（环境工程专业论文）初期雨水弃流装置水力控制渠道的水动力学分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国城市化进程的加快和国民经济的高速发展，水资源短缺和水环境污 染日趋严重。目前，雨水的资源化已成为水资源利用和保护中的重要研究课题， 雨水回收利用对改善城市生态环境，促进城市水资源和水环境的可持续发展具有 重要的意义。 因受到自然降雨历时过程的随机性、地表污染沉积物的不确定性和地貌及其 水文特征复杂性等因素的影响，地表雨水径流中水质、水量呈现出很强的随机变 化特征。作为雨水回收利用工程技术关键的雨水收集过程，现有的雨水收集装置 或系统一直存在洁净雨水收集效率低和排除初期雨水的安全性和可靠性低的问 题，严重制约了雨水回用技术的发展和推广应用，原因是这些装置或系统都没有 对雨水径流中的水质的随机变化过程进行跟踪识别和控制，不能实时准确地确定 排除初期雨水和收集洁净雨水的时间段，在具体操作时会产生含高浓度污染物的 雨水径流流入雨水收集储存池中造成污染或者损失大量的可回收的洁净雨水的 严重问题。 本课题通过参考相关文献、现场试验研究和对雨水径流的水动力学分析，从 实时降雨过程和雨水径流过程的水力和水文特征出发，分析雨水径流中污染物浓 度随径流过程呈现随机波动、初期增大后期减小的变化特性，试验研究了地表径 流污染的随机波动性和c o d 于s s 浓度变化的相关性；设置矩形雨水控制渠和 初期雨水弃流机构，通过建立求解雨水控制渠道中污染物的离散控制方程，和雨 水流动的水动力学控制方程圣维南方程组，对控制渠中雨水径流污染物的迁移过 程进行分析，并编制控制程序，以对雨水弃流装置中雨水弃流机构的启闭过程进 行控制，完成精确排放初期污染雨水和高效收集洁净雨水的过程。 本研究能有效解决我国城镇雨水回用技术中洁净雨水收集的效率低、安全 性差的问题，为城镇雨水回用，解决水资源短缺问题提供可靠的技术支撑，其社 会经济效益显著。 关键词雨水径流污染；雨水控制渠；明渠一维污染扩散模型；圣维南方程组 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 = = = = ：= ：= ：= = = = = = = = = = = = = = = - - - 一wt l 一- - - - - - = a = a b s t r a c t a st h ep r o g r e s so fu r b a n i z a t i o na n dt h ed e v e l o p m e mo fo d p , t h el a c ko fw a t e r r e s o u r c e sa n dw a t e re n v i r o n m e n tp o l l u t i o nt u r n sm o r ea n dm o r es e r i o u s c u r r e n t l y , t h er e c y c l i n go fr a i n w a t e rh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ts t u d yd i r e c t i o ni nt h ew a t e r r e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dp r o t e c t i o n t h er e c y c l i n go fr a i n w a t e rm a k e sg r e a ts e n s ei n i m p r o v i n gu r b a ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dp r o m o t i n gt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o fu r b a nw a t e rr e s o u r c e sa n dw a t e re n v i r o n m e n t t h ew a t e rq u a l i t ya n dw a t e rq u a n t i t yo fs u r f a c ew a t e rd r a i np r e s e n ts t r o n g r a n d o mc h a n g ec h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h ei n f l u e n c eo fr a n d o m i c i t yo fp r e c i p i t a t i o n , u n c e r t a i n t y o fs u r f a c e p o l l u t i o ns e d i m e n t ，c o m p l e x i t y o fp h y s i o g n o m ya n d h y d r o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s t h ec u r r e n tr a i n w a t e rc o l l e c t i o nd e