（环境工程专业论文）上海市区透水性铺面与雨水系统雨污混接特性研究.pdf

a d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o 保密- k1 寄 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g s t u d y o np e r m e a b l ep a v e m e n t sa n d c h a r a c t e r i s t i c so fi i l i c i td i s c h a r g et o s e p a r a t es t o r ms e w e rs y s t e m si n s h a n g h a i s c h o o l ：c o l l e g eo fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：y i n g y i n gm e n g s u p e r v i s o r ：p r o f t i a nl i m a r c h ，2 0 0 9 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：垂莩杉 弘。7 年弓月谬e t 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 壶荔甍、 o - a g 0 7 年弓月1 3 - 日 摘要 摘要 随着上海城市点源污染逐步得到控制，面源污染已成为危害城市受纳水体 水质的主要污染源。对于城市面源污染的控制，可分别通过源头、传输过程和 末端治理进行，其中源头控制措施可从根本上预防和减少潜在污染，逐渐得到 人们的重视。 在源头控制的工程性措施中，本文主要对渗透措施中的透水性铺面进行了 研究。对上海市4 种具有代表性的可透水的铺面进行了现场双环渗透实验，测 定表面渗透速率、稳定渗透速率、稳定渗透时间，并对部分现场取出的铺面面 层砌块及新砌块进行了单体透水系数测定。在此基础上，分析了各种铺面的实 际渗透性能和砌块本身的渗透性能，评价了各铺面的实际应用效果，确定了影 响透水性铺面渗透性能的主要因素，并对其进一步的推广应用提出了建议。实 验结果表明：透水性铺面在上海的实际工程应用案例非常少，主要包括预制 透水砖铺面和现浇透水混凝土路面两种类型，现浇路面的使用效果好于预制砖 铺面。透水性铺面以及目前广泛应用的缝隙透水型铺面都容易被堵塞且垫层 的透水性能较差，应加强日常维护，重视垫层的透水性能。基层土壤的渗透 性能不是限制透水性铺面应用效果的主要因素。 在非工程性源头控制措施中，本文主要对雨污混接状况的分析评估进行了 研究。通过对上海市典型分流制居住小区和分流制雨水系统的旱流污水进行水 量水质监测，结合对照合流制小区、合流制排水系统旱流污水的水量水质检测 结果，探讨了分流制小区和分流制雨水系统旱流污水来源的评价方法。研究方 法和结果可为上海市居住小区及分流制雨水系统雨污混接的分析诊断提供指 导，并为后续改造工程提供借鉴。 在小区与市政分流制系统层面上的雨污混接检测结果表明：上海市新开 发区域分流制居住小区w 、g 的单位面积混接污水量约为1 0 1 - 1 9 1 m 3 ( h a d 1 ， 混接率约在1 4 - - 2 7 ，污水组成以洗涤废水为主，在查找源头时可重点关注 阳台放置洗衣机及洗涤盆等情况。不同混接程度的分流制雨水系统h 、g 、n 单位面积的旱流截流水量分别为3 6 1 0 m 3 ( k m 2 d 1 、1 5 5 0 m 3 ( k m 2 d ) 、 2 9 7 0 m 3 ( k m 2 d ) ，而根据水量构成推断的系统混接率分别为1 1 、1 8 、3 2 。 h 系统截流水量以渗入地下水为主，混接生活污水比例较低，g 、n 系统截流 水量以生活污水为主，旱流污染负荷较高，因n 系统每日有大量污水溢流入河， 计算所得截流水量和系统混接率均偏低。在国内目前的条件下，本文提出的 通过旱流水量水质监测相结合进行混接来源检测的方法可为类似分流制街坊、 摘要 小区、雨水系统混接状况的分析诊断提供借鉴。 