（环境工程专业论文）基于swmm模型的合流制溢流污染研究及控制.pdf

摘要 随着我国城市化进程的加快，城市合流制排水系统的雨天溢流污染问题也同 益凸现，本论文对国内外溢流污水主要污染指标s s 、c o d 、b o d 、t n 、t p 等的 平均浓度指标( e m c ) 进行分析比较，并将c s o 水质与分流制雨水水质及雨水径 流水质进行对比分析。以s w m m 模型为工具，借鉴国内外相关研究的模型模拟 参数，根据排水分区、汇水特点等对研究区进行概化的基础上，建立了基s w m m 的合流制溢流污染规律研究模型。使用该模型分析了溢流动态过程、溢流污水初 期效应，及不同截流倍数、不同降雨重现期溢流污水水质的变化及管道沉积物的 影响。分析了c s o 控制的源头控制、管路控制、存储调蓄以及c s o 处理等措施的 原理、设计计算、适用性、去除效果及根据不同条件进行措施合理的选择问题。 进而为我国城市研究c s o 污染并制定相适应的控制措施提供参考。 关键词：合流制；溢流污染；s w m m 模型；污染规律；控制措施 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t e dp r o c e s so fu r b a n i z a t i o n ，t h ec o m b i n e ds e w e ro v e r f l o w p o l l u t i o nh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h ec s ow a t e rq u a l i t ya td o m e s t i ca n d a b r o a d 。c o n t r a s to ft h ee v e n tm e a nc o n c e n t r a t i o n ( e m c ) o fs s ，c o d ，b o d 、t n ， t pa n dt h ea n a l y s i so fs e p a r a t es e w e rw a t e rq u a l i t ya n dr a i nw a t e rq u a l i t ya r e r e s e a r c h e di nt h ea r t i c l e w i t ht h es t o r mw a t e rm a n a g e m e n tm o d e la sat o o l ，r e f e r r i n g t os i m u l a t i n gc o e f f i c i e n to fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm o d e la n dg e n e r a l i z a b i l i t yo f t h er e s e a r c h e da r e a ，b u i l dac a l c u l a t i o nm o d e lf o rt h ea r e a a n dt h e na n a l y s et h e p r o c e s s ，f i r s tf l u s h ，w a t e rq u a l i t yo ft h ec s o ，a n dt h es e d i m e n t s i nc o m b i n e d s e w e l s o u r c ec o n t r o l s ，c o l l e c t i o ns y s t e mc o n t r o l s ，s t o r a g et e c h n o l o g i e s ，t r e a t m e n t t e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e df o rc s o c o n t r 0 1 t h ee x p e r i e n c eo fd e v e l o p e dc o u n t r i e s p r o v i d e sar e f e r e n c ef o rc s o r e s e a r c ha n dd e s i g ni nc h i n a k e yw o r d s ：c o m b i n e ds e w e rs y s t e m ，c o m b i n e ds e w e ro v e r f l o w , s w m m ，p o l l u t i o n l a w , c o n t r o lm e a s u r e 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。 学位论文作者签名：冲匆驾 e l 期：夕目年， 月矽日 北京建筑t 程学院硕士论文 i i 引言 1 绪论 城市化进程的加快，建成区面积不断扩人，导致不透水面积大幅度增加，致使相同降雨 条件下，径流系数增人，洪峰提前，洪最增大，对城市排水和河道行洪构成巨大的压力【l j 。 