重庆主城排水系统安全与城市面源污染控制技术研究与综合示范

） 。 国家水体污染控制与治理科技重大专项（ ２ ０ ０ ８ Ｚ Ｘ ０ ７ ３ １ ５ ０ １ ０
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图 １ 课题技术路线 给水排水 Ｖ ｏ ｌ ． ３ ９ Ｎ ｏ ． １ ２ ０ １ ３
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３ 主要研究成果与应用示范 ３． １ 山地城市 排 水 管 道 结 构 性 安 全 监 控 系 统 研 究 与示范 研究选择了 重 庆 市 主 城 排 水 主 干 管 Ａ 管 线 作 为研究对象 ， 在统计分析了重庆市过去 ６ ０ 年的降雨 数据以及重庆城区降雨致地质灾害历史事件的基础 建立了山地 城 市 降 雨 致 地 质 灾 害 发 生 机 理 及 其 上， 概率统计模型 ， 确立了有效降雨量与滑坡关键因子 ， 根据降雨气象历史数据 ， 应用概率密度演化理论 ， 建 立了有效降雨规 律 模 型 、 山地城市滑坡气象预警模 型、 地质灾害多 因 素 层 次 分 析 模 型 及 地 质 灾 害 危 险 性区划方法 。 采 用 试 验 研 究 、 理论分析与数值模拟 研究组确定了复杂工况下山地城市 相结合的方法 ， 排水箱涵的受力 性 能 和 破 坏 形 态 ， 建立了降雨致洪 水、 地质灾害下排水箱涵的荷载模型 ， 构建了多种灾 害条件下 山 地 城 市 排 水 管 道 结 构 性 安 全 综 合 评 价 模型 。 研发了低成本排水系统现场数据采集及远传装 置， 和地表位移监 测 装 置 （ 见 图 ２、 图 ３）， 其价格为 现有国内同类产品的 ４ 国外同类产品的 ０％ ～５ ０％ ， 研发了面向振弦式土 ２ ５％ ～３ ０％ 。 通过二 次 开 发 ， 压力计与 混 凝 土 应 变 计 等 无 线 数 据 采 集 与 传 输 装 价格是现有国内同类产品的４ 国外 置， ０％ ～５ ０％ ， 同类产品的 ２ ５％ ～３ ０％ 。
图 ２ 研发的数据采集及远传装置
自２ 研究组在嘉陵江北岸全长 ０ １ ０ 年 开 始， 并现 ２ ３ｋ ｍ的 Ａ 管线沿 线 设 立 了 ７ 个 现 场 采 集 点 ， 场安装了数 据 采 集 及 远 传 装 置 。 示 范 工 程 经 过 调 试， 至今运行效果良好 。 ３． ２ 污水管道 有 害 气 体 安 全 监 测 与 预 警 系 统 研 究 与示范 １ ０
图 ６ 某次降雨过程中子流域内污染物排放质量速度随时间变化
３． ５ 山地城市面源污染负荷削减技术研究及示范
图 ５ 清淤装置
３． ４ 山地城市泄洪排涝安全保障技术研究与示范 利用 Ｇ 基于Ｓ Ｉ Ｓ平台， ＷＭＭ 模型构建了山地城市
通过对山地城市重庆江北盘溪河流域不同尺度 （ １ ０个 源 区， ４ 个集水区） ７次地表径流污染水质过 程的监测 ， 发现 山 地 城 市 地 表 径 流 污 染 存 在 显 著 的 初期冲刷效应 ， 对受纳水体水质的影响突出 ， 主要污