v i c e so rs y s t e m sh a v e al o we f f i c i e n to fc o l l e c t i n gt h ec l e a nr a i n w a t e ra n dc a nn o ta v o i dt h eu n s a f e t ya n d l o wr e l i a b i l i t yo fr a i n w a t e ri nt h ei n i t i a lp e r i o d ，w h i c hb a d l yr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n t a n dp o p u l a r i z a t i o no ft h er e c y c l i n gt e c h n i co fr a i n w a t e r t h er e a s o nl i e si nt h a tt h e s e d e v i c e sa n ds y s t e m sh a v en ot r a c k i n ga n dc o n t r o l l i n go ft h er a n d o mc h a n g ep r o c e s so f r a i n w a t e rq u a l i t y , a n dc a n n o ta c t u a l l yd e t e r m i n et h et i m ep e r i o do fi n i t i a lr a i n w a t e r a n da v o i di t t h e r e f o r e ，t h e r ea r es e r i o u sp r o b l e mo fc o l l e c t i n gp o l l u t a n t so fh i 曲 c o n c e n t r a t i o ni n t ot h er a i n w a t e rs t o r a g ep o o la n dp o l l u t el a r g ea m o u n to fr e c y c l a b l e c l e a nr a i n w a t e r b a s e do nr e f e r e n c er e a d i n g ，l o c a le x p e r i m e n ta n dh y d r o d y n a m i c sa n a l y s i so f r a i n w a t e rd r 血t h i st l l e s i sa n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a n d o mf l u c t u a t i o no ft h e p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni nt h er a i n w a t e rd r a i na n dt h ed i s t i n c to ft h ei n i t i a li n c r e a s i n g a n da n a p h a s ed e c r e a s i n go fp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n t h r o u g he x p e r i m e n t ，t h e u n c e r t a i n t yo ft h ep o l l u t i o no f s u r f a c ed r a i na n dt h er e l a t i v i t yo fc o da n ds sc h a n g e s a r es t u d i e d ar e c t a n g l ew a t e rc o n t r o l l i n gd i t c ha n di n i t i a lr a i n w a t e rd i s c a r d i n gd e v i c e a r es e tu p ，w h i c hm a k e st h eh y d r o d y n a m i c sa n a l y s i so ft h er a i n w a t e rc o n t r o l l i n gd i t c h a n dt h ea n a l y s i so fd i s c r e t ec a s eo fp o l l u t i o nc o n t r o l l a b l e t h ed i s c r e t ec o n t r o l l i n g f u n c t i o no fp o l l u t a n t si nt h er a i n w a t e rc o n t r o l l i n gd i t c ha n dt h es a i n t v e n a n te q u a t i o n s e to fh y d r o d y n a m i c sc o n t r o l l i n gf u n