城市雨水问题以及由此引发的合流制排水管道溢流( c s o ) 污染问题日益严重。主要表现在： ( 1 ) 不透水地面的增加，导致大量雨水流入下水道，水循环系统的平衡遭到破坏，城市洪 灾风险加大；( 2 ) 雨水径流污染日益严重：( 3 ) c s o 污染问题随着水质的变差有加剧的趋 势。我国许多城市特别是老城区，大部分都采用合流制排水系统，雨季经常出现污水溢流漫 溢，造成道路积水，影响交通；溢流污水水量人，水质差，不经任何处理，直接排放水体， 对城市水体污染严重。 近年来，中国水污染控制的力度在不断加人，但水污染恶化趋势还没有得到根本的遏制。 到目前为止，重点仍是对点源污染的控制。在“三河、三湖”的治理过程中，面源污染己引 起越来越多的重视。滇池、太湖、巢湖等流域的污染治理经验表明，不控制面源污染不可能 从根本上解决水体的污染问题【2 j 。合流制管道溢流( c s o ) 污染问题在我国没有引起足够的 重视，具体处理设备在c s o 中的应用也比较少。因此，开发适合中国具体情况的c s o 污染 控制技术，从而有效的控制城市合流制管道系统污染及c s o 对城市河道的污染。 i i 1 合流制溢流污染的概念及特征 旱季时，合流制管道中的污水可以直接被运送剑污水处理厂，而在暴雨或融雪期条件下， 由于大量雨水流入排水系统，流量超过污水处理厂或污水收集系统设计能力，部分污水直接 溢流进入水体，这部分溢流混合污水称为合流制排水系统污水溢流( c o m b i n e ds e w e r o v e r f l o w s ，c s o ) 3 。 c s o 主要由生活污水、工业废水和雨水三种性质不同的水流组成，其中还含有旱季管 道内形成的管道底泥，故含有大量的污染物，而污染物的量也因各种水量的比例而异，其中 不仅包括s s 等固体污染物，还包括其他可溶性有机物、营养物质及其它有毒有害物质如重 金属、氯代有机物等，另外还包含大量生活污水中的致病微生物。 合流制管网中污水的水量和水质是变化的，旱季时管网中流动的汉是生活污水和工业废 水，水量较小，因此，流速较低，容易产生沉淀：雨季时雨水径流进入管网，不仅带入了径 流冲刷的污染物，而且由于水量变大，流速较高，一部分沉积于管渠底部的污染物被冲刷起 来进入了混合污水中，有可能使污染物的浓度明显升高。所以雨水径流具有稀释污水和使混 合污水水质恶化双重作用，国内外均有过有关报道。 综上所述，c s o 污染具有以下特点： ( 1 ) 随降雨过程中雨鼍的变化，流量变化很大。 ( 2 ) 因各城市污染程度、气候、降雨量的不同，其中污染物的浓度变化也较大。 ( 3 ) 对某些管道系统，降雨时，由于地表径流在短时间内累积，流入管道，在c s o 过 程初期，污水流量逐渐增加，并且由于初期暴雨对地表和沟道中累积的污染物的冲刷，形成 了污染物浓度的高峰，随着径流量的增加污水得以稀释，污染物浓度下降至平均水平1 3 j ，这 种现象被称作初期冲刷( f i r s tf l u s h ) 。即径流初期雨水中污染物浓度较大的现象。 ( 4 ) 因受纳水体的水文学和水力学条件的不同，c s o 造成的污染程度不同，c s o 不论 是否经过处理，最终都将排入特定的水体。当受纳水体流速较快时，其稀释能力和水体自净 北京建筑t 程学院硕i ：论文 能力都比较强，减轻了c s o 污染的影响。然而对于像我国北方地区那种流速较小，流量季 节性变化大的水体，c s o 的排放常常造成相对比较严重的污染。 1 1 2 合流制溢流污染的危害 c s o 由降雨所引发，是1 f 连续的将集水流域上和管道中的污染物排入受纳水体。c s o 的污染跟汇水面的特点及利h j 类型有很大的关系，汇水面的特点和利用类型决定了污染物的 种类和浓度，其污染物主要是与生活污水有关的耗氧污染物和病源微生物。c s o 不经处理 直接外排将会造成严重危害，对受纳水体造成严重影响。主要包括以下几方面p 巧l ： ( 1 ) 影响水生生物 c s o 中大量的有机物排入水体，微生物迅速繁殖，造成水中溶解氧下降，水体中经常 短期出现低溶解氧时，会影响水生生物的正常生长，阻碍内陆水体水产业的发展。同时，雨 天一些米自造纸厂、化工厂、药厂、印染厂等工业废水和化学洗涤剂、农用杀虫剂、除草荆 等有毒有害物质进入水体，污染水体，毒害鱼类。 ( 2 ) 造成水体富营养化 溢流污水中富含大量的氮、磷元素时，排放水体引起水中藻类等生物异常增殖，出现水 华现象，影响水体功能。 ( 3 ) 减弱亲水感 c s o s 排入城市河道，由于污水中携带有各种同体颗粒物质，裹挟的物质粒径小，难以 沉降，增加了水体的浊度和色度，受纳水体的视觉效果变差，减弱了亲水感。特别是夏季， 影响人们嬉水和游泳的偏好。 ( 4 ) 威胁健康 溢流污水中含有各种病菌甚至病毒，各种病菌病毒在水体中繁殖并通过水体传播，拓宽 了病菌病毒的传播途径和渠道，威胁人们的健康安全。目前很多城市河道水质为劣五类水体， 污染严重、黑臭现象突出的河流散发难闻的气味，有些河道两旁寸草不生，黑臭的水体散发 的气体如硫化氢、氨等对人体危害严重。 ( 5 ) 制约经济可持续发展 景观生态河流可以为工业用水、园林绿化、生活用水、城市消防等提供水源，并可以起 到防洪排涝的作用。城市河流能起到调节城市气候的作用，减少因城市发展引起的热岛效应。 城市水体河流水质变差，降低河流的水体功能，减弱城市的活力，一定程度上阻碍城市的综 合发展。 1 1 3 国内外合流制溢流污染控制研究现状 1 1 3 1 国外合流制溢流污染控制研究现状 欧、美、日等国家很多城市存在合流制管道系统，他们在很早的时候便开始对合流制管 道溢流污染控制的研究，并已取得显著成果。 ( 1 ) 美国 在美国，有3 2 个州有合流制管道系统。这些合流制管道系统主要集中在美国东北部和 北美五火湖区域附近，共有8 5 9 处 6 1 ( 如图1 1 所示) 。 2 # 京4 飒t 学日i 地空 、 合流制管道分布区域 囤i1 美国台i 系统* 布目” 美国从7 0 年代开始重视对c s o f j 染控制的研究。为了解决合流制管道浠流污染问题，美 国环保局在1 9 8 9 年8 月1 0 日发布丁台流制溢流污染控制对策阿。该对策将台流4 溢流当作 点源拓染，列入国家污染排放许町和清洁水法控制之列。要求所有合流制溢流必须按照上述 法 法规进行清理，选到以f z 个目标( 1 ) 确保台流制溢流只能在雨季艘生：( 2 j 所有台流 制溢流排放必须符旨晰沾水法在技术荆水质方面的要求：( 3 ) 减小台流制溢流对水质、水生 生物和人娄健康的影响。 虽然这个对策a 当时引起了大家对c s o 污染问题的戈注，但足它在解决一些根本问题 r 却存在一些缺陷。j 是美国环保剀自在1 9 9 1 年，国家管理机构及其他环境 r ” 进行协 商，幢c s o 污染控制政策有了进一步的发展井1 ：1 9 9 4 年在c s o 控制控制对策的基础r 1 5 己袭了c s o 控制法规p 】。1 9 9 5 年美国环保总局发布了c s o 长艄控制规划指南( c o m b i n e d s e w e ro v e r f l o w s g u i d a n c ef o rl o n g - t e r mc o n t r o lp l 卸) 1 6 1 和c s o 九项基本控制措施指南 ( c o m b i n c ds e 0 v c r f l o w gi d f n im i n i m u i nc o n t r o l s ) ( 如表11 所* ) 。 表1ic s o 九项基本控制措施南”“ * 牟托制挣制方毕恻 镕# 、椅镕施：清理沉物；修理 站糙 盘系* 行 收集系统的储存能 昂 化镕m 下水道储血能：m * 目时目；清除m m 物整w m 截流泉* 能力 体轵控制日染控制 h 靖w #优n 储存池：母限 g 目* 口；口常管n 少枉：增世b m p 措旌 柑板 h 水* n 理的蚰 m 分析量，评估设计n * 自目管道分 析管道系统运行情况 执行常规榆矗：击除作法娃接；清理，检恬i 流制管道系统 c s o 中的件目悬浮物质拄制增m i 挡板格册筛h 、“目井：头拄叭 暂道清洗、0 众教育、刚倬废物川收 h 染m m 控制：侏护水峦源 0 其宣传“录 b 视，撤纸报道：信自m 确定所有c s o w 水d ；记i c s o 发生白勺m 数、 测 盏流y j 染# 响日控制措施教籀半和持缍 目n 站墅m 件白勺水质数据： n 镕c s o 响 为了 r 效控制城h 合流制溢流污染，美国环保局还发表了相关r 作指南，包括台流污水 溢流监测和建模指南i “i 、流污水溢流治理蛊金筹措指南“i 、台流污水溢流投资估算和建 北京建筑丁程学院硕上论文 设计划指南【1 3 1 、合流污水溢流控制技术选择指南【1 4 l 。 美国在对c s o 污染控制的逐步研究中发现，要想有效控制c s o 污染，必须加强对其源 头的控制，也就是要将c s o 污染控制与暴雨径流控制有效的结合起来，以便从根本上消除 或减少c s o 的发生。于是，2 0 0 5 在城市非点源污染国家管理办法( n a t i o n a lm a n a g e m e n t m e n u st oc o n t r o ln o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nf r o mu r b a na r e a s ) 中规定必须采取措施控制径 流污染，实现项目开发后的t s s 年均负荷不得超过开发前，或控制年均t s s 负荷的8 0 ； 控制开发后的径流洪峰和径流总量不超过开发前，或采取其它调蓄措施防i l = 下游河道或海岸 线的侵蚀，以便从源头有效的控制c s o 污染【l 引。2 0 0 7 年美国环保总局提出了促进实施绿色 措施协议【1 6 l ，其中强调在c s o 污染控制过程中要尽量采取一些暴雨管理的绿色措施，例如 雨水花园、生物滞留系统、绿色停车场的设计等。 美国不仅出台了关于c s o 污染控制的一系列法规，同时，各城市根据法规中的具体要求， 针对合流制溢流的污染状况，采取了相应的具体措施。