CN101858107B - 雨水处理和利用设施的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雨水处理和利用设施的设计方法。其包括雨水处理和利用设施的选址、设施类型的选择和设施容积的计算，其中的设施容积WQV(即本领域术语水质体积)通过5个具体步骤计算得出：步骤一，取主要参数值。步骤二，把参数值代入SWMM模型软件中。步骤三，得到最佳设计雨量表确定最佳设计雨量的范围。步骤四，根据多年资料和控制目标得到最佳设计雨量的准确值。步骤五，通过水质体积WQV公式计算雨水处理和利用设施的容积。本发明在利用现有技术进行径流污染控制时将初期径流控制雨量作为主要控制因素，设计建造在控制污染前提下进行雨水收集、利用的雨水处理和利用设施。

Description

雨水处理和利用设施的设计方法

技术领域

本发明涉及雨水处理和利用设施的设计方法。 

背景技术

雨水处理和利用设施近年来越来越普及，其设计和建造工程形成了一个广阔的产业。降雨过程中大量污染物随地表径流的淋洗、冲刷进入水体，这也造成了水质污染和恶化。为改善水环境质量，有效的径流污染控制至关重要。特别是随着城市化进程的加快，不透水汇水面(如屋面、硬化路面、广场、停车场等)占有比例越来越大。来自这些汇水面的径流雨水水质随降雨过程的变化存在明显的初期冲刷现象，表现为初期径流污染物浓度较高，有时甚至劣于污水处理厂的进水水质，初期雨水中包括了整场降雨的大部分污染物，降雨后期径流水质趋于平稳。 

雨水处理和利用设施可以在控制径流污染的前提下进行雨水的收集、利用或处置，解决污染雨水随意排放的问题。在现有技术中，虽然雨水处理和利用设施的容积计算中大都涉及到雨水水质，但都只是从降雨事件控制率出发，没有考虑到具体的径流水质状况。 

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术中的缺陷，提出一种雨水处理和利用设施的设计方法，其包括雨水处理和利用设施的选址、设施类型的选择和设施容积的计算，其中的设施容积WQV(即本领域术语水质体积)通过下面计算得出： 

步骤一，根据不同地区的降雨及径流雨水水质特点针对性地确定汇水面积A、污染物最大累积负荷C₁、累积速率常数C₂、冲刷系数S₁、冲刷指数S₂的具体数值； 

步骤二，分别把步骤一中确定的汇水面积A、污染物最大累积负荷C₁、累积速率常数C₂、冲刷系数S₁、冲刷指数S₂等具体数值输入SWMM模型软件中，由SWMM模拟结果以及公式(2)得到不同重现期时的标准累积径流比率与标准累积污染物比率曲线图。以屋面模拟为例，其主要的水文水利参数见图4；

步骤三，根据步骤二中得到的不同重现期时的标准累积径流比率与标准累积污染物比率曲线图而得到不同重现期下的最佳设计雨量表，并由特定重现期范围得到对应的最佳设计雨量的范围； 

步骤四，根据该地区近30年的降雨资料和特定SS污染控制目标得到设计雨量与污染物控制率的关系曲线，最后从曲线图上得到最佳设计雨量的准确值 

(根据特定的SS污染控制目标查图即可得对应的最佳设计雨量)； 

步骤五，最后通过以下公式得到水质体积WQV： 

WQV＝10HψF    (1) 

式中：WQV--水质体积；H-设计雨量，mm；ψ-综合径流系数；F-汇水面积，m²。 

质量初期冲刷(Mass First Flush，MFF)曲线表征的是径流量与污染物浓度的变化关系(见图1)，目的为通过控制最合适的径流量来控制径流目标污染物，可表示为： 

$\frac{y}{x}=\frac{\frac{\underset{0}{\overset{t_1}{\∫}}C\left(t\right)Q\left(t\right)\mathrm{dt}}{M}}{\frac{\underset{0}{\overset{t_1}{\∫}}Q\left(t\right)\mathrm{dt}}{V}}---\left(2\right)$

