面源引起的水环境污染已成为当前城市水环境综
合治理中亟待解决的主要问题之一。
近十年来，武汉汉阳地区的城市面源污染加剧，大量污染物排入水体，水质急
剧下降，由城市面源污染和其他污染引起的水环境问题已经严重制约了城市的可持
续发展。本文通过分析武汉市汉阳地区城市面源污染的种类、来源和污染物特征；
并针对城市土地利用和下垫面类型特点，建立城市面源污染预测模型，研究探讨城
市降雨径流及污染负荷预测模拟和迁移规律。为有效控制城市面源污染提供强有力
的科学手段。
2 汉阳地区城市面源污染来源及特性
武汉市汉阳地区位于武汉市西南部，长江、汉江交汇处的三角地带。为武汉三
镇一方。以汉阳区汉阳大道和鹦鹉大道为轴的建成区，两面临江（东北临汉江，东
南 临 长 江 ） 是 汉 阳 地 区 人 口 密 度 最 高 的 地 区 ， 人 口 密 度 为 1.6 万 人 /km 2 。
，
汉阳区域内水资源较为丰富，分布着大大小小的湖泊数十个。根据近年来湖泊
水质监测结果分析，汉阳城区几个重点湖泊水质极差，按国家地表水环境质量标准
评 价 ，基 本 均 为 劣 V 类 。这 些 湖 水 污 染 来 源 除 受 工 业 污 染 废 水 、城 市 生 活 污 水 共 同
影响外，来源于暴雨冲刷地表固体污染物所产生的污染也不容忽视。特别是在暴雨
初期，由于降雨径流将地表的、沉积在下水管网的污染物，在短时间内，突发性冲
刷 汇 入 受 纳 水 体 ，而 引 起 水 体 污 染 。据 观 测 ，在 暴 雨 初 期（ 降 雨 前 20 分 钟 ）污 染 物
2
浓 度 一 般 都 超 过 平 时 污 水 浓 度 ， 如 2003 年 6 月 ， 对 汉 阳 地 区 城 市 雨 水 排 水 出 口 处
一 次 大 暴 雨 监 测 ，其 监 测 结 果 比 平 时 排 放 口 流 出 的 污 水 浓 度 要 高 得 多 ，如 SS（ 悬 浮
物 ）浓 度 值 就 高 于 平 时 污 水 浓 度 的 10 倍 左 右 ，COD 高 3～ 4 倍 ，而 且 暴 雨 期 入 湖 水
量 远 远 的 大 于 平 时 排 放 口 的 水 量 。因 此 ，城 市 面 源 也 是 引 起 水 体 污 染 的 主 要 污 染 源 。
对于城市面源污染具有突发性、高流量和重污染等特点，主要是因为城市的硬
质下垫面占大多数，径流系数较大，因而形成径流的时间短，地下入渗量小，对污
染物的冲刷强烈。另外，由于城市的市政建设和管理不到位，城市排水管网以雨污
合流制居多，生活垃圾及废弃物任意丢弃，由人为因素引起的面源污染占总污染量
的 60％ 以 上 。使 得 这 些 污 染 物 除 了 受 地 形 影 响 在 雨 水 的 作 用 下 流 向 低 洼 地 外 ，大 部
分汇入了城市地下排水系统，然后流入湖泊、河流中污染其水体。
根据实地调查和遥感卫星资料分析，武汉市汉阳城区，主要以工矿企业、城市
居民区、机关单位的建筑物群、城市道路（包括停车场、广场等）不透水硬质下垫
面 为 主 ，硬 质 下 垫 面 占 城 区 面 积 80％ 左 右 ，其 他 为 沿 湖 荒 地 、菜 地 、小 区 公 园 、道
旁绿地等一些透水地面即软质下垫面组成的区域。下垫面的类型直接决定了面源污
染的性质和特征。经过调查分析，汉阳城市面源有如下一些特征：
（ 1）城 市 的 硬 质 下 垫 面 占 大 多 数 ，径 流 系 数 较 大 ，形 成 径 流 的 时 间 短 ，地 下 入
渗量小，对污染物的冲刷强烈。径流形式以短时间的地表径流和较长时间的管内流
为主。
（ 2）城 市 面 源 － 雨 水 径 流 可 粗 分 为 屋 面 径 流 和 路 面 径 流 。屋 面 径 流 污 染 源 主 要
为屋面沉积物及屋面材料析出物。最关键的因素为屋面材料性质。路面径流水质除
了与路面材料、老化程度有关外，还取决于道路交通密度。主要污染源为路面沉积