本文还对生活污水中两个主要组成部分灰水、黑水的水质进行了初步 分析，通过调查部分小区、市政排水系统旱流污水的水质概况，总结出了灰水、 生活污水的水质特征：灰水的显著特点为l a s n h 3 n 0 2 、n i - - 1 3 n k 0 2 ，n i - 1 3 - n k 1 ，s a n i t a r y w a s t e w a t e rw a sl a s n h 3 一n 1 ，a n dt h i sc a np r o v i d er e f e r e n c ef o r p r e l i m i n a r yj u d g e m e n to fi l l i c i td i s c h a r g es o u r c e s i v a b s t r a c t k e y w o r d s ：u r b a nn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，s o u r c ec o n t r o l ，p e r m e a b l ep a v e m e n t ， b a s ec o u r s e ，m a i n t e n a n c e ，i l l i c i td i s c h a r g ea n a l y s i s ，d r y w e a t h e rf l o wp o l l u t i o n ， g r e yw a t e r , b l a c kw a t e r , f l o wc h a r tm e t h o d v 目录 目录 第1 章绪论 1 1 城市面源污染研究的背景与意义1 1 2 城市面源污染控制的理论与方法2 1 3 源头控制。4 1 3 1 源头控制措施4 1 3 2 部分源头控制措施国外研究经验介绍7 1 4 国内城市面源污染研究概况1 3 第2 章课题研究的背景、内容与方法1 5 2 1 研究背景1 5 2 2 研究思路与内容1 6 2 3 研究方法1 8 第3 章透水性铺面应用效果研究。2 0 3 1 双环渗透实验2 0 3 1 1 实验地点2 0 3 1 2 实验装置2 1 3 1 3 实验机理2 2 3 1 4 实验方法2 2 3 1 5 实验数据处理2 3 3 2 材料透水系数测定。2 4 3 2 1 样本选择2 4 3 2 2 实验装置2 4 3 2 3 实验方法与数据处理2 5 3 3 实验结果与分析2 5 3 3 1s 型铺面调查结果与分析2 5 3 3 2q 型铺面调查结果与分析：2 7 3 3 3t 型铺面调奄结果与分析2 8 3 3 4h 型铺面凋杏结果与分析2 8 v 1 目录 3 4 影响透水性铺面实际渗透能力的因素讨论一3 0 3 4 1 面层渗透系数3 0 3 4 2 垫层材料3 0 3 4 3 土壤渗透系数3 0 3 5 透水性铺面实际应用效果评价3 1 3 6 对透水性铺面推广应用的建议3 1 3 7 本章小结3 2 第4 章分流制小区雨水管道旱流污染来源研究3 4 4 1 研究对象一3 4 4 2 水质监测结果与分析一3 5 4 2 1b 小区水质监测结果与分析3 5 4 2 2w 小区水质监测结果与分析3 5 4 2 3g 小区水质监测结果与分析3 8 4 2 4 各小区水质分析与比较3 9 4 3 水量监测结果与分析一4 1 4 3 1b 小区水量监测结果与分析4 1 4 3 2w 小区水量监测结果与分析4 1 4 3 3g 小区水量监测结果与分析4 2 4 3 4w 、g 小区混接状况分析4 3 4 4 潜在混接来源的水质调查结果与分析。4 4 4 5w 、g 小区旱流污水来源分析4 5 4 5 1 水量水质结合分析4 5 4 5 2 流程图法4 7 4 5 3 混接成因分析4 8 4 6 本章小结。4 8 第5 章分流制雨水系统旱流污染来源研究5 0 5 1 研究对象一5 0 5 2 水量调查结果与分析。5 2 5 2 1a 泵站水量调查结果与分析5 2 5 2 2h 泵站水量调查结果与分析。