例如改造合流管道、改进管道中截污 装置的材料来提高装置的截污效率、增大原有管道的尺寸、增人污水厂的处理容量、尽量减 少溢流量等。如特兰大兴建了地下隧道、贮存池，并与管道相连，雨天时，隧道和贮存池 用于贮存过多的雨污水，降雨过后，这部分雨污水输送至污水厂 1 7 1 。后来义对贮存池进行 进一步的改进，改造成带有砾石床的湿地处理系统，储存的同时进行净化，但这种系统的维 护管理费用较高【1 8 1 。费城在溢流口采用充气式橡胶堰，可充分利用现有系统的贮存容积， 减少溢流量。据统计，利用这项技术，费城一场降雨可减少7 0 的溢流量【i 训。 ( 2 ) 日本 日本多数大城市保留了合流制管道系统，全日本使用合流制的城市共1 9 2 个。日本合流 制的溢流污染问题也非常突出，因此，日本专门成立了合流制管道系统顾问委员会来研究 c s o 污染的控制问题。他们计划在以下领域开展c s o 污染控制研究：a 格栅；b 高效率过 滤；c 沉淀和分离；d 消毒；e 检测仪器和控制方法，提出了2 4 种相关技术并首先应用于1 3 座城市中。到2 0 0 5 年，所有的技术都被成功地测试并提议将其大规模的应用于全国【2 。 大阪市约9 7 的地区是合流制管道系统( 如图1 2 所示) 。为了解决当地的c s o 污染问 题，大阪市政府建造了许多控制设施，如雨水储存管、雨水隧道、蓄水池等。并且为了加快 这些设施的应用，当地市政府创立了个2 0 0 2 年2 0 0 6 年的短期计划一“合流制管道系统 发展的紧急计划”，将其作为尽可能完成的目标1 2 。这个计划包括一些实际的措施，如在雨 季对混合水进行活性污泥处理、建立雨水蓄水池、利用大规模雨水干管的富余调蓄空间来储 存雨水、改进并安置滤网来分离微粒和砂粒等。大阪市还提出了“雨季废水处理方法”( w e t w e a t h e rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tm e t h o d ：3 wm e t h o d ) ，这个方法可使雨季管道处理能力达到最 优化来实现对c s o 污染的控制l z z j 。 4 n 京建筑t 程学k 蛳l 论i 罗一谳 咚i 。u 目12 m 市合流割管道系统h 布目” 目奉永京有2 3 个行政k ，其巾8 2 应用的是台流制管道系统。雨天时溢流污水未经处理 直接排入到河川对公= i j ：水产生不良的影响。引对c s 0 污染的情况，永京制定了合流制排 水系统环境日标政善疗雍，其草堆思路是：( i ) 削减污染负荷量，( 2 】确保公共p 生，( 3 ) 清除漂浮物。根据馥地区的环境要求设定了相麻的环境目标( 如表l2 所示) 。 表12 台流制排水系统# 境目标改菩实女案 污染负衙i 削械l 逃到j “t 剖t 水道m 下 5 0 88 u , r l -3 0 68 u 年 2 0 21 v 年 l 溶惩设 3 方面的尘 l m * l 次数减少5 0 3 8 3 澍年 3 0 攻岸 一 1 贮留设施 为了实现环境政善h 杯( 1 ) 、( 2 ) 尔京】b 选定了雨水贮田设施平渗透设施方窠。雨水 贮留设施能有教削减雨大时流山口的溢流酞数和排放量。同时通过降雨时贮留、降雨结寐 后进行适当的处理等来自0 碱溢流负荷量。井向公共醴晦、住宅等推广设置雨水渗透设施( 渗 透管沟、渗透榆盘升等) ，这些渗透设施作为1 3 本国家综合性清水对策的部分将产生一定 的环境改善被果。关丁环境改善目标( 3 ) ，将通过在阿水流出升处设置滤网或格栅来完成。 ( 3 ) 加拿人 加幸大也一卣在研究c s o n 染的摔制古i 去，在多伦多市，许多1 9 5 0 年前建成的区域都 是台流制管道系统( 如图1 3 所示) ，平均每年理发生5 0 6 0 救的台流制管道溢流现象“”。 多伦多市早在九十年代便制定了c s o 污染拧制2 5 年计划，为c s o 污染提供解决方案，其 中一个重要的组成部分是唤起群众对这个问题的重视，也就是枉某些基础i 贞目中鼓励多伦多 民的参与。这个计划的总投资人约为十亿四干七百万美元，平均每年的运行维护赞h 约为 一百六十万美元。在2 0 0 3 年，多伦多市政府制定了雨季溢流管理总体规划，目的是授少井 最终消除雨季溢流的各种影响。2 0 0 5 年多伦多制定了c s o 控制计划，井存2 0 9 6 年成立r 一些环境评估小组，来负责监控返衅计划的实施情况p 。 ，r”“。0， ；丁 。i； ， r 口煺站舭弥泵黼o 北京建筑工程学院硕士论文 多伦多合流制管道系统 。k ) j 7 7f 7 ) 7 【1一1 1 一 l i ； ll r 1 澎f 髀冬娃雠 1 p 一笠t * 瓤弹 ，_ 一_ - 。1 1 切素! 守# 一7 if i lr，1 。i 穸。j 卵ffl ? - ， ， i 蒋 、ij。 1 缝厶广厂 位 ；j雕i j 一， l 曳3 、釜一l, - 1 i 1 仁 多 1 歹一埯警甭拶7 目合流制管道服务区域 图1 3 多伦多合流制管道系统分布图1 ( 4 ) 德国 德国从八十年代开始重视城市雨水径流和c s o 污染的控制，他们不是依赖“雨污分流” 的办法，而是更加重视源头污染控制、c s o 污染控制和雨水径流污染控制的结合【2 6 j 。