1 研究目的 

随着人民生活水平的提高，城市水环境质量也倍受重视。我国城镇环境基础设施建设日趋完善，排水管网密度、污水处理率等逐年递增，但多数城市河流仍然面临雨天反复污染甚至黑臭问题，水环境整治作为民生短板，亟待补齐^[1]。分流制雨污混接溢流污染是城市水体环境污染的主要来源之一，目前已成为我国多数老城区面临的一项水环境整治难题。城市雨天溢流污染对河湖水环境具有短期强冲击污染影响，当入河污染负荷超过水环境容量时，将形成黑臭水体，严重影响居民的生活质量，雨天溢流污染现象不容忽视。

分流制溢流污染的形成具有复杂的机制。大多数城镇排水系统老旧，雨污分流改造不彻底，管道雨污混接现象严重，多采用末端截流的方式减少雨天管网排放对受纳水体的危害。由于雨天大量径流汇入管道，当超出截流设施最大截流量时，导致高浓度雨污混合水溢流至受纳水体，进而使得城区河道在雨天返黑返臭，造成局部生态失衡，危及水生动植物生长甚至危害人类的健康，制约城市可持续发展。因此，加强对城镇雨天溢流污染的科学认识和研究具有重要意义。

十八大以来，以习近平为核心的党中央明确发出新时代水资源治理的科学指南指示，提出从污染防治转向“三水统筹”治理的发展道路^[2]。“黑臭在水里，根源在岸上，关键是排口，核心是管网”已成为各地城市水环境治理工作的重要共识。如何采取工程和非工程性治理措施，提升城镇排水系统处理效能，缓解雨季溢流高冲击性污染排放，是“后黑臭时期”、“提质增效”阶段的关键和核心任务，也是有效推进精准治污、科学治污、依法治污的重要抓手。雨天溢流污染研究已成为热点问题，但是目前国内外主要是针对合流制溢流污水进行研究，包括溢流污水水质特征、溢流污染影响因素、溢流污染控制等。对溢流污染的特征与影响，以及利用排水系统模型对溢流污染控制进行评估及优化有了一些研究成果，但对于城镇溢流污染响应机理与模拟技术研究相对匮乏。因此，该研究问题可以丰富当前对分流制雨污混接溢流污染的科学认识，同时为城市黑臭水体整治提供理论依据，助力“三水统筹”。

本项目系统地探究城镇溢流污染相应机理与模拟技术的相关问题，选取秦淮河流域城区为研究对象，通过实地考察、野外监测、室内实验、数值模拟等手段，统计特征降雨、雨天溢流污染及河湖水系监测数据，构建“厂-网-河-湖”水动力全路径产汇流精细化模型，以期为我国城镇集水区雨天溢流污染的响应机理与模拟技术研究工作提供科学依据，着力解决水生态环境问题，努力实现美丽中国美好愿景。

参考文献

2 研究内容

本项目研究区域选取秦淮河流域典型城镇建成区，基于受纳雨天水量、水质、水生态的监测数据调查，识别雨天关键污染因子及其对三水冲击贡献度，解析城镇溢流污染的雨天迁移规律，开展基于“厂-网-河-湖”的多目标全过程精细化模拟研究，从而定量识别城镇溢流污染与三水响应关系。

2.1 雨天关键污染因子识别与监测

通过对秦淮河流域现有数据资料进行基础分析，完成水质特征因子时空分布特征甄别。以断面考核指标为依据，确认主要超标因子，初步判定主要污染物，为后期实验监测提供方向性指导。同时开展雨天河道溢流污染水量水质同步监测，初步分析雨天溢流污染对河道影响。对不同类型降雨条件下的河道及管道溢流污染进行水量水质监测，测定其中所含常规污染物浓度变化，用于多尺度模型率定验证，以保证模型模拟预测精度。

2.2 解析城镇溢流污染物雨天迁移规律

将雨天溢流关键污染因子与降雨量历史数据进行整理分析，解析城镇溢流污染物雨天迁移规律。通过雨天溢流现场的调查研究，识别影响溢流污染物指标的时间与空间因素，明确雨天溢流过程、降雨历时、混接点位、混接程度、溢流量、溢流负荷等影响因素和河道水质的关系，以及对三水的影响程度。

