基于SWMM的排水管道沉积物冲刷模型及初期雨水截流量计算方法研究

摘要

由于地表污染物受降雨径流的冲刷进入排水管道，并且随着颗粒性污染物质的沉降，使得排水管道会不可避免的产生沉积物。沉积物会降低管道排水能力，严重时还会造成管道堵塞，甚至在缺氧或厌氧条件下产生腐蚀管道的酸性物质，进而阻碍整个排水系统的正常运行。更严重的是，管道沉积物会在降雨径流的冲刷下再悬浮，随雨水排入受纳水体，使得排水口一下雨就黑，水体一下雨就臭，对水环境造成冲击性污染。　　为研究以管道沉积物为主要因素所引起的降雨径流污染特性及控制措施，课题以广州市某分流制雨水管网系统为例，基于SWMM(Storm Water Management Model)构建汇水面污染冲刷模型，以水流携沙力公式为原理推导形成管道沉积物污染冲刷模型，利用实测数据进行参数率定和模型验证；通过模拟计算管道沉积物污染现状，分析了管道沉积物的存在对径流污染初期冲刷效应的影响及初期冲刷效应的主要影响因素；提出并分析在沿线和末端截流初期雨水的管道沉积物降雨径流污染控制措施，推导了初期雨水汇流规律并研究了初期雨水量和截流设施容积的计算方法。结果表明：　　(1)SWMM模型软件通过构建污染物累积和冲刷模块，能够较好地模拟汇水面污染的变化；管道沉积物污染冲刷规律基本符合S=C1QC2-1指数模型，可用于沉积物污染负荷的计算；两模型耦合能够较好地模拟出研究区域产流、雨水地表径流、输送系统汇流、污染物冲刷等水文、水力和水质信息，模型模拟结果与实测水位、水质数据误差在允许范围内，模型准确、有效。　　(2)模拟得到研究区域单场降雨径流所产生的排水口悬浮物浓度最高可达583.07mg/L，悬浮物质量最高可达1392.11kg，其中有1111.74kg来自管道沉积物，说明管道沉积物是该片区降雨径流污染的主要来源。因此，该区域管道沉积物污染现象较为严重，直接排入受纳水体会造成严重污染。　　(3)管道沉积物的存在会削弱初期冲刷效应，使初期40%径流包含的污染物比率降低了约10.74%，削减了初期雨水控制措施的效能。汇水区不透水率、坡度和不渗透区曼宁系数均能影响初期冲刷效应，可作为区域污染控制设计参数，其中初期冲刷系数b与汇水区不透水率、坡度呈负相关，与不渗透区曼宁系数呈正相关，但各影响因素与FF40、MFFn-max却无明显相关关系。　　(4)根据最高污染物冲刷强度、出水水质标准两种条件求得管道沉积物影响下6场降雨最高初期雨水量分别为8.3mm、10.1mm，需要控制比3~5mm地表径流更高的初期雨水量。可根据研究区域设计初期雨水量，基于初期雨水收集率和截流设施利用率作为判定依据设计截流设施容积。而在沿线布设分散式截流设施比末端集中式截流设施具有更高的环境效益，能控制78.78%的悬浮污染物，但其也存在设施利用率低、管理不便、造价高等缺点。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 管道沉积现象的发生

1.1.2 城市降雨径流非点源污染

1.1.3 初期雨水概念的提出及控制措施

1.2 国内外研究现状

1.2.1 管道沉积物冲刷模型

1.2.2 SWMM 数学模型

1.2.3 管道沉积物控制措施

1.3 本文研究内容与技术路线

1.3.1 主要内容

1.3.2 技术路线

1.3.3 创新点

第2章研究区域模型构建及验证

2.1.1 地理位置

2.1.2 气象条件

2.1.3 下垫面及排水现状

2.1.4 沉积物状况

2.2 汇水面污染模型

2.2.1 子汇水区域划分

2.2.2 管网概化

2.2.3 子计算模块构建

2.2.4 参数提取与率定

2.3 管道沉积物污染模型

2.3.1 模型推导

2.3.2 数据分析

2.3.3 参数拟合

2.4 模型的校核与验证

2.5 模拟结果分析

2.6 本章小结

第3章管道沉积物污染初期冲刷效应研究

3.1 初期冲刷的分析方法

3.1.1 无量纲累积 M(V)曲线法

3.1.2 MFFn比率曲线法

3.1.3 b 参数定量法

3.2 管道沉积物对初期冲刷效应的影响分析

3.2.1 污染物浓度曲线法

3.2.2 无量纲累积 M(V)曲线法

3.2.3 MFFn比率曲线法

3.3 降雨径流污染初期冲刷影响因素定性分析

3.3.1 汇水区不透水率

3.3.2 汇水区坡度

3.3.3 不渗透区曼宁系数

3.3.4 渗透区曼宁系数

3.4 降雨径流污染初期冲刷影响因素定量分析

3.5 本章小结

第4章初雨截流设施规模及布置方式研究

4.1.1 极限强度理论分析

4.1.2 管网径流量分析

4.1.3 初期雨水量分析

4.1.4 初期雨水收集与利用率分析

4.2.1 初期雨水截流措施探讨

4.2.2 基于最高冲刷强度的规模计算法

4.2.3 基于出水水质标准的规模计算法

4.3.1 末端集中式布置方式

4.3.2 沿线分散式布置方式

4.4 本章小结

结论与建议

结论

建议

参考文献

附录A攻读学位期间所发表的学术论文

附录 B.1 SWMM 模型基础数据

附录 B.2 实测水样数据

致谢