低影响开发对城市内涝节点雨洪控制效果研究——不同降雨特性下的情景模拟

以中国福建省福州市晋安区解放溪流域高密度居民住宅区为例,针对不同降雨重现期、降雨历时和雨峰系数的降雨情景,利用PCSWMM模型模拟该地区的雨洪情况,并运用模型的低影响开发（LID）模块,研究7种不同LID用地布局情景对研究区内涝节点的雨洪控制效果.情景模拟结果表明：在不同降雨情景下,各LID用地布局情景会使节点的洪峰流量减小、积水时间减少、积水深度变小;植被浅沟措施和植被浅沟&绿色屋顶组合措施会使节点SS峰值浓度高于现状用地,其余布设情景下,SS峰值浓度均减小.LID措施对节点流量和水质的控制效果在低降雨重现期和长降雨历时的降雨情景下较为有效.在单个LID布设情景中,渗透铺装措施控制最佳,而组合LID布设情景中,渗透铺装&植被浅沟&绿色屋顶是最佳的组合控制措施.研究结果可为南方城市居民区实施海绵城市建设提供技术支持,并为地方制定相关规范和标准提供参考和借鉴.     

城市雨水管道沉积物氮磷污染溶出特性试验研究

针对城市雨水管道沉积物氮磷溶出特性不清楚的问题,以南京江北新区3种不同功能区（文教区、交通区及商业区）分流制雨水管道为研究对象,考察了管道沉积物中氮磷溶出随时间的变化关系,分析了不同pH、盐度等环境因素下氮磷溶出特征,并探讨了不同氮磷浓度的来流对出流中氮磷的影响.结果表明:①各功能区管道沉积物中溶出ρ（NH₃-N）、ρ（NO₃-N）、ρ（TP）随淋溶时间先增大后趋于稳定,且达到峰值的先后顺序均表现为交通区>文教区>商业区.②各功能区管道沉积物中NH₃-N和TP在pH影响下溶出趋势基本一致,均表现为酸性条件>碱性条件>中性条件,而NO₃-N溶出均在pH=7附近（中性条件）达到峰值（交通区溶出率最大,为35.21%）.③各功能区管道沉积物中NH₃-N和NO₃-N的溶出均随盐度增加而逐渐增加,而TP的溶出却在盐度超过1%后呈不同程度的波动.④NO₃-N溶出率最小且TP溶出率最大的交通区雨水管道出流受来流影响最明显,相关系数均超过0.97.研究显示,与文教区、商业区相比,pH、盐度等环境因素对交通区雨水管道沉积物氮磷溶出影响最大,在雨水管道径流氮磷输出负荷的定量评估过程中应被重点关注.      

粗放型绿色屋顶基质层对降雨出流水质影响

为研究粗放型绿色屋顶基质层对雨水出流N、P、COD和SS淋失的影响,根据华中地区降雨强度和水质实际情况,构建了3种不同基材配方的绿色屋顶基质层,在9场模拟暴雨下进行绿色屋顶的基质出流水质监测。结果表明:本试验各绿色屋顶设施对TN、NH₄+-N、NO₃--N和SS都有较好的削减作用,但对TP和PO₄3--P淋失现象明显,绿色屋顶的出流中以颗粒态P和溶解态N为主;去除出流中SS,对净化COD效果显著;生物炭的添加对出流污染物有明显的控制作用,能有效缓解降雨初期污染物浓度高的问题,同时能显著增加植物地上部生物量;厚度为5 cm的绿色屋顶出流水中N和COD较10 cm厚度低,但其SS出流平均浓度偏高,且植物后期不能维持良好的长势。粗放型绿色屋顶设施运行稳定后截污效应良好,具有较高的可行性和广阔的应用前景。     

基于鱼类保护目标的太子河环境流量研究

环境流量是流域水资源合理配置的基础.因此,本文借鉴FLOWS法,以太子河重要鱼类为保护目标,构建了流量组分与鱼类生态需求关系模型.同时,结合栖息地指标与流量关系曲线,计算了包含基流、脉冲流、平滩流和漫滩流4种组分在内的太子河环境流量.结果表明：太子河本溪、辽阳、唐马寨河段鱼类保护年基流量分别为2.93×108、3.12×108、2.88×108m3;现状径流总体可以满足年基流量的要求,但水文过程需要通过水库调度以匹配鱼类生态过程.推荐的各河段脉冲流、平滩流和漫滩流的量级、频率、历时、出现时间等水文参数,可以体现环境流量组分与自然径流过程的一致性要求.该研究可为太子河流域水库生态调度提供理论依据.     

