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人类的频繁活动导致在大气和城市地表累积了大量的污染物质，在降雨的淋洗和冲刷作用下污染物转移到降雨径流中，造成雨水被严重污染，引起城市水环境恶化。本研究对北京市2015年3月至9月全部降雨事件（共计16场）进行监测，研究了自然降雨污染特征，分析了厕所排气口附近自然降雨中氨氮污染物时空变化规律;发明了3种地表沉积物采样装置，并对3种采样装置的具体操作方法和适用条件进行阐述，采用真空采样装置，对石家庄市不同功能区进行连续100d地表沉积物采样和检测，分析了北方城市地表沉积物污染特性;研究降雨径流污染物污染强度和污染负荷，分析了不同下垫面降雨径流输出规律，并对降雨径流初期冲刷效应进行了探讨;基于SWMM模型，通过现场采样和实验室模拟相结合，确定了SS、COD、氨氮污染物在模型中累积和冲刷参数取值范围，并对参数取值范围进行验证。 北方城市自然降雨污染特性的研究结果表明:①2015年3月-9月16场降雨事件中自然降雨中污染物平均浓度中值分别为:SS56.58mg/L、COD28.6mg/L、TP0.09mg/L、氨氮2.325mg/L。其中，氨氮污染物平均浓度中值显著高于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅴ类水体标准(2.0mg/L)。②自然降雨中污染物SS、COD与TP呈极显著正相关关系(P＜0.01)，COD污染物平均浓度中值与降雨量呈显著负相关关系(P＜0.05)，与前期晴天天数呈显著正相关关系(P＜0.05)。自然降雨中氨氮污染物平均浓度中值与前期晴天数呈极显著正相关关系(P＜0.01)。③自然降雨中SS、COD、TP和氨氮污染物年污染负荷分别为:510.0kg/(hm2·a)、292.8kg/(hm2·a)、0.66kg/(hm2·a)和23.06kg/(hm2·a)。④自然降雨中氨氮浓度随采样点距厕所排气口距离的增加，自然降雨中氨氮浓度随时间变化的衰减系数呈现下降趋势，而衰减指数呈现上升趋势。⑤2015年3月31日、2015年5月10日和2015年7月18日自然降雨中氨氮污染负荷均大于降雨径流氨氮污染负荷的现象，降雨中各采样点降雨径流氨氮污染负荷平均减少量占降雨中氨氮污染负荷的百分比分别为9.5％、25.8％和57.8％。 北方城市地表沉积物污染特性研究结果表明:①3种采样装置在同一采样点采集到的单位面积SS累积量顺序为:水洗采样装置＞真空采样装置＞框架采样装置，采集到的常规污染物总量顺序为:水洗采样装置＞真空采样装置＞框架采样装置，单位SS中常规污染物含量顺序为:框架采样装置＞真空采样装置＞水洗采样装置，便携程度顺序为:框架采样装置＞真空采样装置＞水洗采样装置。②石家庄市不同功能区（工业区、商业区、生活区和文教区）地表沉积物累积量范围分别为3.84-44.95g/m2、1.26-28.67g/m2、0.53-18.46/m2和0.28-5.50g/m2，COD累积量范围分别为2.39-73.69mg/m2、3.69-148.3mg/m2、0.38-109.3mg/m2和1.32-56.89mg/m2，TN累积量范围分别为0.05-2.55mg/m2、0.02-4.22mg/m2、0.02-1.82mg/m2和0.02-2.20mg/m2，氨氮累积量范围分别为0.03-1.74mg/m2、0.01-1.78mg/m2、0.01-0.97mg/m2和0.02-1.68mg/m2，TP累积量范围分别为0.006-0.250mg/m2、0.019-0.529mg/m2、0.001-0.396mg/m2和0.002-0.139mg/m2。③石家庄市道路沉积物中7种重金属元素间存在两组显著的正相关关系As-Cd-Cu-Zn和Pb-Ni，表明两组污染物污染来源一致。重金属在区域上的潜在生态危害水平顺序为Cd＞Hg＞Cu＞Pb＞Zn＞As＞Ni。按照平均含量计的污染水平，Pb和Hg属于强生态危害，其他5种属于轻微生态危害。不同功能区单个重金属潜在生态危害指数最大的是Cd，其次是Hg。 北方城市不透水地表降雨径流污染特性的研究结果表明:①北京市不透水地表中校园道路、交通道路和屋面径流污染物EMC中值:COD分别为81.44mg/L、282.5mg/L和47.85mg/L;TP分别为0.339mg/L、0.590mg/L和0.180mg/L;氨氮分别为1.850mg/L、2.155mg/L和1.602mg/L。②北京市校园道路、交通道路和屋面降雨径流COD污染物EMC中值均与降雨量、降雨历时呈显著负相关关系(P＜0.05)，TP和氨氮EMC中值与前期晴天数呈极显著正相关关系(P＜0.01)。地表径流污染物均超过《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)的Ⅴ类水体标准。③北京市校园道路、交通道路、屋面降雨径流年污染负荷:COD分别为415.5kg/(hm2·a)、1652.9kg/(hm2·a)和267.6kg/(hm2·a);TP分别为2.420kg/(hm2·a)、4.554kg/(hm2·a)和1.059kg/(hm2·a);氨氮分别为14.13kg/(hm2·a)、17.16kg/(hm2·a)和11.36kg/(hm2·a)，交通道路COD、TP和氨氮年污染负荷分别是屋面的6.2倍、4.3倍和1.5倍。④屋面雨水径流初期30％的径流量携带的COD、TP、氨氮污染负荷占整场径流总负荷的比例分别为31.8-68.6％、42.6-64.6％和38.3-46.9％;校园道路雨水径流初期30％的径流量携带的COD、TP、氨氮污染负荷占整场径流总负荷的比例分别为52.3-73.8％、51.9-68.2％和35.1-56.3％;交通道路雨水径流初期30％的径流量携带的COD、TP、氨氮污染负荷占整场径流总负荷的比例分别为55.5-88.9％、44.5-96.0％和35.8-53.4％，大部分属于中等程度的初期冲刷。 基于SWMM模型降雨径流污染物累积与冲刷规律的研究结果表明:①地表沉积物SS、COD、氨氮污染物累积量均随累积时间的延长不断增加，当累积时间达到15-30d时，累积量基本稳定。SWMM模型中SS、COD、氨氮最大累积量C1取值范围为:6.37-12.86g/m2、1.403-2.166g/m2和8.89-12.88mg/m2，C2取值范围为:0.055-0.100d-1、0.061-0.085d-1和0.133-0.167d-1。②降雨强度较大时，降雨径流中污染物浓度较高，但均随降雨历时不断下降，并趋于稳定。SWMM模型中SS、COD、氨氮污染物冲剧系数S1取值范围为0.003-0.005、0.25-0.35和0.01-0.02，冲刷指数S2取值范围为0.4-0.8、0.8-1.0和0.5-0.8。