（环境工程专业论文）城市管道系统径流污染排放规律及控制策略研究.pdf

项目资助 【1 4 i i iillli ii i ii i l l li ii i i l l l l l l y 18 9 6 8 1 6 国家“十一五科技支撑计划课题“农村住宅污染物处置与 排放标准研究( 2 0 0 8 b a j 0 8 b13 0 4 ) 水体污染控制与治理科技重大专项课题“廊坊市非常规水源 城市景观水系利用技术集成与综合示范( 2 0 0 8 z x 0 7 3 1 4 0 0 7 ) ” 北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签字： 羰垆 日期：知，f 年孑月店，日 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 本人同意将所著硕士学位论文褚辛准道多、釉倔尚一象枞 葫勋肇从舶l 彖- 略傅务 著作权中的数字化锘0 品复制权、信息网络传播权和汇编权授权北京建筑工程学院 研究生处行使。上述授权的范围包括：北京建筑工程学院自己使用或委托他人使 用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作权问题引起的责 任。 北京建筑工程学院须依照我国著作权法的有关规定，充分尊重本人享有的著 作权权利( 包括获酬权) 。 本授权有效期5 年。 ， 论文作者( 签章) ：私 传- 知，f年月世日i 笾耋，写茹羼钇绣路，鼍 ：仂。衅 电话： 。 传真： 手机： ，f 扣，罗织扣7 电子信箱： 删2 厶四7 必，占弓似研 北京建筑工程学院硕士学位论文 摘要 基于对国内外城市径流污染领域的研究成果，分别对国、内外径流水质、污 染物相关性等内容进行梳理；通过对径流初期冲刷现象和初期雨水问题的剖析， 提出了源头汇水面冲刷和管渠冲刷两种完全不同径流冲刷形式；依据径流污染物 冲刷规律的分析，选取道路汇水面雨水管道径流、综合汇水面雨水管道径流和合 流制溢流分别进行试验研究；试验从污染物浓度( 瞬时值) 变化规律、初期冲刷、 污染指标相关性、污染物浓度频率分析、e m c 等方面分别研究了雨水管道径流 和合流制溢流的污染规律；以试验测定和污染规律研究为基础，并结合国内外相 关研究成果综合分析后，从场降雨污染负荷、年径流污染负荷和污染总量等方面 量化分析了径流污染对城市水环境的影响；借鉴国外广泛应用的水质控制容积 ( w q v ) 和水质控制流量( w q f ) 的方法，统计了北京市历史降雨资料，给出 了北京市的设计降雨量和设计降雨强度，提供了一种确定径流污染控制措施规模 的有效方法。在径流污染规律、污染负荷总量和措施规模确定方法研究基础上， 提出北京市径流污染控制的总体策略。 关键词：径流污染；雨水管道；合流制溢流；水质控制容积；控制策略 北京建筑工程学院硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nr e s e a r c h e so nu r b a nr u n o f fp o l l u t i o na th o m ea n da b r o a d ，s o m e c h a r a c t e d s t i e so fu r b a nr u n o f f , s u c ha sc h a r a c t e r i s t i c so fc o n s t i t u e n t s ，r e l a t i o n s h i p b e t w e e nd i f f e r e n tp o l l u t a n t s ，e t c ，w e r er e v i e w e d t h r o u g ha n a l y s i sa n de v a l u a t i o no f f i r s tf l u s hi nu r b a ns t o r m w a t e rr u n o f f , an e wc l a s s i f i c a t i o na n dd e f i n i t i o no ft w o r u n o f ff l u s ht y p ew a sp r o p o s e d a c c o r d i n gt oa n a l y s i so ff i r s tf l u s h ，t h r e em o n i t o r i n g s y s t e m sh a v eb e e ni n s t a l l e di nt h ee