人工湿地水力停留时间分布模拟

将人工湿地视为在纵向分散活塞流反应器（PFD）的主流道上并联一个n级串联完全混合反应器（CSTRs）所组成的系统.在这一物理概念的基础上,推导了模拟人工湿地水力停留时间分布（RTD）的CSTRs＋PFD并联模型.模型所包含的4个参数（串联CSTRs个数n,串联CSTRs容积占系统总容积的百分数z,进入串联CSTRs的流量占总流量百分数f,PFD的分散数D）对RTD的峰值时间、峰值高度、平均停留时间、停留时间分布方差具有良好的调节作用.与传统模型相比,该模型能更准确地反映不同人工湿地的特征水流规律.模型采用基于流量的无量纲时间变量,可应用于非稳态变流量下人工湿地RTD的模拟.用前期示踪剂试验所获得的5条水平潜流人工湿地的RTDs对该模型进行验证,当这4个参数取值为z=0.41、f=0.57、n=3、D=0.667时,该模型计算所得RTD与实测RTDs拟合程度良好,较传统PFD或CSTRs模型能更好地反映该人工湿地RTD早期高峰、峰值集中、尾部倾斜拖长的流态特征.     

基于多目标优化的低影响开发设施布局方法

以海绵城市试点区-南昌市某分流制区域为例,针对低影响开发（LID）设施的最优成本效益问题,耦合了雨水管理模型（SWMM）和非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）,对LID设施建设成本、径流SS负荷削减率、径流量削减率3个目标函数进行多目标优化.得到了一系列完整的成本效益曲线（帕累托解集）,实现了区域LID设施建设方案的自动寻优.比较不同降雨重现期（P=2、5、15 a）条件下的优化结果,发现LID设施在径流SS负荷控制方面不易受降雨重现期的影响;而在径流量控制方面,受降雨重现期影响较大,高成本LID设施建设方案也难以有效削减高重现期降雨径流.以帕累托解集中3种不同建设成本的方案为例,根据2016年实际降雨对不同方案下的水量水质的控制效果进行了模拟,决策者可以根据资金投入、控制目标、受纳水体环境容量从帕累托解集上选择适合的LID设施建设方案.     

西湖龙泓涧流域暴雨径流氮磷流失特征

为掌握西湖入湖溪流龙泓涧流域非点源污染现状,研究了一年内3场暴雨径流过程中营养盐的流失特征.结果表明长历时暴雨事件一般会形成多个径流峰值,而其滞后于雨强峰值的时间取决于当次强降雨的分布.降雨的初期冲刷效应与前期降雨量有关,前期降雨量越少,总磷和氨氮的初期冲刷效应越明显,在退水阶段滞缓的壤中流会使总氮和硝态氮再产生一个浓度峰值.径流中各形态氮素的平均浓度(EMC)与降雨量、降雨历时、最大雨强和平均雨强均表现为负相关,与前5 d的降雨量表现为正相关,而总磷的EMC值与氮素有相反的变化规律.径流营养盐迁移通量随降雨量的增大而上升,Pearson分析表明总氮、硝态氮与径流水深(流量)具有较好的相关性.总磷、总氮、硝态氮和氨氮的平均迁移通量分别为34.10、1 195.55、1 006.62和52.38 g·hm~(-2),硝态氮为主要的氮素迁移类型(占总氮的84%).     

分流制系统雨水管网混接旱天排放污染特征研究

分流制排水系统中,雨水管网混接污水在旱天直排河道,造成河道水质恶化.本文以上海市某混接分流制排水系统(3.74 km~2)为研究对象,通过开展雨水管网旱天排放水质监测(SS、COD、BOD_5、NH_3-N、TN等),以及雨水管网旱天污染输移质量平衡分析,研究了混接雨水管网旱天排放污染特征.结果表明:①雨水管网旱天排放分为重力流排放和雨水泵开启排放两种情况,重力流排放水质与混接水量水质和河水倒灌相关,雨水泵开启排放水质与混接水量水质、管道淤泥冲刷和河水倒灌相关.②当旱天前期雨水泵不开泵时间小于2 d时,河水倒灌会对重力流排放和雨水泵站排放水质造成明显影响.③随着前期不开泵时间增加,管道淤积程度越发严重;雨水泵排放COD、BOD_5、SS浓度与前期不开泵时间满足指数关系.④旱天重力流排放期间的管道底泥淤积量大于泵站排放期间的淤泥冲刷量,年度尺度上57%的淤积底泥通过旱天雨水泵开启排出,其余43%的淤积底泥在雨天随雨水泵排出,从而进一步加重了河道雨天污染.     

