（环境工程专业论文）城市不同区域雨洪径流工程的水质模拟及试验研究.pdf

， c l a s s i f i e di n d e x ：t u 9 9 2 i i i ii i i1 1 111 1ii i1 1 1 l y 17 8 914 4 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed o c t o r a ld e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d yo nw a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o n a n do n s i t et e s t sf o rs t o r mr u n o f f p r o j e c t si nd i f f e r e n tu r b a na r e a s c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： a 伍l i a t i o n ： d a t eo fd e f e n c e ： d e g r e e - c o n f e r r i n g i n s t i t u t i o n ： z h a os h u - q i p r o f z h o uy u w e n d o c t o ro fe n g i n e e r i n g e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g j a n u a r y ，2 0 1 0 b e i j i n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y k 卜 1_ i 一 l ， 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名幺盈堑嗍掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑! 重翩签名： 期：z 扣t z 3 - i l 、 摘要 摘要 城市雨洪管理的工程实践中，雨洪径流的水质问题是一项重要的研究内容， 不管是对雨水的收集利用，还是对非点源污染的控制治理，都离不开对雨洪径流 水质问题的研究。 针对工程实践中遇到的有关雨洪径流水质的若干热点难题，本文从理论上 进行了探索研究，并提出了解决问题的思路和方法，最后通过试验将其付诸实施， 取得了满意的结果。 ( 1 ) 传统上，城市雨洪径流的水质监测一般只是在流域出口的汇流断面上 实施，这仅适合于控制该监测流域的非点源污染，资料的移植性差，如果能详细 研究流域内非点源污染的形成机理，采用模拟技术，就可以分析实测流域的污染 特性，并且该模型具有可移植性；随着城市雨水利用工程理念的逐步普及，人们 需要了解在区域内具体的雨水池入口处的水质情况，以便进行雨洪利用。本文提 出了城市区域内雨洪径流水质监测各级分区的概念，以实例介绍了在某一雨水口 流域进行雨洪径流水质监测的具体方案，并实施监测、对监测结果进行分析讨论， 由此提出了该区域进行雨水利用和污染控制的建议和措施。 ( 2 ) 过去，在雨洪径流水质监测工作中，人们大多采用现场人工取样，很 难保证各取样点采样时间的统一，也不易把握准确的产流时间，给进一步的分析 工作带来了不便，同时，现场取样工作还要花费大量的人力物力，尤其遇到天黑 风大的情况，现场取样人员要冒雨往返于取样点和实验室之间，现场取样工作非 常辛苦。为此，研制了雨洪径流水质监测取样装置，并将其用于科研实践，取得 了较好的效果。 ( 3 ) 一般来说，可以用两种指标参数来描述和确定雨洪径流的初期冲刷现 象，其一是降雨径流深度，另外一个就是初期径流时间，经过对径流水质监测数 据以及对相关水质污染理论的分析，选用实测浊度数据来确定初期冲刷时间。不 同下垫面其初期冲刷时间有很大差异，定出各种下垫面的初期冲刷时间对于雨水 利用和雨洪径流污染控制都是十分重要的。以屋面径流为例提出了一种确定初期 冲刷时间的概念性统计方法。 i 北京丁：业大学工学博十学位论文 曼皇曼皇曼鼍曼皇量苎皇曼皇皇曼曼曼曼蔓曼曼皇曼曼曼曼ii i , i 曼曼曼曼曼曼葛 ( 4 ) 进行非点源污染监测的传统方法要等到降雨时才能进行，受天气限制 很大，且雨天监测浪费人力物力。本文探索在早天进行试验监测，并找出旱天监 测数据与雨天径流污染过程的某种对应关系，采用计算机模型就可节省人力、物 力，从旱天监测数据得出模型中的有关参数，从而模拟雨洪径流污染物的累积和 冲刷真实情况。以雨洪径流污染的实际成因为基础，提出了一种新的污染物冲刷 模型。 ( 5 ) 利用上述旱天试验，对目前最常用的s w m m 模型，提出了其中参数的 确定方法。 ( 6 ) 在实施雨洪径流水质监测的雨水口流域，以取得的水质监测数据为支 撑，建立了基于水质平衡为基础的水质模型，并计算了次降雨污染负荷过程、污 染量和污染率，对区域内的污染情况进行了定量研究。 ( 7 ) 对某重污染化工厂进行了初步降雨径流水质监测和分析，采用a r c g i s - - a u t o c a d - - - s w m m 相结合的技术手段，对研究区的雨水管道出水口的径流水 质及负荷进行模拟计算，并由此计算出了次雨排污总量。 本论文选定两个城市典型区域为研究对象，对研究区的雨洪径流水质进行 了监测、分析及污染过程模拟，对遇到的若干难题进行了理论研究和试验探索， 为城市雨洪径流工程水质问题研究提供了新方法、新装置、新思路，可供本领域 的科研和工程实践借鉴、参考。 关键词雨洪径流水质监测；非点源污染；水质模型；雨水口流域；初期冲刷 效应 a b s t r a c t i i i ie li t i 喜曼曼苎皇曼皇曼皇曼 a b s t r a c t i i lm ep r a c t i c eo fu r b a ns t o r m w a t e rm a n a g e m e n t ，t h ei s s u e so fs t o r m w a t e rr u n o f f q u a l i t ya r es i g n i f i c a n tr e s e a r c hf i e l d s b o t ht ot h er a i n w a t e rh a r v e s t i n ga n du t i l i z a t i o n a n dt ot h ec o n t r o la n dh a r n e s sf o rt h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n t h ei s s u e sa r ea l l v i t a li m p o r t a n t t os o m eh o ta n dd i f f i c u l ti s s u e so r ls t o r m w a t e rr u n o f fq u a l i t yi n t h ep r a c t i c e ， s o m er e a r c hw o r kh a sb e e nd o n e ，a n ds o m et h i n k i n gc l u e sa n dm e t h o d sf o rs o l v i n g t h o s ep r o b l e m sh a v e b e e np r o v i d e d a tl a s t ，t h e yw e r ea l ld o n ei n t ob e i n g st h r o u g h t h e e x p e r i m e n t s t h er e s u l t sa r ea l ls a t i s f a c t o r y t r a d i t i o n a l l y , t h ep l a c ef o rm o n i t o r i n gu r b a nr u n o f fq u a l i t yi so n l yo nt h eo u t l e t 。 