2.3开展基于“厂-网-河-湖”的多目标全过程精细化模拟研究

构建耦合城镇排水系统雨天溢流污染排放模型和城市受纳水体水动力水质模型，研发城镇溢流的“厂-网-河-湖”一体化模拟技术，实现城镇溢流的“厂-网-河-湖”一体化耦合模拟。

按照流域大-中-小尺度逐级溯源，采用多尺度数学模型嵌套，进行溢流污染模型的构建。流域尺度采取秦淮河流域河网模型，模拟预测溢流污染对整个流域影响；小尺度上采取内秦淮河片区管网模型，用于城镇排口溢流污染水量及负荷精准模拟，同时为中尺度河道模型提供外源污染输入边界条件；中尺度上采取内秦淮河模型，实现溢流污染对河道水量水质精细化模拟，直观表达冲击型污染对河道影响；大尺度上采取外秦淮河七桥瓮-三汊河口二维模型，全尺度精准模拟城镇溢流在排口-支流-干流水体中传输交互过程。

基于“厂-网-河-湖”的一体化模拟技术在流域中实现对溢流污染的响应和预测。以此实现对城镇溢流污染的多目标全过程精细化模拟研究。

2.4定量识别城镇溢流污染与三水响应关系

基于水质监测、关键污染因子识别、城镇溢流污染物雨天迁移规律研究、“厂-网-河-湖”的水质模型模拟等工作，定量识别城镇溢流污染与三水响应关系。

通过监测城镇溢流排放口和流入水体的水质情况，收集定量数据，分析水体中污染物质浓度和种类，从而定量评估城镇溢流污染对水资源、水生态和水环境的影响。结合水体的自净能力和各种生物的吸附和降解能力，定量评估城镇溢流污染对水体的影响程度，进而识别其与水资源、水生态、水环境响应的关系。

采用基于“厂-网-河-湖”的水质模型对城镇溢流污染的扩散和迁移进行模拟，结合水资源和水环境分析水生态过程，定量预测城镇溢流污染对水体的持续影响，并进一步识别其与水环境响应的关系。

通过上述定量方法的应用，可以更准确地认识城镇溢流污染与三水之间的响应关系，为科学有效地实施水污染治理和水资源保护提供定量支撑和决策依据。

3 国内外研究现状和发展动态

城市排水体制主要分为合流制排水系统和分流制排水系统。近年来，随着人们对城市生态环境的关注程度越来越高，在快速城市化进程中，新建城区和改造的老旧城区排水管网大多采用雨污分流制排水系统。但由于历史等原因，雨污分流制系统错混接问题普遍，雨水管网混接雨天溢流排放是造成水体黑臭的重要因素，制约我国城镇水环境质量提升。

3.1 历年国际期刊发表关于溢流污染的论文分析

自20世纪中旬，国内外学者就开始关注合流制与分流制管道溢流污染等问题，在国际期刊上发表的论文数逐年呈现上升趋势，研究涵盖环境科学与资源利用、水利水电工程、建筑科学与工程、公路与水路运输、水产与渔业等学科。但对溢流污染作用下典型水体三水响应机制的研究较少（图1-2）。

3.2 国内外溢流污染研究可视化分析

3.2.1 国内外研究热点分析

对于2012-2024年中英文文献进行检索与关键词共现分析。其中，英文文献源于Web of Science数据库，检索词为overflow pollution，共检索到420篇文献；中文文献源于中国知网（CNKI）数据库，检索词为溢流污染，共检索到456篇中文文献。利用CiteSpace软件对文献关键词进行可视化分析。下图为英文、中文文献关键词贡献分析结果（图3、4）。

由图3可知：英文文献关键词的第一类主要关注于通过实时控制技术来削减合流制溢流造成的污染^[3]；第二类主要关注于通过水力水质模型模拟溢流污染过程^[4]，预测合流制溢流污染的污染负荷；第三类主要关注于利用硬件设施与软件设施相结合的方式^[5]，提高处理大量雨污合流水的能力；第四类主要关注于提高管网、泵站、调蓄池及污水处理厂四者之间的匹配性，扩大排水系统的空间容量，并通过排水系统模型进行管网水质水量模拟及控制设施效能模拟评估与优化，少部分研究了溢流污染控制实时技术，提高或发挥“厂－池－站－网”的匹配性；第五类主要关注于造成水环境质量下降的因素，下水道溢流中重金属的表征及其对微生物多样性的影响^[6]。由英文文献关键词聚类分析可知，国外学者对于溢流污染控制技术手段的研究较为全面，并在“厂-网”联控调节技术方面具有领先优势。