5 2 5 2 3g 泵站水量调查结果与分析5 2 t 目录 5 2 4n 泵站水量调查结果与分析。5 4 5 3 水质调查结果与分析5 5 5 3 1a 泵站旱流污水水质分析5 5 5 3 2h 泵站旱流污水水质分析5 7 5 3 3g 泵站早流污水水质分析5 9 5 3 4n 泵站旱流污水水质分析6 0 5 3 5 各监测泵站早流污水水质比较分析6 1 5 4 旱流污染来源分析一6 3 5 4 1 水量水质综合分析。6 3 5 4 2 流程图法6 4 5 5 讨论一6 4 5 5 1 混接率估算6 4 5 5 2 混接评价与改造6 5 5 6 本章小结6 6 第6 章结论6 8 致谢7 0 参考文献7 1 个人简历在校期间发表的学术论文与研究成果7 5 v i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 城市面源污染研究的背景与意义 污染水环境的污染源，可分为点源和面源。在上世纪7 0 年代末发达国家就 注意到，在那些点源污染控制相对良好，甚至达到零点源污染排放的城市和地 区，面源污染才是流域水质恶化，污染久治无效的根源，而其中随着城市化的 快速发展而出现的城市面源污染所占的比例正在同益提高。城市面源污染的主 要类型是地表径流带来的污染，即是指在降雨过程中雨水及其形成的径流流经 城市地面，聚集一系列污染物质并直接排入水体造成的污染。 美国2 0 0 0 年进行的全国水质普查显示，城市降雨径流和雨水排放带来的面 源污染已经成为河流、湖泊水库、江河海口污染的第四、第三、第二大污染源 1 1 】，其对水体污染的贡献率占美国水体污染的6 0 ；在美国已实现污水二级处 理的城市中，年排放入水体的b o d 总负荷中4 0 8 0 来自地表径流。在上 海，排水系统雨天溢流已成为城区水体污染的主要原因，1 9 9 6 - 1 9 9 9 年，苏州 河沿岸市政泵站每年排入苏州河的水量约为3 0 0 0 万m 3 ，c o d 污染负荷约 4 3 0 0 t 。据初步的保守估算，北京、上海的城区雨水径流污染负荷约占水体污染 负荷的1 0 ，随着城市排水工程的加速建设和污水处理程度的不断提高，到 2 0 1 0 年，北京城区雨水径流污染负荷的比例将上升到1 2 以上，上海将上升至 2 0 左右【2 1 。 城市面源污染主要有以下特征【3 l ： ( 1 ) 污染物浓度高。城市暴雨径流中总固体颗粒物( t s s ) 、悬浮性颗粒 物( s s ) 的浓度均高于在城市生活污水的浓度，这是因为城市暴雨径流突发性 强，地表冲刷比较剧烈造成的。 ( 2 ) 污染物浓度随径流过程而变化。每次降雨径流过程中污染物随时间延 续而逐渐递减，污染物浓度在降雨强度达到一定程度以后趋于稳定。 ( 3 ) 暴雨径流初期造成的污染严重。暴雨初期，径流突发性冲刷力强，街 道地表堆积物极易被径流携带迁移，导致初期径流污染物浓度可以达到相当高 的水平。 ( 4 ) 径流排放具有不确定性。径流排放污染物的种类、排放时间、排放数 量和排放途径因降雨事件的不同而不同，使得污染负荷的时空差异性较大。 虽然与点源污染相比，面源污染控制的难度更大，但在世界范围内，城市 面源污染已成为危害城市水体水质的主要污染源，深入开展城市面源污染控制 第1 章绪论 方面的研究，对于削减水体污染负荷，保护城市水环境有着重要意义。 1 2 城市面源污染控制的理论与方法 近三、四十年来，城市面源污染方面的研究在发达国家受到广泛关注，尤 其是环境意识较强的欧美国家，相关的研究也更加全面。近年来，发展中国家 随着经济的发展和环境矛盾的激化，也开始重视这一问题，并且进行了一定的 研究。在这些研究中，以美国对于城市面源污染方面的研究历时最久，已形成 较为完整的研究体系。 美国在2 0 世纪6 0 年代点源污染得到基本控制后，逐步认识到面源污染对 水环境的重大影响，在1 9 7 2 年修订通过的联邦水污染控制法( f e d e r f lw a t e r p o l l u t i o nc o n t r o la c t ，f w p c a ) 中首次明确提出了面源污染控制的要求，从此 开始了以进一步改善水环境为主要目标的面源污染治理行动【4 1 。