c t i o no fr a i n w a t e rm o t i o na r e e s t a b l i s h e d , f u r t h e r m o r e ，t h et r a n s f e rp r o c e s so fr a i n w a t e rp o l l u t a n t si nt h ec o n t r o l l i n gd i t c hi s a n a l y z e d , a n dt h ec o n t r o l l i n gp r o g r a mi sw o r k e do u lw i t l lw h i c h , t h eo p e n i n ga n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 c l o s i n gp r o c e s so fi n i t i a lr a i n w a t e rd i s c a r d i n gd e v i c ei sc o n t r o l l e d t h i sd e v i c eb r o u g h tu pi nt h i st h e s i ss o l v e dt h ep r o b l e mi nt h ec o l l e c t i o no f r a i n w a t e ri no u rc o u n t r yt h a tt h ec o l l e c t i n ge f f i c i e mi sl o wa n dt h es a f e t yi nc o l l e c t i o n i sb a d t h i sp r o v i d e dar e l i a b l et e c h n i cs u p p o r ti nt h er e c y c l i n go fr a i n w a t e ra n d s o l u t i o no fw a t e rr e s o u r c es h o r t a g e ，w h i c hh a sag r e a ts o c i a la n de c o n o m i c a lb e n e f i t k e y w o r d sp o l l u t i o no fr a i n w a t e rd r a i n ；r a i n w a t e rc o n t r o l l i n gd i t c h ，；o n e d i m e n s i o n a l p o l l u t i o nd i s p e r s i o nm o d e lo fo p e nc h a n n e l ，；s a i n t - v e n a n te q u m i o n s e t 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密0 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“- 4 ”) 学位论文作者签名：杨剪 日期：歹, 0 1 0 f 少 指制雠：和 日期：矽缈多z 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 选取西南交通大学九里校区做为研究对象，分析雨水径流污染特征；建立预 动作式初期雨水弃流装置，针对雨水控制渠中污染物的迁移扩散，进行污染物扩 散分析和水动力学分析。 在西南交通大学学报增刊上发表篇论文。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作 了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：衣勿勇 日期：加o 歹 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究的意义及背景 第一章绪论 1 1 1 我国水资源现状 水资源是十分重要又特殊的自然资源，是生态环境的控制性因素之一，是人 类赖以生存发展的物质基础和人类可持续发展的制约因素，是社会经济发展的 命脉。由于水资源在时空分配上的不均匀，加之人类对水资源的不合理开发利用 和严重浪费，以及社会发展工业化程度的提高对水源污染的加重，使得用水矛盾 越来越突出。进入2 1 世纪，我们面临洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化三大问 题，水已经成为全世界各国人民关注的焦点，人类社会遇到了前所未有的水问题 的挑战。 我国属于水资源贫乏的发展中国家，拥有世界2 2 的人口，却只享有世界 6 的水资源【1 1 ，被联合国列为世界1 3 个贫水国之一，全国6 0 0 多座大中城市中， 有4 0 0 多座缺水。据预测，到2 l 世纪中叶，我国的贫水状况将达到高峰。城市 规模的不断扩大、城市人口的急剧增加和经济的迅速发展，导致需水量不断增加， 同时又产生大量污水，造成了水体污染，加剧了水资源的短缺，资源不足的矛盾和 城市生态问题在我国许多地区愈显突出。预测到2 0 3 0 年，我国人口将达到1 6 亿， 人均水资源量将降低至1 7 6 0 m 3 i 引。