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染物为 Ｔ 盘溪河不透 Ｓ Ｓ、 Ｃ Ｏ Ｄ、 ＴＮ、 Ｔ Ｐ、 ＮＨ３ —Ｎ， ， 水地 表 年 污 染 负 荷 Ｔ Ｓ Ｓ为１ ４ ２ ８． ２ｔ Ｃ Ｏ Ｄ为 ， ， ， １ ４ ０ ８． ３ｔ ＴＮ 为 ８ ０． ３ｔ Ｔ Ｐ 为 ６． ３ｔ ＮＨ３ —Ｎ 为 ； 交通道路和商业区是城 市 地 表 径 流 污 染 的 ３ ０． ５ｔ 关键源区； 山地城市裸露地表存在以及地表径流 冲刷能力强， 致使径流中 Ｔ Ｓ Ｓ中 土 质 泥 砂 的 含 量 ， 高于平原城 市 表 现 为 径 流 中 Ｔ Ｓ Ｓ相 对 Ｃ Ｏ Ｄ、 Ｔ Ｎ 和Ｔ 营养物低于平 Ｐ突出， Ｔ Ｓ Ｓ荷 载 的 有 机 污 染、 原城市。 同时 ， 在全面考 察 国 内 外 城 市 面 源 控 制 技 术 的 基础上 ， 对现有技 术 在 山 地 城 市 的 适 应 性 加 以 综 合 筛选了一批面源污染单元控制技术 ， 并根据重 评价 ， 庆市的特点 ， 重点研发了适应山地城市水文地质条 如： 绿色屋 顶构 建 技术、 路面地表径 件的 控 制 技 术 ， 并进行了 流促渗技术和屋 顶 径 流 分 流 净 化 技 术 等 ， 示范应用 。 ３． ６ 城市排水 系 统 与 面 源 污 染 治 理 协 同 作 用 及 其 对水环境影响 研究收 集 了 三 峡 水 库 运 行 后 长 江 主 城 区 的 水 文、 地 形 等 资 料， 结合重庆主城区点源、 面源污染特 性， 利用 Ｅ Ｆ Ｄ Ｃ（ ｔ ｈ ｅ Ｅ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ Ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓ ｙ ） （ Ｓ Ｐｔ ｈ ｅ Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ Ｓ ｉ ｍ ｕ Ｃ ｏ ｄ ｅ 和 ＷＡ － ｑ ｙ ｙ 模 型 工 具 耦 合， 建 立 了 嘉 陵 江—长 ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｐ ｒ ｏ ｒ ａ ｍ） ｇ 重庆主城段） 二 维 水 环 境 模 型， 模拟了 Ｃ 氨 江（ Ｏ Ｄ、 氮和总磷等指标 的 分 布 变 化 情 况 ， 采用实测数据率 定模型参数 ， 验证了模型结果 ； 利用该模型模拟三峡 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏
的雨水排水模型， 研究了不同雨型下地表产流量的变 及不同雨型下地表径流污染物随降雨历时的 化特性， 变化特性， 基于重庆市沙坪坝气象局 ３ ０ 年的 降 雨 资 料， 修正了重庆主城区暴雨强度公式， 修正后的公式见 下式： （ ３ ５． １ ７ ５ １＋２ １． ６ ９ ６ｌ Ｔ） ｇ ｉ ＝ ０． ８ ７ ４ （ ） ｔ ＋２ ６． ２ ８ ９ ２ — — — 设计暴雨强度 ， ／ （ ·ｈ ） ； 式中 ｉ Ｌ ｓ ｍ — — 设计重视期 ， ； Ｉ— ａ — — — 降雨历时 ， 。 ｔ ｍ ｉ ｎ 同时完成了 ＢＭＰ 结合人工降雨 ｓ的 组 合 模 型 ， 得出单因素下垫面坡面产汇 装置进行了模拟 试 验 ， 流曲线 ， 探索了 符 合 重 庆 山 地 城 市 特 征 的 单 因 素 下 垫面坡面产汇流规律 。 