由图4可知:中文文献关键词的第一类主要关注于通过排水系统模型对溢流污染全过程以及溢流污染控制设施工作过程进行模拟^[7]，预测溢流污水的水质水量以及溢流污染控制设施的处理效率；第二类主要关注于通过低影响开发的源头控制、海绵城市的构建来控制年径流总量，减少径流污染^[8]；第三类主要关注于造成水环境质量下降的因素，对于合流制而言，污染主要来自于降雨事件发生后，径流冲刷地表污染物的污染负荷，以及径流进入管网后，管网内水量超过其运行负荷而产生的溢流污水的污染负荷；第四类主要关注于通过污水厂提质增效、雨污分流改造以及控源截污等措施对排水系统产生的污染负荷进行削减，从而使黑臭水体得到治理。由中文文献关键词聚类分析可知，国内学者对于溢流污染的研究较为局限，在溢流污水水质特征、溢流污染影响因素、基于数值模拟和初期雨水调蓄池的溢流污染控制等方面有了一些研究成果，但是对于在溢流污染作用下典型水体的三水响应机制的研究较少，有待进一步加强。

3.2.2 国内外溢流污染发展动态

通过CiteSpace软件对“溢流污染”这一关键词进行共现及时间叠加可视化分析，形成国内外文献时间演变图（图5、6）。

由图5可知：2016年以前，国外主要关注评估合流制溢流污染问题导致的水环境质量变化^[9]，并且在污染控制方面主要研究实时控制技术；2016—2017年主要以排水系统模型对径流及排水系统内的水质水量进行模拟，计算排水系统所产生的污染负荷，并通过构建模型分析雨水调蓄收集对溢流污染的影响^[10]；2018-2020年主要研究通过构建绿色设施进行源头削减来控制溢流污染^[11]；2020-2024年主要的研究热点为溢流污染的特征以及以采用实时控制技术进行“厂－网”联调联控^[12]。

由图6可看出：2015年以前，我国对于溢流污染方面的研究热点在于污水水质、管道沉积物及冲刷^[13]，控制措施主要是对截污设施的研究。2015—2017年，我国研究热点主要针对合流制溢流污水进行源解析^[14]。2018年-2021年，我国研究热点主要通过控源截污、污水厂提质增效、管网改造等措施来控制溢流污染的溢流水量及溢流频次^[15]，从而有效减少黑臭水体数量，使水环境得到修复；2022-2024年国内在溢流污染方面的研究热点为溢流污染的特征与影响^[16]，以及利用排水系统模型对溢流污染控制进行评估及优化。

通过关键词及时间叠加共现分析可知，英国、美国、日本等发达国家在应对溢流污染方面具有长期的控制经验，我国在溢流污染方面的研究相较于发达国家起步较晚，并且研究方向集中在溢流污染的特征与影响，以及利用排水系统模型对溢流污染控制进行评估及优化等初期研究阶段，缺少对采用实时控制技术进行“厂－网”联调联控的一体化控制技术以及典型水体三水响应机制的研究。目前，我国某些城市逐步尝试采用“厂-网”联控的溢流污染治理措施，开展了一些研究并颁布“三水统筹，协同治理”的法律法规。但基于我国以前的基本国情和发展进程，我国许多城市的老旧城区雨水管网错、混接问题严重，所以对于溢流污染作用下典型水体三水响应机制及模拟调控技术问题仍有待进一步研究。

3.3 分流制排水系统溢流污染形成原因

3.3.1 雨水管网错混接

近年来，随着城市积水改造工程的推进，分流制地区污水管网的建设严重滞后于城市发展^[17]，许多污染源只能就近排入雨水管道。许多雨水管道随意或有意接入污水管道，挤占了污水的输送容量，部分污水管道接入了雨水管道。雨水管道成为混接污水的积蓄池和厌氧反应池，初期雨水排放往往造成河道瞬间黑臭^[18]。雨水、污水、合流管网系统通过排口、截流井与河道、暗渠异常连通，给雨水、污水乱流提供了条件，河水、地下水、山水、其他排水等外水通过各类管网的末端排口进入三大管网系统，使得管网系统功能紊乱，进而导致雨天溢流污染问题严重。