物、行人和车辆的交通垃圾等。屋面径流和路面径流两者所受的污染程度不同。屋
面径流基本不受人、车辆等流动因素的影响，因此水质略好于路面径流。
（ 3）面 源 负 荷 来 源 主 要 为 ：屋 面 建 筑 材 料 、建 筑 工 地 、路 面 垃 圾 和 城 区 雨 水 口
的垃圾和污水、汽车产生的污染物、大气的干湿沉降等。在这些污染物中产生负荷
影响较大为雨水口的垃圾和污水。雨水口的污染可分为三种：人为扫入、丢入的各
种 生 活 垃 圾（ 纸 屑 、烟 头 等 道 路 及 生 活 固 体 垃 圾 ）、人 为 倾 倒 的 污 水 和 腐 烂 变 质 的 沉
积物等。
（ 4）地 表 径 流 大 部 分 通 过 城 市 下 水 管 网 排 入 受 纳 水 体 中 ，其 汇 水 区 范 围 主 要 通
过排水管网的走向确定。
3
（ 5） 城 市 面 源 的 主 要 污 染 物 为 ： 有 机 物 、 SS、 石 油 类 和 N、 P 等 。
3 汉阳地区面源污染模拟
3.1 模拟方法
面 源 污 染 是 造 成 水 体 水 质 污 染 的 重 要 因 素 之 一 ，要 控 制 面 源 污 染 ，除 加 强 城 市
管理力度，减少人为因素影响外，根据面源污染源特征，研究城市面源污染物的产
生、运移与输出过程，开发出适合汉阳地区的城市面源污染负荷与预测模型。也是
为更有效辩识影响面源污染的各种关键性因素，分析城市发展与城市面源污染的关
系，有针对性采取一系列技术和措施，削减径流量，降低污染物输出浓度，达到控
制面源污染有效途径。
其 来
由于面源污染是由降雨径流产生， 污染具有发生随机、 源和排放点不固定、
污染负荷的时空变化大、污染途径的随机性和多样性、监测、控制和处理难度大等
复杂特点。因此，对其面源污染的预测和模拟存在着很大的难度。
国 际 上 对 面 源 污 染 的 产 生 规 律 和 模 型 模 拟 也 进 行 了 大 量 研 究 。基 于 城 市 面 源 污
染物的产生主要源于降雨径流冲刷地表累积物，以及径流挟带污染物在排水系统内
的运移，在此基础上开发出大量城市面源污染模型。其中，比较成功的模型有：城
，
市 暴 雨 水 管 理 模 型 （ SWMM） 和 城 市 暴 雨 径 流 模 型 （ STORM） 化 学 物 质 径 流 负 荷
。
与 流 失 模 型 （ CREAMS） 另 外 ， 在 此 之 后 开 发 的 MIKE－ SWMM 模 型 ， 将 一 维 非
恒定流模型与暴雨径流的分布式模型结合，模拟暴雨水和废水排放系统中管道有压
流 、 排 水 渠 和 地 表 漫 流 等 。 目 前 ， 模 型 的 发 展 重 点 是 将 地 理 信 息 系 统 GIS 与 原 有 的
面源污染模型相结合，评价面源污染的发生区域，污染物的运移变化、控制措施的
影 响 以 及 受 纳 水 体 的 响 应 等 。 如 土 壤 水 体 评 价 模 型 （ SWAT ， Soil and Water
，
Assessment Tool） 已 经 在 美 国 18 条 主 要 河 流 系 统 得 到 了 广 泛 应 用 。
本 文 结 合 汉 阳 地 区 城 市 面 源 污 染 的 特 性 ，将 城 市 地 表 径 流 产 、汇 流 联 系 在 一 起 ，
基 于 单 元 网 格 产 流 产 污 、汇 流 模 型 ，以 及 排 水 管 网 的 水 动 力 学 模 型 和 污 染 迁 移 模 型 ，
建立了分布式城市面源污染模型，模拟暴雨径流过程中城市面源污染特征及其变化
规律。
4
3.2 建立城市面源径流模型
根据城市区域特点，其降雨径流产生呈三种形式，地表径流、屋面径流和排水
管网径流，排水管网径流将滞后前两种形式，而这三种模拟方法也是不同的。
（ 1） 地 表 径 流 模 型
根据研究区域特点，将不同的地表类型归纳为三种类型的单元，即不透水有滞