水资源短缺和水环境恶化已经成为制约我国 城市发展和社会进步的重要因素( 曹连海等，2 0 0 5 ) 。 图1 12 0 0 7 年世界人口平均水资源量( 单位：立方米入) 嚣 辱 美 铆 基 荑 雾 锭 n j 名 每一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 雨水是最根本、最直接、最经济的水资源，是地球上一切可更新水资源的源 泉，其总量达5 1 0 万亿立方米，我国多年平均降水总量为6 2 万亿立方米，可 利用的雨水资源量巨大。早在2 0 0 2 年，中国工程院重大咨询项目中国城市水 资源可持续发展利用就对我国城市雨水利用的潜力做出了估算，若将2 0 的雨 洪量利用起来，到2 0 1 0 年可利用雨水4 0 亿立方米，相当于全国城市用水总量的 1 0 左右，而到2 0 3 0 年可利用雨水6 0 亿立方米。雨水资源开发、收集、利用不 仅对解决目前水资源短缺问题具有战略意义，也将成为2 1 世纪干旱、半干旱地 区雨水深度利用发展的必然趋势。2 0 世纪8 0 年代初，国际雨水收集系统协会 f m c s a ) 成立，国际研究的共识是：雨水利用将成为解决2 1 世纪水资源的重要途 径( 孙晓英等，2 0 0 1 ) 。城市雨水收集利用就是把雨水收集起来，经适当处理后 作为中水补充水源或回灌地下水，达到开源节流，缓解城市水资源短缺之目的。 科学合理地开发、收集、利用雨水资源将成为解决2 1 世纪水问题的重要途径， 我们必须充分认识到开发、收集、利用雨水资源的重要性、必要性和紧迫性1 3 j 。 1 1 2 城市化进程带来的水资源问题 随着我国城市化进程的不断加快，城市规模不断扩大，不透水面积大大增加， 透水系数不断下降的下垫面导致水循环平衡遭到破坏，雨水资源白自流失，进一 步加剧城市用水紧张，引发一系列环境与生态问题。 ( 1 ) 自然水分循环被破坏 雨水是自然界水循环系统中重要环节，对调节、补充地区水资源和改善及保 护生态环境起着极为关键作用。大气形成降雨落到地表面，渗透到土壤当中，不 断向下渗透到达地下含水层，从而补充地下水位。但是随着城市化进程，城市不 透水地表面积增加，城市下垫面透水性能逐渐降低，降落到城市地表的雨水不能 及时渗透到土壤当中，土壤水分含量大大降低，地下水不能得到及时补充。 ( 2 ) 雨水资源大量流失 随着城市建设的不断发展，城市规模不断扩大，不透水面积增加，意味着收 集效率增大，暴雨汇流迅速，径流量成倍增加，道路积水严重，如不及时将雨水 排走，将会严重阻碍交通( 李怀正等，2 0 0 2 ) 。目前我国城市排水系统主要采用 合流制排水系统，即雨水通过排水管道直接进入城市排污管网系统，通过处理统 一排入水体，不仅加大城市管网以及污水处理压力，更造成城市水体非点源污染。 分流制排水系统耗资巨大，旧合流制系统改建为分流制周期长、难度大、影响面 宽，并且仍然存在雨水径流污染隐患( 张书函等，2 0 0 4 ) 。不管是合流制还是分 流制，都是要将城市道路积水迅速排走，宝贵雨水资源大量流失，远远不能满足 城市道路雨水资源化需求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 3 ) 城市需水量大大增加 城市化进程的加快，一方面不透水地表面积急剧增加，另一方面也意味着城 市绿化及生产生活用水量迅速增加。我国很多城市采用自来水浇灌绿地现象还相 当普遍( 苏德荣等，1 9 9 9 ) ，很多绿地虽已安装有喷灌等节水装置，但大多由于 管理不善而闲置一边，依旧采用人工浇灌，大量雨水被排走，城市绿化又不得不 采用自来水进行浇灌的现状造成了水资源双重浪费，增加了绿地灌溉养护成本。 1 1 3 雨水利用工程技术 雨水作为自然界水循环的阶段性产物，其水质优良，是城市中十分宝贵的水 资源。通过合理的规划和设计，采取相应的工程设施，将城区雨水加以充分利用， 是解决城市水资源短缺的重要手段。雨水利用可在一定程度上改善水资源环境 ( 宋进喜等，2 0 0 3 ) ，缓解城市水资源的供需矛盾，而且还可有效地减少城市地 面水径流量，延滞汇流时间，降低城市洪水压力和排水管网负荷，降低雨水管道 投资，涵养地下水源，消除城市雨洪灾害，减少防洪投资和洪灾损失，节约自来 水，降低绿地养护成本，缓解城市用水压力；雨水利用是城市治水方针由“排蓄 结合，以泄为主”向“排蓄结合，以蓄为主”转变的重要体现。可见，雨水回用不 仅是水资源开源、节流的一条有效途径，而且对生态环境的改善、水污染的控制 等方面都具有重大意义【4 1 。因此，雨水资源化技术己受到国内外相关人士高度关 注，雨水回用技术和污水处理技术一样，已经成为城市节水工程中的一个重要组 成部分。 城区雨水利用就是通过工程技术措施收集、储存并利用雨水，或通过雨水的 渗透、回灌、补充地下水及地面水源，维持并改善城市的水循环系统。城市雨水 利用是一个大有可为的领域，是一项多目标的综合性技术。它可以产生以下综合 效益：节约用水；提高排水系统的可靠性；改善水循环；改善城市水环境；缓解 城市地面沉降；具有经济和生态意义。目前应用的技术可分为以下几大类：分散 住宅的雨水收集利用中水系统；建筑群或小区集中式雨水收集利用中水系统；分 散式雨水渗透系统；集中式雨水渗透系统；屋顶花园雨水利用系统；生态小区雨 水综合利用系统( 屋顶花园、中水、渗透、水景) 等。 