x p e r i m e n t a lc a t c h m e n t sa td i f f e r e n ts p a t i a ls c a l e s i nu r b a na r e a s i n c l u d i n gs t o r ms e w e ra n dc o m b i n e ds e w e ro v e r f l o w ( c s o ) n 啪u g h a n a l y s i s o nm o n i t o r i n gd a t a ，v a r i a b i l i t yo fp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n , f n s tf l u s h ， p o l l u t a n tc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，f r e q u e n c ya n a l y s i s ，e m c sw e r ed i s c u s s e d t o g r a s p c h a r a c t e r i s t i c so fp o l l u t a n tt r a n s p o r t i o ni n1 2 1 1 1 0 氲r u n o f fp o l l u t i o nl o a da n dt o t a l a m o u n to fp o l l u t a n t si nb e i j i n gw e r ee s t i m a t e dt oq u a n t i f i c a t i o no ft h ei m p a c tf r o m u r b a nr u n o f fp o l l u t i o n 1 1 1 ec o n c e p ta n dm e t h o do fw a t e rq u a l i t yv o l u m e ( w q v ) a n d w a t e rq u a l i t yf l o w ( w q f ) ，w h i c hh a v eb e e nb r o a d l ye x t e n d e di ns o m ed e v e l o p e d c o u n t r i e s w e r ei n t r o d u c e d t h ed e s i g ns t o r ma n dd e s i g ns t o r mi n t e n s i t yi nb e i j i n g ， w h i c hc a nb eu s e dt od e t e r m i n et h es i z eo fu r b a nr u n o f fp o l l u t i o nc o n t r o l ，w e r e p r o v i d e d f i n a l l y , g e n e r a lp r i n c i p l e sa n dc o n t r o ls t r a t e g yf o ru r b a nr u n o f fp o l l u t i o n c o n t r o li nb e o i n gw a sd e m o n s t r a t e d k e y w o r d ：r u n o f fp o l l u t i o n ；s t o r ms e w e r ；c o m b i n e ds e w e ro v e r f l o w ( c s o ) ；w a t e r q u a l i t yv o l u m e ( w q v ) ；c o n t r o ls t r a t e g y 北京建筑工程学院硕士学位论文 目录 北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明i 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 问题的提出。2 1 3 国内外城市径流径流水质概况3 1 3 1 国外雨水径流水质概况3 1 3 2 国内雨水径流水质概况3 1 3 3 国内外水质指标相关性研究概况。