蓄 A1、 不 透 水 无 滞 蓄 A3 和 透 水 有 滞 蓄 单 元 A2。 并 根 据 地 表 子 单 元 的 特 征 为 具 有
相同的坡度，其水文参数如曼宁值，洼地蓄水，下渗为常量。通过联合曼宁方程的
连续性方程建立非线性滞蓄方程。
对一个子单元，连续性方程为：
dV dd
A Ai * Q
dt dt
（ 1）
其 中 ， V=A · d— 单 元 中 的 水 量 ， m 3 ； d— 水 深 ， m； t— 时 间 ， s； A— 单 元 表 面
积 ， m 2 ； i*— 净 雨 =雨 强 – 蒸 发 – 下 渗 ， m/s； Q— 出 流 ， m 3 /s。
出流用曼宁公式表示：
1.49 5 1
Q W (d d p ) 3 S 2
n
（ 2）
其 中 ，W—子 集 水 区 宽 度 ，m；n—糙 率 ；d p —滞 蓄 水 深 ，m；S—子 集 水 区 坡 度 。
将 （ 1） 式 和 （ 2） 式 联 立 得 出 一 个 非 线 性 微 分 方 程 ， 即 非 线 性 滞 蓄 方 程 ：
dh 1.49 W 5 1
i* (h hp) 3 S 2
dt A n
5
i * WCON (h hp) 3
（ 3）
1
1.49 W S 2
其 中 ， WC
A n
O
(4)
方 程 （ 3） 的 求 解 是 在 时 间 步 长 内 通 过 简 单 的 有 限 区 间 的 方 法 。 将 方 程 （ 3） 可
近似表示为：
5
h2 h1 1 5
i * WCON [h1 (h2 h1 ) hp] 3
t 2
（ 5）
其 中 ， △ t=时 间 步 长 ， s.
然 后 方 程 （ 5） 的 求 解 可 用 Newton - Raphson 迭 代 方 法 ， 得 出 h 2 。 然 后 则 可 计
算 时 间 t+△ t 的 瞬 时 出 流 流 量 Q。 Q 也 是 排 水 系 统 的 入 口 流 量 。
（ 2） 屋 顶 产 流 模 型
屋 顶 的 特 征 为 不 可 透 水 ，屋 顶 净 雨 量 为 雨 强 I、屋 顶 面 积 S 以 及 时 间 步 长 △ t 三
者的积。当下泄水量小于排水管最大设计能力时，产流量为净雨量除以时间步长，
即:
Q0
Q
t
(6)
Q I S
(7)
其 中 ，Q 0 =净 雨 量 ，m 3 ；Q=屋 顶 产 流 量 ，m 3 /s；I=雨 强 ，m/s；S=屋 顶 面 积 ，m 2 ；
△ t=时 间 步 长 ， s。
假 定 屋 顶 排 水 管 的 最 大 设 计 流 量 为 Qs， 则 有 如 下 关 系 ：
Qd Q I S ， Q Qs
（ 8）
Qd Q s ， Q Qs
(9)
其 中 ， Q d =下 泄 流 量 ， m 3 /s； Q s =屋 顶 排 水 管 的 最 大 设 计 流 量 ， m 3 /s， 根 据 建 筑
设计规范，依据当地气象特征确定。
下泄速度根据管道水力学方法计算：
1
Vs 2 gH
l
1
d
(10)
其 中 ， H=建 筑 物 屋 顶 高 度 ， m； =动 量 系 数 (0.5~1) l =管 长 ， m；
6
d=管 道 的 水 力 半 径 ， m。 因 此 ， 下 泄 流 量 为 ：
Qd I S ， Q Qs
(11)
n n
Qd Qs Vsi Ai Vsi Ri2 ， Q Qs
i 1 i 1
（ 12）
滞 后 时 间 ： T h
Vs
(13)
其 中 ， n=建 筑 物 屋 顶 排 水 管 的 数 目 ， Ri=建 筑 物 屋 顶 排 水 管 i 的 半 径 ， m。
（ 3） 排 水 系 统 水 力 学 模 型
排水系统（管网）概化为由一些节点（检查井，管道连接点等）连起来的连杆
。
（管道） 采用动力波方程计算管道流量和节点水位，基本方程如下：
非恒定流方程
无侧流汇入的非恒定流方程，即连续性方程。
Q A
0
x t
(14)
，
其中 Q 为管道的流量，x 为距离（沿管道水流方向的长度） A 为过水面积，t