p o i n to ft h ed r a i n a g es y s t e mc o n t r o l l i n gt h ew h o l ec a t c h m e n t s t h i si n d e e di sa s i m p l e p r a c t i c a la n de f f e c t i v ew a y t om o n i t o rt h ew a t e r s y s t e mp o l l u t i o nf r o mt h er u n o f f a m d i ti ss u i t a b l et oc o n t r o l l i n gt h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n b u t ，w i t ht h ep o p u l a r i z i n g o ft h eu r b a nr a i n w a t e ru t i l i z a t i o nt h e o r y , w en e e dk n o wt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr u n o f f w a t e rq u a l i t yo nv a r i o u sl a n du s es u r f a c e si nt h ec a t c h m e n t i nt h ed i s s e r t a t i o nt h e c a t e g o r i e sr e l a t i o na m o n gc o n c e p t sf o ra r e ad i v i d i n gi nu r b a nr e g i o na r ei n t r o d u c e d t h e no n ed e t a i l p r o g r a mf o rm o n i t o r i n gt h es t o r m w a t e rr u n o f fq u a l i t yh a sb e e n p r o v i d e da n dp e r f o r m e d t h er e s u l t sa r ea n a l y s i s e da n ds o m ep r o p o s a l sf o rr a i n w a t e r u t i l i z a t i o na n dp o l l u t i o nc o n t r o l l i n ga r es u g g e s t e d i n 也er e s e a r c hw o r ko nu r b a nr a i n w a t e ru t i l i z a t i o n ，t h ew a t e r q u a l i t ym o n i t o r i n g i sav e r yi m p o r t a n tb a s i cs t e p w h e t h e ri ti sa c c u r a t e ，i so nt i m ea n dr e l i a b l eo rn o t t h ew a t e rs a m p l i n gi sv i t a lr e l e v a n t i nt h ep a s td a y s ，t h eo i l s i t eh a n d o p e r a t i n gw a t e r s a m p l i n gw a st a k e nb ym o s tr e s e a r c hp r o j e c t s t h a ta p p r o a c hw a sd i f f i c u l tt oa s s u r e u st h ea c c u r a t es a m p l i n gt i m e ，a n di tw a s h te a s yt om a k es u r et h ep r e c i s er u n o f f a p p e a r i n gt i m ea sw e l l a tt h es a m et i m e ，t h a tm a n u a ls a m p l i n gm e t h o de x p e n s e dal o t o nm a n u a ll a b o r sa n dm a t e r i a lr e s o u r c e s f o rr e s o l v i n ga l l o ft h e s ep r o b l e m s ，w e c r e a t e das a m p l i n gi n s t a l l a t i o nu s i n gi nt h er a i n w a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m t h e i n s t a l l a t i o nc o n s i s t so fo u t - d o o rs a m p l i n gb o t t l e s ，r a i n w a t e rt r a n s m i s s i o np i p e - l i n e s ， i n d o o rs a m p l i n gb o t t l e s ，v a c u u mb u f f e rb o t t l e s ，av a c u u m p u m p ，a ni n d o o rs a m p l i n g p l a t f o r ma n dt h eb a c kc o n t r o lb o a r d w h e ns a m p l i n g ，t h eo n l yj o bo n em u s td oi si u s t i 北京工业大学工学博士学位论文 t u r no no