关键词：
雨水管网
水环境质量
数学模型
污染溯源
SWMM
摘要：
我国城市水问题的发生和治理是随着我国城镇化进程而逐步演变的,城区水环境污染、水生态退化等问题一直是影响城区河湖水系生态环境复苏的主要原因之一。受城区土地利用类型变化、各类工程扰动等因素的影响,城市水生态环境表现为多水源补给、多工程扰动、强人类活动调控等特征。相比于大尺度自然流域而言,雨水管道是城市排水系统重要环节,它不仅是城市物质输移的主要载体,还是与河湖水系直接发生水力联系和物质交换的主要途径。围绕城市雨水管网对河湖水系水质影响作用这一实际问题,本研究以巢湖流域一级支流十五里河为研究对象,通过现场监测、资料收集、模型构建、算法研发等多种方式,按照问题识别、模型推演、算法验证的思路,基于历史与现状河道断面水质数据,分析十五里河水环境变化特征,定量阐述流域治理工程对于十五里河水环境的改善效果,识别十五里河现状及未来的主要水环境问题;在此基础上,建立十五里河流域面源污染数学模型,并采用实测数据验证模型的合理性,解析十五里河流域年入河水量和年入河污染负荷的组成结构;进一步的,选取十五里河流域范围内已实施雨污管网混接治理的区域为重点分析对象,构建机理模型和贝叶斯算法相耦合的管网溯源算法,建立管点瞬时排污与管点连续排污两种情景,通过假设、反演、验证的思路,分析算法的可行性和合理性。主要研究成果阐述如下:一、十五里河水环境变化特征分析与问题识别十五里河流域具有景观多样性、多水源补给、强工程干扰、水力联系复杂等特征的城市型流域。得益于流域内污水处理厂提标改造扩容、京台高速初期雨水调蓄工程、入巢湖湿地等前期工程的实施,十五里河沿程各断面水质得到较大幅度改善,以十五里河出口断面希望桥为例,相比治理前2015-2017年,治理后2018～2022年的COD、氨氮和总磷多年平均浓度分别降低了32.94%、83.51%和75.41%。进一步根据2023年各断面的水质自动站数据可知,十五里河各断面仍存在不稳定达标现象,尤其是上中游的3个断面,年内III类水水质达标率均未能超过80%,汛期初期雨水污染和非汛期雨污混流导致的直排入河是影响十五里河水质稳定达标的重要因素之一。二、十五里河面源污染模型构建根据十五里河流域的DEM数据、土地利用类型数据、管网设计图、降雨数据等资料,将研究区域划分为842个子汇水单元、837个管段和857个节点,并基于2023年实测数据进行参数率定,相对误差小于30%,模型结果较为可靠。基于模型模拟2019年降雨数据分析发现,十五里河流域入河总量1.47亿m3,生态补水、降雨径流和管网混接入河水量分别占总水量78%、16%、6%。其中降雨径流入河污染负荷相对较高COD、氨氮分别占总负荷的50%、83%。三、十五里河管网溯源算法构建与合理性分析以龙川路右侧片区为研究对象,将雨水管理模型（SWMM）管网模块和贝叶斯方法耦合,构建雨水管网溯源算法,针对管道内污染源位置、泄漏强度和泄漏量不清清楚等问题,进行反问题求解,得出上述参数的概率分布。结合流域特征,本研究建立单个污染源瞬时排放（洗车店偷排）与单个污染源持续排放（居民小区雨污管混接）2个情景,假设排放时间未知、排放地点未知、排放量未知,通过入河排口处监测水质浓度变化曲线,给定模型的先验参数区间,代入模型反演参数概率分布,根据结果分析泄漏点、泄漏量,目前溯源为真实泄漏点的概率均达到了70%以上。通过上述3部分的研究内容,本论文以城区管网治理为抓手,形成了以问题识别、模型构建、污染溯源为思路的城区水环境治理技术,丰富了城区雨污管网混接排查的技术方法,将为城区河湖水质稳定达标提供切实可用的技术支撑。