1 9 7 8 , - - - 1 9 8 3 年， 美国环保署发起了全国范围的城市径流计划( n a t i o n a lu r b a nr u n o f fp r o g r a m ， n u r p ) ，对城市地表径流的特征进行研究，确定引起水质恶化的主要污染源， 并实行有针对性的控制措施，这为今后一系列的研究提供了必要的基础资料和 技术支持。1 9 8 7 年，美国国会修订了清洁水法( c l e a nw a t e ra c t ，c w a ) ，应 该法规的要求，美国环保署建立了针对城市面源污染控制的全国污染物排放削 减体系( n a t i o n a lp o l l u t a n td i s c h a r g ee l i m i n a t i o ns y s t e m ，n p d e s ) ，并于1 9 9 0 年正式进入第一阶段的实施。该法规主要针对服务人口超过1 0 万的雨水管道系 统、施工影响超过5 英亩的建筑工地和1 0 类工业活动制定了严格的雨天负荷削 减目标，规定了最大日排放负荷量。1 9 9 9 年1 2 月，n p d e s 被重新修订，进入 了第二阶段的建设，管制对象扩充到所有城区雨水管道系统和占地1 , - - - 5 英亩的 建筑工地，并于2 0 0 3 年3 月全面实施【5 1 。第二阶段n p d e s 力图最大程度的减 少污染物排放、保护水质，因此对于雨水排放的控制更加严厉，它包括六个基 本控制措施：向公众普及关于雨天污染负荷影响及削减的教育；让公众参 与雨天污染负荷削减的行动；对雨污混接进行检测和清理；对建筑施工工 地的雨水径流污染进行控制；对新建、改建工程的雨水径流污染进行控制； 实施污染预防及家务管理。 对于城市面源污染的控制，很多国家都己建立了系统的管理法规和技术体 系，具有代表性的控制策略主要有美国的最佳管理措施b m p s ( b e s t m a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 【酬，英国的可持续城市排水系统s u d s ( s u s t a i n a b l eu r b a n d r a i n a g es y s t e m ) 1 7 1 ，澳大利亚的水敏感性城市设计w s t j d ( w a t e rs e n s i t i v e u r b a nd e s i g n ) i s j ，德国和新西兰的“集中式和分散式”( c e n t r a l d e c e n t r a l ) 控 2 第1 章绪论 制措施【9 ，1 0 1 等。 1 、b m p s b m p s 是一种技术、方法或工程性的控制措施或多种措施的组合，主要用于 暴雨径流的水量和水质管理，其核心是在径流进入水体对水环境产生污染前，通 过各种经济高效、满足生态环境要求的措施使其得到有效控制，它随着美国对于 径流污染研究的发展而发展起来，在1 9 8 3 年n u r p 结束时即形成了第一代b m p s 管理方案。在n p d e s 实施的过程中，对b m p s 进行了不断的改进，在2 0 0 3 年形成 了第二代b m p s 管理方案。经过了二十多年的发展，b m p s 对城市雨水污染控制的 法令和技术也更加严格和完善。 b m p s 包括工程性措施( s t r u c t u r a lm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 和非工程性措施 ( n o n s t r u c t u r a lm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 两类。 工程性措施依赖于工程设施或手段来控制和减少暴雨径流的排放量以及径 流中污染物的浓度和总量，它主要是在径流流动的过程中采取某种措施，故也 被称为径流控制措施。从功能上看，可分为渗透系统、滞留存储系统、过滤系 统、收集回用系统等，每个系统皆包含若干工程性措施，如渗透系统中的透搪 性铺面、滞留存储系统中的延时滞留调节池、收集回用系统中的屋面雨水收集 利用等。 