城镇分流制排水系统初期雨水污染特征与控制对策

高雅弘; 林炳权; 刘宇轩; 王振北; 胡潜; 齐飞; 孙德智

doi:10.12153/j.issn.1674-991X.20230657

城镇分流制排水系统初期雨水污染特征与控制对策

doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230657

高雅弘^{1, 2,},
林炳权^{1, 2},
刘宇轩^{1, 2},
王振北^{1, 2},
胡潜^{1, 2},
齐飞^{1, 2},
孙德智^{1, 2, ,}

1.
北京林业大学，水体污染源控制技术北京市重点实验室
2.
北京林业大学污染水体源控与生态修复技术北京高校工程研究中心

基金项目: 国家重点研发计划项目（2021YFC3201504-1）

详细信息

作者简介:
高雅弘（1998—），女，硕士研究生，主要研究方向为水污染控制与水资源利用，1941955600@qq.com

通讯作者:
孙德智（1960—），男，教授，主要从事污染水体源控与生态修复研究，sundezhi@bjfu.edu.cn

中图分类号: X52
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出版历程
- 收稿日期: 2023-09-11
- 录用日期: 2024-01-31
- 修回日期: 2023-12-04

Characteristics and control measures of rainwater pollution in urban separate drainage system

GAO Yahong^{1, 2
,},
LIN Bingquan^{1, 2},
LIU Yuxuan^{1, 2},
WANG Zhenbei^{1, 2},
HU Qian^{1, 2},
QI Fei^{1, 2},
SUN Dezhi^{1, 2
, ,}

1.
Beijing Key Lab for Source Control Technology of Water Pollution, Beijing Forestry University
2.
Research Center for Source Control & Eco-remediation of Water Pollution, Beijing Forestry University

摘要

摘要:
由于我国城镇防洪和排涝及城镇面源污染控制的需求，分流制排水系统在城市中占比不断提升，由其带来的初期雨水污染问题已成为城镇水体污染的主要成因之一。结合国内外研究成果，采用文献计量学方法分析了国内外在分流制排水系统初期雨水污染方面的研究热点，对城镇分流制排水系统初期雨水污染的来源、污染特征、不同控制措施及其削减效能进行了综合分析。结果表明：我国分流制排水系统普遍存在管道沉积问题，城市下垫面及管道沉积物中的污染物是初期雨水污染的主要来源；源头和管道沉积物冲刷是影响初期雨水水质变化特征的主要原因；此外，初期雨水污染还受降雨特征、下垫面类型、雨前晴天数、大气污染状况等多个因素的影响。根据初期雨水的污染来源及特征，应将工程性控制措施和非工程性控制措施相结合，从源头、过程、末端及法律法规等方面进行全方位控制，以减少城镇分流制排水系统初期雨水带来的污染，提升城镇水环境质量。
- 分流制排水系统 /
- 文献计量学 /
- 初期雨水污染来源 /
- 初期雨水污染特征 /
- 控制措施
Abstract:
Due to the demand of urban flood control, drainage and non-point source pollution control in China, the proportion of separate drainage system in cities is increasing, and the initial rainwater pollution caused by separate drainage system has become one of the main causes of urban water pollution. Based on the research results at home and abroad, the research hotspots of the initial rainwater pollution in the separate drainage system were analyzed by using the bibliometrics method, and the sources, pollution characteristics, different control measures and reduction efficiency of the initial rainwater pollution in the urban separate drainage system were comprehensively analyzed. The results showed that pipe deposition was a common problem in the separate drainage system in China, and the pollutants in the urban underlying surface and pipe sediment were the main sources of initial rainwater pollution. Source and pipeline sediment erosion were the main reasons affecting the change characteristics of the initial rainwater quality. In addition, the initial rainwater pollution was also affected by various factors, such as rainfall characteristics, the type of underlying surface, the number of sunny days before rain, and air pollution status. According to the pollution sources and characteristics of the initial rainwater, engineering control measures should be combined with non-engineering control measures to carry out comprehensive control from the source, process, end, and laws and regulations, so as to reduce the pollution caused by the initial rainwater of the urban separate drainage system and improve the quality of the urban water environment.
- separate drainage system /
- bibliometrics /
- sources of initial rainwater pollution /
- characteristics of initial rainwater pollution /
- control measures

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图 1 初期雨水峰值污染物浓度范围

Figure 1. Peak pollutant concentration range of initial rainwater

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图 2 初期雨水污染中文文献关键词共现网络

注：EMC为次降雨径流平均浓度。

Figure 2. Co-occurrence network of key words in Chinese literature on initial rainwater pollution

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图 3 初期雨水污染英文文献关键词共现网络

Figure 3. Co-occurrence network of key words in English literature on initial rainwater pollution

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图 4 不同下垫面初期雨水污染物浓度

Figure 4. Initial rainwater pollutant concentration on different underlying surfaces