式中：C(t)-t₁时刻污染物浓度； 

Q(t)-t₁时刻径流量； 

M-污染物总量； 

V-径流总量； 

t₁-径流历时； 

x-标准累积径流比率(Normalized Cumulative Flow Volume)，表示t₁时刻累积径流量与整个降雨事件中总径流量的比值； 

y-标准累积污染物比率(Normalized Cumulative Mass)，表示径流形成后t₁时刻累积污染负荷与整个降雨事件中总污染负荷的比值。 

SWMM是由美国环保署(USEPA)在20世纪70年代开始开发的，目前经过不断的完善和升级，已发展到了更高版本。 

SWMM对雨水管、合流制管道、自然排放系统都可以进行水量水质的模拟，它包括地面径流、排水管网输送、贮水处理及受纳水体的影响等。SWMM模型可以对单场降雨或者连续降雨而产生的坡面径流和水质变化进行动态模拟，也可以对排水系统中节点、管道、汇水区以及其他排水构筑物的流量、水深和流速等时间序列的仿真模拟，还可以完整地模拟回水影响、逆流、明渠、地下管网、环状管网以及各种复杂的排水构筑物。 

由于强大的模拟功能，SWMM被广泛用于城市排水系统的水文-水动力学模拟，通过分析模拟得出的管网运行状态，为合理规划管网、优化规划方案提供决策支持。 

本发明水质体积法中，场地条件确定时径流系数与汇水面积为定值，因此，决定径流污染控制量的关键参数为设计雨量。为使设计雨量能够反映水质的控制程度从而真正实现污染控制，本发明基于径流污染物的累积、冲刷及其与降雨量、径流量之间的关系探讨径流污染控制设计雨量的确定方法。 

径流污染水质模拟过程表示如下： 

该过程分为污染物累积(式(3))和污染物源头冲刷(式(4))两个阶段。 

$B=C_1(1-e^{-C_{2}t})---\left(3\right)$

式中B-污染物累积量，kg/ha；C₁-污染物最大累积量，kg/ha；C₂-累积速率常数；t-累积时间，min。 

$W=S_1{q}^{S_2}B---\left(4\right)$

式中W-污染物冲刷量，mg/L；S₁-冲刷系数；S₂-冲刷指数；q-单位面积上的径流量，mm/h；其他参数同上。 

水质体积WQV是为用来确定径流污染控制雨量的量化控制指标，即为达到控制径流污染、保证雨水利用的水质目标所需处理的雨水体积。水质体积法用于捕捉和处理80％～90％的多年平均降雨事件的径流雨水(该降雨事件为可统计年限的降雨事件，一般为30年以上)，水质体积法一般可控制径流中70％～80％的SS负荷，计算方法见式(1)，因不同国家不同地区的污染程度和降雨特点各不相同，设计雨量(WQV的关键参数)取值也不同。我国的降雨季节性强，由于地区间水文、地质、气象条件差异大，各城市降雨特点也有很大差别，因此WQV是控制径流雨水水质的重要指标，也是以水质控制为主要目的时雨水利用 设施规模设计的关键参数。 

本发明利用SWMM(Storm Water Management Model)模型可针对确定的汇水面进行模拟，选取不同的累积及冲刷过程参数，改变污染物负荷、汇水面大小等参数来实现模拟过程，并结合近30年来的降雨资料数据探讨雨水径流污染控制设计雨量的计算方法。 

本发明设计雨量指在特定的径流污染控制目标下需要控制的雨量。对于一个按设计降雨量设计的雨水处理装置，小于设计降雨量的降雨会全部经过处理；大于设计降雨量的降雨，超过的部分将溢流排放，不同的设计雨量对应不同的污染控制率，设计雨量应根据不同城市不同区域的径流特点确定。 

本发明关于设计降雨量的研究不仅考虑到控制降雨场次，更重要的是得到根据具体的雨水水质状况经一系列模拟计算所得到的更加符合现实状况的设计雨量，计算结果可为雨水处理装置的规模合理确定提供重要的设计参数。 