3.3.2 排水管道缺陷

分流制污水管网多在老城区，老城区的老旧管网普遍存在一定程度的破裂变形和管道淤堵问题，导致雨水管网向河道输送大量污染物负荷。

（1）结构性缺陷

城镇部分污水管网由于建设时间长，存在破损、腐蚀、变形等结构性缺陷。管网破损不仅会导致污水渗漏，对于地下水位高的区域也容易渗入地下水，引发污水管网高水位工况^[19]。部分管道由于设计、施工、规划变更、运行等因素，局部存在断头管、逆坡管、小管径管、变形管等因素，会导致污水无出处或过流能力不足导致污水管网高水位工况以及雨天溢流水量增大。

（2）功能性缺陷

老城区老旧内长时间淤积的管道沉积物会导致管道过水断面面积变小。李海燕等^[20]的调研发现北京西城区80%的管道存在不同程度的沉积物淤积。管道中大量沉积物的存在不仅直接导致管道过流能力的下降，同时沉积物中赋存了大量的污染物，在暴雨时随雨水直接排放进入城市水体，对受纳水体输入大量的污染负荷。

3.3.3 降雨强度

降雨会导致分流制排水管道内水量加大，当水量超过其运载负荷时，会形成溢流现象。在降雨过程中，雨水及所形成的径流流经城市地面、建筑物、绿化带等，冲刷、聚集了一系列污染物，如有机物、油类、盐分、氮、磷、有毒物质及杂物等，随之排入河流、湖泊等受纳水体，污染地表水或地下水^[21]。受经济条件和地域限制等方面的影响，我国大多数城镇的排水管道截流倍数较低，当降雨强度过大时，末端截流调蓄空间不够，导致雨天溢流污染严重^[22]。

3.4 分流制溢流污染特征分析

3.4.1 分流制溢流雨污水水质基本特征

分流制污水溢流（SSO）是指在分流制排水系统中，由于降雨或地表径流等原因，雨水和污水混合后超过下水道系统的处理能力，导致未经处理或未完全处理的污水直接排放到水体中的现象。这种情况通常在降雨期间发生，尤其是在城市化程度高、排水系统负荷较重的地区更为常见，而SSO的主要污染物有四大类：

（1）以COD为主的有机污染物：包括生活污水中的厨余、粪便等有机物，这些物质在水体中会消耗溶解氧，导致水体缺氧，影响水生生物的生存。

（2）氨氮（NH3-N）：主要来源于生活污水中的排泄物和有机物质的分解。氨氮在水体中过量时，会导致水生生物毒性增加，影响水体生态系统的平衡。氨氮也是水体富营养化的一个重要因素，过量的氨氮可以促进藻类等水生植物的过度生长，引发水华等环境问题。

（3）总氮（TN）：包括氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮以及有机氮等。总氮的过量输入会导致水体富营养化，进而引起水质恶化和生态系统破坏。

（4）固体悬浮物（SS）：主要包括泥沙、颗粒物和其他悬浮在水体中的固体物质。这些物质可以增加水体的浊度，减少水体的透明度，影响水生生物的光合作用和生存环境。固体悬浮物还可能携带其他污染物，如重金属和有机污染物，对水环境造成二次污染。

3.4.2 分流制溢流污染水质水量随时间变化规律^[23]

（1）季节性变化：溢流污染负荷具有明显的季节性差异，特别是在雨季。根据研究表明，雨季溢流污染负荷占全年总溢流污染负荷的80%以上。这表明雨季是溢流污染的主要发生期，对水体的影响也最为显著。

（2）降雨重现期：溢流污染负荷随降雨重现期的增加而增加，但增幅随着降雨重现期的继续增大而减小。初期雨量较小时，地表污染物随径流进入截污箱涵较少；随着雨量增大，溢流负荷增长较快；当雨量达到一定程度后，地面积累的污染物有限，溢流负荷增幅逐渐变小。

（3）降雨事件：降雨一段时间后，径流雨水的稀释作用大于冲刷作用，溢流污水中污染物浓度降低，随着降雨的停止，污水的输移趋于稳定，溢流污水中污染物的浓度也随之维持在相对较低的水平。

