基于水环境承载力的城市合流制排水系统污染控制规划研究

摘要

本研究深入分析了城市合流制排水系统污染源特征，基于SWMM模型对截流式合流制管网的水量水质进行了模拟分析，建立了溢流污染受纳水体水环境质量模型并对其水动力、水质模拟分析，定量计算排水区域水系水环境容量及其削减负荷，构建了排水区域水环境承载力指标体系并运用向量模法基于SD模型计算不同方案下水环境承载力，提出了排水系统污染控制综合方案，满足区域社会经济可持续发展的要求。本文主要得出以下结论:
　　 (1)对地表径流的测定分析发现，固态污染物不仅会直接影响SS浓度，也会对CODCr浓度造成一定的影响，整体变化历程与SS类似，但是CODCr变化历程存在较大波动，NH3-N和TP的变化趋势比较相近，在降雨末期污染物浓度方面与SS相似，但NH3-N和TP变化更为剧烈，在降雨初期浓度较大，一定时间后便急剧减少;随降雨历时，溢流污水中SS和CODCr，皆会出现初期冲刷现象，CODCr的曲线波动性小于SS，在降雨强度达到一定程度的条件下，随降雨历时，NH3-N与TP的浓度呈不断下降趋势，主要是由于雨水的稀释作用，两次降雨事件中，SS与CODCr的线性相关系数分别为0.6292与0.6401，二者具有一定的线性相关性，NH3-N与TP的线性相关系数分别为0.9018与0.0068，在降雨强度较大的情况下，两者有较好的相关性;降雨期间泵站收集污水污染物浓度雨期60min之前变化较大，后期污染物浓度变化不大，特别是SS在污水输运管道中随管道流速降低，部分沉积于管道中，所以泵站后期来水中浓度降低，而COD与SS有一定的相关性，其浓度相应的部分降低。而像NH3-N和TP这类溶解性污染物雨期前部分有部分下降，而后期基本维持平稳范围内;对研究区域截流式排水系统所收集的污染物量进行估算，其中生活污染源入合流制排水系统中COD的量约为6142.51吨/年，NHa-N量约为614.25吨/年，TP量约为61.42吨/年;面源污染源COD的量约为25268.36吨/年，NH3-N量约为1002.71吨/年，TP量约为354.96吨/年。
　　 (2)通过采用SWMM构建水力计算模型，对截流式合流制排水系统水质水量进行了模拟，结果表明:降雨初期管网末端排水口的流量较小，随着降雨量的增加流量不断增大，一般在雨峰后50-60min达到最大值，之后随降雨强度减小又逐渐减小。相同降雨历时，降雨量越大，排放口总排放流量的峰值就越大，污染物浓度峰值出现在降雨开始后40～60min。不同降雨条件下，不同降雨强度条件下，污染物浓度的峰值不同，TSS、COD、TN、TP的峰值浓度比较结果为降雨事件2＞降雨事件1。不同降雨强度条件下污染物浓度峰值出现后的浓度变化规律不同，降雨强度大，污染物TSS、COD、TN和TP浓度变化较快，出现非点源污染物浓度峰值后很快就降至低于降雨强度较小条件下的非点源污染物浓度。但是峰值过后降雨强度较大条件下，污染物浓度低于降雨强度较小条件的污染物浓度，主要是因为地面累计的污染物被前期雨水冲刷掉，后期冲刷效应降低。
　　 (3)利用二维浅水方程，采用流量水位控制边界条件模拟计算了溢流污染受纳水体内江的水动力学过程，模拟结果表面，远离主航道的区域流速较小，而主航道上面的流速较大。主航道的流速一般在0.2～0.4m/s，远离主航道的区域流速均小于0.2m/s。模拟结果显示，内江水流流向一直是由引航道流进，焦南坝流出，这与测验阶段内引航道水流未出现逆流现象吻合;采用污染物质的对流一扩散方程对内江水质变化情况进行了数值模拟，结果表明枯水期内江各污染物浓度变化范围BOD53.2～5.2mg/L,CODMn4.7～6.8mg/L,NH3-N0.46～1.8mg/L,TP0.23～0.48mg/L,丰水期水质各污染物浓度范围BOD50.69～0.73mg/L，CODMn1.9～2.3mg/L,NH3-N0.25～0.38mg/L,TP0.14～0.17mg/L;
　　 (4)对古运河和运粮河进行环境容量计算时，目前该两条河流没有环境容量，为了达到目标环境容量，现有污染物排放负荷需要削减，其中COD削减量分别为:570.24Kg/d、1283.04Kg/d;氨氮削减量为363.53Kg/d、313.76Kg/d;TP削减量为191.03Kg/d、165.63Kg/d。内江目标水体为地表水Ⅲ类，而现状整体为Ⅳ～Ⅴ类水体，没有环境容量，在假设通过引航道引入长江水体，并把内江简化将水库认为是均匀混合水体的情况，计算不同换水率下，内江的COD、TP和氨氮的环境容量。
　　 (5)通过排水系统流域水资源、人口、经济和水污染等子系统内部及各子系统间关系的分析，建立了流域水环境承载力系统动力学模型，并利用向量模法计算水环境承载力，现有条件水环境承载力水平较低，到2015和2020年WECC分别为0.0174和0.0193，通过提高水环境承载力不同方案模拟，提出集开源、节水及治污于一体的综合方案是最佳调整方案，其水环境承载力远期提高最显著，到2015和2020年WECC分别为0.0189和0.0227，能较好的满足流域可持续发展要求。
　　 本研究基于水环境承载力研究城市排水系统污染控制规划相关方法，对保护城市水环境，以及促进城市社会、经济和环境和谐发展，具有重要意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 城市合流制排水系统