选择了重庆市江北区盘溪河流域作为研究示范 区， 通过对该区域 内 ５ 场 完 整 降 雨 过 程 的 水 量 水 质 检测结果 ， 进行了模型的 参 数 率 定 和 检 验 ， 比较了２ 个断面的排水量 模 拟 结 果 和 实 测 数 据 ， 软件计算精 度达 ８ ３％ 。 某次 降 雨 过 程 中 子 流 域 内 污 染 物 排 放 质量速度随时间的变化 见 图 ６。 通 过 建 立 泄 洪 排 涝 关键节点优化改 造 决 策 模 型 ， 比较研究了在提高系 统相同的排水能 力 的 条 件 下 ， 泄洪排涝关键节点工 程化改造和生态化改造的各种设计参数 。
国家水体污染控制与治理科技重大专项集成与示范
重庆主城排水系统安全与城市面源污染控制技术研究与综合示范
何 强１ 李 果１ 艾海男１ 陈朝晖２ 毛跃一３ 黄河笑４ 颜文涛５ 王效科６ 翟 俊１ 柴宏祥１
（ 重庆 ４ 重庆 ４ １ 重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室 ， ０ ０ ０ ４ ５； ２ 重庆大学土木工程学院 ， ０ ０ ０ ４ ４； 重庆 ４ 股份 ） 有限公司 ， 重庆 ４ ３ 重庆工商大学环境学院 ， ０ ０ ０ ６ ７； ４ 重庆水务集团 （ ０ ４ １ ０ ０； ） 重庆 ４ 北京 １ ５ 重庆大学建筑与城市规划学院 ， ０ ０ ０ ４ ５； ６ 中国科学院生态环境研究中心 ， ０ ０ ０ ８ ５
给水排水 Ｖ ｏ ｌ ． ３ ９ Ｎ ｏ ． １ ２ ０ １ ３ 图 ４ 研发的排水管道气体监测设备及气体采集处理器
研究组在研究 示 范 区 内 安 装 了 ２ ０个现场采样 点， 覆盖管道长度共 ７ 在一些重要区域还安 ２． ８ｋ ｍ，
装了针对有害气体的自动抽风排危装置 。 自示范工 已成功预警 ２ 每次均得到了妥善 程运行以来 ， ３ ７次， 处理 。 ３． ３ 大管径排 水 管 道 快 速 清 淤 及 修 复 技 术 研 究 及 设备开发 通过流态模拟 试 验 ， 突破了大管径排水管道水 力清淤理论 ， 分析了排水管道中水力紊动状态对泥 砂沉降的作用机制 ， 并历经三代设备开发 ， 研发了大 。该清淤设备系统 见 图 ５） 管径排水管道清淤装置 （ 由清淤小船 、 管道清通器 、 地上操作系统及充气橡胶 闸门等部分组成 ， 实现了直径１ｍ 以上中大型排水 不用人工下水操作 ， 设备处理能力 管道的机械清淤 ， 强、 灵活 、 体积 小 、 工 艺 简 单。该 技 术 填 补 了 国 内 空 其造价与国外同类 技 术 相 比 节 约 ４ 白， ０％ 以 上 。 在 研究了玻璃钢夹砂管破损前后的土 管道修复方面 ， 压力分布变化 ， 采用三环内撑钢管法对管道进行加 固修复 ， 分析了夹 砂 玻 璃 钢 管 道 修 复 前 后 承 载 力 与 变形的变化状况 ， 研究确立了夹砂玻璃钢管道修复 壁厚及间距 ， 为三 时使用的三个内撑钢管段的长度 、 环型局部加强新型修复技术的开发提供了力学理论 支持 。
图 ３ 研发的地表位移监测装置