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图 5 M（V）曲线

Figure 5. M(V) curve

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图 6 初期雨水污染物浓度时间变化特征

Figure 6. Temporal variation characteristics of pollutant concentrations of initial rainwater

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图 7 源头与管道冲刷M（V）曲线

注：将多场降雨数据置于同一坐标中。

Figure 7. Source and pipeline erosion M (V) curve

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图 8 不同降雨强度M（V）曲线

Figure 8. M (V) curves of different rainfall intensities

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图 9 不同下垫面M（V）曲线

Figure 9. M (V) curves of different underlying surfaces

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图 10 分流制雨水调蓄池一般连接形式

Figure 10. General connection form of rainwater storage tank with diversion system

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表 1 我国不同标准规范中初期雨水的相关规定

Table 1. Relevant provisions of initial rainwater in different standard specifications in China

来源	初期雨水水量确定方法
GB 51174—2017《城镇雨水调蓄工程技术规范》	分流制排水系统径流污染控制的初期雨水可取4~8 mm；当无资料时，屋面初期雨水可为2~3 mm，地面初期雨水可为4~8 mm
GB 50400—2016《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》	当无资料时，屋面初期雨水可采用2~3 mm，地面初期雨水可采用3~5 mm
GB/T 50483—2019《化工建设项目环境保护工程设计标准》	污染区域降雨初期产生的雨水，宜取一次降雨初期 15~30 min的雨量，或降雨初期20~30 mm厚度的雨量

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表 2 初期雨水概念不同界定方式对比

Table 2. Comparison of different definitions of initial rainwater

界定依据	研究对象与内容	界定方式
降雨历时	—	降雨初期前20%时间的径流^[11]
降水量	合肥市经开区初期雨水污染特征及其截流调蓄研究	降雨初期40%~45%的雨水径流体积^[3]
降水量	重庆市虎溪流域降雨径流水质特性及初期冲刷现象的研究	降雨初期40%的雨水径流体积^[12]
降水量	—	占总径流20%或 25%的初期径流^[13]
降水量	巢湖市东塘路分流制雨水系统水质水量调查与分析	前7 mm的降水量^[14]
降水量与降雨历时结合	深圳市初期雨水特征分析及控制对策研究	汇流时间不超过30 min的径流或5~7 mm的降水量^[15]
污染负荷	道路雨水径流初期冲刷效应分析	携带80%污染负荷的径流^[16]
污染负荷	国内典型城市降雨径流初期累积特征分析	携带50%污染负荷的径流^[17]

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表 3 我国不同研究区域管道沉积物中污染物浓度

Table 3. Concentration of pipeline sediment pollutants in different study areas in China

研究区域	管道类型	污染物浓度/(mg/g)
研究区域	管道类型	TN	NH₃-N	TP	COD
深圳^[26]	雨水管道	0.395~8.410	0.001~0.026	0.171~0.982
苏州^[27]	雨水管道	0.917~12.707	0.009~0.157	0.196~2.525
重庆^[28]	雨水管道	0.820~5.280	0.034~0.474	1.670~2.110
广东某市^[29]	雨水管道		0.450~2.550	0.230~2.970	0.78~16.07
常州^[30]	雨水管道	0.200		0.150~0.240	66.34~74.55
株洲^[31]	雨水管道	0.204		1.201
广州^[32]	合流管道	0.760		0.900	28.06
西安^[33]	合流管道	2~8		4~12	150~350

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表 4 我国不同研究区域管道沉积情况

Table 4. Pipeline deposition in different study areas of China

研究区域	管道类型	管道沉积情况
研究区域	管道类型	沉积物极少的占比/%	沉积物存在的占比/%	淤积的占比/%	严重堵塞的占比/%
北京^[34]	雨水管道	12.50	62.50	20.83	4.17
郑州^[35]	雨水管道	25	50		25
西安^[36]	合流管道		52.1	11.1	1.7
广州^[37]	合流管道	51.67	36.67	9.16	2.5
天津^[38]	合流管道	19	65