黄土丘陵沟壑区小流域土壤侵蚀情景模拟——以静宁县清水沟流域为例

基于遥感融合影像和GIS技术,借助通用土壤流失方程计算土壤侵蚀量,采用情景分析法,评价黄土丘陵沟壑区清水沟流域实施不同水土保持和退耕还林（草）措施对土壤侵蚀的影响。结果表明：水土保持措施减少土壤侵蚀的效益显著,相对而言,生物措施减少土壤侵蚀的效益强于工程措施,不同退耕还林（草）方案对流域总体土壤侵蚀影响差异较大。组合情景对土壤侵蚀影响很大,部分组合情景的土壤侵蚀甚至可低于土壤侵蚀背景值。     

沉淀池污泥层高度的模拟与控制

为了对沉淀池运行过程中的污泥层高度(SBH)进行准确模拟和有效控制,通过沉淀池分层质量平衡方程导出沉淀池分层弥散模型,并利用实测数据确定稳定可靠的SBH 算法.以COST 624/682 中基准污水厂二沉池为研究对象,利用模型对暴雨天气下恒定回流量和恒定回流比2 种措施控制下沉淀池的运行情况进行了稳态和动态模拟.结果表明,在进水流量负荷变化较大的情况下,控制恒定回流比要比控制恒定回流量能更为有效地将SBH 和底流SS 浓度控制在稳定范围内,进而降低了出水悬浮固体增大的风险.     

透水铺装类型对径流重金属去除效能的影响机制

研究了不同类型透水铺装系统对径流重金属的去除效能和机制。在实验室搭建了3种典型透水铺装系统（陶瓷透水砖、透水沥青和透水混凝土）,研究了其对5种常见径流重金属（Cu、Zn、Cd、Mn、Ni）的去除效能和机制,并分析了不同降雨重现期（2,3,5年）对透水铺装系统去除径流重金属的影响。结果表明:3种透水铺装系统对5种径流重金属都有较好去除效果,其中陶瓷透水砖的去除效果最好,且去除效果最稳定。比较而言,陶瓷透水砖与透水沥青能够在短时间内降低重金属的浓度,透水混凝土达到吸附点位的速度较慢并有一定波动,特别是在不同降雨重现期下波动更加明显。在不同重现期下,各设施表现出不同性能,影响程度为2年＞5年＞3年,即整体在重现期为3年的降雨条件下有着较为优异且较为稳定的去除性能,而过大或过小的流量都会使透水铺装去除重金属的性能有所降低。     

不同降雨条件下植被对绿色屋顶径流调控效益影响

植被是绿色屋顶的重要组成部分,可通过截留雨水和蒸散耗水等过程影响绿色屋顶的径流调控效益.本文基于太阳花(Portulaca grandiflora)、佛甲草(Sedum lineare)、高羊茅(Festuca elata)和无植被等4种植被覆盖类型绿色屋顶2017年雨季26场降雨径流过程的监测数据,从径流和洪峰削减、产流和峰现时间延迟四方面定量分析植被在不同降雨条件下对绿色屋顶径流调控效益的影响.结果表明,绿色屋顶径流削减率与降雨量呈显著负相关(P 0. 01),降雨量10 mm时,绿色屋顶径流削减率等于或接近100%;降雨量超过30 mm,所有绿色屋顶的径流削减率降低到70%以下;当降雨量达到监测期内最大的81. 4 mm时,各绿色屋顶径流削减率都低于55%.植被覆盖类型对绿色屋顶径流调控效益的影响随降雨条件而改变,大雨条件下不同植被覆盖类型绿色屋顶的径流削减率差异最大,中雨和暴雨条件下次之,小雨条件下因各绿色屋顶几乎都不产流而无明显差异.在中雨、大雨和暴雨条件下,有植被覆盖绿色屋顶的径流削减率、洪峰削减率、产流和峰现时间延迟等4个指标都明显优于无植被覆盖的绿色屋顶.株高和单位面积地上生物量最高的太阳花绿色屋顶的径流调控效益优于佛甲草绿色屋顶.     