最典型 的措施是修建人量的雨水池截留处理合流制管道的溢流污水和雨水，以及采取分散式源头生 态措旋削减和净化雨水。据1 9 9 8 年统计，德国共拥有雨水池3 1 0 4 4 座，总容积达到3 3 1 4 3 万m 3 ，平均每人0 4 0 4m 3 。到2 0 0 2 年，德国已拥有3 8 万座雨水池，其中溢流截留池2 4 万座，雨水截留池1 2 万座，雨水净化池2 0 0 0 座，总容积达到4 0 0 0 万m ，平均每座污水厂 拥有近4 座雨水池【2 7 1 。德国因地制宜地采纳适合当地条件的不同排水方案，保留人量的合 流制( 约占7 0 左右，个别城市如汉堡甚至达到9 0 ) 。他们将重点放在源头污染控制和终 端污染控制的结合、排水系统的改造与完善、削减径流量和污染物总量、与其它雨水径流污 染控制的技术性和非技术性措施的结合。通过全面而科学的系统规划，较快地实现了对c s o 的有效控制【捌。 ( 5 ) 英国 1 9 9 0 年初英国大约有2 5 0 0 0 处合流制管道，英国各部门已经进行了大规模的c s o 的研 究，包括英国水工业研究所( u k w l r ) 、水研究中心( w r c ) 、水研究基金会( f w r ) 等。 为了解决c s o 污染问题，u k w l r 建立了许多c s o 相关的研究项目。1 9 9 6 年，谢菲尔德大 学建立了“c s o 研究会”，成员以很快的速度增加，其中包括每个英国水公司的代表，并且 在1 9 9 7 年与u k w r 合并叫做c s o 研究团体( c s o r g ) 。c s o 研究团体在之后的4 年管理 了多种的c s o 相关的研究项目，并对国内的c s o 污染控制做出了一定的贡献。英国一些水 公司已经对许多大规模的c s o 处理设旆运行情况进行了评估。并且在2 0 0 2 年，由工程与自 然科学研究中心( e p s r c ) 和英国水工业研究所( u k w i r ) 资助，建立了c s o 污染负荷预 测项目1 2 9 l 。 1 1 3 1 国内合流制溢流污染控制研究现状 目前，我国某些城市已经认识到c s o 污染的问题，开展了一些研究并开始采取相应的 治理措施。作为特大型城市的上海，近1 5 0 年来，随着城市化进程不断加快，地下管线也不 断更新，在新建地区采用雨污分流排水系统的同时，也存在着大量老的合流排水系统。上海 市中心城区的多数地区的排水管网仍为合流制。由于大量污水未经任何处理通过合流管道直 接排入黄浦江、苏州河等河道，严重污染了河水水质。为减少合流制系统溢流污水对苏州河 的污染，上海也在加紧对合流制排水系统溢流污染控制的研究，主要任务是加强合流污水调 蓄池的建设，对初期雨水进行调蓄处理并配套相应的管理措施，以工程措施和非工程措施相 结合，加强污染源头的治理与控制例。在苏州河整治二期工程实施期间，上海市科委支持 北京建筑t 程学院硕士论文 完成了“合流制排水系统初期雨水污染控制技术”相关5 个子课题的研究，为控制合流制管 道溢流污染提供了技术支撑。苏州河环境整治一期和二期工程建设完成后，目前正在进行苏 州河沿线排水系统雨大溢流量削减一i ：程，其主要目标是通过：翻至措施和管理措施，减少雨天 溢流的次数和溢流污染负槲圳。 广州市每到雨季，合流制管道溢流问题也非常严重。为了解决这个问题，广州市市政部 门针对老城区的情况，推出了“雨污合流”的污水收集和处理办法。广州市市政园林局有关 部门经过调研，提出了针对合流制污水管道溢流的8 人改良措施，包括对检查井底部进行处 理以防止垃圾和污浊物的沉积、增强污水管排水能力、尽量减少通过溢流口直排入河的污水 量、在雨水溢流井内设置过滤网格栅等【3 2 1 。这些措施有望在老城区生活污水治理方面起到 良好作用。 武汉中心城区内汉口、汉阳及武昌旧城排水体制主要为雨污合流制，存在的主要问题有 雨水排放标准偏低、污水集中处理率低、管网覆盖率低、合流制管道比例大、设施老化等。 对于合流制排水系统，武汉市规划通过提高截流倍数和增加截流量，来有效减少溢流次数及 避免合流污水直接污染水体。通过改造、增加截流支管等方法将截流量提高，使雨天溢流次 数、溢流量减少。此外对有条件的地区采用调蓄的方法，将降雨初期超出截流量的合流污水 暂时贮存起来，待旱季污水系统设施空余时，纳入污水系统处理后排放【3 3 j 。 虽然我国某些大城市对c s o 污染控制采取了一些措施，但总体看，c s o 污染问题尚未 引起足够重视，不少城市尚未厘清其排水体制上存在的问题及规划的战略思路，缺乏对c s o 污染问题的系统研究，如污染负荷评价、污染规律及其对策等；我国的c s o 污染控制技术 水平还很落后，没有形成比较完善的技术体系和先进的技术设施，也缺少相应的控制管理政 策和法规体系。 1 2 课题研究背景和意义 水环境污染是当前世界各国普遍存在的问题。水环境污染源可分为点源和面源，点源污 染指集中排放的污染物引起的污染，如生活污水和工业废水等；面源污染主要指在降雨径流 的淋溶和冲刷作用下，污染物随径流进入水体而引起的污染。