1．2．1 城市合流制排水系统组成

1．2．2 城市合流制排水系统溢流污染

1．2．3 城市合流制排水系统存在的问题

1．3 排水系统污染控制研究现状

1．3．1 国外排水系统污染控制研究现状

1．3．2 国内排水系统污染控制研究现状

1．4 水环境承载力研究现状

1．5 主要研究内容及其目的、意义

1．6 本章小结

第2章 城市合流制管网系统水污染源解析

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 取样点位及方案

2．2．2 检测方法及仪器

2．3 结果与讨论

2．3．1 地表径流

2．3．2 溢流排口

2．3．3 泵站

2．4 城市生活污水水质

2．5 城市合流制排水系统污染物发生量估算

2．5．1 生活污染源

2．5．2 面源污染源

2．6 本章小结

第3章 基于SWMM合流制管网水质水量模拟

3．1 引言

3．2 SWMM模型理论及方法

3．2．1 SWMM模型概述

3．2．2 SWMM模型理论及数值解析

3．2．3 SWMM建模基本技术路线

3．3 SWMM模型构建

3．3．1 区域概况及汇水区划分

3．3．2 管网概化

3．3．3 地表径流模型确定

3．3．4 地表污染物累积与冲刷模型选取

3．3．5 模型参数确定

3．4 模型模拟与分析

3．4．1 截流泵站流量模拟

3．4．2 截流泵站水质模拟

3．4．3 截流泵站截流污染负荷计算

3．5 本章小结

第4章 溢流污染受纳水体水环境质量模拟

4．1 引言

4．2 水环境数学模型基本原理

4．3 受纳水体内江水动力、水质数学模型

4．3．1 水动力学模型控制方程

4．3．2 水质模型控制方程

4．3．3 模型模拟的水质指标

4．4 模型求解方法

4．4．1 离散网格及变量布置

4．4．2 离散网格函数坐标系

4．4．3 ADI离散格式

4．4．4 水动力学模型控制方程离散

4．4．5 水质模型控制方程离散

4．4．6 离散格式的数值特性

4．5 模型边界与初始条件

4．5．1 边界条件

4．5．2 初始条件

4．6 模型计算参数

4．6．1 糙率

4．6．2 风摩阻系数

4．6．3 水质模型参数

4．7 模型验证

4．7．1 水动力模型验证

4．7．2 水质模型验证

4．8 受纳水体水动力、水质模拟

4．8．1 水动力模拟

4．8．2 水质模拟

4．8 本章小结

第5章 城市排水区域水环境容量

5．1 引言

5．2 水环境容量计算方法

5．2．1 控制指标和水质目标

5．2．2 水环境容量计算模型

5．2．3 参数的确定

5．3 水环境容量计算结果

5．3．1 古运河、运粮河水环境容量

5．3．2 内江水环境容量

5．4 本章小结

第6章 城市排水系统流域水环境承载力

6．1 引言

6．2 水环境承载力指标体系

6．2．1 水环境承载力指标

6．2．2 水环境承载力指标选择

6．2．3 指标权重确定方法

6．2．4 指标权重确定

6．3 流域水环境承载力系统结构

6．3．1 水资源子系统

6．3．2 经济子系统

6．3．3 人口子系统

6．3．4 水污染子系统

6．4 水环境承载力SD模型

6．4．1 水环境承载力SD模型的建立

6．4．2 水环境承载力SD模型参数选择

6．4．3 水环境承载力SD模型检验

6．5 水环境承载力模拟预测

6．5．1 流域水环境承载力现状

6．5．2 流域水环境承载力模型模拟方案

6．5．3 各方案水环境承载力计算结果

6．5．4 各方案模拟结果分析

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

在学期间发表的部分学术论文

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