rt u r no f ft h ev a l v e so nt h eb a c kc o n t r o lb o a r d t h ei n s t a l l a t i o ni ss i m p l e ， c h e a p e ra n de a s yt oo p e r a t e t l l i ss a m p l i n gi n s t a l l a t i o nh a sb e e nu s e df o rt h r e ey e a r s i no u rs a m p l i n gw o r k i tp r o v e dt ob eh i g h l ye f f e c t i v e g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h e r ea r et w om e a s u r ev a l u e st o i n d i c a t o rt h ef i r s tf l u s h p h e n o m e n o n o n ei sp r e c i p i t a t i o nq u a n t i t ya n dt h e o t h e ri sr u n o f ft i m e d i f f e r e n t u n d e r l y i n gs u r f a c e sh a v ed i f f e r e n tf i r s tf l u s ht i m e t h e r ea r eb i gd i f f e r e n c e sa m o n g d i f f e r e n tu n d e r l y i n gs u r f a c e s d e t e r m i n i n gt h ef i r s tf l u s ht i m ei sv e r ys i g n i f i c a n tt o r a i n w a t e ru t i l i z a t i o np r o j e c ta n dr u n o f fp o l l u t i o nc o n t r o l l i n g t a k i n gt h er o o fr u n o f f f o re x a m p l eas t a t i s t i c a lm e t h o di sp r o v i d e dt od e t e r m i n et h ef i r s tf l u s ht i m e t h e m e t h o di ss u i t a b l ef o re v e r yk i n do fu n d e r l y i n gs u r f a c e s t h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nm o n i t o r i n gc a no n l yb ed o n ei nt h er a i np e r i o d i t n e e d sl a r g es u mo fe x p e n s e sa n dal o to fl a b o r b a s e do nt h et e s tm o n i t o r i n g c o n f i g u r e db yt h ea u t h o ri nt h ed r yd a y , t h er e l a t i o n s h i ph a sb e e ne s t a b l i s h e db e t w e e n t h ed r yd a yd a t aa n dt h o s eo ft h er a i nd a y s t l i sa p p r o a c hc o u l db eu s e df o rs e t t i n g t h ep r a c t i c a lp a r a m e t e r sf o rc o m p u t e rm o d e l l i n g s ，s u c ha ss w m m an e w p o l l u t i o nw a s h o f fm o d e l i sa l s oi n t r o d u c e db a s e do nt h ep r a c t i a lc a u s eo f f o r m a t i o nf o rt h ep o l l u t i o na c c o r d i n gt ot h i sd r yd a ym o n i t o r i n ga p p r o a c h u s i n g t h ed a t ac o l l e c t e df r o mt h eg u t t e ri n l e tc a t c h m e n t ，t h ea u t h o re s t a b l i s h e st h e r a i n w a t e rr u n o f fq u a l i t ym o d e lb a s e do nt h ew a t e rq u a l i t yb a l a n c et h e o r y 功ew a t e r q u a l i t ym o d e lc o n c e r n e dt h ec o n c e n t r a t i o n sa n df l o wr a t e si nv a r i o u ss u r f a c el a n d s a n dd i f f e r e n tu n i tl a n d s a l s ot h ef o l l o w i n gi t e m sa r ec a c u l a t e d ：t h ep o l l u t i o nl o a d p r o c e s s ，t h ep o l l u t i o nl o a di nu n i tm g a n dk g h m b yu s i n ga r c g i s - - a u t o c a d - - - s w m mt h e s e t h r e e t e c h n i q u e s ，t h e a u t h o r c a c u l a t e dt h er a i n w a t e rp o l l u t i o nl o a da n dt h et o t a lp o l l u t i o nm a s si nap r e c i p i t a t i o n p r o c e s si nt h eo u t l e tp o i n to f t h es t o r m w a t e rs y s t e ma ta np e t r o - c h e m i c a lf a c t o r y t h es t u d yp r o v i d e ds o m en e wm e t h o d sa n ds