随着点源污染治理的深入，面 源引起的污染问题日益凸现。如美国等发达国家，至少有一半以上的水质问题米源于面源污 染畔l ，其中城市雨水径流污染是仅次于农业面源污染的第二大面污染源。随着人口的增加， 城市化进程的加速，使得城市雨水问题日益加重，同时由此引发的合流制排水管道溢流 ( c s 0 ) 污染问题也有加重的趋势。 长期以来，我国水环境污染防治的工作重点主要放在点源污染的治理上，合流制管道溢 流污染问题一直未予足够的重视，具体处理设备在c s o 中的应用也比较少。事实上，c s o 污染己成为制约受纳水体水质改善的主要因素，不深入研究c s o 污染问题，不深入开展城 市c s o 污染的控制和治理，水体污染问题就难以彻底解决。c s o 污染具有其固有的特征， 要对其采取针对性的措施进行控制和治理，就必须了解它的污染状况和雨水水质、水量的变 化规律，为c s o 污染的控制建立提供科学依据。同时开发适合我国具体情况的c s o 污染控 制技术，从而有效的控制城市合流制管道系统的溢流污染问题，可以有效防止c s o 对城市 河道的污染，这对于解决城市水污染问题具有重要的意义。 1 3 课题研究内容 此项研究主要针对合流制污染的状况，利用s w m m 模型模拟不同的截留倍数不同降雨 频率时的污染物变化情况，并针对北京市具体特点，提出适用于北京的合流制溢流污染控制 7 北京建筑工程学院硕上论文 措施，并对各个措施进行设计计算。主要研究内容包括t ( 1 ) 国内外c s o 水质对比分析 ( 2 ) 研究区域动态溢流过程及管道初期效应的模拟分析 ( 3 ) 不同截流倍数及不同降雨重现期对溢流过程的影响分析 ( 4 ) 管道沉积物对溢流过程的影响分析 ( 5 ) c s o 污染控制措施研究及其效果分析 1 4 研究方法 为我国合流制溢流污染控制提供可行的措施，需要分析研究合流制溢流水质及其污染物 变化规律。通过实测来获取水质资料操作困难、周期长；此外由于不同地区有不同的特点， 同一地区不同的区域又有不同的具体条件，某一区域的几次实测数据不具有普遍意义。因此， 通过文献奄阅对比水质状况，根据当地情况确定各种参数，运用模型来分析溢流污水各污染 物变化过程并确定其溢流量，为控制措施设计计算提供依据。 1 5 模型的选择 国外城市非点源径流模型有s w m m 、h s p f 、s t o r m 、d r 3 m q u a l 、m o u s e 、w a s p 、 p o l l u t e 、w a l l i n g f o r di n f o w o r k sc s ( 英) 等。前四个模型最为成熟并具有代表性，其他 非点源模型都来源丁它们，改变的只是名字或者部分程序，但是原理基本上是一样的，四种 模型的特点见表1 3 【3 5 1 。 表1 3 四个非点源径流模型的比较陋蜘 模型 特征 s w m m h s p e s t o r m d r 3 m - q u a l 美国水文工程 开发机构美国环保局美国环保局美国地质勘查局 中心 径流过程、管道输送小排水区( 尤其 市区的降雨、径 过程、储水及水处理 综合性的水文、水质 是城市的水文 模拟的主要过程流、水质变化过 过程，污染物输运过过程过程及污染物 程 程的迁移转化) 水量( 水文过程线和径流率泥、泥沙负荷、 水量、总悬浮 径流量) 、水质( 1 n 、氮、农药以及用户定 模拟的主要变量物、b o d 、 i n 、 t p 、c o d 、b o d 、 义的污染物浓度的时 正磷酸盐等 t s s 等) 间序列 主要适合于城市区流域模型，模拟连续 可以模拟任何 域的综合性水量、水或一次的降雨过程， 时间的暴雨情 模拟的主要特征质模拟程序，可以模既可以模拟一般的污 况，还可以模拟 拟连续或一次降雨染物，又可以模拟有 一组暴雨( 忽视 当中的旱季) 情 过程毒有机污染物 况 模拟降雨类型连续、单个连续、单个连续连续、单个 模拟污染数量1 01 0 64 8 北京建筑t 程学院硕i ：论文 降雨分析 町以 可以 可以可以 捧水系统流程分析 可以 可以 不可以可以 满流动力学方程 可以不町以不可以不可以 压力流可以不可以小可以 不可以 调节池、溢流可以不可以可以不可以 特殊固体可以可以不可以可以 贮存分析 町以 可以 可以可以 处理分析可以可以可以 可以 设计可以可以不可以 可以 微型计算机应用可以可以不可以不可以 数据和人员要求高高 低一般 整个模型的复杂性高高 一般一般 通过对上述四种非点源污染负荷模型的比较可知，s w m m 模型可以很好的满足本论文 研究的要求，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) s w m m 可对合流制排水管网系统进行水量水质模拟，对于随降雨产生的城市1 f 点 源污染的模拟具有一定的灵活性和适用性。它主要包含径流、输送、扩充输送、贮水处理、 受纳水体五大计算模块，各模块间既可单独进行模拟，也可耦合模拟，应用比较灵活。 ( 2 ) s w m m 可以完整的模拟降雨径流的产生、输移以及城市非点源污染的产生过程。 