附图说明：

下面参照附图通过例子说明本发明，其中： 

图1是不同重现期下标准累积径流比率与标准累积污染物比率关系曲线图； 

图2降雨量与单场降雨径流SS负荷的关系； 

图3是设计雨量与污染物控制率关系曲线图； 

图4是SWMM模型水文水力主要参数及其取值表； 

图5是屋面水质模拟输入参数表； 

图6是不同重现期下的最佳设计雨量表； 

图7北京城区1977～2006年降雨量与标准累积SS控制比率之间的关系表； 

具体实施方式

下面以北京城区屋面径流雨水为例，利用本发明的方法，探讨设计雨量的模拟确定方法，计算设计建造一个雨水池(径流系数0.86，汇水面积2000m²)： 

本文以北京城区屋面为例结合北京城区的屋面水质状况，采用降雨历时为 24h，雨峰系数为0.4的芝加哥雨型进行SWMM模型的水量模拟。设屋面汇水面积为2000m²；由于SS与其他污染物之间存在较强的相关性，因此进行水质模拟研究时将SS作为径流雨水中污染物控制的关键指标，北京地区雨水径流中COD和SS相关性系数平均值约为0.97，近似取1.0，可用COD污染负荷近似代替SS污染负荷，北京城区屋面单场降雨径流COD面污染负荷年平均值为878～1507mg/m²，通常，SWMM模拟过程中单场降雨冲刷污染负荷约为污染物最大累积负荷的1/10～1/6，经模拟调整计算，污染物(SS)最大累积负荷C1取9370mg/m²；速率常数C2取0.4；由北京降雨强度公式，设计雨量取重现期为0.1的日降雨量(约为19.8mm)模拟降雨过程，经模型调整计算，确定得到如图5所示的模拟输入参数值。 

由SWMM模拟结果及公式(2)的计算得到该冲刷条件下不同重现期时标准累积径流比率与标准累积污染物比率的关系曲线如图1。 

由图1可知，重现期越大，要达到相同的标准累积污染物比率，所需控制的标准累积径流比率越小。 

初始径流雨水中污染物浓度较高，随后污染物浓度经历先快速降低再缓慢降低的过程，因此必然存在某一最佳控制时刻，得到最佳标准累积径流比率和最佳标准累积污染物比率。其具体求解过程如下，作与y＝x平行的直线，与图1中各条曲线相切，即可得到不同重现期下的最佳污染控制点。 

由图6可知，最佳设计雨量随降雨重现期的增加而增加，SS污染控制量也随之增加。以水质控制为主要目的时，雨水利用设施的设计降雨重现期通常为0.2～1a，由此，综合考虑最佳设计雨量范围为8～15mm。注：标准累积径流比率与标准累积降雨比率(标准累积降雨比率表示径流形成后t₁时刻形成径流的降雨量与整个降雨事件中形成径流的降雨量的比值)一致，因此最佳设计雨量＝降雨量×最佳标准累积径流比率。 

当汇水面确定时，只有对长期的污染物控制量进行累计计算才能确定其实际的污染物控制效果。因此，必须结合当地的长期降雨资料及径流雨水污染负荷对不同重现期下的降雨事件进行统计分析、模拟和计算来综合确定要求的污染物总控制率(污染物总控制率即为设计雨量中所控制的污染物负荷与总污染物负荷之比)所对应的设计雨量。设计雨量的确定通过试算的方法进行，设定 控制目标后，可对初定的设计雨量进行调整，最终达到满足控制目标的要求即可。 

本发明模拟计算示例： 

汇水面参数见图5，近30年统计降雨资料如图7所示。SWMM模拟得到如图2所示的降雨量与单场降雨径流SS负荷之间的关系曲线。图7注：降雨日值所对应雨量为多年降雨统计数据。标准累积径流比率：设计雨量大于等于降雨日值时，标准累积径流比率为100；设计雨量小于降雨日值时，标准累积径流比率＝设计雨量/降雨日值×100。通过重现期和标准累积径流比率查阅图1即可得到标准累积污染物比率。SS总控制率为雨量与标准累积SS控制比率的加权。 

根据北京城区屋面汇水面的污染特征设定SS污染控制目标为80％，采用试算法对SS控制率进行计算。由图6可知，以水质控制为主要目的时，不同重现期所对应的最佳设计雨量一般为8～15mm，计算时任意选取一设计雨量如15mm。如图7所示，当降雨量为60mm、控制雨量为15mm时的SS总控制率为：15/60×100％＝25％，对应的重现期为2.42a，查图1和图6可得到此时的标准累积污染物比率为75％。再通过总SS负荷与标准累积污染物比率的加权值，可得SS总控制率为91.1％，超过了80％的设定SS控制目标，因此降低设计雨量值继续试算，直至SS总控制率为80％时，其对应的设计雨量即为满足控制目标的设计降雨量。 

