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城市雨水径流污染特征及排水系统模拟优化研究

汉京超  
【摘要】:近年来,随着城市化进程的不断加快和城市人口的不断增加,城市大气和屋面、路面等下垫面遭受到日益严重的污染。雨天在城市地表中累积的大量污染物被雨水径流冲刷和裹挟到城市受纳水体中,造成了严重的污染和破坏。雨水径流污染已经成为城市水环境污染的主要原因之一。因此,为了更好的保护城市水体,非常有必要开展城市雨水径流污染特征及排水系统模拟优化研究。 本研究首先针对我国南方典型临海盆地型平原城市福州市,研究了其雨水径流的瞬时浓度和事件平均浓度(EMC)的分布变化、污染物之间相关性和径流的初期效应等污染特征。结果表明在14场代表降雨中,旧城区不同居民区地表径流COD、NH3-N、TP和SS的EMC均值分别在95.5~194、2.57~3.33、0.75~1.39和149~240mg/L之间,而新城区的相应指标则在74.1~84.0、1.62~1.84、0.34~0.37和117~128mg/L之间,旧城区雨水径流的污染水平明显高于新城区。14场降雨中,SS与COD之间的线性关系最好,均呈现出显著的相关性。此外,福州市居民区、商业区和办公区地表和雨水排放口径流均存在一定的初期效应,虽然并不是特别显著。 其次,本研究评估了降雨基本参数及雨型、城市下垫面、城市功能区和排水体制对雨水径流污染的影响。降雨基本参数中,前期晴天数的影响程度超过降雨量、降雨历时和最大降雨强度,而雨水径流中污染物的瞬时浓度变化与降雨雨型具有明显的相关性。与此同时,旧城区居民区不同下垫面径流中COD、SS、NH3-N和TP等四类污染物呈现出相同的大小规律:直接湿沉降屋面径流地面径流雨水排放口;而新城区居民区则表现出直接湿沉降屋面径流小区地面径流≈道路路面径流≈雨水排放口的变化规律。不同功能区地表径流中的四类污染物浓度,呈现出居民区商业区办公区的规律;而不同排水体制的雨水排放口径流则存在截流式合流制直排式合流制分流制的状况。 再次,本研究建立了分流制雨水管道溢流污染物来源的区分计算方法,以金山碧水一期为例进行分析,结果表明地表径流是分流制小规模居民区中雨水管道径流污染的主要贡献者,尤其是小区内部道路径流占据了最大的贡献比例。例如,小区内部道路径流向雨水排放口径流中分别贡献了52.4±7.5%的COD,50.6±11.0%的SCOD,50.5±11.8%的DOC和49.8±8.7%TP。此外,混接污水和管道沉积物在雨水管道雨天溢流污染中也扮演了重要角色。 然后,本研究建立了按照流域进行雨水径流污染总量计算公式。经计算,镇江市全年雨水径流污染总量为TSS25396吨,NH3-N175.0吨,TP40.3吨,COD5718吨,BOD52064吨,TOC591.6吨,给城市的河网水系带来了严重的污染负荷。对于不同污染控制措施的效果比较,合流制改分流制达到的污染物减排效果最好,但是成本最高,工程量最大;建设雨水调蓄池相对而言减排效果最差,但是工期短、见效快,而且成本最低;增设截流管道减排效果中等,但工程量大,性价比和可行性较低。 此外,本研究还提出了“截流式综合排水体制”的概念,该体制包括内部排水管网体系、沿受纳水体两岸铺设的截流干管系统和污水处理系统三个有机组成部分。综合分析表明该排水体制对于福州市和南平市均有较强的适用性,可以根据城市的具体情况,在目标约束前提下进行排水系统的优化组合。在此基础上,本文针对福州某一排水片区建立Infoworks ICM排水管网模型,模拟了排水管网受到不同重现期、降雨历时和降雨类型的暴雨下地面的积水状态和管网的超负荷状态。在此基础上找出了管网的限制性管道并对其进行了针对性的模拟和优化,模拟表明可以通过增大局部管道管径的方式综合提高整个排水管网的排水能力乃至其能承受的暴雨重现期。


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