o m en e wi n s t a l l a t i o n si n t h e s t o r m w a t e rr u n o f fq u a l i t yp r o g r a m n l er e s u l t sc a nb eu s e f u la n di n s p i r i n gf o rt h e f u t u r er e s e a r c hi nt h i sf i e l d k e yw o r d ss t o r m w a t e rr u n o f fq u a l i t ym o n i t o r i n g ；n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ； w a t e rq u a l i t ym o d e l ；g u t t e ri n l e tc a t c h m e n t ；f i r s tf l u s h i v i 目录 目录 摘要i a b s t r a c ti i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 本领域国内外研究历史及现状5 1 2 1 国外城市雨洪径流水质及非点源污染研究历史及现状5 1 2 2 国内城市雨洪径流水质及非点源污染研究历史及现状7 1 3 论文的主要研究内容9 1 4 论文的创新点。10 1 5 本章小结1 0 第2 章城市雨洪径流水质监测1 1 2 1 水质监测分区11 2 2 水质监测方案1 2 2 2 1 监测点的选取1 2 2 2 2 采样时间间隔13 2 3 雨洪径流水质临测取样装置的研制和应用1 4 2 3 1 基本原理及主要构件1 4 2 3 2 系统取样延时的测定1 7 2 3 3 操作步骤1 7 2 3 4 维护和保养l8 2 3 5 装置的应用效果l8 2 4 水质化验方法。1 9 2 5 水质评价标准2 0 2 6 本章小结。2 2 第3 章雨水口流域的水质变化规律分析2 3 3 1 雨水口流域的总体水质变化规律分析2 3 3 2 不同下垫面雨水径流的水质状况分析3 0 3 2 1 屋面雨水径流的水质状况3 0 北京工业大学工学博十学位论文 3 2 2 路面雨水径流的水质状况3 3 3 2 3 校园绿地降雨径流的水质状况3 4 3 3 初期径流的分析研究3 5 3 3 1 初期径流的概念3 5 3 3 2 确定初期径流时间的一种统计方法3 6 3 4 自然降雨中污染物在雨洪径流污染物中所占比例分析4 0 3 5 地表污染物的累积和冲刷过程研究4 3 3 6 本章小结4 6 第4 章雨水口流域的水质模拟研究4 7 4 1 雨水口流域的特征4 7 4 2 雨水口流域的流量计算4 7 4 2 1n s a h 瞬时单位线的基本概念和原理4 8 4 2 2 由瞬时单位线转换为时段单位线4 9 4 2 3 参数n 和k 的确定。4 9 4 3 雨水口流域水质模型的建立5 1 4 4 城市小区雨水池入口水质模型建立实例5 2 4 4 1 净雨过程计算5 2 4 4 2 不同地表汇水面积的汇流过程计算5 3 4 4 3 城市小区雨水池入口的流量过程计算5 4 4 4 4 污染物预测模型中修正参数的确定5 8 4 4 5 污染物预测模型的验证6 0 4 5 雨水口流域的次降雨污染负荷的计算6 3 4 5 1 水质及负荷的相关概念6 3 4 5 2 雨水口流域负荷计算实例6 3 4 5 3 城市径流污染物负荷量计算方法介绍6 6 4 6 本章小结6 7 第5 章旱天试验方法研究6 9 5 1 旱天试验的研究背景6 9 5 2 旱天试验的材料设备、操作步骤及基本原理7 0 5 3 用旱天试验确定s w m m 模型中的有关参数。7 1 5 4 用旱天试验数据提出一种新的地表污染冲刷模型7 3 5 5 本章小结7 4 目录 第6 章基于s w m m 模型某工厂区非点源污染的模拟研究7 5 6 1 研究区分析7 5 6 2 研究的目的和意义7 7 6 3 项目具体内容7 7 6 4s w m m 模型介绍7 9 6 4 1 地表污染物的累积模拟7 9 6 4 2 地表污染物的冲刷模拟81 6 5 基于a r e g i s 的a u t o c a d 转换为s w m m 建模数据的实现8 2 6 6s w m m 模型中参数的初选及率定8 5 6 7 结果及分析8 7 6 8 本章小结9 0 结论 9 3 参考文献9 5 攻读博士学位期间所发表的学术论文1 0 1 致谢1 0 5 北京工业大学工学博士学位论文 c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i i i c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n do f t h es t u d y 1 1 2h i s t o r ya n ds t a t u so f t h es t u d yf i e l d 5 1 2 1h i s t o r ya n ds t a t u so ft h es t u d yo nu r b a ns t o r mr u n o f rw a t e r q u a l i t ya n dt h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na b r o a d 5 1 2 2h i s t o r ya n ds t a t u so ft h es t u d yo nu r b a ns t o r mr u n o f fw a t e r q u a l i t ya n dt h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na th o m e 7 1 3m a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o n 9 1 4i n n o v a t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o n 1 ( ) 1 5c h a p t e rs u m m a r y 10 c h a p t e r 2w a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gf o r t h eu r b a ns t o r mr u n o f f 1 1 2 1p a r t i t i o n so ft h ew a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g 11 2 2p r o g r a mo f t h ew a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g 1 2 2 2 1s e l e c t i o no ft h em o n i t o r i n gp o i n t s 12 2 2 2s a m p l i n gt i m ei n t e r v a l 1 3 2 3d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fs t o r m r u n o f fw a t e rs a m p l i n gd e v i c e14 2 3 1b a s i cp r i n c i p l e sa n dm a i ns t r u c t u r e s 。