针对排水管道有害气体产生以及引起的安全及 环境问题 ， 研究 组 选 择 重 庆 市 江 北 区 观 音 桥 商 圈 作 为研究区域 ， 首先通过现场测试 ， 对排水管道有害性 易燃气体的成分 进 行 了 分 析 与 溯 源 研 究 ， 确定了重 庆研究区 内 排 水 管 道 有 害 性 气 体 的 主 要 成 分 及 产 积聚规律 。 应 用 爆 炸 的 物 理 模 型 解 析 了 排 水 管 生、 道内气体爆炸的 成 因 ， 研究获得了爆炸气体组成的 阈值 ， 以及环境温度 、 湿度 、 有机物浓度及性质 、 管道 污泥积累 、 混合气体组成 、 服务区域特点及管道特性 等因素对爆炸阈值确定的影响 。 最终提出了污水管 道气体安全监控 指 标 体 系 和 报 警 阈 值 、 建立了污水 管道爆炸性风险评估模型 。 同时 ， 研究组针对排水管道内的特殊环境 ， 自主 研发了管道内 Ｈ２Ｓ、 ＣＨ４ 等 气 体 采 集 装 置 以 及 数 据 ） ， 传输设备 （ 见图 ４ 在此 基 础 上 ， 建立了多功能城市 排水管道 有 毒 有 害 性 气 体 监 测 系 统 （ ＱＮ Ｃ－Ｓ 系 ， 该系统较传统下水道和化粪池气体安全监控系 统） 统投资降低 １ 运行费用节省 １ ５％ 以上 ， ０％ 以上 。
以及大量城市污水处理厂投入运行， 城市排水系统的安全运 摘要 随 着 城 市 化 进 程 的 加 快 ， 行与 城 市 面 源 控 制 对 城 市 水 环 境 的 影 响 逐 渐 凸 显 出 来 。 以 重 庆 市 江 北 区 为 研 究 对 象 ， 针对重庆主 暴雨淹城时有发生、 排水管道事故相对较多、 城市面源污染负荷强度大等突出问题 城地势条件差， 突破了１ 自主研发了 ３套设备产品， 最终开发了重庆主城排水系统安 开展了研究， ３项关键技术， 全与 面 源 污 染 控 制 Ｇ 可以降低排水系统安全事故发生 率， 减少城 Ｉ Ｓ系 统 。 课 题 研 究 成 果 的 应 用 ， 市面 源 污 染 对 地 表 水 体 的 影 响 ， 为构建三峡库区特大型或大型城市的水污染控制与治理技术体系 提供技术支撑。 关键词 三峡库 区 重庆主城 排水系统 面源污染 山 地城市 １ 拟解决的关键技术问题 本研究针对三峡库区山地城市地形地质条件复 杂， 滑 坡、 泥 石 流、 地基沉降等地质灾害引起排水管 道断 裂 毁 损 事 故 多 ； 排水管道布线复杂， 病 害 多， 堵 城市建设高速发展导 塞易爆等安全运 行 问 题 突 出 ； 现有雨水排放系统能力明 致产汇流条件变 化 明 显 ， 显不 足 ； 城市地形坡度大， 面 源 污 染 强 度 大， 对水体 水质 影 响 明 显 等 特 点 ， 通 过 小 试、 中 试、 现场测试以 及工程示范 ， 研究了山地城市排水管道结构性安全 污水管道有害气体监测与预警技术 、 大管 监控技术 、 径排水管道快速 修 复 技 术 、 山地城市泄洪排涝安全 通 保障技术以及山 地 城 市 面 源 污 染 负 荷 削 减 技 术 ， 过上述研究成果 的 集 成 ， 最终建立了重庆主城排水 利用建立的 系统 安 全 与 面 源 污 染 控 制 Ｇ Ｉ Ｓ 系 统， Ｇ Ｉ Ｓ 系统分析了城市排水系统与面源污染控制协同 作用及其对三峡水库水环境的影响 。 通过以上研究 任务的实施 ， 为三峡库区山地城市排水系统安全问 题及如何 有 效 地 进 行 面 源 污 染 控 制 提 供 了 技 术 路 线， 为三 峡 库 区 水 体 水 质 保 障 奠 定 了 良 好 的 技 术 基础 。 ） 见图 １ ２ 课题的技术路线 （