1 2 国内外研究现状及进展 1 2 1 国外概况 在对雨水资源广泛开发利用的过程中，雨水利用已经成为国际上普遍重视的 课题，国际研究的共识是：雨水利用将成为解决2 1 世纪水资源的重要途径d i 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 随着雨水利用技术迅速的发展，研究雨水利用的学术活动也日趋频繁，并于 8 0 年代初成立了国际雨水集流系统协会( i r c s a ) ，加强国际雨水利用研究的学 术交流。 t s v e i n nt h o r o l f s s o n ( 1 9 9 8 ) 提出利用城市的自然环境( 盆地、湖泊、湿地 等) 吸纳雨水径流，减小径流峰值以及污染物含量1 5 】。m o r t e ng r u m ，r h a n s a a l d e r i n k ( 1 9 9 7 ) 研究和开发了城市径流污染模型【6 】。p a t r i c kl b r e z o n i k ，t e r e s a h s t a d e l m a n n ( 2 0 0 2 ) 对流域的暴雨径流量、负荷以及污染物浓度之间的关系进 行了分析研究，并建立了城市暴雨负荷和污染物浓度的预测模型【7 】。z h a n g h a i p i n g ，k i y o s h iy a m a d a ( 1 9 9 8 ) 应用基于物理的分布式模型模拟降雨中非点源 污染物负荷，为城区降雨径流与污染物产生的全面过程提供了合理的解释1 8 】。 i k t s a n i s ( 2 0 0 0 ) 提出了雨水中有毒污染物平均浓度的估算方法【9 j 。a n a t o m a n o v i c ，c e d om a k s i m o v i c ( 1 9 9 6 ) 通过对沥青集水区域降雨的试验研究， 发现径流量峰值总是在降雨强度峰值的之后几秒内出现，并建立了悬浮固体冲刷 的数学模型【1o j 。 m o l l yk al e e c a s t e r e ，e ta 1 ( 2 0 0 2 ) 对城市雨水的不同取样设计进行了评价 【1 1 1 。a n a d e l e t i c ( 1 9 9 8 ) 对城市表面径流的初期径流负荷作了研究，指出排水系 统末端的初期径流效应不太可能是进入排水系统的污染的初期径流造成的，造成 这种现象的原因可能是排水系统内污染物的转化和迁移，初期径流负荷不能根据 一系列的气候、降雨和径流特征，或者回归曲线来计算获得，初期径流很复杂 1 2 1 。 a s a x e n a , e ta 1 ( 19 9 6 ) 对阿格拉( 印度北部一城市) 的降雨的化学成分进 行了测定和研究，并分析了阴、阳离子的主要来源1 1 引。g u rs u m i r a ns a t s a n g i ，e ta 1 ( 1 9 9 8 ) 对半干旱农村地区的雨水成分进行了监测，分析认为地面对离子浓度的 贡献比较大，但人为活动和海盐因素也不容忽视1 1 4 j 。p u j ak h a r e ，e ta 1 ( 2 0 0 4 ) 对 印度北部居住区的雨水进行了化学分析，分析显示主要离子浓度在冬季比季风气 候时期高，c a 、m g 、s 0 4 、n 0 3 和n h 4 来源于土壤和生物活动，n a 、k 和c l 可能 来源于通常燃烧的排放物，而c u 、z 1 1 、f e 和n i 可能与工业活动和清扫过程有判1 5 】。 g p h u , e ta 1 ( 2 0 0 3 ) 对新加坡的雨水进行了化学分析，主要离子浓度随月份变 化，当地的气象条件在很大程度上影响了化学成分，雨水中的污染物来源于当地 的工业和交通i l6 】。i d r e e sf a 1 m o m a n i ，e ta 1 ( 1 9 9 5 ) 对工业区附近的降水的化学 成分进行了分析，主要离子浓度( c i 、s 0 4 2 、n 0 3 。、矿、n a + 、k + 、c a 2 + 、m g + 和n h 4 + ) 随降雨量而降低，湿沉积中离子的主要来源是附近工厂的排放物【1 7 】。 s e m r ag t u n c e l ，s e v g iu n g e r ( 1 9 9 6 ) 对雨水中主要阴、阳离子的浓度进行了监测， 由于空气中碱性土壤颗粒的浓度非常高，当地的雨水不呈酸性【l 引。m z u n c k e l ， e ta 1 ( 2 0 0 3 ) 对乌拉圭北部降雨的化学成分及其影响因素进行了研究，分析得出 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 四大主要污染源：陆地( 土壤、灰尘等) 、农业( 牲畜、化肥等) 、海洋空气和 大规模生物体燃烧( 森林大火等) 1 1 9 j 。d m i g l i a v a c c a , e ta 1 ( 2 0 0 4 ) 对巴西南部 大气降水的化学成分进行了研究，并作了因素分析，确定了离子的主要源。m g 、 n a 、c 1 和c a 与土壤和海盐有关，n h 4 + ，k + ，s 0 4 2 - 并- f l n o 孓，与当地人为活动( 煤的 燃烧、农业以及生物体的燃烧) 有关，旷和f 。与煤火力发电站的影响有关，n i 、 z n 、c u 、m n 、a l 和f e 来源于当地人为活动和土壤1 2 0 1 。 