为时间。
以流量和水位为独立变量的动量方程写为：
Q (Q 2 / A) H
gA gAS f 0
t x x
（ 15）
其 中 g 为 重 力 加 速 度 ， H 为 水 位 ， Sf 为 摩 阻 坡 降 ， 由 曼 宁 公 式 求 摩 阻 坡 降 Sf：
gn 2
Sf QV
AR 4 / 3
（ 16）
其中 n 为曼宁糙率，R 为水力半径。
管道节点的连续性方程可写为：
7
(
H
)t
Qt
t ( As ) t
（ 17）
其 中 As 为 节 点 的 水 面 积 。
（ 4） 排 水 管 网 污 染 物 迁 移 水 质 模 型
（ HC ） (UHC ) 2 ( HC )
Dx H (C s C d )
t x x 2
(18)
其 中 ：C 为 溶 质 浓 度 ；H 为 x 方 向 的 水 位 ；U 为 x 方 向 的 流 速 ；Dx 为 x 方 向 的
扩 散 系 数 。 Cs 和 Cd 是 污 染 物 输 移 的 源 漏 项 。
4 计算实例
城市面污染源主要是由降雨径流的淋浴和冲刷作用产生的，城市降雨径流主要
以合流制形式，通过排水管网排放，径流污染初期作用十分明显。本研究实例选定
研 究 区 域 内 一 场 典 型 暴 雨 进 行 分 析 计 算 ， 暴 雨 过 程 线 见 图 1。 利 用 城 市 面 源 污 染 模
模 图
型 对 其 汇 水 区 暴 雨 径 流 过 程 与 污 染 指 标 进 行 模 拟 ， 拟 结 果 分 别 见 图 2、 3 和 图 4。
由结果图可以看出：对于特定区域内的单场降雨径流过程，其汇水出口处水量
和水质都随时间有明显的变化特征。因为集水区的透水性较差，径流系数较大，降
雨形成径流过程就短，初期径流量急剧增加，在很短时间内即可达到峰值。污染物
SS 和 COD C r 变 化 过 程 呈 现 大 体 相 同 的 变 化 趋 势 ， 其 峰 值 都 超 前 于 径 流 而 先 达 到 。
水量和水质的计算值和实测值基本吻合，水质计算误差相对于水量计算误差大，但
其计算精度都可以满足工程示范研究的需要。
5 结 语
城市面源污染是引起受纳水体污染的重要因素之一。面源污染具有发生随机、
来源和排放点不固定、污染负荷的时间和空间变化幅度大、监测、控制和处理困难
而且复杂等特点，其形成过程是一个非常复杂的过程。本文建立的城市面源污染预
测模型，通过检验证明该模型的精度较高，可以满足实际工程的要求。同时，也可
用于城市雨水、面源污染控制与治理研究，为城市水环境规划、评价和管理提供决
策依据。
8
9
0. 6
25
流量（m /s）
实测值
3
0. 5 计算值
20
0. 4
15
降雨量（mm）
0. 3
10
0. 2
5
0. 1
0
2. 1 2. 3 2. 5 3. 1 3. 3 3. 5 4. 1 4. 3 4. 5 5. 1 5. 3 5. 5 6. 1 6. 3 6. 5 0
时间（小时. 分钟) 3. 11 3. 41 4. 11 4. 41 6. 1 6. 4
时间（小时. 分钟）
图1 暴雨过程线图 图2 流量实测值与模拟值比较图
2000
实测值 600
1800 实测值
计算值
500 计算值
1600
1400
400
1200
COD（mg/L）
SS（mg/L)
1000 300
800
200
600
400 100
200
0
0
3.01 3.21 3.41 4.01 4.21 4.41 5.01 6 6.2 6.4
3.01 3.21 3.41 4.01 4.21 4.41 5.01 6 6.2 6.4 时间（小时.分钟）
时间（小时.分钟）
图3 SS 浓度实测值与模拟值比较 图4 CODCr 浓度实测值与模拟值比较图
参 考 文 献
[1] 赵 景 柱 ， 汉 阳 地 区 城 市 水 体 的 面 源 污 染 控 制 技 术 与 工 程 示 范 ， 2003， 2.