4 1 4 本文研究内容7 1 4 1 雨水径流初期冲刷现象研究7 1 4 2 雨水管道径流污染排放试验研究7 1 4 3 合流制溢流污染排放试验研究7 1 4 4 北京市径流污染负荷与总量估算7 1 4 5 城市径流污染控制措施及合理规模确定8 1 4 6 城市径流污染控制策略分析8 1 5 研究方法8 第2 章城市雨水径流初期冲刷现象分析9 2 1 初期冲刷现象及其描述方法9 2 1 1 浓度初期冲刷9 2 1 2 质量初期冲刷。9 2 1 3 冲刷曲线及初期冲刷的量化l o 2 2 两种典型条件下的不同初期冲刷分析1 1 2 2 1 源头汇水面冲刷1 2 2 2 2 管渠冲刷1 3 2 3 初期冲刷的其它一些影响因素1 5 2 4 “初期雨水”概念问题16 2 5 小结一1 6 第3 章道路汇水面雨水管道径流污染排放试验研究1 8 3 1 道路汇水面雨水管道径流污染排放试验1 8 3 1 1 试验地点特征18 3 1 2 取样方法与取样结果1 9 3 1 - 3 检测指标与测定方法2 0 3 2 道路汇水区雨水管道污染物排放规律分析2 1 3 2 1 单一污染物变化规律2 i 3 2 2 污染指标相关性分析2 9 北京建筑工程学院硕士学位论文 3 2 3 雨水径流污染指标频率分析3 0 3 2 4 ，j 、结31 第4 章综合汇水面雨水管道径流污染排放试验研究3 3 4 1 综合汇水面雨水管道污染排放试验3 3 4 1 1 典型区域的选择3 3 4 1 2 区域雨水管道系统及取样点位置确定3 4 4 1 3 取样方法3 4 4 1 4 取样结果3 5 4 1 5 检测指标及测定方法3 6 4 1 6 试验测定降雨数据3 6 4 2 综合汇水面雨水管道污染物排放规律分析：3 7 4 2 1 单一污染物变化规律3 7 4 2 2 径流初期冲刷分析4 0 4 2 3 污染指标问相关性分析4 2 4 2 4 径流水质指标分析4 4 4 2 5 ，j 、结4 6 第5 章城市合流制溢流污染排放试验研究4 7 5 1 合流制溢流污染排放试验一4 7 5 1 1 试验区域4 7 5 1 2 区域合流制系统特性4 7 5 1 3 取样方法4 8 5 1 4 取样结果4 9 5 1 5 检测指标及测定方法5 0 5 1 6 试验降雨过程数据5 0 5 2 合流制溢流污染物排放规律分析51 5 2 1 单一污染物变化规律5 l 5 2 2 c s o 初期冲刷现象分析5 3 5 2 3 c s o 污染指标相关性分析5 6 5 2 4 合流制溢流( c s o ) 水质指标分析5 8 5 2 5 ，j 、结6 0 第6 章北京市径流污染负荷及总量研究6 l 6 1 北京自然地理条件概况6 1 6 1 1 地理地貌6 1 6 1 2 地表水系6 1 6 1 3 气候气象条件6 1 6 2 城市径流污染负荷估算6 2 6 2 1 径流污染负荷计算方法6 3 v 北京建筑工程学院硕士学位论文 6 2 2 分流制区域径流污染负荷分析6 4 6 2 3 合流制区域径流污染和溢流( c s o ) 污染负荷分析6 9 6 3 北京市径流污染总量估算7 1 6 3 1 径流污染总量计算7 1 6 3 2 不同学者研究结论对比分析7 2 第7 章城市径流污染控制措施的合理规模7 4 7 1 源头径流污染控制措施合理规模7 4 7 2 区域径流污染控制措施合理规模7 4 7 2 1 区域径流水质控制7 4 7 2 2 降雨资料统计7 5 7 2 3 区域径流污染控制规模确定方法8 3 第8 章城市径流污染控制策略研究8 8 8 1 城市径流污染的不同控制策略及控制效果8 8 8 1 1 源头分散式控制8 8 8 1 2 集中式控制9 0 8 1 3 源头与集中式控制的结合9 2 8 2 北京市径流污染控制总体思路9 3 8 3 北京市不同尺度区域径流污染控制策略9 5 第9 章结论与建议9 7 9 1 主要研究成果9 7 9 1 1 分析了城市径流初期冲刷现象9 7 9 1 2 明确了道路汇水面雨水管道径流污染规律9 7 9 1 3 明确了综合汇水面雨水管道径流污染规律9 7 9 1 4 研究了城市合流制溢流污染排放规律9 8 9 1 5 分析和估算了北京市径流污染负荷及污染总量9 8 9 1 6 研究了径流污染控制措施规模确定方法9 9 9 1 7 研究并提出了北京市径流污染控制策略9 9 9 2 不足与建议10 0 参考文献1 0 1 致谢l0 5 个人简历在读期间发表和待发表的学术论文。1 0 6 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着中国经济的高速发展，城市化进程不断加速，各种环境问题随之而来， 尤其是水环境问题最为显著。