b a m a b en g a b e ，e ta 1 ( 2 0 0 0 ) 对美国南加州城市化区域的雨水径流进行取样， 监测和分析了雨水中多环芳香族碳氢化合物的浓度和来源【2 。j b b e l d e n ， c s h o f e l t ，m j l y d y ( 2 0 0 0 ) 利用固相萃取和气相色谱分析法( g c - n p d ) 对城 市雨水中1 2 种农药成分进行了监测分析 2 2 】。 b e i l j a m i no b r a t t e b o ，d e r e kb b o o t h ( 2 0 0 3 ) 对停车场可透水路面的长期效果 作了研究，结果表明，可透水路面没有大的磨损现象，雨水下渗，几乎没有表面 径流，渗透过的雨水中铜、锌的浓度比沥青路面雨水径流中的明显低，水样中没 有发现铅和柴油机燃料【2 3 】。 c a r i n af a r m ( 2 0 0 2 ) 对雨水处理过滤柱中不同天然滤料对重金属的去除效果 作了研究，在硅酸钙岩、沸石和泥煤的不同组合中，就水力条件和去除率方面而 言，硅酸钙岩和沸石的混合物是最有用的组合【2 4 1 。h i e k ea o o s t e r o m ，e ta 1 ( 2 0 0 0 ) 对雨水软化方法微滤、超滤作了研究，并提出何时采用微滤、超滤或反渗透、离 子交换应作成本核算和比较【2 ”。 a f e w k e s ( 19 9 9 ) 通过现场试验获得数据，校正和改进了雨水收集容积大小 模型，并利用这一模型生成了一系列有关集水面积、需水量、降雨量、系统效率 和储存容积之间关系的设计曲线1 2 6 】。 从2 0 世纪7 0 年代起，发达国家从保护水环境及充分利用水资源的角度出发， 开始研究适合治理雨水污染及回用的处理工艺( 如在雨水调节池后设简单的沉淀 及砂滤装置) 及相关的管理模型( 如：s w m m 暴雨雨水管理模型；s t o r m 储存处 理与漫流模型；b a t t e l l e 径流管理模型等) 。 2 0 世纪8 0 年代初期，世界各国已经掀起了雨水利用的高潮。美国、前苏联、 突尼斯、巴基斯坦、印度、澳大利亚等国都对雨水利用十分重视，对雨水的集水 面进行了研究1 2 7 。墨西哥利用天然不透水的岩石表层为集水面；美国利用化学材 料处理集水面以增加集水效率；索马里在集水面上铺设塑料薄膜、沥青纸、金属 板等，集水效果很好【2 引。 德国是欧洲主张广泛进行雨水利用的国家之一，自1 9 8 9 年制定了屋面雨水利 用设施标准以来，德国城市雨水利用技术以进入标准化、产业化阶段，并逐步向 集成化、综合化方向发展。许多公司已开发出具有收集、过滤、储存、提升、渗 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 透、控制、检测等功能的成套设备和系列定型产品，并已建成较多的雨水利用工 程。柏林等一些城市还将城市雨水利用和城市环境、城市生态建设等结合起来进 行设计已建成具特色的生态小区雨水利用设施。由于下垫面条件的不同，来自 不同面积上的降水径流水质有较大的差异，如来自屋顶等面积上的降水径流除初 期受到轻度污染外，后期径流一般水质良好；机动车道等面积上的降水径流，则 由于车辆的磨损而含有大量的金属、橡胶和燃油等污染物质。因此，一般将不同 降水径流分别收集r 对来自屋顶等的径流，稍加处理或不经处理即直接用于冲洗 厕所、灌溉绿地或构造水景观等：对来自机动车道等面积上的径流，则要处理达 标后方可排放。一般采用沉淀后经氧化沟处理，再渗入地下的方式。这样，一方 面减轻了污水处理的压力，又通过利用雨水减少丁大量的自来水供应蝌。在德国， 雨水径流主要用于构造城市水景观和人工水面、灌溉绿地、补给地下水、冲洗厕 所和洗衣及改善生态环境等。德国不但在太面积商业开发区具有成熟的雨水利用 技术，在成规模的居民小区建设中也体现了雨水利用的观念。其雨水利用的理念 为：屋顶的雨水首先通过雨漏管进入楼寓周围绿地，经过天然土壤渗入地下，若 雨水大于土壤的入渗能力，则进入小区的入渗沟或洼地；道路及停车场的雨水径 流直接进入小区的入渗沟或洼地。入渗沟或洼地根据绿地的耐淹水平设计，标准 内降水径流可全部入渗，遇超标准降水，则通过溢流系统排入市政污水管道。 日本雨水回用开展很多，于1 9 6 3 年开始兴建滞洪和储蓄雨水的蓄洪池，将 雨水用作喷洒路面、灌溉绿地、冲洗厕所等城市杂用水，也用于消防时应急用水， 这些设施占地面积小，可园地制宜地修建在楼前屋后。1 9 8 0 年，日本建设省开始 推行雨水贮留渗透计划。在公园、绿地、庭院、停车场、道路和建筑物中设置渗 透井、管、池和渗透性覆盖等收集雨水的设施，将收集的雨水用于消防、洗车、 冲厕所，也可阻处理后供居民饮用。目前已拥有利用雨水设施的建筑物百多座、 屋顶集水面积二十多万平方米，如东京的一座相扑馆每天一百多立方米冲洗用水 大部分来自屋顶收集的雨水。在建筑物上收集雨水多采用沉淀和过滤的方法。 图i ，2 日本东京家庭中的小水库 西南交通太学硕士研究生学位论文第7 页 图1 - 3 日本相扑管下面的地f 与水厍 雨量充沛的泰国，也将屋面雨水作为自来水的补充。以色列是一个干旱缺雨 少淡水的国家，他们在雨水和淡水利用上也做出了不凡的成就。 