基于绿色基础设施的城市非点源污染控制研究

以珠海市西部新城为例,通过监测采样分析现状城市降雨径流污染特征和规划前后城市非点源污染负荷,采用雨洪管理模型（SWMM）模型构建6种基于不同绿色基础设施技术的污染控制情景,并评估分析各情景下的成本效益.结果表明：现状建成区道路和地面铺装的径流污染较重（劣Ⅴ类）;屋顶和地面的初期径流冲刷效应明显;规划后城市径流污染物排放负荷增加至现状的2.9~3.2倍.组合型方案（源头型组合、源头-末端组合）的污染综合控制效果优于单技术方案,但其污染物单位削减成本较高;单技术方案中,末端型的调节塘对各污染物的单位削减成本均最低,且对TN、TP的削减效果较好;源头型的生物滞留池和植草浅沟的单位削减成本也较低,但污染物削减效果较差;而透水铺装的单位削减成本较高.总之,单项技术方案在污染控制的成本效益表现上要优于组合型方案,若要取得更好的污染控制果,则还需投入更大的成本,采取组合型方案进行污染控制.研究可为当前快速城市化新区海绵城市的多目标决策提供科学依据.     

北京城区雨水管道沉积物污染负荷研究

在北京市城区部分排水管道调研的基础上,通过监测西城区上游、下游雨水管道检查井断面径流中的污染物,研究管道沉积物在次降雨条件下的冲刷释放污染负荷.结果表明,在城市降雨径流污染控制中,雨水管道沉积物的冲刷释放作用对管道出流的污染贡献不可忽视.对于本研究所选取的雨水管道,其中84 m管道中沉积物次降雨(2010年7月9日)过程中对径流出流的污染负荷贡献率分别为:TN(总氮)8.5%、TP(总磷)8.2%、COD 18.3%、SS(悬浮颗粒物)7.7%;295 m管道中沉积物次降雨过程中(2010年8月4日)的污染负荷贡献率为:TN(总氮)23.12%、TP(总磷)30.01%、COD 33.78%、SS(悬浮颗粒物)31.89%.因此,为保证城市水环境得到根本的改善,明确雨水管道沉积物冲刷释放的量对径流总量的控制有一定的借鉴意义.     

维护良性水循环的城镇化LID模式:海绵城市规划方法与技术初步探讨

海绵城市是低影响开发模式(Low Impact Development,LID)的重要途径,也是解决我国城市水问题的重要举措。论文从良性水循环理念的角度,针对城市防洪排涝、面源污染控制以及雨洪资源化利用等三大核心问题,以城市雨洪模拟技术和LID优化技术方法为重点,探讨了支撑海绵城市实施的关键技术方法,构建了具有自主知识产权的城市雨洪模型;并以首批海绵城市试点常德市为例进行了应用研究。研究得出:现状常德城区径流系数在0.33~0.81之间,平均值为0.64;按确保年径流总量控制目标的实现,采用渗、滞和蓄等多种LID消纳各地块径流,城区90%的地块均能达到控制目标,下沉式绿地、透水铺装和绿色屋顶总面积分别为496.75、1 338.15和613.21 hm2,占各地块面积的3.9%~31.4%之间。污染负荷SS削减率在45.0%~47.7%之间,平均削减率为46.1%。常德城区通过实施LID措施,雨洪径流和污染负荷的输出量将显著降低,基本能够达到控制目标。研究为常德海绵城市规划设计提供了重要技术支撑和理论依据,为我国海绵城市规划方法和技术研究提供了参考。     

绿色屋面降雨径流水质源汇特征及污染源解析

2016年4月—2017年10月对93场降雨事件绿色屋面径流、沥青屋面径流和干湿沉降进行采样分析,运用多元统计方法,基于径流水质浓度和污染负荷两种角度,重点揭示绿色屋面径流水质的源汇特征,识别绿色屋面对降雨径流的滞留能力及影响因素,探讨了绿色屋面径流的污染来源.结果表明：绿色屋面具有很好的径流滞留效果,平均径流滞留率达到53.4%.绿色屋面径流滞留率月变化受到降雨量的显著影响,表现为在丰水期7、8和10月径流滞留率（73.6%、80.9%和93.6%）小于枯水期4、5、11和12月滞留率（100%）.绿色屋面径流滞留率与降雨量和降雨历时表现出显著的负相关关系,与雨前干期相关性较弱.基于径流水质,绿色屋面显著增加了径流中EC、COD、TOC、K⁺、Ca²⁺、Cl^-和SO₄^2-的浓度,是它们的污染源,但显著降低了径流中NH₄⁺-N和Zn的浓度,是它们的汇;基于污染负荷,绿色屋面仅是K⁺、Cl^-和SO₄^2-的污染源,是NH₄⁺-N和Zn的汇.绿色屋面存在4类污染源,即有机物和重金属源（来自于泥炭土和沥青油毡）、离子污染源（来自于泥炭土和蛭石）、物化污染源和营养物质污染源（来自于泥炭土和大气沉降）.研究结果可为绿色屋面的科学设计,管理和控制城市暴雨径流提供科学依据.     