例如：水资源过度开发，导致河流、湖泊等城市地 表水体功能退化；地下水超量开采，造成严重的“地下水漏斗 和地面沉降；城 市建设中的围垦、填洼、填河等，使湖泊、池塘、河流、湿地等水体面积不断缩 小；城市建设中不透水面积增加，使径流洪峰和径流总量增大、洪峰时间提前， 导致城市内涝等灾害频繁出现；城市生活污水，工业污、废水和城市径流的排放 使城市水体水质恶化，一些水资源较丰沛地方，因水质受污染，形成水质型缺水， 加剧了城市水资源的供需矛盾。防治城市水体水质污染、保障城市水环境的健康、 可持续发展已是水环境治理最为紧迫的任务。 依据传统的城市排水理念，雨水、污水、废水的排放由城市排水系统完成， 通过排水系统收集污、废水，进而对其进行处理是城市水体污染控制的重要途径。 随着研究的不断深入和解决工程实践中问题的需要，城市排水系统从最初的单一 的污水排水系统逐渐形成了不同的排水体制。 国内外常见的排水体制主要合流制排水系统、分流制排水系统和混流制排水 系统。考虑到合流制排水体制投资低于分流制排水系统，施工、建设容易，我国 城市早期建设过程中多选择建设合流制排水系统，其中多为截留式合流制系统。 管道利用率较低、管道内形成沉淀、合流制溢流污染严重等合流制排水系统的典 型问题逐渐得到人们的重视。随着经济的发展和城市范围、规模的迅速扩张，在 大中城市的新城区和中小城市的排水系统建设中，开始采用分流制排水系统( 或 合流制系统改造“合该分”) ，以期解决合流制管道溢流( c s o ) 等问题。然而 随着研究的不断深入以及大量工程实践表明，采用分流制管道系统后，除了投资 的增加和施工量的加大，城市依然会面临严重的水环境问题。 国内外研究表明，随着城市发展，城市非点源的污染加剧，大量污染物随雨 水进入雨水管道，排入城市受纳水体，对城市水体造成严重的污染；在建成的分 流制排水系统地区，由于管理力度不够、相关政策缺乏等原因，在分流制区域存 在十分严重的雨污混接现象。甚至有些部分该类现象严重的区域，由于乱接、混 接等，原有的“雨水+ 污水系统变成了“两套合流管道系统”i l 圳。 北京建筑下程学院硕i j 学位论文 1 2 问题的提出 目前，无论采用合流制排水系统还是分流制排水系统，城市径流污染和城市 水环境持续恶化问题始终没有得到很好的解决。要对城市径流污染进行控制，就 要对从径流产生到最终进入受纳水体的全过程进行综合考虑。径流在进入雨水管 道之前，在源头汇水面的冲刷过程、规律等已经有一些相对成熟的理论。在源头 汇水面，雨水径流的初期冲刷现象明显，采用源头控制措施可以对径流污染进行 经济有效控制。然而目前，在已建城市，尤其是老城区要广泛采取源头控制措施 困难较大，同时实施的可行性也有待进一步讨论。因而大量的携带污染物的雨水 径流还是汇入了雨水管道系统或者合流制排水管道，最终直排或通过溢流进入了 受纳水体，造成水体污染。 当雨水径流径流进入管道之后，在源头上明显的初期冲刷现象开始减弱甚至 完全消失，对于雨水管道中污染物的输送规律以及合流制管道溢流的污染规律， 国内虽已开展了部分研究，但截至目前，虽然已有学者对污染规律及相应控制措 施进行了研究，但不同类型管道系统中的污染物输送规律还缺乏全面的认识。 首先，自然的降雨过程、汇水面的冲刷和管道内的污染物输送等过程的随机 性较大，实际条件也极为复杂，需要更加深入地研究分流制雨水管道系统的污染 规律和合流制管道系统溢流规律。 其次，在已开展的理论研究中，对于不同的影响因素，有些过程仅通过单一 参数的假设，很难真实地反映实际过程。对径流污染年污染负荷的研究，结果与 实际也存在着一定的差距，有待进一步深入分析原因，寻求主要的影响因素，使 研究结果较为真实地反映实际情况，为雨水管道污染控制策略制定和控制措施的 选择提供有力的理论依据。 最后，针对管道污染的控制措施，国外也开展了相应研究。在不同尺度的区 域，采用哪种控制策略、如何进行措施选择以及控制措施的规模确定等方面与国 外发达国家还存在一定差距。 基于以上分析，本文拟对雨水管道系统和合流制管道溢流( c s o ) 中污染物 排放规律进行研究，通过选取典型区域现场实测的手段，分析不同条件下的污染 排放规律，并以研究的污染规律为指导，制定不同尺度的径流污染控制策略和主 要控制措施规模确定方法。将更有针对性地为城市径流污染控制的决策和实施提 供参考和依据，尤其对城市管道系统径流污染控制提供较为可靠的理论参考和技 术支撑。 2 1 3 国内外城市径流径流水质概况 1 3 1 国外雨水径流水质概况 国外对径流水质研究关注较早，相关研究己经开展了几十年，积累了大量研 究成果。上世纪9 0 年代，以美国为代表的发达国家开始从国家层面开展径流水 质的研究。美国于1 9 9 0 年启动了暴雨水许可制度( s 聊p ) 。