根据图7的计算结果，可以得到如图3所示的北京城区屋面基于多年降雨统计资料的径流污染控制设计雨量与污染物控制率之间的关系曲线(汇水面积为2000m²，污染物最大累积量为9370mg/m²的条件下)。 

基于北京城区屋面具体水质状况，需控制所有降雨过程80％(污染物总控制率，为多年需控制的污染物负荷与总污染物负荷之比，一般取30年)的污染物量，查图3可知其对应的设计雨量为8mm。 

根据本发明的水质体积计算，为在有效控制径流污染的条件下收集雨水，该雨水处理装置的雨水处理池容积大小应为： 

径流系数0.86，汇水面积2000m²，最佳设计降雨量为8mm。 

由本发明的模拟计算方法公式(1)计算可得 

WQV＝10HψF＝10×8×0.86×0.2＝13.76m³。 

此外，采用本发明的设计计算方法得出的设计降雨量不仅可为雨水处理装置雨水池容积的设计提供重要参数，当雨水污染治理设施为滞留塘、渗井、渗沟、低势绿地、植被浅沟或生物处理污染雨水湿地以及生物处理污染雨水景观等时，依然可将本发明设计雨量作为其选择性联合应用时的规模设计参数，通过设计雨量的具体数据，设计降雨污染处理装置的容积(即水质体积WQV)，该规模设计参数可由多个雨水污染处理设施分担最终实现径流的污染控制目的。 

名词解释： 

[1]SS(Suspended Solids)-悬浮物 

[2]COD(Chemical Oxygen Demand)-化学需氧量 

[3]SWMM-Storm Water Management Model-SWMM模型 

SWMM是由美国环保署(USEPA)在20世纪70年代开始开发的，目前经过不断的完善和升级，已发展到了更高版本。 

SWMM对雨水管、合流制管道、自然排放系统都可以进行水量水质的模拟，它包括地面径流、排水管网输送、贮水处理及受纳水体的影响等。由于强大的模拟功能，SWMM被广泛用于城市排水系统的水文-水动力学模拟，通过分析模拟得出的管网运行状态，为合理规划管网、优化规划方案提供决策支持。 

SWMM由4个计算模块和1个服务模块组成。4个计算模块分别为径流模块(Runoff)，输送模块(Transport)，扩充输送模块(Extran)和储存/处理模块(Storage/Treatment)，通过计算模块的运行，SWMM可以对地面径流，排水管网以及污水处理单元等的水量水质进行动态模拟。服务模块的主要功能是进行一些计算后的处理，如统计、绘图等。 

SWMM的网站：http://www.swmm.com/software.php 。

Claims (1)

1.一种雨水处理和利用设施的设计方法，其包括雨水处理设施的选址、设施类型的选择和设施容积的计算，其特征在于设施容积WQV通过下面计算得出：

步骤一，根据不同地区的降雨及径流雨水水质特点针对性地确定汇水面积A、污染物最大累积负荷C₁、累积速率常数C₂、冲刷系数S₁、冲刷指数S₂的具体取值；

步骤二，分别把步骤一中确定的汇水面积A、污染物最大累积负荷C₁、累积速率常数C₂、冲刷系数S₁、冲刷指数S₂等具体数值输入SWMM模型软件中，由SWMM模型软件以及公式

$B=C_1(1-e^{-C_{2}t})$ 和 $W=S_1{q}^{S_2}B$

模拟结果得到不同重现期的标准累积径流比率与标准累积污染物比率曲线图；式中B-污染物累积量，kg/ha；C₁-污染物最大累积量，kg/ha；C₂-累积速率常数；t-累积时间，min；W-污染物冲刷量，mg/L；S₁-冲刷系数；S₂-冲刷指数；q-单位面积上的径流量，mm/h；

步骤三，根据步骤二中得到的不同重现期时的标准累积径流比率与标准累积污染物比率曲线图而得到不同重现期下的最佳设计雨量表，并由特定重现期范围得到对应的最佳设计雨量的范围；

步骤四，根据该地区近30年的降雨资料和特定SS污染控制目标得到设计雨量与污染物控制率关系曲线，最后从曲线图上得到最佳设计雨量的准确值；

步骤五，通过以下公式得到水质体积WQV：

WQV＝10HψF

式中：WQV--水质体积；H-设计雨量，mm；ψ-综合径流系数；F-汇水面积，m²。

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