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表 5 源头削减措施污染负荷削减率

Table 5. Pollution load reduction rates of source reduction measures

工程措施	具体信息	典型污染物及径流量削减率	数据来源
绿色屋顶	成都市某建筑物绿色屋顶	TN为84.2%，TP为19.0%，COD为61.4%	文献[2]
	重庆接骨草屋顶	TN为18%，NH₃-N为93%	文献[53]
	湘潭市某住宅小区绿化屋面设计	SS为80%~90%，COD为50%~70%，TN为50%~70%；进水TP<0.l mg/L时，对TP没有去除作用，进水TP>0.1 mg/L时，TP去除率为40%~70%	文献[54]
植物净化技术	受纳水体植物净化研究	浊度为91%，COD为52.1%，TN为62.5%，NH₃-N为65.8%，TP为81.2%	文献[55]
植草沟	北京亦庄经济开发区路边植草沟	COD为9%~68%，NH₃-N为90%~96%，SS为20%~76%	文献[56]
	重庆市某住宅区路面雨水处理设施	COD为68.5%，BOD₅为74.1%，SS为92.5%，NH₃-N为45.7%，TP为25.4%	文献[57]
	武汉东湖面源污染控制研究	TN为47.1%~85.4%，TP为47.1%~85.4%，径流量为50%~70%	文献[58]
	武汉市四新区四新北路植草沟试验设施	TSS为96.6%，COD为26.0%，TN为56.7%，NH₃-N为79.4%，TP为93.2%，径流量≥30%	文献[59]
	北京市水科学技术研究院试验站植草沟设计试验	COD为22%，NH₃-N为20.0%，TP为37.5%	文献[60]
	京珠高速公路植草沟设计	径流污染物为40%~90%	文献[61]
透水铺装	北京昌平区滨河大道南侧停车场透水铺装	COD为57.0%，NH₃-N为72.7%，TP为79.4%，SS为82.2%	文献[56]
	多孔路面铺装	TN为65%~100%，TP为30%~65%，SS为65%~100%	文献[58]
	入渗沟系统设计	SS为90%，TN为60%，TP为60%	文献[58]
截污雨水口	深圳市龙岗国际低碳城道路截污雨水口设计	年削减量SS为7 000 kg，COD为2 100 kg，NH₃-N为210 kg，TP为210 kg	文献[62]

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表 6 管道清淤技术优缺点比较

Table 6. Comparison of advantages and disadvantages of pipeline desilting technologies

技术名称	优点	缺点
绞车清淤	能解决管道淤积严重，淤泥黏结密实的情况；能够适应各种直径的排水管道	穿钢丝绳需要人工下井完成
高压水射流清淤	适用于各种口径的下水管道	用水量大，成本相对比较高
水冲刷清淤	所需水为上游污水来水，成本较低	当污水中缠绕性垃圾较多导致蓄水不足、排水不畅时，不宜使用
机器人清淤	可以实现地面操作机器人在管道中行走并有针对性地完成清淤工作	对环境要求较高

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表 7 末端控制措施研究及工程实践效果

Table 7. Research and engineering practice effects of terminal control measures

措施实例	具体信息	典型污染物及径流量削减率	数据来源
混合滤池和沸石滤池	城市道路雨水初期径流快速处理工艺设计	SS为95%，COD为50%，NH₃-N为80%，TN为30%，TP为70%	文献[70]
磁絮凝分离技术	磁絮凝工艺处理初期雨水的研究	COD>60%，NH₃-N>40%，TP>90%	文献[72]
旋流分离器	北方某市护城河排河口改造项目	SS>90%，COD>90%	文献[71]
	王家河排水口净化工程	SS≥50%，COD≥30%	文献[73]
	旋流分离装置设计	平均粒径140 μm颗粒去除率为70%，平均粒径80 μm颗粒去除率为40%	文献[74]
	旋流分离器设计	SS为80.89%，COD为64.66%	文献[75]
砂滤系统	重庆市某生态住宅区雨水资源化利用工程	SS为91.7%，COD为68.7%，BOD₅为67.2%，NH₃-N为13.0%，TP为31.4%	文献[76]
滤坝系统	降雨径流污染控制技术	SS为89.65%，COD为84.69%， ${\mathrm{NH}}_4^+{\text{-}}{\mathrm{N}} $为25.66%，TN为 24.46%， TP为50.06%	文献[77]
人工湿地	重庆市某水源地保护湿地实际工程设计	浊度为78%，COD为81%，NH₃-N为63%，TN为74%，TP为53%	文献[78]
人工湿地	广东省东莞市同沙水库集水区人工湿地系统	COD为86.11%，${\mathrm{NH}}_4^+{\text{-}}{\mathrm{N}} $为76.7%，TN为80.3%，TP为82.1%	文献[79]
混凝沉淀	校园屋面雨水处理实验研究	浊度为93.5%，COD为63%	文献[80]
调蓄池	基于SWMM 软件模拟雨水调蓄池对径流水质控制效果的研究	TSS为60.0%，COD为60.0%，TP为60.0%，雨水径流量>50%	文献[81]
生物滞留系统	生物滞留系统评估研究	大肠杆菌为49.0%，雨水径流量为82.0%	文献[82]
	双层介质生物滞留系统设计	NH₃-N为85.1%~98.3%，TN为76.8%~95.3%	文献[83]
	浙江省杭州市某地区生物滞留池设计	COD>40%，NH₃-N>70%，TN>40%，TP>70%，峰值流量>50%	文献[84]
	改良型生物滞留池	SS>90%，COD>90% ，TP最高为95%	文献[85]
	改良填料折流式生物滞留系统	TN为76%，硝态氮为77%	文献[86]

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