[2] 车 武 ， 刘 燕 ， 李 俊 奇 ， 北 京 城 区 面 源 污 染 特 征 及 其 控 制 对 策 ， 北 京 建 筑 工 程 学
院 学 报 ， 2002， Vol.17 No.4
[3] 王 敏 尔 ， 董 志 勇 ， 城 市 非 点 源 污 染 的 初 步 探 讨 ， 浙 江 工 业 大 学 学 报 ， 2003 年 ，
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Report EPA/600/3-88-001a.
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10
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Tech. Vol.37, No. 12, pp. 131 -139, 1998.
[7] M. Chandra Sekhar and P. Anand Raj. Landuse -Water quality modelling: a case
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[9] 岑 国 平 ，沈 晋 ，范 荣 生 . 城 市 暴 雨 径 流 计 算 模 型 的 建 立 和 检 验 . 西 安 理 工 大 学 学
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[10] 李 怀 恩 ， 沈 冰 ， 沈 晋 . 暴 雨 径 流 污 染 负 荷 计 算 的 响 应 函 数 模 型 . 中 国 环 境 科 学 .
1997， 2， Vol 17. No.1
- 11 -
Properties of Urban Diffusing Pollution and Studies on
Pollution Load Prediction Model 1
Ye Min, Yang Guosheng, Xiao Cai
Changjiang Water Resources Protection Institute, Wuhan, China
1
Financed by special fund of the ―863‖ State Hi-tech Research and Development Program (2002AA601022)
- 12 -
Abstract Through analysis on the sources and properties of urban diffusing pollution in Hanyang
District, Wuhan, a model is established for prediction of urban diffusing pollution based on the urban
land use and the underlying cushion types to study and discuss the urban rainfall runoff and pollution
load prediction model and the moving rules. The model has been successfully applied to the studies on
the urban diffusing pollution control technologies in Hanyang District, Wuhan and satisfactory results
have been achieved. The model can provide scientific methods for urban water environment planning,
diffusing pollution control and management studies.
Key words urban diffusing pollution, pollution properties, prediction model
1 Introduction
With speeding up of the process of urbanization development in China, the proportion of permeable
land area becomes less and less. The paroxysmal and impulsive urban diffusing pollution caused by
rainstorm runoff has become one of the major sources of water environment pollution of receiving
water bodies. There is a large amount of pollutant in the urban rainstorm runoff, allowing the pollution
load from initial runoff far higher than the urban domestic sewage. Therefore, the diffusing water
environment pollution has become one of the major issues to be addressed in the current urban water
environment regulation.
In recent ten years, the urban diffusing pollution has been exacerbated in Hanyang District, Wuhan. A
large amount of pollutant was discharged into the water bodies and the water quality was sharply
degraded. The water environment issue caused by urban diffusing pollution and other pollutions has
been severely restrained the urban sustainability. Through analysis on the types, sources and pollutants
of the urban diffusing pollution in Hanyang District, Wuhan, a model is established for prediction of
urban diffusing pollution based on the urban land use and the underlying cushion types to study and
discuss the urban rainfall runoff and pollution load prediction model and the moving rules to provide
strong scientific methods for effective control of urban diffusing pollution.
2 Sources and properties of urban diffusing pollution in
Hanyang District
The Hanyang District, one of the 3 towns of Wuhan, is located in the southwest of Wuhan City, a
triangular zone at the confluence of the Yangtze and Hanjiang rivers. The areas taking Hanyang
Avenue and Yingwu Avenue as the axes, which are facing the river on both sides (Hanjiang River at
- 13 -
the northeast and Yangtze River at the southest), are the most densely populated in Hanyang District.
The population density is 16,000 per km2.
The Hanyang District is rich in water resources, distributed with dozens of lakes, big and small.
Analyzed based on the water quality monitoring results of lakes in recent years, the water quality in the
important lakes is extremely poor in the District, basically classified as Class V according to the
National Environmental Quality Standards for Surface Water. In addition to the joint influence of
industrial and urban domestic discharge, the sources of pollution to these lakes from scouring by
rainstorm to surface solid pollutants may not be neglected. Particularly in the initial stage of rainstorm,
the water bodies are quickly polluted in a short period of time because the rainfall runoff scours the
pollutants on the ground surface and deposited in the sewerage network into the receiving water bodies.