1 9 9 2 2 0 0 2 年，美 国s w p p 的开始实施城市降雨径流水质监测、调研工作。u se p a 利用期间提交 的数据建立了国家暴雨水质数据库( n m i o n a ls t o r m w a t e rq u a l i t yd a t a b a s e ( n s q d ) ) 。 其中收录了美国3 6 0 个监测点共3 7 6 5 场降雨的数据( 含降雨量、径流量、 污染物浓度等等) ，涵盖了多种下垫面类型，具有较好的代表性。数据记录采用 统一的记录规范，具有很好的可比性。另外还具有较高的时间信息，提供降雨前 3 0 m i n 和前3 h 内的径流水质信息。数据库中径流污染物种类相对较为全面，除 常规污染物外，还包括了多种重金属、有机污染物等多种污染物。n s q d 数据还 对水质数据分布规律、影响因素、初期冲刷等进行了研究。为美国城市径流污染 控制提供了重要的数据支持和基础1 5 i 。 1 3 2 国内雨水径流水质概况 进入本世纪以来，国内各主要城市逐步认识到城市径流污染的重要性，开始 对城市不同下垫面的雨水径流进行监测和研究。表1 1 对国内部分城市径流水质 情况进行整理归纳1 6 1 们i 表1 1 国内部分城市径流水质 ! 些! 宝! ：! 型型宝19 坚垒! i 互2 1 坚! ! 垫翌2 2 垡i 翌! i 堡! 呈竺韭i 竺! 城市样本数 c o d 主要污染物( m g l ) s st nt p 从表1 1 中可以明显看出，雨水径流中主要污染物变化幅度较大。当样本数 量较少时，径流污染物浓度变化幅度相对较小( 如邯郸市) 。随着监测样本数量 北京建筑t 程学院硕十学化论文 量曼曼璺曼量曼曼皇曼芭i 曼舅邑曼曼曼曼墨舅舅曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼笪曼曼曼曼曼曼曼鲁毫曼舅量曼曼曼皇 的增加，降雨事件等随机性因素影响更为明显，水质变化幅度更为显著( 如上海 市等) 。同时，径流水质受监测点下垫面条件等因素影响相对较大。 1 3 3 国内外水质指标相关性研究概况 城市径流中污染物种类繁多、成分复杂，增大了城市径流污染控制的复杂度 和难度。研究城市径流污染指标之间的相关性，为城市径流水质检测、定量分析、 水质变化规律的分析以及制定高效的控制措施提供重要依据。 1 3 3 1 国外水质指标相关性研究 如上文所述，欧美发达国家开展水质研究起步较早，上世纪8 0 9 0 年代开始， 国外研究开始逐步重视径流水质指标相关性。出于不同学者的研究目的不同，多 数学者仅仅关注了某几种污染物间相关性，但其中也不乏对相关性的系统性研 究。 多伦多大学p r a d e e pk b e h e r a 等人对加拿大g t a 地区两个汇水区域( 分别 为合流制和分流制) 分别监测，对不同污染物分别进行相关性分析1 1 1 j ，其相关系 数分别汇总于表1 2 和表1 ，3 。 表1 - 2 分流制管道径流水质指标相关性 t a b l e1 - 2c o r r e l a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tt y p e so fp o l l u t a n t si ns e p a r a t e ds e w e rs y s t e m t s s t s 孟i i ：i i s 警t k n 1 1 p c o d 苯酚a lb ac uf ez n 1 0 0 - 0 1 21 0 0 o 1 52 81 0 0 0 1 9_ o 3 4 0 9 81 o o 0 1 8o 3 20 8 6o 9 31 o o - 0 4 90 4 6- 0 5 0- o 5 9- 0 2 0lo o o 7 70 0 9 - o 0 50 0 90 2 8o 5 9 1 0 0 0 7 4- 0 0 8- 0 ，1 1o 0 50 ，2 9o 4 40 8 61 0 0 m ，0 5- o 3 2o 1 5- o o l- 0 0 3- 0 2 5o 1 3- 0 1 01 o o o 2 9- o 2 5- 0 1 6 0 1 20 1 3- o 1 4 o 0 80 5 40 3 71 0 0 o 6 7_ 0 0 5- o 1 0o 1 2o 1 3- 0 7 90 7 30 6 3o 0 6o 1 01 0 0 - 0 0 2o “ - o 2 8- 0 4 l- 0 1 20 4 30 0 40 1 3_ o 3 4- 0 0 90 1 21 0 0 0 6 0- o 2 5o 0 4o 1 5o 3 3- o 7 00 6 20 6 50 2 3o 4 9o 7 5 0 o l f e 0 7 00 11- 0 0 7o 110 1 3- o 3 70 7 30 6 2- 0 0 2- 0 0 40 9 l0 2 8 1 0 0 o 6 l1 0 0 z n0 5 80 2 4- 0 0 2 0 1 90 2 806 4 0 6 40 6 10 2 50 2 2 0 7 70 0 108 40 6 4i 0 0 4 t s s t s 毒i ；之i i s 警t k n 口c 。