122 国内概况 随着我国经济社会的不断发展城市地表径流污染问题日益突出，近年来研 究者在西安、北京、上海、武汉、广州、厦门、澳门等城市开展了路面径流水质 的监钡分析。 z h u k t u b z h m l g l i n u s ，e t a l ( 2 0 0 4 ) 对中国北部干旱半千早黄土高原地区的不 同集雨系统收集的雨水水质进行了研究，分析显示：雨水经过自然沉淀后水质明 显提高，屋面集雨系统收集的雨水，有机物含量低，通常满足世界卫生组织的饮 用水标准而收集于土地和道路的雨水，由于有机成分高，水质差口”。 车武等( 1 9 9 9 ，2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 对雨水利用与城市环境、北京城区屋面雨水污 染及利用研究、对城市雨水地下回灌的分析、屋面雨水土壤层渗透净化研究、生 态住宅小区雨水利用与水景观系统案例分析、北京城区面源污染特征及其控制对 策、北京城区雨水径流水质及其主要影响因素等作了分析和研究。一般认为屋面 雨水径流水质较好。但由于城市环境因亲和屋面材料的影响，北京市城区屋面雨 水径流也受到相当程度的污染主要污染物y j c o d 、s s ”。q 。汪慧贞等( 2 0 0 1 ， 2 0 0 2 ) 对城市雨水渗透、北京城区雨水入渗设施的计算方法、城区雨水渗透设施 计算方法及关键系数、北京城区雨水径流的污染及控制、建筑小区雨水径流的土 壤渗透净化等作了论述和研究f ”4 ”。李俊奇等( 2 0 0 1 ，2 0 0 3 ) 对城市雨水利用与 节约用水、城市雨水利用方案设计与技术经济分析、城市雨水沉淀特性及其颗粒 分布等作了研究，取得了一些积极的成果 州q 。张思聪、惠士博等( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ， 2 0 0 4 ) 对北京市雨水利用、北京市公路路面径流水质、北京市城区雨洪滞蓄对地 下水环境的影响、北京市小区雨洪利用的降雨径流等作了分析和研究。城区雨水 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 主要有屋面、路面、绿地三种汇流介质。由于植物和土壤的吸收截纳作用，绿地 征集的雨水径流应比较好，路面除受大气面源污染外，还受汽车排放物、城市废 弃物以及路面材料的影响【4 7 - 5 0 。任树梅等( 2 0 0 0 ，2 0 0 2 ) 对利用下凹式绿地增加 雨水蓄渗效果的分析与计算、京郊坡地秸秆覆盖雨水高效利用技术进行了研究 1 5 1 , 5 2 1 。赵剑强等( 2 0 0 0 ) 对西安至临撞( 简称西临) 高速公路路面径流进行了监测， 结果表明，高速公路路面排水具有较高的污染强度，污染物以s s 和c o d 为主， 且生物可降解性较差，水质参数s s 、c o d 、总磷，总锌之间存在较好的线性相 关关系。 还有部分学者对以城市雨水为水源的中水回用途径、绿色生态小区的雨水利 用和中水回用、居住小区雨水湿地净化及回用、城市雨水的物化处理技术、城市 路面径流水质与排污规律等作了研究，为雨水利用和研究及治理面源污染提供了 一些基础性资料。 在实践方面，雨水收集和利用在我国已有较长历史，如北京古建筑里导水路 面铺装设计和山西等北方地区传统民居里集水屋顶的设计等，都闪耀着华夏民族 的智慧之光，同时也说明了雨水利用的重要性。 图卜4 屋顶雨水收集 目前，我国有3 0 0 多个城市供水不足，严重缺水的有1 1 0 个，雨水回用技术的 开展十分必要。我国城市雨水利用相比较与发达国家起步较晚，目前主要在缺水 地区有一些小型、局部的非标准性应用。比较典型的有甘肃的“1 2 1 ”工程、陕 西的“甘露”工程、山西的“1 2 3 ”工程、宁夏的“窖窑工程”、内蒙古干旱半干 旱山丘区、河北太行山区、山东的长岛县、大连的獐子岛和浙江省舟山市葫芦岛 等雨水集蓄利用工程。朱强( 2 0 0 2 ) 认为，雨水集蓄利用是半干旱和亚湿润区旱 作农业可持续笈展的综合途径。许多城市面临着水量型或水质型缺永的问题，如 何更有效地使用、管理雨水资源已开始受到普遍关注。部分大中城市( 北京、上 海、杭州等1 已着手监测降雨及其径流的水量和水质变化规律，逐步积累供雨水 回用及治理污染所需的基础数据1 5 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 总体看，我国大多数城市的雨水收集与利用基本处于研究与实践阶段1 8 】。如 何更好、更全面、更深入地发挥它的效益，还需要进一步研究和法律、法规体系 的保障。我国雨水利用技术的应用主要存在以下几个方面的不足：( 1 ) 缺乏雨 水利用意识，无论是管理部门、科研部门，还是公众，普遍存在着雨水利用意义 认识的不足，城镇雨水利用技术的研究和应用都很薄弱，在城市规划和建设过程 中缺乏统筹考虑。( 2 ) 缺少基础性研究，人们对雨水对环境、资源的影响研究 不足，对雨水利用技术的研究程度较低。( 3 ) 没有可行的技术与管理规范，缺 乏配套的法规、政策和管理体系。( 4 ) 雨水利用产业化程度低，相应的设备、 专业队伍欠缺。 1 3 现有雨水收集装置 随着雨水资源化技术认识的不断发展，初期雨水弃流装置做为一种行之有效 的雨水收集利用装置受到广泛关注，初期雨水弃流装置是一种非常有效的水质控 制技术，用于去除径流中大部分污染物，包括细小的或溶解性污染物。