As observed, in the initial stage of rainstorm (20 minutes before the storm), the concentration of
pollutants is generally more than that of the sewage at ordinary times. For instance, a monitoring at the
outlets of urban rainfall discharge at a rainstorm in Hanyang District in June 2003 indicated that the
concentration of sewage in the effluent at the outlets was much higher than that at ordinary times. For
example, the concentration of SS (suspended Solids) was higher by 10 times or so, COD by 3-4 times.
Furthermore, the inflow into the lake during storm is much more than the discharge at the outlets at
ordinary times. Therefore, urban diffusing pollution is also the major source of pollution causing
pollution to water bodies.
The properties of sudden occurrence, high flow and heavy pollution of urban diffusing pollution are
mainly due to big proportion of hard underlying cushion and big runoff coefficient in the city, therefore,
there is a short duration of runoff formation and a little amount of percolation into ground, causing
intensive scouring to pollutants. In addition, due to incomplete urban municipal construction and
management, the drainage network is dominated by combined discharge of rainwater and sewage and
the domestic waste is disposed of at discretion. The diffusing pollution caused by human factors
accounts for above 60% of the total pollution. In addition to flowing to low-lying places under the
action of rainwater due to topography, these pollutants mostly conflux into the urban underground
sewerage system and then into lakes and rivers to pollute the water bodies.
According to site investigation and remote sensing satellite data analysis, the urban area of Hanyang
District consists of mainly buildings of factories, mines and enterprises, urban inhabitants,
governmental organizations and city roads (including parking lots, squares, etc.) which are mainly
- 14 -
impervious hard underlying cushion accounting for 80% of the urban area, others are lake side
wastelands, vegetable gardens, parks, and road side greens which are some permeable lands, i.e., soft
underlying cushion. The types of underlying cushion directly decide the natures and properties of
diffusing pollution. Through investigation and analysis, the urban diffusing pollution in Hanyang
District is characterized with the following:
（1）Big proportion of urban underlying cushion, big runoff coefficient, short period of runoff
formation, little percolation into ground, strong scouring to pollutants. The type of runoff consists
mainly of short time surface runoff and long time in-pipe flow.
（2）The urban diffusing pollution – rainwater runoff can roughly be divided into roof flow and paving
flow. The pollution sources of roof flow are mainly the deposits on roof and the staff separate out of
roof materials. The key factor is the nature of roof materials. The water quality of paving flow is related
to the paving materials and their aging and also depending on the density of road traffic. The main
pollution sources are the road deposits, pedestrian and traffic rubbish. The pollutions to roof flow and
to paving flow are at different degrees. The former is basically not impacted by moving factors such as
pedestrian and traffic, therefore, is slightly better than the pollution to paving flow.
（3）The diffusing pollution loads are mainly: roof materials, building sites, road rubbish and waste
solid and wastewater at the urban rainwater outlets, pollutants from vehicles, air dry and humid
sedimentation etc.. Among them, the most significant is the waste solid and wastewater at the urban
rainwater outlets. Pollution at the rainwater outlets can be divided into 3 categories: artificially swept
and discarded domestic wastes (wastepaper, cigarette ends, etc.), artificially dumped and poured
wastewater, and rotten and deteriorated deposits.
（4）The surface runoff is discharged mostly into receiving water bodies via urban sewerage networks.
The range is determined by the routes of the sewerage networks.
（5）The main pollutants of urban diffusing pollution are organic matters, SS, oil, N, P, etc..
3 Simulation of diffusing pollution in Hanyang District
3.1 Simulation methods
Diffusing pollution is one of the important factors causing pollution to water quality in water bodies.
To control the diffusing pollution, we should both strengthen the urban management to reduce impacts
- 15 -
of artificial factors and study the emergence, transport and output processes of urban diffusing
pollutants and develop an urban diffusing pollution load prediction model suitable for Hanyang District
based on the properties of the diffusing pollution sources to effectively identify various key factors
affecting diffusing pollution, analyze the relationship between urban development and urban diffusing
pollution, and take a series of technologies and measures of pertinence so as to provide effective means
to reduce the runoff, decrease the output concentration of pollutants, and control the diffusing pollution.
Diffusing pollution emerges from rainfall runoff, having complicated characteristics of random
occurrence, flexible sources and discharge points, big variation of pollution load in time and space,
random and varieties of pollution paths, difficult monitoring, control and treatment, therefore, it is very
difficult to predict and simulate the diffusing pollution.