苯酚 髓 c u f ez n 1 0 0 o 8 01 0 0 o 7 2o 1 0 0 0 7 40 9 10 8 51 0 0 从表1 2 和表1 3 可以明显看出，s s 和营养物质和重金属具有较好的相关性。 营养物质正相关于重金属。t s s 与其他污染物质的相关性十分重要，因为大多数 的径流水质控制体系( 如美国b m p 等) 的控制措施都是基于t s s 进行设计的。 另外，生物类的污染物和重金属类污染物具有较好相关性。这种相关性在合流制 和分流制两种系统都较为明显。 1 3 3 2 国内对径流污染物相关性研究 车伍等对不同道路、屋面径流水质指标相关性进行研究，发现在城市道路径 流中，主要污染物s s 和c o d 具有较好的，与t n 、t p 具有一定相关性；其它 污染物间也具有一定相关性，相关系数略有差异；同样的规律屋面径流中也较为 普遍 1 2 1 。任玉芬等研究发现，屋面、道路及草坪3 种下垫面径流s s 含量与c o d 、 t n 、t p 浓度之间有较好的相关性，相关系数均达0 8 5 以上l i 引。李海燕等对北京 市两次降雨过程中三个固定采样点的路面径流中重金属及总固体含量进行了测 定，得出径流中重金属浓度与总固体含量呈现较强的相关性，表明大部分重金属 以颗粒态存在，或被悬浮固体吸附i l 训。 张光岳等对成都市九条不同类型道路六次降雨径流水质进行了监测分析，得 出c o d c ，、t p 、t n 、z n 与s s 的相关性良好，其相关系数均超过了0 8 0 1 1 s i 。赵 剑强等对西安市某道路检测中发现b o d 5 与c o d c r 、s s 与c o d c r 具有较好相关 性，相关系数均大于o 8 0 1 1 6 j 。李思敏等对邯郸市典型居住区和工业区的屋面和道 5 站博伪m如私弘拶笛 笼拍 盯盯 记弱硒 舛舵 佗弭 肺m ” 加m 凹 l n c；n旬旬n m 衿 配 卯引 酩 似酊埔铝拍舄勰m稻鲐g!：会!酷柏邯叭如勰剪甜 l 0 o o o o 正 o o o o o o 2 | 筋 憾n m = 兮 胛 笳 乃h 筋 l 曲m n m m n c ；n m n n n n孙毋竹酷舵跎僻倦一一撇删即咖糯m印办 北京建筑t 稃学院硕j j 学位论文 路径流进行监测发现，s s 与c o d 、t n 、t p 的相关性较好1 1 7 i 。伊元荣对乌鲁木 齐的屋面、道路两种下垫面径流s s 含量与c o d 、氨氮、电导率之间有较好的相 关性，特别是c o d 与s s 间的相关性较高。相关系数达到了o 9 8 以上l 埔j 。 国内目前在径流污染物( 指标) 相关性研究方面已经开展了不少研究，涉及 北京、上海、西安、成都、邯郸、乌鲁木齐等多个城市，这些城市地处我国不同 地区，城市规模也具有不同的代表性，能够较为全面的代表我国实际情况。需要 指出的是，国内已经开展的研究主要是针对各类源头汇水面，均未涉及管道系统 中径流。因而，为系统分析和把握城市管道系统径流污染物的特性和污染规律， 有必要对管道系统径流污染物进行分析研究。 1 3 3 3 径流水质相关性研究 相关性分析可以看出不同污染物、不同类型污染之间的关系。若不同污染物 之间具有较好的相关性，有助于减少需要检测的水质参数，减少监测工作量。例 如若s s 和c o d 具有较好的相关性，若测得s s 浓度较高，相应的c o d 浓度也 较高，在工作量等条件限制的情况下，可首先监测s s 。 从上文分析可知，城市雨水径流以分为源头汇水面( 屋面、道路等) 、小汇 水区雨水管道、雨水干管、合流制溢流等几种主要类型。从国内外不同学者对外 径流监测研究看出，不同类型径流污染程度存在较大差异。因而，研究雨水径流 污染物相关性应对不同类型雨水径流分别进行研究。 ( 1 ) 源头汇水面径流： 根据以上对国内已开展研究的分析，在源头汇水面径流中，s s 与各类污染 物均具有较好的相关特性，s s 可作为典型( 代表) 污染指标。而且，源头汇水 面径流不是本文研究重点，在此不做讨论。 ( 2 ) 单一汇水面雨水管道径流 单一汇水面雨水管道径流主要指各类汇水区域较小、且区域内下垫面条件单 一的雨水管道径流，即各类立交桥、广场、小规模居住小区等雨水管道中径流。 本本选取北京两个典型城市立交桥雨水泵站( 主要功能是提升、排除路面雨水， 汇水区域内下垫面类型以道路为主) ，在一个雨季中，对两个道路汇水面雨水管 道径流进行连续监测，污染指标相关性研究参见第3 2 2 节。 ( 3 ) 综合汇水面雨水管道径流 综合汇水面雨水管道主要指雨水管道的汇水区域内包含了多种不同的下垫 面类型的雨水管道。通过一个雨季的连续监测，结合试验区域雨水管道径流水质 监测数据，分析污染物相关性，参见4 2 3 节，。 ( 4 ) 合流制溢流 6 本文旨在量化分析雨水管道径流和合流制管道溢流污染物排放规律，从而确 定主要控制措施的规模并进行管道系统径流污染控制策略研究，为管道污染控制 决策和实施提供理论依据。本研究主要涉及以下几部分的研究： 1 4 1 雨水径流初期冲刷现象研究 基于1 9 9 9 年以来的对城市雨水径流污染规律的研究，并结合国内外学者的 研究成果，对初期冲刷现象及其描述方法、污染物积累输送规律等进行分析：明 确提出，研究、讨论初期冲刷问题首先应区分两种不同的典型条件；归纳了影响 初期冲刷的主要影响因素，并进一步对国内外一些学者讨论初期雨水和初期冲刷 问题时存在的矛盾与困惑进行剖析，澄清初期雨水与初期冲刷的不同概念( 第2 章) 。 1 4 2 雨水管道径流污染排放试验研究 通过三个不同尺度和条件的区域的雨水管道径流进行试验研究，基于试验监 测径流水质数据，从污染物排放过程、径流水质指标相关性、初期冲刷、污染程 度等不同方面综合分析，以期全面、准确把握管道系统径流污染规律( 第3 、4 章) 。 1 4 3 合流制溢流污染排放试验研究 通过对合流制溢流进行现场监测试验研究，结合国内外相关研究成果，并与 第3 、4 章对管道径流污染规律的研究进行对比分析，从污染物排放过程、径流 水质指标相关性、初期冲刷、污染程度等方面研究合流制管道溢流污染规律( 第 5 章) 。 1 4 4 北京市径流污染负荷与总量估算 利用第3 5 章的典型区域雨水管道径流和合流制溢流水质和污染规律的研 究，计算不同区域的径流污染负荷。结合北京市的实际条件，估算北京市主城区 径流污染总量，并与其他学者研究成果对比分析，量化分析径流污染对北京市水 环境影响程度( 第6 章) 。 7 北京建筑t 程学院硕l j 学位论文 1 4 5 城市径流污染控制措施及合理规模确定 结合管道系统径流污染规律并借鉴国外发达国家研究成果和实践经验，以北 京市近5 6 年的历史降雨资料的统计为基础，研究污染控制措施合理规模的确定 方法，为管道径流污染控制措施规模的确定提供理论依据( 第7 章) 。 1 4 6 城市径流污染控制策略分析 基于前文对城市不同尺度区域的径流污染规律的研究，对比不同径流污染控 制策略的特点，并制定北京市不同尺度( 层次) 的城区( 镇) 径流污染控制策略， 以期为北京城市污染控制的决策提供理论依据。 1 5 研究方法 为实现上述研究目标和内容，主要通过以下途径和方法进行： ( 1 ) 文献调研、查阅 调研国内外相关的大量文献、著作，较为全面地把握国内外在管道系统径流 水质和污染规律等方面最新研究成果，为后续试验和研究提供有效的对比参照。 ( 2 ) 现场试验 对选定的三个区域的雨水管道径流和一个合流制溢流进行现场监测与试验， 基于2 0 1 0 年雨季测定的雨水管道径流和合流制溢流的水质、流量等数据，研究 管道系统径流污染排放规律。 ( 3 ) 统计学方法 对测定的径流和c s o 水质和水量数据按统计学的方法进行分析，以期从随 机性较强的降雨事件中把握径流污染物排放的内在规律；利用统计的方法对历年 降雨资料处理，为污染控制措施规模的确定提供数据支持，并指导径流污染控制 策略的制定。 而，国外一些研究对初期冲刷问题一直存有争议，国内学术界和工程界对初期雨 水和初期冲刷现象的认识则普遍存在明显的盲目性和局限性，如一些人一提到城 市径流污染及其控制就以为主要是初期雨水的问题、或简单地认为初期冲刷的普 适应性、或否认初期冲刷想象等。这对全面、清晰把握城市雨水径流污染规律和 实施有效控制会有很大的影响或误导。研究城市径流污染排放规律，有必要对初 期雨水和初期冲刷现象及其问题做进一步的剖析。 2 1 初期冲刷现象及其描述方法 上世纪八十年代，国外学者在城市雨水径流污染控制研究中提出了初期冲刷 ( f i r s tf l u s h ) 的概念，并针对初期冲刷的定义、成因、影响因素以及初期冲刷 过程中的污染物迁移规律进行研究。