非工程性措施重点强调污染源的控制以及各种管理措施的运用，希望通过改 变公众的行为来减少进入雨水系统以及最终进入受纳水体的污染物数量，主要包 括制度建设、宣传教育和公众参与等。非工程性措施可以从源头上减少污染物的 产生和累积，因而也被称为源头控制措施。典型的非工程措施有制定污染防治规 划，管理土地使用，减少露天垃圾堆放，清扫路面，消除雨污混接等等。 不同的区域具有不同的径流水质特征和污染治理目标，在制定面源污染控 制方案时，应立足于当地具体的水文、地质、气候等条件，对两种措施进行筛 选组合，充分利用各种技术的优势，制定出适合当地情况的最优方案。 2 、s u d s 英国可持续城市排水系统s u d s 的理念是将雨水作为资源进行收集、存储、 处理、再分配和回用，对未经利用的雨水径流以一种接近自然的方式排放。它 使用的具体措施类似于美国的b m p s ，如技术措施中的洼地、草地缓冲带、湿 地和池塘等等，此外，还有一些非工程性的措施，如在雨水管理中运用价格手 段、排放量控制手段等市场机制。 3 、w s u d 澳大利亚的水敏感性城市设计( w s u d ) 通过源头收集雨水，最大程度地 将雨水进行渗透、就地存储、处理和回用，从而减少暴雨径流量以及由此带来 3 第1 章绪论 的污染。它将城市的发展建设与整体水文循环过程相结合，旨在将城市发展对 水文的环境影响减到最小，从城市范围的规划建设到街区、住房尺度的规划建 设都应遵守这一规则。类似于美国的b m p s ，它也分为工程性措施和非工程性 措施，主张两者的结合使用，但w s u d 更强调非工程性措施中规划的重要性。 4 、集中式和分散式控制措施 集中式和分散式控制措施分别从不同的尺度实行雨水径流的削减。“集中 式”控制主要在宏观层面上进行，它的具体措施包括公共雨水管、雨水存储池、 雨水利用等多种技术措施。“分散式 控制强调小范围、小区域的就地处理， 即在雨水发生地采取措施进行处置，避免径流所携带污染物在输送过程中进行 溶解和扩散，它包括湿地、塘、自然水道、河岸缓冲带、土壤渗透、天然植被 带等措施的利用。 在上述理论方法中，以美国b m p s 的研究最为系统全面、应用也最为广泛， 其他国家的做法多少都借鉴了它的理念和具体成果，通过融合自身径流水量、 水质、环境、生态等各种特点，形成有地方特色的雨水管理体系。而且，这些 理论方法总体上都体现了一种源头控制的思想，即自源头起预防潜在污染的产 生，或尽可能减少污染物的产生，用控制污染的产生替代解决污染造成的损害。 因此，对于城市面源污染控制的研究，源头控制将是主要的方向，强化源头控 制将成为现代城市雨水管理的趋势。 1 3 源头控制 根据源头控制的定义，在面源污染控制的工程性和非工程性b m p s 中，各种 非工程性b m p s 都可称为源头控制措施，它是建立在管理层面上的污染削减措施， 强调政府部门和公众参与的作用；而对于工程性b m p s 中的源头控制，则是反映 在对于径流的处置上，注重在径流产生的源头就地进行水量削减和水质控制，主 要体现在雨水的就地入渗、就地滞留以及直接利用方面。 1 3 1 源头控制措施 1 、污染源管理措施 政府部门应根据法律制定各种行政法规与管理制度，从源头上加强管理， 将污染物的产生控制在最低限度，这是降低污染负荷量最直接而又经济有效的 办法。目前常用的污染源管理措施包括： ( 1 ) 加强地面清洁管理，扩大清扫范围、缩短清扫周期、提高清扫质量， 减少地面堆积物数量； 4 第1 章绪论 ( 2 ) 建立固体废弃物分类收集制度，提倡废物回用； ( 3 ) 严禁向市政排水系统和水体倾倒丢弃有毒有害废弃物和垃圾，禁止未 经授权的家庭、工业和商业排水管道连接到市政雨水系统； ( 4 ) 加强废弃物堆放场管理，防止污染扩散； ( 5 ) 减少化肥、杀虫剂、除草剂等化学用品的使用； ( 6 ) 建立畜禽养殖管理制度，防止畜禽排放物等对环境造成污染； ( 7 ) 建立雨水口及下水道清理制度，及时清除积聚的污染物； ( 8 ) 控制烟尘、粉尘、汽车尾气及其它废气排放，减少大气污染； ( 9 ) 加强公众教育、提高环保意识，控制个人不合理行为产生的污染。 2 、