在径流子系统模拟中，可以模拟地表洼蓄、入渗以及早季入渗能力恢复过程。在水质模拟方 面，可以模拟地表污染物的累积、冲刷过程，并可根据不同的功能区或不同的地表利h j 状况 进行不同地表污染物的累积、冲刷模拟。传输子系统模拟水流在管网系统中的运动过程，并 可模拟排水管网节点处旱流污水的汇入。 综合以上分析，本文确定选择s w m m 模型进行从降雨到污水溢流整个过程的模拟计算， 得出合流制排水系统的溢流污水水质、水量的动态数据。 9 北京建筑工程学院硕士论文 2 国内外合流制溢流水质研究 我国许多城市合流制管道溢流( c o m b i n e ds y s t e mo v e r f l o w - c s o ) 污染严重，上海、北 京等大城市针对河湖水系污染问题，开展研究并应用了一些c s o 污染控制措施，但缺少对 c s o 水质的全面监测数据，对污染物输送排放规律、污染负荷及有效的控制对策缺乏系统 研究。因此，对我国及发达国家一些城市c s o 水质进行总结和分析比较，有助下更科学地 利了解c s o 问题，有针对性地制定控制策略和采取有效的控制措施。 2 1 溢流污染主要影响因子及污染指标 c s o 水量水质既受污水变化的影响又受降雨与汇流、管道系统拓扑结构、截流井设计 及管道沉积物等许多冈素影响，随机性强，不同时间、不同溢流点、不同雨量和不同管道条 件都会导致溢流污水水质水量较人的变化。表2 1 列出溢流污染一些主要影响因子【3 9 】。 表2 1 溢流污染主要影响因子 影响因子对水量及水质影响的主要因素 生活污水人口密度、工业商业、污水定额 地面污染土地利用类型、社会活动影响 管网特征结构、溢流口设计、防渗能力 管道沉积管道水力特征、管道沉积物、沉积物累积及冲刷规律 降雨特征降雨雨型、降雨强度、降雨时问问隔 设施能力截流能力、处理能力、调蓄能力、排放能力 地面特征地形地貌、下渗能力、截流能力、植被、调蓄能力 气温气象蒸发量、降雨季节 运行管理运行水位、调度策略、管道疏通 c s o 污水中含有多种污染物，包括有机污染物、营养物质、重金属污染物等( 见表2 2 ) 。 表220 s 0 主要污染指标 污染物分类污染指标 物化参数 t s s 、t s 、t v s 、v s s 、p h 、色度、浊度、传导率 有机污染物 b o d b 、c o d 、d o c 营养物质 t n 、t p 、n - n h 4 、n - n 0 3 、n - n 0 2 、p p 0 4 重金属污染物 z n ，p b 、n i ，c u ，c d ，c r 、h g 、a s 细菌污染物总大肠菌数、大肠杆菌 其他有毒污染物p h a s 降雨过程中溢流水质、水量不断变化，影响因素多、随机性强，而一场降雨过程中地表 径流全过程排放的某污染物平均浓度则相对稳定，更具可比性。因此，国外大多 j 次降雨污 染物平均浓度( e v e n tm e a nc o n c e n t r a t i o n - e m c ) 对水质进行统计分析，e m c 值反映每场降雨 过程污染物的平均浓度，既适用于降雨径流污染程度的衡量，可以表征溢流水质的污染特征。 e m c 定义和计算如i - ： 1 0 北京建筑t 程学院硕十论文 胱；丝；壁堂。 y f q o 枷 式中m 一径流全过程某一污染物总量： v 一相应的径流总体积： c ( t 卜一随径流时间而变化的某种污染物浓度； q ( t ) - - 随径流时间而变化的径流流量； t - 一总的径流时间。 2 2 国外c s o 水质 发达国家对合流制管道溢流污染规律、溢流污水水质状况、溢流污染控制措施等进行了 广泛的研究，积累人量基础数据与资料。 ( 1 ) 意大利 意火利帕维弧市在2 0 0 0 2 0 0 3 年间对合流制管道系统的监测共记录2 3 场降雨，降雨量 范围2 3 9 9 m m ，持续时间1 1 - - + 1 1 3 3 m i n 。整理分析了8 场不同降雨强度及降雨量的降雨事 件的c s o 污染物及e m c 值( 见表2 3 ) 。 表2 3 部分降雨事件污染物的总量和e m c 值 ( 2 ) 斯洛伐克 斯洛伐克的主要城市都是合流制管道系统，当地的水研究机构和卫生部门对c s o 污染 进行t - - 年的长期监测，观察了超过3 0 0 个溢流排放口的情况。分析得到c s o 主要污染物 的e m c 值。 表2 4 斯洛伐克合流制污染物e 值1 污染指标e m c ( m g l d ) 污染指标 e m c ( m g 1 1 ) t s s c o d b o d t n 4 3 0t p 4 4 5 p - p o + 1 7 5z n 1 6 8 c a 1 l 一 2 6 3 0 6 3 o 5 7 霹0 0 2 址一嵫竺弛 啦一浮擎可善 北京建筑r 丁程学院硕十论文 n n h n - n 0 3 n n 0 2 6 2 1 1 2 8 0 1 0 p b c u c r 0 2 0 o 5 0 丁 ( 4 1 ) 在已知降雨量h 和降雨历时t 的情况下，可按照下述方法进行时程分配。 