弃流装置 有多种设计型式，可以根据流量或初期雨水排除水量来设计控制装置，排除量需 要根据汇水面的污染程度、水量的平衡和后续的处理技术等综合考虑确定。该装 置安装于雨水管渠中，通过调节阀门的开闭实现分流雨水径流的分流，达到排除 处理成本较高的高浓度污水，收集适合回用的洁净雨水。目前，国内外已开发出 形式多样的初期雨水弃流装置，其原理均是根据流量或初期雨水排除水量来设计 控制装置，也有根据统计的降雨模型来预测控制初期雨水的排除，可以归纳为以 下几种类型。 ( 1 ) 容积法弃流型 在雨水管或汇集口处按照所需弃流雨水量设计弃流池，一般用砖砌、混凝土 现浇或预制。弃流池可以设计为在线或旁通方式，弃流池中的初期雨水可就近排 入市政污水管，小规模弃流池在水质条件和地质、环境条件允许时也可就近排入 绿地消纳净化。 这种方法的设计是根据事先确定的一个初期雨水量标准来计算雨水初期弃 流水量。优点是操作管理简单。由于是固定的容积，无水质识别和控制过程，因 此不能适应具有随机特征的降雨变化过程对水质的影响，雨水收集准确度低，高 浓度污染物漏入严重。 ( 2 ) 切换式或小管弃流井型 在收集雨水的雨水检查井位置，分别埋设两根连接下游雨水井和下游污水井 的连通管，在两个连通管入口处设置简易手动闸阀或自动闸阀进行切换。根据雨 水径流流量或水质来控制切换方式，可以人工或自动调节弃流量。这种弃流方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 不能适应随机降雨过程形成的径流水质波动，若要提高收集准确度则会导致闸阀 启闭过程频繁，机械故障率增高。同时，由于启闭时间间隔的存在和水流转向造 成的水力条件差等原因，同样会导致大量的污染物漏入雨水收集池中和造成雨水 径流的大量流失。 ( 3 ) 模试分析弃流型 北京建筑工程学院开发的一种高效率弃流装置。该装置基于5 年的连续监测 和大量数据统计分析，分析汇水面初期雨水污染物冲刷规律和不同的集水面合理 的初期雨水控制量。弃流池体积可缩小到常规容积法的数十分之一。这是目前较 为先进的一种基于对降雨过程的分析控制弃流过程的一种初期雨水弃流装置。其 缺陷是采用固定的降雨冲刷模式来代替容积法弃所采用的标准，目的是减小弃流 池的体积。与容积法弃型类似，由于是固定的容积和统计模式，无水质识别和控 制过程，因此不能适应具有随机特征的降雨变化过程对水质变化的影响，存在雨 水收集准确度低，高浓度污染物漏入严重的问题。 本论文为预动式初期雨水弃流装置开发项目的关键技术研究，通过试验分析 雨水污染特性，对雨水径流过程进行水力控制，并进行水流动力学过程和污染物 离散过程的分析，开发一种适于实际降雨过程进行智能化高准确度收集洁净雨水 和排除初期污染雨水的雨水弃流装置预动作式初期雨水弃流装置。 1 4 研究内容及意义 1 4 1 研究意义 具有主动性特征的预动作式初期雨水径流收集系统将解决目前雨水收集过 程中广泛存在的雨水收集效率低，不能对雨水径流中水质进行识别控制，使得收 集到的雨水中可能漏入含高浓度污染物雨水径流的问题，漏入的污染物严重时会 影响到后续雨水的储存和处理过程。 预动作式初期雨水径流收集系统是针对实时降雨过程，对其径流水质、水量、 流速等进行实时监测，配以雨水径流控制渠和具有良好水力条件和预动作机构的 分水装置来实现对高浓度初期雨水的分离。系统可实现对雨水径流进行水质跟踪 和识别，高准确度、高精度和高可靠性地收集雨水径流。 本研究旨在解决日前雨水收集利用中存在的水质污染等问题，对提高雨水资 源的利用效率具有重要意义。 1 4 2 研究内容 雨水在降落到地面至形成地表径流后，初期径流会因大量冲刷地表污染物使 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 得降雨的前期径流中污染物浓度很高，后期径流中的污染物浓度相对较低。因此 雨水回收首先是要排除污染物浓度高的初期雨水径流，收集水质较好的雨水，以 利于后续雨水的处理和利用，减少水处理的费用和简化处理过程。地表雨水需经 选择性的收集后，才能进行处理回用。 课题研究内容如下： ( 1 ) 查阅相关文献资料，了解我国现有雨水的收集和回用现状； ( 2 ) 由于降雨过程是一个随机的过程，本研究首先进行现场试验，对不同 集水区域的雨水冲刷地面的过程进行连续的雨水径流过程和对地表径流水质进 行连续的采样分析，研究降雨过程对地面污染物的洗刷，分析雨水径流中污染物 浓度在不同降雨间隔时间、历时、降雨强度及不同地形、地貌的汇水区域条件下 的变化特征。通过大量的实测数据资料，找出雨水径流中污染物浓度的基本变化 规律； ( 3 ) 在对具有随机特征的降雨径流中的水质变化规律进行试验研究的基础 上，对雨水径流中的污染物在雨水控制渠中的迁移扩散进行水动力学分析，通过 追踪其中污染物浓度的迁移变化过程，以对弃流装置的精确启闭进行控制。 1 4 3 研究思路 具体研究思路包括如下四个递进步骤： ( 1 ) 降雨过程的特征研究； ( 2 ) 地表雨水径流中污染物种类和分布特征及其随径流过程的变化规律的 试验研究； ( 3 ) 雨水控制渠道的水动力学特征分析； ( 4 ) 建立初期雨水弃流装置的控制模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 1 4 4 技术路线 资料分析 f 降雨过程特征分析 一上 连续监测雨水径流过程，采集水样， 实验测定污