3.5 分流制溢流污染的控制措施

为了有效控制分流制溢流污染，重点在于响应预测，即通过科学的方法和技术手段，对可能发生的溢流事件进行预测，并采取相应的控制措施。以下是一些控制措施的详细介绍：

3.5.1监测与预警系统建设

建立实时监测网络，对城市排水系统的关键节点进行监控，包括污水处理厂、泵站、溢流口等，以实时获取水质和流量数据。利用气象数据和先进的预测模型，如人工智能和机器学习算法106，对降雨事件进行预测，从而提前做好应对准备。

3.5.2 源头控制^[25]

在建筑小区和道路实施低影响开发（LID）措施，如雨水花园、渗透性铺装和雨水蓄留设施，以减少径流流量和污染负荷。

对工业和商业区进行严格的雨水和污水排放管理，确保污染物得到有效控制。

3.5.3 排水系统的优化与管理

定期对排水管网进行维护和清疏，确保其在降雨期间的畅通无阻。通过安装闸门、溢流堰等控制设施，对溢流进行管理和调度，减少污染物直接排放。

3.5.4应急预案的制定与实施

根据历史数据和模型预测结果，制定详细的应急预案，包括应急响应流程、责任分配、资源调配等。在预测到可能发生溢流事件时，及时启动应急预案，采取限制工业排放、增加污水处理厂处理能力等措施。

3.6 我国分流制溢流污染治理发展趋势

3.6.1 健全法规政策

2014年1月1日实施的《城镇排水与污水处理条例》中，第三章第十九条指出：除干旱地区外，新区建设应当实行雨水、污水分流；对实行雨水、污水合流的地区，应当按照城镇排水与污水处理规划要求，进行雨水、污水分流改造。

雨水、污水分流改造可以结合旧城区改建和道路建设同时进行。在雨水、污水分流地区，新区建设和旧城区改建不得将雨水管网、污水管网相互混接。

在有条件的地区，应当逐步推进初期雨水收集与处理，合理确定截流倍数，通过设置初期雨水贮存池、建设截流干管等方式，加强对初期雨水的排放调控和污染防治。

3.6.2 完善标准规范

2022年4月，住房和城乡建设部发布的全文强制性工程建设规范《城乡排水工程项目规范》（GB 55027-2022）中明确：“除干旱地区外，新建地区的排水体制应采用分流制。”“既有合流制排水系统，应综合考虑建设成本、实施可行性和工程效益，经技术经济比较后实施雨水、污水分流改造；暂不具备改造条件的，应根据受纳水体水质目标和水环境容量，确定溢流污染控制目标，并采取综合措施，控制溢流污染。”《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）明确各地确定排水体制（分流制或合流制）的原则，要求除降水量少的干旱地区外，新建地区的排水系统应采用分流制。《建筑给水排水设计标准》（GB 50015-2019）中也明确，小区生活排水与雨水排水系统应采用分流制。

3.6.3 强化规划引导

“十一五”以来，住房和城乡建设部与国家发展改革委每5年联合编制印发污水处理及再生水利用设施建设规划。2021年，住房和城乡建设部与国家发展改革委印发《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》（图7），提出因地制宜实施雨污分流改造，暂不具备改造条件的，采取措施减少雨季溢流污染。

3.6.4 未来规划

为深入贯彻落实党的二十大精神，落实水污染防治法、长江保护法、黄河保护法等有关规定，经国务院同意，2023年4月，生态环境部联合发展改革委、财政部、水利部、林草局等部门印发了《重点流域水生态环境保护规划》（图8）。

在此之前，我国已编制实施了五期重点流域水污染防治规划，推动了全国水环境质量改善。这次印发的《重点流域水生态环境保护规划》名称由过去的“重点流域水污染防治规划”调整为“重点流域水生态环境保护规划”。更加注重由污染防治为主向水环境、水资源、水生态“三水统筹”转变。

“三水统筹”是指水环境、水资源、水生态三个方面协同治理、统筹推进。水资源方面，把生态用水保障放在更加突出的位置。水生态方面，聚焦流域的重要生态空间，河湖的生态缓冲带，流域的水源涵养区，明确这些重要空间的生态环境功能需要。三水协同发展统筹政策旨在构建一个综合性的水生态环境保护体系，实现水资源的可持续利用，水环境质量的全面提升，以及水生态系统的健康和多样性。这不仅是对现有环境问题的回应，也是实现“美丽中国”建设目标的重要步骤。