蹦r 一背z 口一4 ( 1 + c l g p ) 一日竿( 4 2 ) 将式( 4 2 ) 代入式( 4 1 ) 中即可得到降雨过程。 i ( u r a i n ) 图4 2 暴雨公式的芝加哥时程分配 2 8 一渗 ，一 瑚景 磐等 愆荆 北京建筑工程学院硕：仁论文 根据公式对降雨进行时程分配，设计0 2 5 年一遇、o 5 年一遇、1 年一遇、2 年一遇、 3 年一遇、5 年一遇的2 小时降雨强度，并根据国内外大量的资料，各地的r 值变化不大， 一般在0 3 - 0 5 之间，选取r = o 4 位置的降雨过程，具体数值见表4 3 和图4 3 。 表4 2 北京市不同降雨强度下的2 小时降雨量 降雨频率( p )2 小时降雨量( m m ) 0 2 5 年一遇 1 1 8 7 l 0 5 年一遇1 7 5 3 4 1 年一遇 2 3 1 9 7 2 年一遇2 8 8 6 0 3 年一遇 3 2 1 7 3 5 年一遇 3 6 3 4 6 表4 3 北京市不同降雨强度下的2 小时降雨时程分布 时间步长o 2 5 年一遇0 5 年一遇1 年一遇2 年一遇 3 年一遇5 年一遇 ( m i l l ) ( m m 2 m i n )( m m 2 m i n )( m m 2 m i n ) ( m m 2 m i n )( m m 2 m i n )( m m 2 m i n ) 20 0 6 5 0 4 6 9 30 0 9 6 0 7 9 4 60 1 2 7 1 1 1 9 80 1 5 8 1 4 4 5 10 1 7 6 2 9 7 3 7 o 1 9 9 1 6 7 2 7 40 0 6 7 2 7 8 6 10 0 9 9 3 7 5 8 20 1 3 1 4 7 3 0 40 1 6 3 5 7 0 2 5 o 1 8 2 3 4 5 9 10 2 0 6 0 0 0 4 6 60 0 6 9 6 9 8 3 50 1 0 2 9 4 9 9 70 1 3 6 2 0 1 5 90 1 6 9 4 5 3 2 0 1 8 8 9 0 4 1 5o 2 1 3 4 0 9 4 5 80 0 7 2 3 3 1 9 50 1 0 6 8 4 0 0 10 1 4 1 3 4 8 0 6 0 1 7 5 8 5 6 1 20 1 9 6 0 4 2 0 4o 2 2 1 4 7 3 2 9 1 0o 0 7 5 2 1 0 2 40 1 1 1 0 9 1 4 70 1 4 6 9 7 2 70 1 8 2 8 5 3 9 2 0 2 0 3 8 4 3 0 9o 2 3 0 2 8 6 3 2 1 20 0 7 8 3 7 0 3 30 1 1 5 7 5 9 1 70 1 5 3 1 4 8 o 1 9 0 5 3 6 8 40 2 1 2 4 0 7 9 1o 2 3 9 9 6 2 2 1 40 0 8 1 8 5 7 3 1o 1 2 0 9 0 9 7 2 0 1 5 9 9 6 2 1 20 1 9 9 0 1 4 5 30 2 2 1 8 5 8 7 2o 2 5 0 6 3 9 1 60 0 8 5 7 2 6 5 60 1 2 6 6 2 4 9 1 0 1 6 7 5 2 3 2 5o 2 0 8 4 2 1 60 2 3 2 3 4 5 5 9 o 2 6 2 4 8 6 2 7 1 80 0 9 0 0 4 6 8 2 0 1 3 3 0 0 6 2 70 1 7 5 9 6 5 7 20 2 1 8 9 2 5 1 70 2 4 4 0 5 4 8 4 0 2 7 5 7 1 4 4 7 2 0 0 0 9 4 9 0 4 4 9 0 1 4 0 1 8 1 4 30 1 8 5 4 5 8 3 8o 2 3 0 7 3 5 3 2o 2 5 7 2 2 0 6 3 0 2 9 0 5 8 8 1 8 2 20 1 0 0 4 0 9 70 1 4 8 3 1 3 0 60 1 9 6 2 1 6 4 2o 2 4 4 1 1 9 7 8 0 2 7 2 1 4 1 4 50 3 0 7 4 4 4 5 8 2 40 1 0 6 7 0 5 0 30 1 5 7 6 1 1 7 6o 2 0 8 5 1 8 4 9o 2 5 9 4 2 2 ；2 2 0 2 8 9 2 0 3 7 50 3 2 6 7 2 0 2 6 2 60 1 1 3 9 7 8 3 9o 1 6 8 3 5 5 0 90 2 2 2 7 3 1 7 9 o 2 7 7 1 0 8 4 80 3 0 8 9 1 6 8 10 3 4 8 9 9 0 5 7 2 80 1 2 2 4 8 2 4 9o 1 8 0 9 1 6 3 20 2 3 9 3 5 0 1 4 0 2 9 7 7 8 3 9 70 3 3 1 9 6 5 5 70 3 7 5 0 2 9 2 9 3 0o 1 3 2 5 6 5 2 50 1 9 5 8 0 9 3 5o 2 5 9 0 5 3 4 5 0 3 2 2 2 9 7 5 50 3 5 9 2 9 2 9 80 圳d 5 9 0 1 7 l 3 20 1 4