A large number of studies have been performed in the world on the emergence rules and model
simulation of diffusing pollution. The urban diffusing pollutants emerge mainly from scouring of
rainfall runoff to surface deposits and transport of runoff-carrying pollutants in the drainage system. On
basis of this, numerous urban diffusing pollution models have been developed. The most successful
models are: SWMM, STORM, CREAMS, etc.. The MIKE-SWMM developed afterwards combines the
1D non-steady flow model and the rainstorm runoff distributive model to simulate the pressured flow
of rainstorm and wastewater in the discharge system and the overflow in drainage canals and on the
ground. Currently, the focus of model development is put on the combination of GIS and the existing
diffusing pollution models to evaluate the regions where diffusing pollution occurs, change of pollutant
transport, influence of control measures, and response of accepting water bodies. For instance, the
SWAT (Soil and Water Assessment Tool) has been widely used on 18 major river systems in the
United States of America.
In combination with the properties of the urban diffusing pollution in Hanyang District, the paper puts
together the urban surface runoff producing and confluence to establish the distributive urban diffusing
pollution model based on the unit grid runoff and sewage producing and confluence model as well as
the drainage network hydraulic model and the pollution transport model to simulate the properties and
change rules of urban diffusing pollution in the process of rainstorm runoff.
3.2 Setup of urban diffusing pollution runoff model
According to the characteristics of urban areas, the producing of rainfall runoff appears in 3 types, i.e.,
- 16 -
surface runoff, roof runoff, and drainage network runoff. The latter lags behind the former two types.
Furthermore, they are different in simulation methods.
（1）Surface runoff model
Based on the properties of the study area, various surface categories are induced into units of 3 types,
i.e., A1 (impervious with detention and storage), A3 (impervious without detention and storage) and
A2 (pervious with detention and storage). Then, a non-linear detention and storage equation is set up
via the continuous equation of the joint Manning formula for those of same slope where the
hydrological parameters such as Manning value, low-lying storage and percolation are constant based
on the natures of surface sub-units>
For a sub-unit, the continuous equation is:
dV dd
A Ai * Q （1）
dt dt
Where,
V=A· is the water volume in the unit, in m3; d is water depth, in m; t is time, in s; A is the surface area
d
of the unit, in m2; i* is net rain = rain intensity – evaporation – percolation, in m/s; Q is outflow, in
m3/s。
The outflow is expressed by Manning equation:
1.49 5 1
Q W (d d p ) 3 S 2 （2）
n
Where,
W is width of sub-set water area, in m; n is roughness; dp is depth of detention and storage, in m; S is
slope of sub-set water area.
Combining equations（1）and（2）into a non-linear differential equation, i.e., non-linear detention and
storage equation:
dh 1.49 W 5 1
i* (h hp) 3 S 2
dt A n （3）
5
i * WCON (h hp) 3
Where,
1
1.49 W S 2
WCON (4)
A n
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Solution to equation（3） to pass through the simple finite interval in a time step. Equation
is （3） be
can
expressed approximately as:
h2 h1 1 5
i * WCON [h1 (h2 h1 ) hp] 3 （5）
t 2
Where,
△t= time step, in s.
Then, the Newton - Raphson iterative method can be used to solve equation（5）to educe h2 and then to
calculate the instantaneous outflow Q in t+△t. Q is also the flow at the entrance of the drainage
system.
（2）Roof runoff producing model
The roof is impervious. The net rainfall on the roof is the product of multiplication by rain intensity I,
roof area S and time step △t. When the discharge is less than the max design capacity of the drainage
pipe, the producing runoff is the quotient of the net rainfall divided by time step, i.e.,
Q0
Q
t (6)
Q I S (7)
Where,
Q0=net rainfall, in m3; Q=roof runoff producing, in m3/s; I=rain intensity, in m/s; S=roof area, in m2;
△t=time step, in s.
It is assumed that the max design discharge of roof drainage pipe is Qs, then,
Qd Q I S , Q Qs （8）
Qd Q s , Q Qs (9)
Where,
Qd=discharge, in m3/s; Qs= max design discharge of roof drainage pipe, in m3/s, which are determined
based on local meteorological features according to Criteria on Building Design.
The discharge is calculated by the hydraulic methods of pipes:
1
Vs 2 gH (10)
l
1
d
Where,
- 18 -
H=height of building roof, in m; =momentum coefficient (0.5~1); l =pipe length, in m;
d=hydraulic radius of pipe, in m. Therefore, the discharge is:
Qd I S , Q Qs (11)
n n
Qd Qs Vsi Ai Vsi Ri2 ，Q Qs （12）
i 1 i 1
Lag time: T h (13)
Vs
Where,
n=number of drainage pipes on the building roof, Ri=radius of roof drainage pipe i, in m.