在中国，就如何准确描述初期冲刷现象、径 流污染物输送规律、如何利用初期冲刷现象指导工程实践等方面，一些国内学者 也进行了探索。 2 1 1 浓度初期冲刷 早期对初期冲刷的认识主要基于雨水径流的污染物浓度随时间的变化规律， 发现雨水径流中污染物的浓度峰值常常出现在径流初期，认为当初期径流中污染 物浓度明显高于后期径流时，即存在初期冲刷。这种基于浓度过程曲线的初期冲 刷又称为浓度初期冲刷( c o n c e n t r a t i o nf i r s tf l u s h ) 1 1 9 1 。这种描述方法的优点是 直观而简单，但也有明显的局限：仅考虑污染物浓度随时间的变化，并未涉及雨 水径流量的变化和污染物总量及其在径流过程的分配。在很多情况下，初期雨水 污染物浓度虽然很高，但降雨初期的径流量较小，所携带的污染物与次降雨径流 污染物总量的比例不一定高。因而，仅采用浓度过程曲线难以准确描述初期冲刷 现象。 2 1 2 质量初期冲刷 由于浓度初期冲刷定义的局限性，以及随着国内外学者研究的深入，又提出 质量初期冲刷( m a s sf i r s tf l u s h ) 的概念1 9 i 。当雨水径流初期污染物的累积输送 速率大于径流量累积输送速率时，即当降雨初期，占径流总量较小比例的雨水径 9 桨：哗t 掣1 竺兰銎k 塑颦n 堕兰m y ( ) 。陋。谚2 陋。印 窆百( 邋窆百( 皿 雨的降雨总历时；q ( f ) 一连续测样的平均流量；c ( f ) 连续测样的污染物平均浓 2 1 3 冲刷曲线及初期冲刷的量化 积曲线来判断是否有初期冲刷现象发生1 2 引。以m ( t ) 为纵坐标，v ( t ) 为横坐标 镣 糍 蒋 翰6 孵 戴别线 曲线l 荫线2 曲线3 曲线4 曲线5 瞎线6 经流摊敞率 图2 1 几种典型的冲刷规律曲线 f i g 2 - ls e v e r a lt y p i c a lc u r v e so ff i r s tf l u s hi nr u n o f f 图2 1 中的对角线表示整个降雨过程中径流污染物均衡迁移，即污染物排放 速率在次降雨事件中不变，m ( t ) v ( t ) = l ，将其作为初期冲刷存在与否的判别线。 1 0 第2 币城市雨水径流初期冲昂0 现象分析 当曲线前段位于对角线上方时，初期径流中污染物排放率大于径流排放率，存在 初期冲刷现象( 曲线1 、2 和5 ) ，且曲线前段越高于判别线，初期冲刷现象越明 显、越强烈( 曲线1 比曲线2 初期冲刷效果明显) ；曲线前段位于对角线下方时， 污染物排放率小于径流排放率，初期冲刷现象不存在( 曲线3 、4 和6 ) 。 一些研究者试图进一步量化分析质量初期冲刷规律，表3 1 中总结了部分国 外学者对初期冲刷的量化描述l 弘捌。 表2 - 1 部分国外学者提出界定初期冲刷现象的量化比例 t a b l e2 1d i f f e r e n td e f i n i t i o n so ff i r s tf l u s hp r o p o s e db ys o m ef o r e i g ns c h o l a r s 质量初期冲刷概念及量化描述方法似乎比浓度初期冲刷更科学合理。但随着 研究的深入和大量实验数据的积累，一些研究者发现，符合上述界定的初期冲刷 现象非常少见，在有些研究中出现的概率甚至不足1 1 2 9 。例。说明在不同研究条 件下，采用固定的比例来界定初期冲刷现象也有不足。 事实上，降雨、汇水区域、污染物的累计等条件会有很大的不同，径流污染 物冲刷规律具有很大的随机性、多变性和复杂性，因此不能一概而论，必须对不 同条件下的初期冲刷分别进行研究和讨论。为避免片面和绝对，应该从相对意义 上来定义或理解初始冲刷现象：当无量纲累积曲线前段部分明显高于对角线时， 即可认为有初期冲刷现象发生；曲线偏离判别线的不同距离代表初期冲刷的强度 的不同，曲线的前段越高于判别线，初期冲刷现象越明显。从量化的角度则是， 具有较小的p l 和较大的p 2 时即存在初期冲刷现象，两者相差越大，初期冲刷越 明显。 2 2 两种典型条件下的不同初期冲刷分析 需要特别指出，不同学者对初期冲刷的研究结果相差较大、甚至截然不同的 结论，除了表述差别和众多的随机影响因素外，一个十分重要的原因是研究的取 样点的显著不同。更确切地说，根据冲刷发生和取样点的位置不同，对径流的初 期冲刷研究和讨论首先应该区分源头汇水面源头冲刷和管渠冲刷两类典型的不 同条件。 冲刷现象，并可用浓度初期冲刷和质量初期冲刷来描述。以北京某高架桥路面一 次降雨径流为例，降雨过程中，按间隔5 、1 0 、1 5 、3 0 、6 0 、1 2 0