综上，对于分流制溢流污染的防控必须依照法规政策、标准规范和规划引导，三水协同发展统筹，紧抓“源头控制、过程控制、末端控制” 三个阶段，且要有所侧重。统计特征降雨、雨天溢流污染及河湖水系监测数据，构建“厂-网-河-湖”水动力全路径产汇流精细化模型，识别核心污染因子及其对水资源—水环境—水生态冲击贡献度，解析城镇多污染源和多污染物（COD、氨氮、总磷等）雨天迁移规律，为三水协同耦合的雨天溢流污染机制解析及调控提供支撑。

参考文献

4 创新点与项目特色

1、本项目采用多尺度模型嵌套模拟，研发城镇溢流的“厂-网-河-湖”一体化模拟技术，流域-大-中-小尺度逐级溯源，为城镇溢流与秦淮河三水交互关键节点模拟反演提供准确边界条件，克服现状部分区域水量-水质监测频率不足的问题。基于小尺度模型精准率定模型参数，进一步优化全尺度精准模拟城镇溢流在排口-支流-干流水体中传输交互过程，为关键指标模拟精度提升与控制方案制定提供技术支撑。

2、本项目遵循“三水统筹”治理政策，协调水资源、水生态和水环境三者之间的关系，识别“三水”响应机制，开展溢流污染控制对三水综合效益的定量评估，为河湖三水统筹视角下的节水增容、污染控制、生态修复互馈耦合作用机制研究提供支撑。

3、本项目针对分流制溢流污水进行研究，不同于目前国内外主要是针对合流制溢流污水进行研究，转向研究城镇溢流污染响应机理与模拟技术研究。系统地探究城镇溢流污染相关问题，构建降雨及河道水动力-水质响应关系，研发长江流域典型集水区水动力与物质迁移转化模拟技术，以期为我国城镇集水区雨天溢流污染的响应机理与模拟技术研究工作提供科学依据。

5 技术路线、拟解决的问题及预期成果

5.1 技术路线

5.2 拟解决的问题

5.2.1 建立大中小耦合反馈机制进行多尺度模型嵌套模拟

耦合城镇排水系统雨天溢流污染排放模型和城市受纳水体水动力水质模型，研发城镇溢流的“厂-网-河-湖”一体化模拟技术，实现城镇溢流的“厂-网-河-湖”一体化耦合模拟，定量评估城镇溢流污染控制综合效益。在多尺度上进行河道模型构建和河道水质水量率定。

5.2.2 识别“三水统筹”响应机制，开展溢流污染对三水综合效益的定量评估

针对城镇集水区雨天溢流污染对三水的短期强冲击影响，采用现场调研等，通过数据研究及实地监测，识别核心污染因子及其对三水冲击贡献度，解析城镇多污染源和指征污染物（COD、氨氮、总磷等）雨天迁移规律，为三水协同耦合的雨天溢流污染机制解析及调控提供支撑。

5.2.3 多因素驱动下河道溢流污染控制与提升方案的制定

基于野外观测与水动力-水质数值模拟分析的结果，根据河道现状与模型构建的结果设置多目标优化方案，拟编出城镇溢流污染响应机理与模拟技术研究调研报告，为我国城镇集水区雨天溢流污染的响应机理与模拟技术研究工作提供科学依据。

5.3 预期成果

预期经过一年的研究，全面开展城镇溢流污染响应机理与模拟技术的相关研究并最终得出相应的解决策略。项目成果将以研究报告、专利、学术论文等形式提交。

本项目将系统地探究城镇溢流污染相关问题，通过实地考察、野外监测、室内实验、数值模拟等手段，识别关键污染物指标，分析溢流污染排放特征，构建降雨及河道水动力-水质响应关系，运用数学模型模拟不同条件下降雨的调控措施，以期为我国城镇集水区雨天溢流污染的响应机理与模拟技术研究工作提供科学依据，从中探究出相应的解决方法。

申请发明专利1项，软件著作权1项，发表中文核心期刊论文1篇。