（3）Hydraulic model of drainage system
The drainage system (pipe network) is generalized as connecting poles (pipelines) linked by some
nodes (inspection shafts, pipe connecting points, etc.). The pipe flow and node water level are
calculated by dynamic wave equations, basically:
Non-steady flow equation
Non-steady flow equation without confluence of lateral flow, i.e., continuous equation
Q A
0
x t (14)
Where,
Q is flow in the pipe, x is distance (length in the flow direction of the pipe), A overflowing area, t is
time.
The momentum equation taking flow and water level as independent variables is:
Q (Q 2 / A) H
gA gAS f 0 （15）
t x x
Where,
g is acceleration of gravity, H is water level, Sf is friction resistance gradient. Sf is educed by Manning
equation:
gn 2
Sf QV （16）
AR 4 / 3
Where,
n is Manning roughness, R is hydraulic radius.
- 19 -
The continuous equation of pipe nodes is:
(
H
)t
Qt （17）
t ( As ) t
Where,
As is the water area of node.
（4）Drainage network pollutant transport water quality model
（ HC ） (UHC ) 2 ( HC )
Dx H (C s C d ) (18)
t x x 2
Where,
C is concentration of solute, H is water level in x direction, U is flow velocity in x direction, Dx is
diffusion coefficient in x direction, Cs and Cd are items of pollutant transport
4 Case study
The urban diffusing pollution is mainly caused by showering and scouring of rainfall runoff. The urban
rainfall runoff is discharged via drainage network in the pattern of combined flow and, therefore, the
runoff pollution is very evident in the initial stage. The study case selects a typical rainstorm in the
study area for analysis and calculation. See Fig 1 for the curve of the rainstorm process. The urban
diffusing pollution model is used to simulate the rainstorm runoff process and pollution indexes in the
confluence zone. The modeling results are shown in Fig 2, Fig 3 and Fig 4.
It is seen from the figures that in the runoff process of individual rainfall in particular regions, the water
volume and quality at the outlet of confluence changes evidently with time. Due to poor permeability,
big runoff coefficient, and short formation period of runoff by rainfall in the catchment area, the initial
runoff increases sharply and reaches to the peak in a very short of time. The processes of SS and
CODCr tend to change almost similarly and the peak values come ahead of the runoff. The calculation
and measured values of water volume and water quality are basically identical. The calculation errors
of water quality is bigger than that of the water volume, but its accuracy can meet the need for
demonstration studies of the project.
5 Conclusions
Urban diffusing pollution is one of the key factors to cause pollution to receiving water bodies. The
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diffusing pollution is characterized with random occurrence, flexible sources and discharging points,
big variation of pollution loads in time and space, and difficult and complex monitoring, control and
disposal. The formation is a complicated process. The urban diffusing pollution prediction model set up
in the paper can meet the needs of actual projects due to high accuracy as verified and proved.
Meanwhile, it can also be applied to studies on urban rainfall and diffusing pollution control and
regulation and can provide decision basis for urban water environment planning, evaluation and
management.
0. 6
25
流量（m /s）
实测值
3
0. 5 计算值
20
0. 4
15
降雨量（mm）
0. 3
10
0. 2
5
0. 1
0
2. 1 2. 3 2. 5 3. 1 3. 3 3. 5 4. 1 4. 3 4. 5 5. 1 5. 3 5. 5 6. 1 6. 3 6. 5 0
时间（小时. 分钟) 3. 11 3. 41 4. 11 4. 41 6. 1 6. 4
时间（小时. 分钟）
Fig. 1 Process of rainstorm Fig. 2 Comparison of measured and
modeled flow
2000
实测值 600
1800 实测值
计算值
500 计算值
1600
1400
400
1200
COD（mg/L）
SS（mg/L)
1000 300
800
200
600
400 100
200
0
0
3.01 3.21 3.41 4.01 4.21 4.41 5.01 6 6.2 6.4
3.01 3.21 3.41 4.01 4.21 4.41 5.01 6 6.2 6.4 时间（小时.分钟）
时间（小时.分钟）
Fig. 3 Comparison of measured and modeled Fig. 4 Comparison of measured and modeled
SS concentration CODCr concentration
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