城市雨水管网中明满流与水气两相流研究

城市化、超设计重现期降雨和管道兼做储水设施等导致雨洪关系发生显著变化、管网内明满流及水气两相流现象频繁发生。研究雨水管网内水流流动特性及行洪能力，建立管网洪水演进数值模型对于保护环境、消除污水危害，促进生产发展和保障人民健康与正常生活极为重要。管网中的水力现象极为复杂，至今国内外对排水管网中的明满流过渡机理及数值计算、水气两相流、气囊的形成与运动规律、圆形断面管道的水力特性、瞬变流条件下的汇流特性及数值模拟等的研究成果较少。另一方面，由于管道断面尺寸相对较小，对数值计算格式精度要求较高。本课题拟采用理论分析、室内试验及数值计算相结合的研究方法，根据城市排水管网的来流特性，对瞬变流高精度数值计算方法、明满流过渡机理及数值模拟、水气两相流及管网汇流水力特性等进行深入研究，并建立其高精度数值模型。这对于建立城市洪涝实时预报调度系统及洪灾评估等具有重要意义。 2100433B

城市水资源短缺和水体污染的日趋严重使得雨水有效利用以及减少径流中污染物的排放成为城市可持续发展的重要议题，这使得探索污染物从城市表面迁移至雨水管网及其末端排放口最后到收纳水体的特征及过程变得非常重要。本课题基本按照预定目标研究了污染物从城市地表到雨水管网以及进一步到收纳水体城市湖泊中的污染特征，初步建立了污染物从城市地表到雨水管网的污染负荷估算模型。研究的主要结论包括以下几个方面：（1）北京市地表灰尘污染特征的研究表明，Cd、Cr 、Cu、Hg、Pb、Sb、Zn等元素远高于北京市背景值，其污染受城市人类活动影响较大。重金属分布状况与其周围的土地利用类型显著相关。Cu和Sb的浓度与交通活动相关性最为显著，Hg的污染受周边环境中医院和诊所的影响较大。地表灰尘中的重金属对周边人群造成一定的暴露风险，尤其Cr。对于非致癌风险，儿童所受到的风险显著高于成人，且对于儿童手口摄入是最主要的重金属摄入方式；对于成人，皮肤接触是Cd和Cr风险来源的最主要途径。（2）对雨水管网中水质水量随时间变化的研究表明，降雨发生后，非重金属污染物（SS、TN、NH3-N、COD、P）的浓度呈现随时间增长而降低的趋势，而重金属污染物（Cr6 、Cd、Cu、Mn、Pb）的浓度随时间变化的趋势并不明显；而SS与P两类污染物在降雨快要结束时浓度有突然增高的现象，说明降雨快结束时雨量减少导致流量的减小对污染物浓度影响较大。相同时间段内，管网中水流的污染情况劣于地表径流水质。（3）对雨水径流收纳水体城市湖泊的研究结果显示，总量超过一百毫米的情况下，降雨对河流污染物的最终效果表现为强烈的稀释效应。而断断续续的小雨造成的面源污染对受纳水体的影响要比大雨后严重约40%，不同地区的面源污染差异在断断续续的小雨后比大雨后的结果更加明显。相比之下，处在商业区的什刹海区域，径流汇流量更小，而北海公园和玉渊潭公园的汇流更多，不同城市社会经济特征、土地利用对非点源污染的影响是有差别的。人类活动对于城市湖泊的影响是不可避免的，降雨对湖泊水质的污染负荷影响显著，由于城市点源污染已得到良好的控制，城市水体的主要污染来源已经转变为人类活动在雨季通过降雨径流进入水体而形成的影响城市水体的质量的面源污染。（4）将对冲刷模型产生重要影响的因子包括前期干燥天数、颗粒物粒径、降雨量整合到污染物冲刷模型中，初步建立了城市地表污染物冲刷模型。 2100433B

城市水资源短缺和水体污染的日趋严重使得雨水有效利用以及减少径流中污染物的排放成为城市可持续发展的重要议题，这使得探索污染物从城市表面迁移至雨水管网及其末端排放口的过程变得非常重要。本课题首先全面监测污染物从地表迁移至雨水管网末端的整个过程：监测案例区域北京市某区域所有功能区地表颗粒物中污染物的浓度和负荷，选择其中三个代表性功能区监测不同时段进入雨水口的地表径流量和其中的污染物浓度，监测案例区域的雨水总排放口的流量和污染物浓度变化；然后利用监测数据针对不同的污染物选择、改进和率定污染物冲刷、输送模型，模型改进重点考虑不同污染物在不同粒径的地表颗粒物上的浓度不同，其在水中的溶解能力也不同，不同粒径的颗粒物受径流冲刷后被携带迁移的能力不同；最后探索不同降雨特征、土地利用布局和面积比例对污染物在雨水管网及末端排放口中浓度和总量的影响规律。本研究将为城市雨水利用以及非点源污染的控制提供科学参考依据。