1 4 2 3 2m e a s u r e m e n to f d e l a yt i m e so f t h er u n o f f 1 7 2 ：；3o p e r a t i o np r o c e d u r e s 1 7 2 3 4c a r ea n dm a i n t e n a n c e 1 8 2 3 5e f f e c t so f t h ed e v i c e 1 8 2 4w a t e rq u a l i t yl a b o r a t o r ym e t h o d 19 2 5w a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o ns t a n d a r d s 2 0 2 6c h a p t e rs u m m a r y 2 2 c h a p t e r 3w a t e rq u a l i t yv a r i a t i o na n a l y s i sf o rag u t t e ri n l e tc a t c h m e n t 2 3 3 1o v e r a l ls i t u a t i o no f t h er u n o f fq u a l i t yi nt h eg u t t e ri n l e tc a t c h m e n t 2 3 3 2r u n o f fq u a l i t ys t a t u so nd i f f e r e n tu n d e r l y i n gs u r f a c e s 3 0 3 2 1r u n o f fq u a l i t ys t a t u so nt h er o o f s 3 0 北京工业大学工学博士学位论文 3 2 2r u n o f fq u a l i t ys t a t u so nt h er o a d s 3 3 3 2 3r u n o f fq u a l i t ys t a t u so nt h ec a m p u sg r e e nl a w n 3 4 3 3a n a l y s i so f t h ef i r s tf l u s he f f e c t s 3 5 3 。3 1c o n c e p to f t h ef i r s tf l u s h 3 5 3 3 2d e t e r m i n et h ef i r s tf l u s ht i m eb y u s i n gas t a t i s t i c a lm e t h o d 3 6 3 4a n a l y s i so f t h er a t i oo f p o l l u t a n t si nt h en a t u r a lp r e c i p i t a t i o nt oa 1 1 4 0 3 5a n a l y s i so f t h ep r o c e s so f p o l l u t a n t sa c c u m u l a t i o na n dw a s h o f f 4 3 3 6c h a p t e rs u m m a r y 4 6 c h a p t e r 4w a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o nr e s e a r c hi nag u t t e ri n l e tc a t c h m e n t 4 7 4 1c h a r a c t e r i s t i e so f t h eg u t t e ri n l e tc a t c h m e n t 4 7 4 2f l o wc a l c u l a t i o no f t h eg u t t e ri n l e tc a t c h m e n t 4 7 4 2 1b a s i cp r i n c i p l e so f n a s hi n s t a n t a n e o u su n i th y d r o g r a p h 4 8 4 2 2i n s t a n t a n e o u su n i th y d r o g r a p hi sc o n v e r t e di n t op e r i o du n i t h y d r o g r a p h 4 9 4 2 3d e t e r m i n et h ep a r a m e t e r sna n dk 4 9 4 3e s t a b l i s ht h ew a t e rq u a l i t ym o d e lf o rt h eg u t t e ri n l e tc a t c h m e n t 51 4 4e x a m p l ef o re s t a b l i s ht h ew a t e rq u a l i t ym o d e lf o rag u t t e ri n l e t c a t c h m e n t 5 2 4 4 1c a l c u l a t i o no fe f f e c t i v er a i np r o c e s s 5 2 4 4 2c a l c u l a t i o no ft h ec o n v e r g e n c ep r o c e s s e so nd i f f e r e n tu n d e r l y i n g s u r f a c e s 5 3 4 4 3c a l c u l a t i o no f t h ef l o wp r o c e s sa tt h er a i nt a n ke n t r a n c e 5 4 4 4 4c a l i b r a t i o nf o rt h ec o r r e c t i o np a r a m e t e r si nt h ep o l l u t a n t p r e d i c t i o nm o d e l 5 8 4 4 5c h e c ka n da 脏r m a t i o no ft h ep o l l u t a n tp r e d i c t i o nm o d e l 6 0 4 5c a l c u l a t i o no fp o l l u t a n tl o a di nt h eg u t t e ri n l e tc a t c h m e n