基于新型径流采集方法的城市不同非渗透下垫面径流系数解析

通过构建人工模拟降雨与下垫面径流收集体系,解析城市不同非渗透下垫面径流系数。下垫面径流系数分析结果显示:城市道路平均径流系数为0.82,低于其他非渗透下垫面（0.87~0.89）,这主要是由于沥青材质的城市道路具有更强的渗透性,其粗孔隙对水流具有较强的吸收能力。降雨历时和降雨强度是影响下垫面径流系数的关键因素。降雨历时对6种非渗透下垫面径流系数的影响均很显著,尤其是降雨初始20 min的时段,径流系数快速上升,最多超出起始4倍以上;降雨强度的增加势必引起产流时间缩短,加剧其对径流系数的影响,也使其与径流系数的相关性显著高于降雨历时。     

西安市某文教区典型下垫面径流污染特征

在西安市某文教区路面、屋面和绿地设置径流采样点,采用人工时间间隔采样法对2016年8月~2017年2月的3场降雨径流和2场融雪径流全程采样,测试径流过程SS、COD、TN、TP、Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr、PAHs、溶解态COD、溶解态重金属和溶解态PAHs的浓度以及颗粒物粒径d₅₀,研究各下垫面降雨径流污染水平及出流规律,比较不同下垫面降雨径流和融雪径流污染特征.结果表明,各类下垫面降雨径流主要污染物均为SS、COD、TN、Pb、Cr,路面和绿地径流中SS的EMCs均超过《污水综合排放标准》二级标准,3类下垫面降雨径流COD、TN、Pb、Cr的EMCs均超出《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准,PAHs与国内相关研究相比属于中等污染水平,路面、屋面和绿地径流的EMC分别为266.8~389.8ng/L、254.9~303.0ng/L和231.2ng/L.路面径流SS、COD、Zn、Pb、Cu、PAHs浓度高于屋面径流,而TN、TP、Cr等指标则相反,表明径流中TN、TP、Cr主要源于大气干湿沉降,而交通排污对SS、COD、Zn、Pb、Cu、PAHs等有较大输入贡献.3类下垫面降雨径流污染浓度输出规律差异显著,路面径流污染物初期浓度较大,受雨期交通排污影响中后段波动剧烈,屋面径流污染物浓度随径流历时持续降低且趋于稳定,绿地径流污染物浓度沿程变化相对较小.降雨强度对总量污染物浓度输出的影响大于溶解态污染物,表现为d₅₀与降雨强度呈现良好的相关性.因降雪期间污染物持续累积且径流量较小,路面融雪径流污染物浓度远大于降雨径流,而屋面融雪径流因流量较小导致携带污染物的能力较弱故水质优于降雨径流.     

合流制面源污染传输过程与污染源解析

科学认识和全面理解合流制面源污染发生路径和污染贡献源对于治理和改善城市水环境至关重要.本研究以珠海市典型老城区的合流制小排水区为例,分析了污染物在地表与管道中的累积-冲刷过程,并运用质量守恒法解析了污染物的贡献源.结果表明,地表街尘累积量为(28. 81±10. 69) g·m~(-2),多场降雨事件中地表街尘冲刷量为(19. 27±10. 90) g·m~(-2),冲刷率为(52. 69±13. 3)%,其冲刷形成的地表径流中SS场降雨浓度为52～109 mg·L~(-1),管道径流中SS的浓度为68～158mg·L~(-1);地表径流对SS的贡献率为39%～72%,旱流污水对SS的贡献率20%,管道沉积物再悬浮对SS的贡献率为13%～56%;管道沉积物的厚度在小雨和中雨时增加1～14 cm,大雨和暴雨时,减少7～17 cm;降雨特征影响了污染源贡献比率,其中地表径流对各污染物的贡献范围为2%～52%,旱流污水对各污染物的贡献率范围为9%～65%,管道沉积物对各污染物的贡献范围为8%～81%.基于上述研究结果,为合流制面源污染提出控制措施,以期为我国城市受纳水体污染的解决提供参考.